الحقل المغناطيسي: مصادره وخصائصه وتطبيقاته – الثالثة ثانوي (بكالوريا) فيزياء

الحقل المغناطيسي: مصادره وخصائصه وتطبيقاته

مقدمة

الحقل المغناطيسي هو أحد المفاهيم الأساسية في الفيزياء، وله تطبيقات واسعة في حياتنا اليومية. في هذا الدرس المخصص لتلاميذ السنة الثالثة ثانوي شعبة علوم تجريبية وتحضيري بكالوريا، سنتناول تعريف الحقل المغناطيسي، مصادره، خصائصه، وقاعدة اليد اليمنى، بالإضافة إلى تطبيقات مهمة مثل المغناطيس الكهربائي والمحرك الكهربائي، مع تمارين بكالوريا محلولة.

مصادر الحقل المغناطيسي

يوجد مصدران رئيسيان للحقل المغناطيسي:

• المغناطيس الدائم: وهو جسم يصدر حقلاً مغناطيسياً بشكل دائم، مثل المغناطيس الطبيعي (Fe₃O₄) والمغناطيس الاصطناعي (سبائك الحديد مع النيكل والكوبالت). يتميز المغناطيس الدائم بوجود قطبي شمالي وجنوبي.
• التيار الكهربائي: يولد مرور تيار كهربائي في موصل حقلاً مغناطيسياً حوله. هذه الظاهرة اكتشفها العالم هانز كريستيان أورستد عام 1820م، وتعتبر أساس عمل العديد من الأجهزة الكهربائية.

خطوط الحقل المغناطيسي

خطوط الحقل المغناطيسي هي خطوط وهمية تستخدم لتمثيل الحقل المغناطيسي في الفضاء. خصائصها:

• تخرج من القطب الشمالي وتدخل إلى القطب الجنوبي خارج المغناطيس.
• داخله، تنتقل من القطب الجنوبي إلى القطب الشمالي لتشكيل حلقات مغلقة.
• لا تتقاطع أبداً.
• كثافتها تدل على شدة الحقل المغناطيسي (كلما كانت أكثر كثافة، زادت الشدة).

شدة الحقل المغناطيسي واتجاهه

شدة الحقل المغناطيسي B عند نقطة معينة تُعطى بالعلاقة:

\[ B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} \]

حيث μ₀ نفاذية الفراغ، I شدة التيار الكهربائي، وr المسافة عن السلك.

اتجاه الحقل المغناطيسي يكون مماساً لخطوط الحقل عند كل نقطة، ويُحدد باستخدام قاعدة اليد اليمنى أو بوصلة صغيرة.

الحقل المغناطيسي لسلك مستقيم

عند مرور تيار كهربائي في سلك مستقيم طويل، يتولد حوله حقل مغناطيسي على شكل دوائر متحدة المركز. شدة الحقل تتناسب طرداً مع شدة التيار وعكساً مع المسافة عن السلك. كلما ابتعدنا عن السلك، ضعف الحقل المغناطيسي.

الحقل المغناطيسي لملف لولبي

الملف اللولبي (السولينويد) هو سلك ملفوف على شكل حلزوني. عند مرور تيار كهربائي فيه، يتولد داخله حقل مغناطيسي منتظم تقريباً. يمكن حساب شدة الحقل داخل ملف لولبي طويل بالعلاقة:

\[ B = \mu_0 n I \]

حيث n عدد اللفات لكل وحدة طول. يُستخدم الملف اللولبي في المغناطيسات الكهربائية والمحولات الكهربائية.

تطبيقات الحقل المغناطيسي

تمارين بكالوريا محلولة

التمرين الأول: سلك مستقيم يمر فيه تيار شدته 5 أمبير. أحسب شدة الحقل المغناطيسي عند نقطة تبعد 10 سم عن السلك. (استخدم μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A)

الحل: بالتعويض في قانون Biot-Savart: B = (4π × 10⁻⁷ × 5) / (2π × 0.1) = 10⁻⁵ T

التمرين الثاني: ملف لولبي طوله 20 cm يحتوي على 500 لفة ويمر فيه تيار 2 A. أحسب شدة الحقل المغناطيسي داخله.

الحل: n = 500 / 0.2 = 2500 لفة/متر. B = 4π × 10⁻⁷ × 2500 × 2 = 6.28 × 10⁻³ T

📍 دروس مشابهة:

• العدسات الرقيقة: شرح وتطبيقات محلولة في البصريات الهندسية
• السقوط الرأسي لجسم صلب: دراسة حركة الأجسام في مجال الجاذبية