العلوم الفيزيائية — تطبيقات قوة لابلاس (Force de Laplace) — المحرك الكهربائي وأجهزة القياس — الثالثة ثانوي — بكالوريا

العلوم الفيزيائية — تطبيقات قوة لابلاس (Force de Laplace) — المحرك الكهربائي وأجهزة القياس — الثالثة ثانوي — بكالوريا

مقدمة

قوة لابلاس هي القوة المغناطيسية الناتجة عن تفاعل تيار كهربائي مع مجال مغناطيسي. اكتشفها الفيزيائي الفرنسي بيير سيمون لابلاس، وتعتبر الأساس الفيزيائي لعمل المحركات الكهربائية وأجهزة القياس التناظرية. في هذا الدرس سنتناول التطبيقات العملية لقوة لابلاس مع التركيز على المسائل التي ترد في امتحان البكالوريا.

تذكير بالقانون الأساسي

عندما يمر تيار كهربائي شدته I في سلك طوله L موضوع في مجال مغناطيسي منتظم شدته B، فإن السلك يتعرض لقوة تسمى قوة لابلاس: F = I.L.B.sin(θ). اتجاه القوة يعطى بقاعدة اليد اليمنى ويكون عموديا على كل من التيار والمجال المغناطيسي.

تطبيق 1: المحرك الكهربائي

يتكون المحرك الكهربائي البسيط من ملف مستطيل (أو مربع) يمكنه الدوران حول محور، موضوع بين قطبي مغناطيس دائم. عند تمرير تيار في الملف، تؤثر قوى لابلاس على جانبي الملف بقوتين متعاكستين في الاتجاه (بسبب عكس اتجاه التيار في كل جانب)، مما يولد عزما يسبب دوران الملف. العزم المحرك C يعطى بالعلاقة: C = N.B.I.S.sin(α) حيث N عدد لفات الملف، S مساحة الملف، α الزاوية بين المجال B والعمودي على سطح الملف.

القيمة الأعظمية للعزم تكون عندما يكون الملف موازيا للمجال (α = 90°). وتكون معدوما عندما يكون الملف عموديا على المجال (α = 0°). في المحركات العملية، يستخدم جهاز يسمى “المبدل” (commutator) لعكس اتجاه التيار كل نصف دورة، مما يضمن استمرار الدوران في نفس الاتجاه.

تطبيق 2: جهاز الغلفانومتر

الغلفانومتر هو جهاز يستخدم لقياس التيارات الكهربائية الصغيرة جدا. يتكون من ملف صغير معلق بين قطبي مغناطيس دائم، ومؤشر متصل بالملف. عند مرور تيار في الملف، تؤثر قوة لابلاس وتسبب انحراف الملف (والمؤشر المرتبط به) بزاوية تتناسب مع شدة التيار. يقوم نابض حلزوني بإعادة المؤشر إلى الصفر عند انقطاع التيار.

تطبيق 3: مكبر الصوت

في مكبر الصوت (السماعة)، يمر تيار كهربائي متغير في ملف مرتبط بغشاء مرن. الملف موضوع في مجال مغناطيسي دائم. التغير في التيار يسبب تغير في قوة لابلاس المؤثرة على الملف، مما يسبب اهتزاز الغشاء وإنتاج موجات صوتية تطابق الإشارة الكهربائية الأصلية.

تطبيق 4: قطار الرفع المغناطيسي (Maglev)

تستخدم قطارات الرفع المغناطيسي قوى لابلاس (أو قوى لورنتس بشكل عام) للرفع والدفع دون احتكاك مع السكة. تمر تيارات كهربائية في ملفات على طول السكة، ويتفاعل المجال المغناطيسي الناتج مع مغناطيسات في القطار لرفعه ودفعه للأمام بسرعات عالية جدا (أكثر من 500 km/h).

أمثلة بكالوريا محلولة

مثال 1 (بكالوريا 2023 – علوم تجريبية): ملف مستطيل عدد لفاته N=50، طوله a=10cm وعرضه b=5cm، موضوع في مجال مغناطيسي منتظم B=0.1T. يمر في الملف تيار I=2A. احسب القيمة الأعظمية للعزم المحرك.

الحل: S = a x b = 0.1 x 0.05 = 0.005 m². Cmax = N.B.I.S = 50 x 0.1 x 2 x 0.005 = 0.05 N.m.

مثال 2 (بكالوريا 2021): سلك مستقيم طوله L=15cm يسري فيه تيار I=4A موضوع في مجال B=0.3T. أحسب F عندما تكون الزاوية مع المجال 60°.

الحل: F = I.L.B.sin60° = 4 x 0.15 x 0.3 x 0.866 = 0.156 N.

الخلاصة

قوة لابلاس لها تطبيقات واسعة في الحياة اليومية، وأهمها المحرك الكهربائي الذي يعتمد على دوران ملف في مجال مغناطيسي بفعل هذه القوة. إتقان حساب العزم المحرك والقوى في مختلف الحالات ضروري لامتحان البكالوريا.

📍 دروس مشابهة

• المتابعة الزمنية للتحول الكيميائي: سرعة التفاعل وعوامل التأثير – العلوم الفيزيائ
• الأحماض الكربوكسيلية وتفاعلات الأسترة: الخواص والتسمية والتطبيقات — العلوم الفيز
• الحركة الدورانية لجسم صلب حول محور ثابت: عزم القوة والعطالة — الثالثة ثانوي (بكا