حل فيزياء 4 مقررات 1442
السؤال : المجاالت المغناطيسية هل المجال المغناطيسي حقيقي أم مجرد وسيلة من النمذجة العلمية؟
الجواب : خطوط المجال ليست حقيقة. أما المجال فهو حقيقي.
السؤال : القوى المغناطيسية اذكر بعض القوى المغناطيسية الموجودة حولك، وكيف يمكنك عرض تأثيرات هذه القوى؟
الجواب : المغانط الموجودة على أبواب الثالجة، والمجال المغناطيسي األرضي. ويمكن عرض تأثير هذه القوى عن طريق إحضار مغناطيس آخر أو مادة يمكن مغنطتها بالقرب منها
السؤال : اتجاه المجال المغناطيسي صف قاعدة اليد اليمنى المستخدمة لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي حول سلك مستقيم يمر فيه تيار كهربائي.
الجواب : إذا قبضت على السلك بيدك اليمنى وجعلت إبهامك يشير إلى اتجاه التيار الاصطلاحي فسيشير انحناء أصابعك نحو اتجاه المجال المغناطيسي
السؤال : المغانط الكهربائية وضعت قطعة زجاج رقيقة وشفافة وضعت فوق مغناطيس كهربائي نشط، ورش فوقها برادة الحديد فترتبت بنمط معين. إذا أعيدت التجربة بعد عكس قطبية مصدر الجهد. فما االختالفات التي ستالحظها؟ وضح إجابتك.
الجواب : لا شيء، برادة الحديد ستبين شكل المجال نفسه، ولكن البوصلة ستبين انعكاس القطبية المغناطيسية.
السؤال : التفكير الناقد تخيل لعبة داخلها قضيبان فلزيان متوازيان وضعا بصورة أفقية أحدهما فوق الآخر، وكان القضيب العلوي حر الحركة إلى أعلى وإلى أسفل.
أ- القضيب العلوي يطفو فوق السفلي، وعكس اتجاهه فإنه يسقط نحو القضيب السفلي ؟ وضح لماذا قد يسلك القضيبان هذا السلوك؟
الجواب : سيصبح القضيبان الفلزيان مغناطيسيين لهما محاور متوازية، وإذا وضع القضيب العلوي بحيث يكون قطباه الشمالي N والجنوبي S للقضيب السفلي، فسيتنافر القضيب العلوي وسيكون معلقاً أو طافياً فوق السفلي، وإذا عكس طرفا المغناطيس العلوي فسيحدث تجاذب مع المغناطيس السفلي.
ب - افترض أن القضيب العلوي قد فقد وحل محله قضيب آخر. في هذه الحالة يسقط القضيب العلوي نحو قمة القضيب السفلي مهما كان اتجاهه. فما نوع القضيب الذي استعمل؟
الجواب : إذا وضع أي قضيب من الحديد العادي في الأعلى، فسينجذب إلى المغناطيس السفلي بأي اتجاه
السؤال : إذا كسرت مغناطیس جزأين فهل تحصل على قطبين منفصلين شمالي وجنوبي؟ وضح إجابتك
الجواب : لا، ستتكون أقطاب جديدة على كل طرف من الأطراف المكسورة
السؤال : صف كيفية استخدام القاعدة الأولى لليد اليمني لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي حول سلك مستقيم يسري فيه تيار كهربائي. الجواب : اقبض على السلك باليد اليمني، واجعل الإبهام يشير إلى اتجاه التيار الاصطلاحي في السلك، وستطوق الأصابع السلك مشيرة إلى اتجاه المجال المغناطيسي.
السؤال : إذا مر تيار كهربائي في سلك على شكل حلقة يسري فيه تيار كهربائي فلماذا
الجواب : يكون المجال المغناطيسي داخل الحلقة أكبر من خارجها؟ تتركز خطوط المجال المغناطيسي داخل الحلقة.
السؤال : صف كيفية استخدام القاعدة الثانية لليد اليمني لتحديد قطبي مغناطيس كهربائي ؟
الجواب : القبض على الملف باليد اليمني، ستطوق الأصابع الملف وتدور مشيرة إلى اتجاه التيار الاصطلاحي فيه، وسيشير إبهام اليد اليمني إلى القطب الشمالي للمغناطیس الكهربائي.
السؤال : كل إلكترون في قطعة حديد يشبه مغناطيسة صغيرة جدا. إلا أن قطعة الحديد قد لا تكون مغناطيسا. وضح إجابتك.
الجواب : لا تكون الإلكترونات في الاتجاه نفسه ولا تتحرك في الاتجاه نفسه، ولذلك ستكون مجالاتها المغناطيسية عشوائية.
السؤال : لماذا يضعف المغناطيس عند طرقه أو تسخينه؟
الجواب : ستتبعثر المناطق المغناطيسية مقارنة بالنسق الذي كانت عليه.
السؤال : صف كيفية استخدام القاعدة الثالثة لليد اليمني لتحديد اتجاه القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك يسري فيه تيار موضع في مجال مغناطيسي.
الجواب : اجعل أصابع اليد اليمني تشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي، واجعل الإبهام يشير إلى اتجاه التيار الاصطلاحي المتدفق في السلك. سيكون العمود الخارج من باطن الكف في اتجاه القوة المؤثرة في السلك.
السؤال : مر تيار كهربائي كبير في سلك فجأة، ومع ذلك لم يتأثر بأي قوة، فهل تستنتج أنه لا يوجد مجال مغناطيسي في موقع السلك؟ وضح إجابتك
الجواب : لا، إذا كان المجال موازية للسلك فلا توجد قوة مؤثرة.
السؤال : أخفي مغناطيس صغير في موقع محدد داخل كرة تنس. صف تجربة يمكنك من خلالها تحديد موقع كل من القطب الشمالي والقطب الجنوبي للمغناطيس.
الجواب : استخدم البوصلة، سينجذب القطب الشمالي لإبرة البوصلة إلى القطب الجنوبي، والعكس صحيح.
السؤال : انجذبت قطعة فلزية إلى أحد قطبي مغناطيس كبير. صف كيف يمكنك معرفة ما إذا كانت القطعة الفلزية مغناطيسة مؤقتة أم مغناطیس دائما؟
الجواب : انقلها إلى القطب الآخر، إذا انجذب الطرف نفسه فستصبح مغناطيسة مؤقتة، وإذا تنافر الطرف نفسه مع المغناطيس فستصبح مغناطیس دائما.
السؤال : هل القوة المغناطيسية التي تؤثر بها الأرض في الإبرة المغناطيسية للبوصلة أقل أو تساوي أو أكبر من القوة التي تؤثر بها إبرة البوصلة في الأرض؟ وضح إجابتك
الجواب : القوي متساوية وفق القانون الثالث لنيوتن.
السؤال : البوصلة افترض أنك تهت في غابة، لكنك كنت تحمل بوصلة، ولسوء الحظ كان اللون الأحمر المحدد للقطب الشمالي غير واضح، وكان معك مصباح يدوي وبطارية وسلك. كيف يمكنك تحديد القطب الشمالي للبوصلة؟
الجواب : صل السلك مع غطاء البطارية بحيث يكون التيار دائما مبتعدا عنك في احد الفروع، ثم احمل البوصلة فوق السلك مباشرة وقريبة من ذلك الفرع من السلك، وباستخدام قاعدة اليد اليمني سيكون طرف إبرة البوصلة المشير نحو الشرق قطب شمالية.
السؤال : يمكن للمغناطیس جذب قطعة حديد ليست مغناطیس دائما، كما يمكن لقضيب مطاط مشحون جذب عازل متعادل. صف العمليات المجهرية المختلفة التي تنتج هذه الظواهر المتشابهة.
الجواب : يجبر المغناطيس جميع المناطق المغناطيسية في الحديد على أن تشير إلى الاتجاه نفسه، وتفصل ساق المطاط المشحونة الشحنات الموجبة عن السابلة في العازل.
السؤال : سلك موضوع على طول طاولة المختبر، يسري فيه تيار. صف طريقتين على الأقل يمكنك بهما تحديد اتجاه التيار المار به. الجواب : استخدم البوصلة لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي ثم أحضر مغناطيسة قوية وحدد اتجاه القوة المؤثرة في السلك ثم استخدم قاعدة اليد اليمني
السؤال : يمكن للمجال المغناطيسي أن يؤثر بقوة في جسيم مشحون، فهل يمكن للمجال أن يغير الطاقة الحركية للجسيم؟ وضح إجابتك
الجواب : لا، القوة دائما متعامدة مع اتجاه السرعة، فلا يبذل شغل، ولذلك لا تتغير الطاقة الحركية.
السؤال : تتحرك حزمة بروتونات من الخلف إلى الأمام في غرفة. فانحرفت إلى أعلى عندما أثر فيها مجال مغناطيسي. ما اتجاه المجال المغناطيسي المسبب لانحرافها؟
الجواب : بمواجهة مقدمة الغرفة، تكون السرعة إلى الأمام، وتكون القوة إلى أعلى، وباستخدام القاعدة الثالثة لليد اليمنى يكون المجال المغناطيسي B نحو اليسار.
السؤال : انظر خطوط المجال المغناطيسي الأرضي الموضحة في الشكل ۲۳-۱. أينيكون المجال المغناطيسي أكبر: عند القطبين أم عند خط الاستواء؟ وضح إجابتك
الجواب : يكون مقدار المجال المغناطيسي الأرضي أكبر عند القطبين لأن الخطوط تكون متقاربة عند القطبين.
السؤال : مولد الدراجة الهوائية يعمل مولد الكهرباء في الدراجة الهوائية على إضاءة المصباح. ما مصدر طاقة المصباح عندما يقود راكب الدراجة دراجته على طريق أفقية مستوية؟
الجواب : الطاقة الكيميائية المختزنة لراكب الدراجة.
السؤال : الميكروفون ارجع إلى الميكروفون الموضح في الشكل ما اتجاه التيار في الملف عندما يدفع الغشاء الرقيق إلى الداخل؟
الجواب : في اتجاه حركة عقارب الساعة من اليسار.
السؤال : التردد ما التغيرات اللازم إجراؤها على مولد كهربائي لزيادة التردد؟
الجواب : زيادة عدد أزواج الأقطاب المغناطيسية.
السؤال : الجهد الناتج وضح لماذا يزداد الجهد الناتج عن مولد عند زيادة المجال المغناطيسي؟ وما الذي يتأثر أيضا بزيادة مقدار المجال المغناطيسي؟
الجواب : يرتبط مقدار الجهد الحثي المتولد مباشرة مع مقدار المجال المقاطيسي، يتولد جهد أكبر في الموصل عند زيادة مقدار المجال المغناطيسي. ويتأثر التيار والقدرة في دائرة المولد أيضا.
السؤال : المولد الكهربائي وضح مبدأ العمل الأساسي للمولد الكهربائي.
الجواب : اكتشف مايكل فاراداي أن فرق الجهد يتولد عندما يتحرك جزء من سلك كهربائي في مجال مغناطيسي، وقد يزداد الجهد الحثي المتولد باستخدام مجال مغناطيسي أقوى، وبزيادة الطول الفعال للموصل المتحرك.
السؤال : التفكير الناقد تساءل طالب: لماذا يستنفد التيار المتناوب قدرة، ما دامت الطاقة التي تحول في المصباح عندما يكون التيار موجبة تلغي عندما يكون التيار سالبة، ويكون الناتج صفرا. وضح لماذا يكون هذا الاستدلال غير صحيح؟
الجواب : القدرة هي المعدل الزمني لنقل الطاقة القدرة هي حاصل ضرب 1 في V وعندما يكون I موجبة يكون V موجبة أيضا. وعندما يكون I سالبة سيكون V سالبة أيضا، ولذلك تكون القدرة دائما موجبة. تتحول الطاقة دائمة في المصباح.
السؤال : السلك الملفوف والمغانط ملف سلكي معلق من نهايتيه بحيث يتأرجح بسهولة. إذا قربت مغناطيسة إلى الملف فجأة فسيتأرجح الملف. بأي طريقة يتأرجح الملف بالنسبة للمغناطيس؟ ولماذا؟
الجواب : بعيدا عن المغناطيس. يولد تغير المجال المغناطيسي تیارة حثية في الملف، وهذا التيار يولد مجالا مغناطيسية، وهذا المجال يعاكس مجال المغناطيس، ولذلك تكون القوة بين الملف والمقاطيس قوة تنافر.
السؤال : المحركات إذا نزعت قابس مكنسة كهربائية في أثناء تشغيلها من المقبس فستلاحظ حدوث شرارة كهربائية، في حين لا تشاهدها عند نزع قابس مصباح كهربائي. لماذا؟
الجواب : سيولد حث المحرك قوة دافعة كهربائية عكسية، وهذا ما يسبب الشرارة، أما المصباح فلا يولد قوة دافعة كهربائية عكسية.
السؤال : المحولات والتيار وضح لماذا يعمل المحول الكهربائي على تیار متناوب فقط؟
الجواب : الربط الملف الابتدائي بالملف الثانوي يجب أن يتدفق تیار متغير خلال الملف الابتدائي، وهذا التيار المتغير يولد مجالا مغناطيسية متغيرة ينشأ عنه تيار حثي في الملف الثانوي
السؤال : المحولات كثيرة ما يكون السلك المستخدم في ملفات المحول المكون من عدد قليل من اللفات سميكة (مقاومته قليلة)، بينما يكون سلك الملف المكون من عدد كبير من اللفات رفيعة. لماذا؟
الجواب : سيتدفق تيار أكبر خلال الملف ذي اللفات الأقل، ولذلك يجب أن تكون المقاومة قليلة للحد من الهبوط في الجهد، وللحد من القدرة الضائعة I2R وللحد من سخونة الأسلاك.
السؤال : المحولات الرافعة بالرجوع إلى المحول الرافع الموضح في الشكل وضح ما يحدث لتيار الملف الابتدائي إذا أصبحت دائرة الملف الثانوي دائرة قصر
الجواب : إذا زاد التيار الثانوي فسيزداد التيار الابتدائي.
السؤال : التفكير الناقد هل تصلح المغائط الدائمة لصنع قلب محول جيد؟ وضح إجابتك ؟
الجواب : لا، يعتمد الجهد الحثي المتولد على تغير المجال المغناطيسي خلال القلب، وتصنع المغناط الدائمة من مواد تقاوم التغير في المجال المغناطيسي
السؤال : فيم تتشابه نتائج كل من أورستد وفاراداي؟ وفيم تختلف؟
الجواب : يتشابهان في كون كل منهما يبين العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية ويختلفان في أن التيار الثابت يولد مجالا مغاطيسية في حين يتطلب مجالا مغناطيسية متغيرة التوليد التيار الكهربائي.
السؤال : لديك ملف سلكي وقضيب مغناطيسي. صف كيف يمكنك استخدامهما في توليد تيار كهربائي؟
الجواب : إما بتحريك المغناطيس إلى داخل الملف أو خارجه أو بتحريك الملف إلى أعلى أو إلى أسفل فوق طرف المغناطيس.
السؤال : ما الذي ترمز إليه EMF؟ وما سبب عدم دقة الاسم؟
الجواب : ترمز إلى القوة الدافعة الكهربائية، وهي ليست قوة وإنما فرق جهد (طاقة لكل وحدة شحنة).
السؤال : ما الفرق بين المولد الكهربائي والمحرك الكهربائي؟
الجواب : في المولد، تدور الطاقة الميكانيكية الملف ذا القلب الحديدي داخل المجال المغناطيسي، ويسبب الجهد الحثي تدفق التيار الكهربائي، وبذلك تنتج طاقة كهربائية. أما في المحرك فيطبق جهد عبر ملفات المثبت داخل المجال المغناطيسي، فيسبب الجهد تدفق التيار في الملف، لذا يدور الملف فينتج طاقة ميكانيكية.
السؤال : اكتب الأجزاء الرئيسة لمولد التيار المتناوب AC ؟
الجواب : يتكون مولد التيار المتردد AC من مغناطیس دائم، وملف الملف ومجموعة الفرشاتين، وحلقة.
السؤال : لماذا تكون القيمة الفعالة للتيار المتناوب أقل من القيمة العظمى له؟
الجواب : تتغير القدرة المتولدة بين صفر وقيمة عظمى في مولد التيار المتردد، عند دوران الملف. والتيار الفعال أو القيمة الفعالة للتيار هي القيمة الثابتة للتيار التي تسبب تبديد القدرة المتوسطة في مقاومة الحمل.
السؤال : الكهرمائية يدير الماء الذي كان محجوزة خلف السد التوربينات التي تدور المولدات. أعد قائمة بجميع أشكال الطاقة وتحولاتها منذ أن كان الماء محجوزة إلى أن نتجت الكهرباء
الجواب : هناك طاقة وضع في الماء المحجوز أو المخزن خلف السد، والطاقة الحركية للماء الساقط تدير التوربينات، وتولد طاقة كهربائية في المولد.
السؤال : اكتب نص قانون لنز ؟
الجواب : التيار الحثي المتولد يؤثر دائمة في اتجاه يجعل المجال المغناطيسي الناتج عنه يقاوم التغيير في التيار المولد له.
السؤال : ما الذي يسبب تولد القوة الدافعة الكهربائية العكسية في المحرك الكهربائي؟
الجواب : هذا هو قانون لنز، عندما يبدأ المحرك في الدوران يسلك سلوك مولد، ويولد تیارة معاكسة للتيار الذي زود به المحرك.
السؤال : لماذا لا تحدث شرارة كهربائية عندما تغلق مفتاحا كهربائية لتمرير تيار إلى محث، في حين تحدث الشرارة عند فتح ذلك المفتاح؟
الجواب : تنتج الشرارة عن القوة الدافعة الكهربائية العكسية التي تحاول الحفاظ على استمرار تدفق التيار، وتكون القوة الدافعة الكهربائية العكسية كبيرة لأن التيار نقص إلى الصفر بسرعة، وعند إغلاق المفتاح لا تكون زيادة التيار سريعة بسبب مقاومة الأسلاك.
السؤال : لماذا يكون الحث الذاتي في ملف عاملا رئيسة عندما يمر فيه تيار متناوب AC في حين يكون عاملا ثانوية عندما يمر فيه تيار مستمر DC؟
الجواب : التيار المتردد متغير دائما في المقدار والاتجاه، ولذلك، فالحث الذاتي يكون عاملا ثابتة، ويكون التيار المباشر ثابتة أيضا، ولذلك بعد فترة قصيرة نجم أنه لن يكون هنالك تغير في المجال المغناطيسي.
السؤال : وضح لماذا تظهر كلمة "تغير" في هذا الفصل بكثرة؟
الجواب : المجال المغناطيسي المتغير فقط هو الذي يولد قوة دافعة كهربائية حثية كما اكتشف فاراداي.
السؤال : علام تعتمد النسبة بين القوة الدافعة الكهربائية EMF في كل من دائرتي الملفين الابتدائي والثانوي للمحول نفسه؟
الجواب : نسبة عدد لفات السلك في الملف الابتدائي إلى عدد لفات السلك في الملف الثانوي هي التي تحدد نسبة القوة الدافعة الكهربائية.
السؤال : إذا حرکت سلكة نحاسية إلى أسفل خلال مجال مغناطيسي B كما في الشكل فأجب عما يلي:
أ- هل يسري التيار الحثي المتولد في قطعة السلك نحو اليسار أم نحو اليمين؟
الجواب : ستبين قاعدة اليد اليمني أن التيار يتحرك إلى اليسار
ب. عندما تحرك السلك داخل المجال المغناطيسي سيسري فيه تيار، وعندها تكون القطعة عبارة عن سلك يسري فيه تيار كهربائي وموضوع داخل مجال مغناطيسي، ويجب أن تؤثر فيه قوة مغناطيسية. ما اتجاه القوة التي ستؤثر في السلك نتيجة سريان التيار الحثي؟
الجواب : ستؤثر القوة في اتجاه الأعلى.
السؤال : أسقط مدرس الفيزياء مغناطيسة في أنبوب نحاسي، كما في الشكل فتحرك المغناطيس ببطء شديد، فاعتقد الطلبة في الصف أنه يجب أن تكون هناك قوة معاكسة لقوة الجاذبية.
أ- ما اتجاه التيار الحثي المتولد في الأنبوب بسبب سقوط المغناطيس إذا كان القطب الجنوبي للمغناطيس هو القطب المتجه إلى أسفل؟
الجواب : القوة الدافعة الكهربائية الحثية متعامدة مع كل من المجل والسرعة، ويجب أن يكون التيار محيطة بالأنبوب. وخطوط المجال تدخل في القطب الجنوبي S وتخرج من القطب الشمالي N، ووفق قاعدة اليد اليمنى يكون اتجاه التيار في اتجاه حركة عقارب الساعة بالقرب من القطب S وعكس اتجاه حركة عقارب الساعة بالقرب من القطب N.
ب - ينتج التيار الحثي مجالا مغناطيسية. ما اتجاه هذا المجال؟
الجواب : بالقرب من القطب S الجنوبي يكون المجال داخل الأنبوب إلى أسفل، وبالقرب من القطب N الشمالي يكون المجال إلى أعلى.
ج- كيف يعمل المجال المغناطيسي على تقليل تسارع المغناطيس الساقط؟
الجواب : المجال المتولد يؤثر بقوة إلى أعلى في القطبين.
السؤال : المولدات لماذا يكون دوران المولد أكثر صعوبة عندما يكون متصلا بدائرة كهربائية يزودها بالتيار، مقارنة بدورانه عندما لا يكون متصلا بدائرة ما؟
الجواب : عندما يدور الملف في المولد تنشأ القوة المعاكسة لاتجاه الدوران نتيجة للتيار الحثي (قانون لنز) في حين أنه عندما يكون ساكنة لا يتولد تیار، لذا لا توجد قوة معاكسة.
السؤال : وضح لماذا تكون التيار الابتدائي عند تشغيل المحرك كبيرة. وضح أيضا كيف يمكن تطبيق قانون لنز في اللحظة 0 < t؟
الجواب : لحظة بداية الحركة، لا يدور الملف، ولذلك لا يتقاطع مع خطوط المجال ولا يتولد فرق جهد. ولهذا تكون القوة الدافعة الكهربائية العكسية صفرا. ولا يكون هناك تیار أو مجال حول الموصل الساكن. وفي اللحظة التي يبدأ فيها الملف الدوران، ويتقاطع مع خطوط المجال، وسيتولد فيه جهد حثي، وسيكون لهذا الجهد قطبية بحيث يولد مجالا مغناطيسية معاكسة للمجال المولد له. وهذا من شأنه تقليل التيار في المحرك. ولذلك تزداد ممانعة المحرك للحركة.
السؤال : بالرجوع إلى الشكل وبالربط مع قانون لنز، وضح لماذا يتكون قلب المحول الكهربائي من شرائح معزولة؟
الجواب : يمكن تقليل التيارات الدوامية باستخدام قلب على شكل شرائح رقيقة، وينتج التيار في القلب بوساطة تغير التدفق المغناطيسي خلاله. ويؤدي وجود فولتية حثية متولدة في القلب.
السؤال : يصنع محول كهربائي عملي بحيث يحتوي قلبه على شرائح ليست فائقة التوصيل. ولأنه لا يمكن التخلص نهائيا من التيارات الدوامية فإنه يكون هناك فقد قليل للقدرة في قلب المحول، ما القانون الأساسي الذي يكون من المستحيل معه جعل الطاقة المفقودة صفرا؟
الجواب : قانون لنز.
السؤال : اشرح كيفية حدوث الحث المتبادل في المحول؟
الجواب : إن إمرار تيار متردد في الملف الابتدائي لمحول ينتج تدفق تیار متغير خلال الملف، وهذا التيار بدوره يولد تدفقة مغناطيسية متغيرة، ويولد التدفق المغناطيسي فولتية في الملف الثانوي الثابت على الجانب الآخر من القلب، وتعتمد الفولتية أو القوة الدافعة الكهربائية الحثية المتولدة على معدل التغير في التدفق المغناطيسي (تردد المصدر)، وعدد لفات الملف ومقدار التدفق المغناطيسي.
