IGCSE, A-Level & AP IGCSE, A-Level & AP معاينة الورقة

المغناطيسية والكهرومغناطيسية

AP الفيزياء 2 · الموضوع 12

عرض الشرائح تدريب
درس فيديو لهذا الموضوع افتح صفحة الفيديو
9:21

المغناطيسية والكهرومغناطيسية

مرتفعاً جداً فوق القطب الشمالي، يضيء السماء الليلية باللون الأخضر. هذه الستائر الضوئية ليست ناراً. إنها جسيمات مشحونة من الشمس، تصل عند مليون…

سرد باللغة الإنجليزية · ترجمة مدمجة بالإنجليزية + الصينية

12.1

المجالات المغناطيسية
المنهج
Learning ObjectiveEssential Knowledge

12.1.A
Describe the properties of a magnetic field.

  • 12.1.A.1 A magnetic field is a vector field that can be used to determine the magnetic force exerted on moving electric charges, electric currents, or magnetic materials.
    • 12.1.A.1.i Magnetic fields can be produced by magnetic dipoles or combinations of dipoles, but never by monopoles.
    • 12.1.A.1.ii Magnetic dipoles have north and south polarity.
  • 12.1.A.2 A magnetic field is a vector quantity and can be represented using vector field maps.
    • 12.1.A.2.i Magnetic field lines form closed loops.
    • 12.1.A.2.ii Magnetic fields in a bar magnet form closed loops, with the external magnetic field pointing away from one end (defined as the north pole) and returning to the other end (defined as the south pole).

12.1.B
Describe the magnetic behavior of a material as a result of the configuration of magnetic dipoles in the material.

  • 12.1.B.1 Magnetic dipoles result from the circular or rotational motion of electric charges. In magnetic materials, this can be the motion of electrons.
    • 12.1.B.1.i Permanent magnetism and induced magnetism are system properties that both result from the alignment of magnetic dipoles within a system.
    • 12.1.B.1.ii No magnetic north pole is ever found in isolation from a south pole. For example, if a bar magnet is broken in half, both halves are magnetic dipoles.
    • 12.1.B.1.iii Magnetic poles of the same polarity will repel; magnetic poles of opposite polarity will attract.
    • 12.1.B.1.iv The magnitude of the magnetic field from a magnetic dipole decreases with increasing distance from the dipole.
  • 12.1.B.2 A magnetic dipole, such as a magnetic compass, placed in a magnetic field will tend to align with the magnetic field.
  • 12.1.B.3 A material's composition influences its magnetic behavior in the presence of an external magnetic field.
    • 12.1.B.3.i Ferromagnetic materials such as iron, nickel, and cobalt can be permanently magnetized by an external field that causes the alignment of magnetic domains or atomic magnetic dipoles.
    • 12.1.B.3.ii Paramagnetic materials such as aluminum, titanium, and magnesium interact weakly with an external magnetic field, in that the magnetic dipoles of the material do not remain aligned after the external field is removed.
    • 12.1.B.3.iii All materials have the property of diamagnetism, in that their electronic structure creates a usually weak alignment of the dipole moments of the material opposite the external magnetic field.
  • 12.1.B4 Earth's magnetic field may be approximated as a magnetic dipole.

12.1.C
Describe the magnetic permeability of a material.

  • 12.1.C.1 Magnetic permeability is a measurement of the amount of magnetization in a material in response to an external magnetic field.
  • 12.1.C.2 Free space has a constant value of magnetic permeability, known as the vacuum permeability $\mu_0$, that appears in equations representing physical relationships.
  • 12.1.C.3 The permeability of matter has values different from that of free space and arises from the matter's composition and arrangement. It is not a constant for a material and varies based on many factors, including temperature, orientation, and strength of the external field.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

المجال المغناطيسي حول تيار كهربائي
ستائر من الضوء الأخضر تتوهج في السماء الليلية فوق landscape ثلجي
الشمال القطري: جسيمات مشحونة من الشمس تُوجه بواسطة المجال المغناطيسي للأرض نحو الأقطاب، حيث تصطدم بالهواء وتجعله يتوهج

استجابة المواد المختلفة للمجال المغناطيسي تختلف كثيراً، واسم الدورة ثلاثة أنواع. المواد الفيرومغناطيسية (الحديد، النيكل، الكوبالت) لها أقطاب ثنائية تتمايز بقوة وتبقى متصاوغة، لذا يمكن أن تكون مغناطيسية دائمة. المواد البارامغناطيسية (الألمنيوم، التيتانيوم) تتمايز بشكل ضعيف ولا تبقى متصاوغة. المواد الديامغناطيسية - في الواقع جميع المواد لديها بعض الديامغناطيسية - تتمايز بشكل ضعيف عكس اتجاه المجال. يأتي هذا السلوك من خاصية مادة، وهي النفاذية: الفراغ الحر له نفاذية ثابتة $\mu_0$، بينما نفاذية المادة تختلف عنها وليست حتى ثابتة لمادة معينة.

المجال المغناطيسي $\vec{B}$ يحيط بالمغناطيسات والشحنات المتحركة. تمتد خطوط المجال من قطب شمال المغناطيس إلى قطب جنوبه خارج المغناطيس، والخطوط الأكثر كثافة تعني مجالاً أقوى. تأتي الأقطاب المغناطيسية دائماً في ازواج – قطع مغناطيس إلى نصفين ينتج مغناطيسين أصغر، وليس قطباً معزولاً.

تسير خطوط المجال من N إلى S خارج المغناطيس المستطيل، وتقترب عند المناطق التي يكون فيها المجال أقوى
خطوط المجال تمتد من N إلى S خارج مغناطيس قضيب، تكون أقرب حيث يكون المجال أقوى
أشواك الحديد تشكل خطوطًا منحنية حول مغناطيس مستطيل
ترتب رقائق الحديد على طول المجال المغناطيسي، مما يجعل خطوط المجال غير المرئية لمغناطيس القضيب مرئية
استكشف

رؤية خطوط مجال المغناطيس

خطوط المجال المغناطيسي تمتد من القطب الشمالي إلى الجنوبي خارج المغناطيس. حيث تتكدس الخطوط يكون المجال أقوى.

مفردات تدريب
English العربية
Ferromagnetic/ˌferəməɡˈnetɪk/ فائق المغناطيسية
Paramagnetic/ˌpærəməɡˈnetɪk/ شبه مغناطيسي
Diamagnetic/ˌdaɪəməɡˈnetɪk/ مضاد للمغناطيسية
permeability/ˌpɜːməˈbɪlɪti/ النفاذية
magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ المجال المغناطيسي
12.2

المغناطيسية والشحنات المتحركة
المنهج

الهدف التعليمي 12.2.A: وصف المجال المغناطيسي الناتج عن الأجسام المشحونة المتحركة.

  • 12.2.A.1 الجسيم المشحون المتحرك الواحد يُنتج مجالاً مغناطيسياً.
    • 12.2.A.1.i يعتمد المجال المغناطيسي عند نقطة معينة ناتج عن جسم مشحون متحرك على سرعة الجسم والمسافة بين تلك النقطة والجسم.
    • 12.2.A.1.ii عند نقطة في الفضاء، يكون اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن جسم مشحون متحرك عمودياً على كل من سرعة الجسم ومتجه الموضع من الجسم إلى تلك النقطة في الفضاء، ويمكن تحديده باستخدام قاعدة اليد اليمنى.
    • 12.2.A.1.iii تكون قيمة المجال المغناطيسي في أقصى حد عندما يكون متجه السرعة ومتجه الموضع من الجسم إلى تلك النقطة في الفضاء عموديين على بعضهما البعض.

الهدف التعليمي 12.2.B: وصف القوة المؤثرة على الأجسام المشحونة المتحركة بواسطة مجال مغناطيسي.

  • 12.2.B.1 القوى المغناطيسية تصف التفاعلات بين الأجسام المشحونة المتحركة.
  • 12.2.B.2 قد يمارس مجال مغناطيسي قوة على جسم مشحون يتحرك داخل هذا المجال.
    • 12.2.B.2.i تتناسب قيمة القوة التي يمارسها مجال مغناطيسي على جسم مشحون متحرك طردياً مع قيمة الشحنة، وقيمة سرعة الجسم المشحون، وقيمة المجال المغناطيسي، كما تعتمد أيضاً على الزاوية بين متجه السرعة ومتجه المجال المغناطيسي.
      • معادلة: $F_B = qvB\sin\theta$
    • 12.2.B.2.ii يكون اتجاه القوة التي يمارسها مجال مغناطيسي على جسم مشحون متحرك عمودياً على كل من اتجاه المجال المغناطيسي وسرعة الشحنة، كما هو محدد بقاعدة اليد اليمنى.
  • 12.2.B.3 في منطقة تحتوي على كل من مجال مغناطيسي ومجال كهربائي، سيخضع الجسم المشحون المتحرك لقوى مستقلة من كل مجال.
  • 12.2.B.4 يُعرف تأثير هيل بفرق الجهد الذي ينشأ في موصل بفعل مجال مغناطيسي خارجي له مركبة عمودية على اتجاه حركة الشحنات داخل الموصل.

عبارة الحدود: يقتصر المعالجة الكمية لقيمة القوة المغناطيسية التي يمارسها مجال مغناطيسي على شحنة متحركة على زوايا قدرها 0 و90 و180 درجة بين السرعة والمجال المغناطيسي. يُسمح بالتحليل النوعي للزوايا الأخرى.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

شحنة متحركة في حقل مغناطيسي

الشحنة المتحركة عبر مجال مغناطيسي تتعرض لقوة مغناطيسية:

$$F=qvB\sin\theta,$$
حيث $\theta$ هي الزاوية بين السرعة والمجال. القوة عمودية على كل من $\vec{v}$ و$\vec{B}$ (باستخدام قاعدة اليد اليمنى)، لذا فهي تغير الاتجاه لكن لا تغير السرعة – الشحنة المتحركة عمودياً على مجال منتظم تسير في مسار دائري. الشحنة الساكنة، أو تلك التي تتحرك موازية للمجال، لا تشعر بأي قوة مغناطيسية.

جسيم مشحون يتحرك عبر مجال مغناطيسي يتبع مساراً دائرياً
جسيم مشحون يتحرك عبر مجال مغناطيسي يتبع مساراً دائرياً

مثال محلول. بروتون ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$، $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) يدخل مجالاً $0.50\ \text{T}$ بسرعة $2.0\times10^{5}\ \text{m/s}$، عمودياً على المجال. القوة المغناطيسية هي

$$F=qvB=1.6\times10^{-19}\times2.0\times10^{5}\times0.50=1.6\times10^{-14}\ \text{N}.$$
هذه القوة هي القوة المركزية، لذا فإنها تنحني البروتون في دائرة نصف قطرها
$$r=\frac{mv}{qB}=\frac{1.67\times10^{-27}\times2.0\times10^{5}}{1.6\times10^{-19}\times0.50}=4.2\times10^{-3}\ \text{m}.$$
بوضع $qvB=\dfrac{mv^2}{r}$ واختصار الحدود نحصل على العلاقة البسيطة $r=mv/(qB)$ – وهي المبدأ خلف مطياف الكتلة.

مفردات تدريب
English العربية
magnetic force/mæɡˈnetɪk fɔːs/ القوة المغناطيسية
12.3

المغناطيسية والأسلاك الحاملة للتيار
المنهج

الهدف التعليمي 12.3.A: وصف المجال المغناطيسي الناتج عن سلك حامل للتيار.

  • 12.3.A.1 السلك الحامل للتيار يُنتج مجالاً مغناطيسياً.
    • 12.3.A.1.i متجهات المجال المغناطيسي حول سلك طويل ومستقيم حامل للتيار تكون مماسة لدوائر متحدة المركز مركزها ذلك السلك. ولا يحتوي المجال على أي مركبات نحو أو بعيداً أو موازية للسلك الطويل والمستقيم الحامل للتيار.
    • 12.3.A.1.ii عند نقطة في الفضاء، تتناسب قيمة المجال المغناطيسي بسبب سلك طويل ومستقيم حامل للتيار طردياً مع قيمة التيار في السلك وعكسياً مع المسافة العمودية من المحور المركزي للسلك إلى النقطة.
      • معادلة: $B = \dfrac{\mu_0}{2\pi}\dfrac{I}{r}$
    • 12.3.A.1.iii يتم تحديد اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن سلك حامل للتيار باستخدام قاعدة اليد اليمنى.
    • 12.3.A.1.iv يكون اتجاه المجال المغناطيسي في مركز حلقة حاملة للتيار موجهاً على طول محور الحلقة ويمكن إيجاده باستخدام قاعدة اليد اليمنى.
    • 12.3.A.1.v يمكن تحديد المجال المغناطيسي عند موقع قريب من سلكين أو أكثر حاملي للتيار باستخدام مبادئ الجمع المتجهي.

الهدف التعليمي 12.3.B: وصف القوة المؤثرة على سلك حامل للتيار بواسطة مجال مغناطيسي.

  • 12.3.B.1 قد يمارس مجال مغناطيسي قوة على سلك حامل للتيار.
    • 12.3.B.1.i تتناسب قيمة القوة التي يمارسها مجال مغناطيسي على سلك حامل للتيار طردياً مع التيار، وطول الجزء من السلك الموجود داخل المجال المغناطيسي، وقيمة المجال المغناطيسي، كما تعتمد أيضاً على الزاوية بين اتجاه التيار في السلك واتجاه المجال المغناطيسي.
      • معادلة: $F_B = I\ell B\sin\theta$
    • 12.3.B.1.ii يُحدد اتجاه القوة التي يمارسها المجال المغناطيسي على سلك حامل للتيار باستخدام قاعدة اليد اليمنى.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

لأن التيار هو شحنة متحركة، فإن المجال المغناطيسي يدفع على سلك حامل للتيار:

$$F=BIL\sin\theta.$$
التيار أيضاً يولد مجاله المغناطيسي الخاص: خطوط المجال الدائرية تحيط بسلك مستقيم (قاعدة اليد اليمنى)، وال ملف (السولينويد) يولد مجالا يشبه مغناطيس القضيب. هذا هو مبدأ عمل الكهرومغناطيسات والمحركات.

خطوط مجال دائرية متماحدة تحيط بسلك مستقيم حامل للتيار
خطوط مجال دائرية متماحدة تحيط بسلك مستقيم حامل للتيار

مثال محلول. سلك طوله $0.30\ \text{m}$ يمر به تيار $4.0\ \text{A}$ عمودياً على مجال $0.20\ \text{T}$. القوة المؤثرة عليه هي $F=BIL=0.20\times4.0\times0.30=0.24\ \text{N}$ – وهي الدفع الذي يحرك ملف المحرك.

ملف حامل للتيار (سولينويد) يولد مجالاً مغناطيسياً يشبه تماماً مجال مغناطيس القضيب
ملف حامل للتيار (سولينويد) يولد مجالاً مغناطيسياً يشبه تماماً مجال مغناطيس القضيب
استكشف

إيجاد القوة المؤثرة على تيار في مجال

يتعرض تيار في مجال مغناطيسي لقوة $F = BIL$، عمودية على كليهما. استخدم قاعدة اليد اليسرى؛ اعكس التيار أو المجال وتنقلب القوة.

12.4

الحث الكهرومغناطيسي وقانون فاراداي
المنهج
Learning ObjectiveEssential Knowledge

12.4.A
Describe the induced electric potential difference resulting from a change in magnetic flux.

  • 12.4.A.1 Magnetic flux is a description of the amount of the component of a magnetic field that is perpendicular to a cross-sectional area.
  • 12.4.A.2 Magnetic flux through a surface is proportional to the magnitude of the component of the magnetic field perpendicular to the surface and to the cross-sectional area of the surface.
    • Equation: $\Phi_B = BA\cos\theta$
    • 12.4.A.2.i The area vector is defined to be perpendicular to the plane of the surface and directed outward from a closed surface.
    • 12.4.A.2.ii The sign of the magnetic flux indicates whether the magnetic field is parallel to or antiparallel to the area vector.
  • 12.4.A.3 Faraday’s law describes the relationship between changing magnetic flux and the resulting induced emf in a system.
    • Equation: $|\mathcal{E}| = \left|\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t}\right|$
  • 12.4.A.4 Lenz’s law is used to determine the direction of an induced emf resulting from a changing magnetic flux.
    • Equation: $\mathcal{E} = -\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t} = -\dfrac{\Delta(BA\cos\theta)}{\Delta t}$
    • 12.4.A.4.i An induced emf generates a current that creates a magnetic field that opposes the change in magnetic flux.
    • 12.4.A.4.ii The right-hand rule is used to determine the relationships between current, emf, and magnetic flux.
  • 12.4.A.5 A common example of electromagnetic induction is a conducting rod on conducting rails in a region with a uniform magnetic field.
    • Derived equation: $\mathcal{E} = B\ell v$

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

الحث الكهرومغناطيسي

المجال المغناطيسي المتغير خلال حلقة يُحدث تياراً – الحث الكهرومغناطيسي. التدفق المغناطيسي $\Phi=BA\cos\theta$ يقيس مقدار المجال المار عبر الحلقة. يعطي قانون فاراداي القوة الدافعة الكهربائية المستحثة:

$$\varepsilon=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}.$$
يتغير التدفق إذا تغير المجال، أو المساحة، أو اتجاه الحلقة. ينص قانون لنز (الإشارة السالبة) على أن التيار المستحث يسري بحيث يعارض التغيير الذي تسببه – وهو أساس المولدات.

تحريك مغناطيس داخل ملف يُحدث قوة دافعة كهربائية تُحدث تياراً
تحريك مغناطيس داخل ملف يُحدث قوة دافعة كهربائية تُحدث تياراً

مثال محلول. انخفض التدفق المغناطيسي خلال حلقة واحدة من $0.020\ \text{Wb}$ إلى $0.008\ \text{Wb}$ في زمن $0.030\ \text{s}$. متوسط القوة الدافعة الكهربائية المستحثة هو

$$\varepsilon=\left|\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|=\frac{0.020-0.008}{0.030}=0.40\ \text{V}.$$
ملف مكون من $N$ لفات سيُنتج $N$ مرة هذه القيمة – ولهذا السبب تستخدم المولدات والمحولات ملفات متعددة اللفات.

محول محطة تحويل: التدفق المغناطيسي المتغير في الملفات يُحدث الجهود التي تغذي الشبكة
محول محطة تحويل: التدفق المغناطيسي المتغير في الملفات يُحدث الجهود التي تغذي الشبكة
استكشف

استحث جهدًا بحركة مغناطيس

قانون فاراداي: التدفق المغناطيسي المتغير عبر ملف يحث جهدًا. حرك المغناطيس بسرعة أكبر وتتزايد القوة الدافعة الكهربائية المستحثة؛ قانون لنتز يحدد اتجاهها لمعارضة التغيير.

مفردات تدريب
English العربية
electromagnetic induction/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ɪnˈdʌkʃn/ الحث الكهرومغناطيسي
magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ التدفق المغناطيسي
Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ قانون فاراداي
Lenz's law/ˈlentsɪz lɔː/ قانون لنز
12.4

نصائح للامتحان
  • القوة المغناطيسية $F=qvB\sin\theta$ عمودية على السرعة، لذا فهي تغير الاتجاه (دائرة) لكن لا تغير السرعة؛ الشحنة الساكنة أو التي تتحرك على طول المجال لا تشعر بأي قوة.
  • استخدم $F=BIL$ لحساب القوة على سلك حامل للتيار (تأثير المحرك).
  • التيار يولد مجالاً مغناطيسياً (دوائر حول سلك؛ السولينويد يعمل كمغناطيس قضيب).
  • الحث الكهرومغناطيسي يتطلب تدفقًا متغيرًا $\Phi=BA$ — والمغناطيس الساكن داخل ملف لا يُحدث أي تيار محث.
  • فاراداي: $\varepsilon=\Delta\Phi/\Delta t$ (مضروباً في $N$ لفة)؛ lenz: التيار المستحث يعارض التغيير (حفظ الطاقة).

دروس تفاعلية حول هذا الموضوع

ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.

أوراق الامتحانات السابقة

المزيد من المواضيع في AP الفيزياء 2

تسجيل الدخول أو إنشاء حساب

IGCSE, A-Level & AP