books the effect of the lorentz force on an electric wire
If you do not find what you're looking for, you can use more accurate words.
تأثير قوة لورنتز على سلك كهربائي (Info)
قوة لورنتز هي السبب الأساسي في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركة وبالعكس : إذا مر تيار في سلك عموديا على خطوط مجال مغناطيسي حوله فتؤدي ذلك إلى حركة ميكانيكية للسلك . وبالعكس : إذا تحرك سلك عموديا على خطوط مجال مغناطيسي حوله ينشأ عليه جهد كهربائي ، أي يمر فيه فيه تيار كهربائي بالحث.
في تلك العمليات تتحرك إلكترونات التوصيل في السلك المعدني الموصل ونتنتج حولها مجالا معناطيسيا دائريا ، فإذا تفاعلت خطوط مجاله مع مجال مغناطيسي آخر خارجي ، فإن الشحنات تنزاح جانبيا.
وقد يحدث ذلك أيضا في محلول يحمل أيونات وإلكترونات كما يحدث في سلك موصل . كما تؤثر تلك القوة على شحنات تتحرك في الفراغ أو الهواء . فكلها تنزاح جانبا عموديا على حطوط المجال المغناطيسي الخارج وعلى اتجاه حركتها .
- 1. إذا مر تيار (إلكترونات) في سلك موصل وتحرك عموديا على خطوط مجال مغناطيسي فإن الإلكتروتونات ستنزاح جانبا وبالتالي ينزاح السلك ككل .
- 2. إذ تحرك سلك عرضيا بالنسبة لخطوط مجال مغناطيسي خارجي ، تتأثر إلكترونات التوصيل في السلك بقوة لورنتز وتحركت إلى أحد طرفي السلك ، فتكثر الإلكترونات في طرف وتقل في الطرف الآخر من السلك ، ونتيجة ذلك نشأة جهد كهربائي بين طرفي السلك .هذا الجهد يسمى تاريخيا قوة دافعة كهربائية .
- 3. إذا ربطنا الآن طرفي السلك بمقاومة من الخارج غير متحركة بالنسبة للمجال المغناطيسي ، يكتمل الدورة ويمر تيار لمعادلة الجهد الكهربائي المتولد.
في محرك كهربائي وفي مولد كهربائي يكون المجال المغناطيسي فيه مجرد وسيط - حيث لا يحدث معه تبادل للطاقة . فما يستهلكة المحرك من تيار يمر فيه يتحول إلى طاقة حركة (انزياح السلك جانبا ) بسبب قوة لورنتز . وبالعكس : في حالة المولد الكهربائي ما نمد به السلك من حركة فتتحول الطاقة الحركية عن طريق قوة لورنتز إلى طاقة كهربائية .
في محطة قوى مائية يحرك الماء توربينا و مولدا كهربائي وتنتج طاقة كهربائية . ويمكن تحويل تلك الطاقة الكهربائية في المصانع والمنازل إلى طاقة حرارية .
كذلك في محطة قوى تعمل بالفحم ، تولد الحرارة الناتجة من احتراق الفحم طاقة حرارية وهي تنتج بخار ماء ذو ضغط عالي ، ويوجه بخار الماء بضغطه العالي إلى توربين بخاري ويديره ، ويدير التوربين البخاري مولدا كهربائي منتجا كهرباء .
تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركة
من أجل وصف تلك الخاصيات بمعادلات رياضية بطريقة بسيطة نأخذ قطعة سلك مستقيمة في الاعتبار طولها ونفترض انه يقطع عرضيا خطوط مجال مغناطيسي منتظم له كثافة تدفق مغناطيسي . نمرر الآن تيارا تيارا كهربائيا من الخارج حيث تتحرك في السلك إلكترونات التوصيل بسرعة منتظمة قدرها .فإذا مر تيار خلال فترة زمنية تكون كمية شحنة التي تكون قد مررناها خلال هذا الزمن في السلك قدرها:
بالسرعة :
من أحد أطراف السلك إلى الطرف الآخر (تعادل تلك الحالة الحالة 1 أعلاه .)
ونظرا لأن الشحنة المارة فيكون مجموع قوى لورنتز المؤثرة على جميع إلكترونات التوصيل في التيار ، وبالتالي في قطعة السلك هي:
ويبلغ المقدار المطلق لهذه المعادلة :
حيث هي الزاوية بين طول السلك ، أي اتجاه التيار I ، واتجاه خطوط المجال المغناطيسي - وبالتالي اتجاه كثافة التدفق المغناطيسي .
فإذا كان السلك عموديا على خطوط المجال المغناطيسي فتختصر المعادلة حيث أن :
إذن تاثير قوة لورنتز على الإلكترونات المارة في السلك تجعل السلك يتحرك . وباختيار شكل أسطواني للنظام المغناطيسي واستبدال السلك المستقيم بملف متكون من عدد كبير من لفات السلك يصبح لدينا محرك كهربائي . يدور المحرك بامداده بتيار كهربائي وينتج حركة نستفيد منها ميكانيكيا .
وطبقا للمعادلة الآخيرة فإن قوة لورنتز الناشئة على السلك (أو الملف) تتناسب مع شدة التيار المسلط من الخارج وتتناسب كذلك تناسبا طرديا مع شدة المجال المغناطيسي ومع طول السلك .
تحويل طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية
عندما يتحرك سلك طوله بسرعة ثابتة عموديا على خطوط مجال مغناطيسي تنشأ قوتان : قوة لورنتز تعمل على تسيير إلكترونات في السلك من طرف إلى آخر ، والقوة الأخرى هي قوة كولوم التي تؤثر على الإلكترونات بسبب الجهد الكهربائي الناشيء عن انفصال الإلكترونات في طرفي السلك :
هاتان القوتان تكونان متساويتين ومتضادتين .
وباختصار الشحنة الكلية في المعادلة و الجداء الثلاثي لمتجه طول السلك نحصل على جهد الحث :
فإذا كانت الثلاثة متجهات عمودية على بعضها البعض ، يتبسط الجداء l·(v×B)=(l×v)·B ويصبح جهد الحث :
أي يتناسب جهد الحث تناسبا طرديا مع شدة المجال المغناطيسي ومع طول السلك ومع سرعة السلك في المجال المعناطيسي.
و تعني الإشارة السالبة في المعادلة أن جهد الحث يكون دائما في اتجاه مرور تيار الحث (قاعدة لورنتز) . وعندما نوصل طرفي السلك بمقاومة R (وهي لا تتحرك في المجال المغناطيسي) تتكون دائرة كهربائية يتعادل فيها جهد الحث . في نفس الوقت يكون حاصل الضرب مساويا للصفر (طبقا القانون الثاني لكيرشوف) ، فنحصل على :
أي أن تيار الحث الناشيء يناسب طرديا مع شدة المجال المغناطيسي ومع طول السلك ومع سرعة مرور السلك في المجال المغناطيسي ، ويتناسب عكسيا مع المقاومة الخارجية.
