التصنيف: الصف الحادي عشر

تقرير , بحث , موضوع عن المجال الكهرومغناطيسي مقدمه, عرض , خاتمه , مصادر

تقرير جاهز لمادة الفيزياء عن المجال الكهرومغناطيسي

المجال الكهرو مغناطيسي,

المقدمة :

لقد تناولت في هذا البحث عن الموجات الكهرومغناطيسية من حيث تطبيقاتها وأطياف الامواج الكهرومغناطيسية وسرعة هذه الموجات الكهرومغناطيسية واشياء كثيرة أخرى .

الاهداء :

اهدي هذا البحث إلى قسم العلوم وارجو من الله أن يحوز هذا البحث على رضاكم واستحسانكم .والله الموفق

– طيف الأمواج الكهرومغناطيسية :

تنتقل موجات (ك م) في الفراغ بسرعة ولموجات اللاسلكي العادية أطوال موجية تصل إلى عدة مئات من الأمتار في الطول .وقد استنتج ماكسويل أن أمواج الضوء هي أيضا أمواج (ك م ).
وقد أبدت الأبحاث المتتالية استدلال ماكسويل على أن أمواج الضوء ليست إلامواج
(ك م ).على أن الأطوال الموجية للضوء –كما سنري في فصول قادمة –صغيرة إلى حد بعيد .وأي شخص يلاحظ هذا الفرق الكبير بين الاطوال الموجية لموجات اللاسلكي والضوء ومكلاهنما كهرومغناطيسي ،قد يتساءل إذا كانت ثمة صور موجية أخرى فيما بين هذين النوعين .والحقيقة ان هناك امواج أخرى .فنحن نستطيع مثلا انتاج امواج لاسلكي ذات طول موجي أقصر بكثير من m 100 وذلك باستخدام مذبذبات عالية التردد جدا جدا ،ومن هذا النوع لدينا أمواج الرادار (الأمواج الدقيقة ) كما أننا نعلم أن أمواج أن الإشعاع الحراري يتكون من أمواج (ك م )تقع أطوالها الموجية في الوسط بين امواج الراد وأمواج الضوء .وفي الحقيقة ليست الأمواج الحرارية ذات الطول الموجي القصير سوى ضوء تحت الأحمر كما قد يعلم معظم القراء .
والامتداد الضخم للأطوال الموجية لأمواج (ك م)التي تمتد من أمواج اللاسلكي حتى أمواج الضوء ولا تتوقف الإشعاعات الكهرومغناطيسية عند الضوء الازرق إذ ان هناك أمواج كهر ومغناطيسية أقصر من ذلك .وكلنا علي المام بالامواج الاقصر التالية وهي الاشعاع فوق البنفسجي ،أما أشعة أكس فهي لا زالت اقصر أيضا من ذلك .هناك نوع آخر من الاشعاع الصادر من المواد المشعة ونعني به أشعة جاما وهي بالضرورة مثل اكس الا ان طولها الموجي أقصر .
يتضح إذن أن الأمواج (ك م)تتباين بشدة اعتمادا علي أطوالها الموجية .
العلاقة بين b c في الأمواج الكهرومغناطيسية:
سنستخدم في هذا القسم قانون فراداي الخاص ب ق.د.ك المنتجة بالحث وذلك لنحصل على علاقة بين شدة المجال الكهربائي (e )وشدة المجال المغناطيسي (b) في موجة كهر ومغناطيسية . لنحصر انتباهنا اولا في جزء المجال المغناطيسي من الموجة المنتشرة على طول المحور 2 ((لقطة ))لهذه الموجة عند لحظة معينة وذلك على شكل رسم بياني أما مقطع الموجة في الجزء (ب).نعلم من الاقسام السابقة ان هذا المحور x .وبانتقال المحور المغناطيسي الى اليمين ،فانه يسب تغيرا في التدفق المغناطيسى وقد افترض ان الاطار له مقاومة لا نهائية بحيث لا يمر تيار خلاله .سنقوم الان بحساب ق.د.ك المنتجة بالبحث في هذا الإطار بطريقتين ومن ثم نحصل علي معلومات تتعلق بالمجوة(ك.م) .
المجالات المغناطيسية المستحدثة بتغيير المجالات الكهربائية :
رأينا في القسم السابق أن جزء المجال المغناطيسي من موجة (د.ك ) يولد مجالا كهربيا ينتقل معه دائما ،وهذا مثال آخر علي قانون فاراداي للحث الذي ينص على المجال المغناطيسي المتغير يمكن أن يؤدي الى ظهور ق.د.كمما يعني تولد مجال كهربائي أثناء العملية .وحيث ان المجال المغناطيسي المتغير يؤدي الى كهربائي فإنه يصبح من حقنا التساؤل عما اذا كان المجال الكهربائي المتغير يؤدي هو الآخر الى مجال مغناطيسي .وهذا يعني ان المجال الكهربائي لابد وان يعمل كتيار وذلك لأن كل المجالات المغناطيسية التي قبالناها حتى الآن كانت متولدة من حركة الشحنة .لهذا سنبحث أثر المجال الكهربائي المتغير لنرى كيف يمكنه ان يسلك سلوك تيار .ونبين موقفا فيزيائيا يوجد بين مجال كهربائي وتيلر بطريقة مباشرة فالسلك المبين هناك و مستقيم وطويل يحمل تيارا /الى المكثف ويقوم بشحنه ومن الطبيعي ألا يستمر هذا التيار طويلا ،لأن التيار يجب أن يضمحل الى الصفر حينما تكتمل شحنة المكثف .ولكن التيار يكون /في لحظة ما أثناء عملية الشحن .وسنناقش ما يحدث عند تلك اللحظة .وسنتجاهل التأثيرات التهدبية عند حافة المكثف وسنعتبر أن e ،المجال الكهربائي ،منتظما بين اللوحين. حيث أن فرق الجهد بين اللوحين هو Ed وحيث ان الشحنة qعلى مكثف سعتهc تعطي بالعلاقة c√ =qفانه عند لحظة معينة يكون لدينا : q=ced .
-المجالات المغناطيسية المستحثة بغير المجالات الكهربائية
رأينا في القسم السابق أن جزء المجال المغناطيسي من موجة (ك.م)يولد مجالا كهربائيا ينتقل معه دائما .وهذا كمثال آخر على قانون فاراداي للحث الذي ينص علي لن المجال المغناطيسي المتغير يمكن أن يؤدي إلى ظهور ق.د .كما يعني تولد مجال كهربائي أثناء العملية وحيث أن المجال المغناطيسي المتغير يؤدي إلى المجال الكهربائي فإنه يصبح من حقنا التساؤل عما اذا كان المجال الكهربائي المتغير يؤدي هو الآخر الى مجال مغناطيسي وهذا يعني أن المجال الكهربائي لابد وان يعمل كتيار وذلك لأن كل المجالات المغناطيسية التي قبلناها حتى الآن كانت متولدة من حركة الشحنة .لهذا سنبحث أثر المجال الكهربائي المتغير لنرى كيف يمكنه ان يسلك سلوك تيار .
حيث أن فرق الجهد بين اللوحين هو Ed وحيث ان الشحنة q على مكثف سعته c تعطي بالعلاقة q=cv فإنه عند لحظة معينة يكون لدينا q=ced وحيث ان e يمكن تصورها عدد خطوط المجال الكهربائي في وحدة المساحات بنفس الطريقة التي تكون فيها b هو عدد خطوط المجال المغناطيسي خلال وحدة المساحات فان مقدار AE يسمى دائما تدفق e خلال مساحة معينة .والرمز السفلي e ضروري حتى لا يحدث خلط بين التدفق الكهربائي و التدفق المغناطيسي.
ان التدفق الكهربائي المتغير والناشئ عن مجال كهربائي متغير يكافئ تيارا حقيقيا ينتقل في السلك ولهذا نستدل على ما يلي :
يؤدي المجال الكهربائي المتغير الى مكافئ يمكن الحصول علي قيمته ، ويقوم هذا التيار المكافئ بدوره بتوليد مجال مغناطيسي مثلما يفعل ذلك أي تيار حقيقي ،ولإيجاد ذلك المجال المغناطيسي بمكن استخدام قانون أمبير للدوائر .
الكهرمغناطيسية
يولد سريان تيار كهربائي في سلك حقلا مغناطيسيا حول السلك يتوقف شكله على شكل السلك والتيار الساري .ويمكن رسم هذه الحقول المغناطيسية بطريق مماثلة لحقول المغانط الدائمة .

قاعدة السباحة لأمير :
ينص على أن الطرف الشمالي لإبرة بوصلة موضوعة قرب سلك حامل للتيار ينحرف نحو يسار شخص يفترض انه يسبح باتجاه التيار مواجها للسلك .
قاعدة اللولب لماكسويل
تنص على ان اتجاه الحقل المغناطيسي حول سلك حامل للتيار يماثل اتجاه دوران اللولب عندما يبرم باتجاه التيار .
قاعدة اليد اليمنى :
تنص على أن اتجاه الحقل المغناطيسي حول سلك يكون من باطن اليد إلي رؤوس الأصابع إذا مسك السلك باليد واشارة الإبهام إلى اتجاه التيار .
الملف :
عدة لفات لسلك حامل للتيار تشكل بلف السلك حول قطعة من مادة مشكلة
الملف المسطح:
ملف سلكي يكون طوله صغيرا بالنسبة لقطره.
الو شيعة ملف طوله كبير بالمقارنة مع قطره يشبه الحقل المغناطيسي الذي تولده
الو شيعة الحقل الذي يولده القضب . المغنطيسي ويتوقف موضع الأقطاب .
القلب : المادة الموجودة في وسط الملف والتي تحدد قوة .الحقل تحدث المواد الحديدية المغنطيسية الطربة وخصوصا الحديد الطري حقلا مغناطيسيا قويا وتستخدم في المغناط الكهربائية :
المغنطيس الكهربائي
وشيعة ذات قلب من مادة مغنطيسية حديدية طربة قوية تشكل مغطيسا يمكن تشغيله أو وقفه بوصل التيار أو قطعه .
تطبيقات المغناط الكهربائية
للمغناط الكهربائية عدد كبير من التطبيقات كلها خاصة خربها للمعادن عند وصلها ،ومن ثم فإنها تحول الطاقة الكهربائية الى طلقة ميكانيكية ينتج في اثنين من الامثلة التالية :
الرنان الكهربائي :
ينتج رنينا من التيار المباشر يجذب مغناطيس كهربائي ذراعا معدنية نحوه ،وبذلك تنفصم الدارة التي تحمل التيار الةالمغناطيس الكهربائي تتحرك بذلك الذراع وتتكرر العملية وتنتج ذبذبة الذراع رنينا ،وفي الجرس الكهربائي تضرب مطرقة متصلة بالذراع على الجرس بشكل متواصل .
السماعة :
اداة تستخدم لتحويل الإشارات الكهربائية إلى موجات صوتية يجدب المغنطيس
الدائم حجابا معدنيا ، لكن قوة الجدب تتغير عندما يسري التيار المتغير (الإشارات الواردة ) عبر ملفات المغنطيس الكهربائي وبذلك يتذبذب الحجاب فيعطي موجات صوتية .
المرحل جهاز يقفل فيه قاطع بفعل مغناطيس كهربائي .يمكن استخدام تيار صغير نسبيا في ملف المغناطيس الكهربائي لوصل تيار كبير دون وصل الدارات كهربائيا .
المغناط الكهربائية (تابع ) –مفعول متحرك :
يحدث مفعول المحرك عندما يمر سلك للتيار
داخل حقل مغناطيسي فتعمل قوة على السلك وربما ولدت حركة يستخدم هذا الأثر في المحركات الكهربائية حيث تولدت الطاقة الميكانيكية من الطاقة الكهربائية ويمكن استخدام هذا الأثر أيضا لقياس التيار لأن القوة تعتمد على مقدار التيار .
قاعدة اليد اليسرى لفلمنغ :
أو قاعدة المحرك يمكن بيان اتجاه القوة على سلك حامل للتيار داخل حقل مغناطيسي باليد اليسرى .
المحرك الكهربائي :
يستخدم اثر المحرك الكهربائي تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية يتألف ابسط المحركات من ملف مسطح مربع الشكل حامل التيار يدور بحرية ف حقل مغناطيسي وتنتج المحركات قوة محركة كهربائية عكسية :
تعاكس الق م ك التي تديرها .وذلك عائد الى ان المحركات تعمل بمثابة مولدات فور تشغيلها .
محرك كهربائي بسيط :
المبدل حركة مقسمة الى قسمين او اكثر يدخل التيار الى ملف*.
محرك كهربائي ويخرج منه .يضمن دخول التيار الى الملف بالاتجاه الصحيح لكي يدور المحرك باتجاه واحد بشكل متواصل .
المسفرتان :
ملامسان يصنعان عادة من الكربون يدخل منهما التيار الى المبدل في المحرك الكهربائي .
المقاييس الكهربائية :
يمكن كشف الكهرباء بوضع مغناطيس معلق قرب سلك ومراقبة انحرافه .يمكن الاستفادة من هذه الفكرة لإنتاج جهاز (مقياس ) يشير فيه الانحراف على سلم الى قوة التيار .ويمكن تكييف جهاز قياس التيار لقياس فرق الكمون *.
المقياس الغلفاني :
أي جهاز يستخدم لكسف التيار المباشر بتسجيل تأثيره المغناطيسي .ابسط أنواعه بوصلة تقع قرب سلك فتظهر ان كان فيه تيار .
ويتوسل المقياس الغلفاني بمحرك متحرك لإظهار انحراف علي سلم .
مقياس الفلط :
جهاز يستخدم لقياس فرق الكمون بين نقطتين وهو مقياس غلفاني بين نقطتين ذو مقاومة عالية على التوالي ينتج فرق كمون التيار الذي يحدث انحرافا ً بالقياس الكامل .
المقياس المتعدد :
مقياس غلفاني أضيفت إليه مفرعات للتيار ومضاعفات لقياس التيار وفروقات الكمون .
مقياس الأمبير :جهاز يستخدم لقياس التيار وهو نوع من التيار الغلفاني بملف متحرك مصمم بحيث أن التيار يولد انحرافا على كامل المقياس أي يتحرك المؤشر الى الموقع الأقصى يضاف إليه مفرع للتيار لقياس التيارات العالية فينتج انحرافا بالقياس الكامل على للسلم الجديد .
مقياس بحديدة متحركة :
مقياس يحرض فيه التيار المراد قياسه مغناطيسية في قطعتين من الحديد تجذب احاهما الأخرى أو تنبذها لتوليد انحراف.
سرعة الامواج الكهرمغناطيسية
لنعتبر حركة جزء المجال الكهربائى في موجة ( ك م ) خلال الفراغ وسنتبع نفس الاسلوب الذى استخدم من قبل في موجة ( ك م ) خلال الفراغ وسنتبع نفس الاسلوب الذى استخدم من قبل في القسم 22-9 عند تطبيق قانون الحث لفاراداى على جزء المجال المغنطيسي للموجة . ولاشك أننا نذكر اننا وجدنا هناك أن المجال المغناطيسى قد ولد مجالا كهربائيا وان كلا المجالين ارتبط بمعادلة هى :
حيث هى السرعة التي تنتقل بها الموجة .
بين الشكل 22-25أ رسما بيانيا للمجال الكهربائي عند لحظة معينة على طول محور X وقد بيناه في المستوى افقى بدلا من الراسى حتي تتمكن من ثمثيلة بصورة أفضل في اجزاء اخرى من الشكل .
ويفترض ان المواجة تنتقل الى اليمين بسرعة ويوضح الجزء ( ب ) مقطعا لمواجة المجال الكهربائي ثم مكبرة في الجزء ( ج ) ونريد الان ان نعتبر التغير في التدفق الكهلربائي خلال الاطار المستطيل الموضح في الجزء ( ح ) عند انتقال الموجة عبره الى اليمين واذا ما فسرنا
هذا التغير على انه تيار مكافىء فاننا نطبق قانون أمبيرللدوائر على الاطار المعطي في محاولة لايجاد المجال المغناطيسى .
ستنتقل الموجه الت تتحرك الى اليمين بسرعة مسافة خلال الفترة وبعد هذه الفترة سينزاح الاطار الي السار مسافه على المواجة كما هو مبين بالموقع المنقط في الجزء من الشكل . وخلال هذه العملية تفقد كميه من التدفق وذلك من الناحية اليمني للاطار وتكتسب كمية من ناحية اليسري . ويكون التغير الخالص في التدفق .
حيث استبدل بالكمية اما التيار المكافى فهو ما يعطي بالمعادلة سيكون هذا هو التيار المحاط بالاطار وهو التيار الذى يستخدم في قانون امبير للدوائر
بالرجوع الى الجزء فاننا سنقوم بجمع الحاصلات بادئين عند ومتحركين مع عقارب الساعة ثم نعود مرة اخري . حيث ان ثابت عند كل النقط الواقعة على الخط الذى يعتبر جزاء منه لذا فالمجال المغناطيسي المستحث على طوله يكون أيضاً ثابتا وهو أما المجال المغناطيسي على طول وهو ثابت بالمثل فسنرمز له بالرمز ولما كان الجانب والجانب للاطار معرضين لمجالات كهربائية متشابهة فان ستكون أيضا متطابقة على طول – هذين الجانبين . على أنه يجب ملاحظة أنه عند جمع متجهات الاطوال – اثناء تقدمنا حول الاطار مع عقارب الساعة – فان المتجهات التى ستكون متعاكسة مع تلك التي على الجانب ولما كان يقع في نفس الاتجاه لكل من الجانب الاعلى والجانب الاسفل لذا فهو مواز للتيار عند الجانب الاعلى ومتواز ومتضاد عند الجانب الاسفل فى النقطة المناظرة . وعى هذا عند كتابة قانون امبير للدوائر ستكون كل كمية على الجانب الاعلى من الاطار ملغاة بكمية متساوية ومتضادة من الجانب الاسفل للاطار .
لو ان قيم المجال الكهربائي كانت صفراء أى لو لم يكن هناك تيار مكافىء ولكانت كل من صفرا علاوة على هذا لو كان الاطار طويلا جدا بحيث كان الجانب في منطقة يوجد بها مجال كهربائي بينما يقع في منطقة يكون فيها صفرا بحيث يكون كل من صفرا وعندئذ يكون لدينا – من المعادلة
ولكن بما أن كان من المكن اعتباره في اى مكان فان هذه العلاقة تعتبر عامة لأية نقطة وليس للنقطة التي يكون فيها . ومن ثم نصبح في حل من اسقاط الرموز السفلية في المعادلة وكتابتها بشكل عام .
تفيد المعادلة بأن جزء المجال الكهربائي المتحرك من وجة يقوم بتوليد مجال مغناطيسي (( فتدفق المجال الكهربائي المتدفق يكافيء تيارا وهذا التيار المكافىء هو الذى يولد المجال المغناطيسي . بالجوع مرة أخري نجد ان تدفق الكهرباء يزيد متجها لداخل الصفحة عند تحريك الموجة الى اليمين ( أو عند تحريك الاطار الى اليسار ) ويكافىء هذا تيار متجهات الى داخل الصفحة وحسب قاعدة اليد اليمني يكون المجال المغناطيسى مؤثرا بشكل اساسى مع عقارب الساعة حول الاطار . فان المعادلة تفيد بأن يجب أن يكون أكبر من كما هو موضح في الشكل .
ويكون اتجاه كل من بالضرورة الى اعلى وذلك لان يجب أن توثر مع عقارب الساعة حول لاطار . لو اننا قارننا الاتجاه فاننا أدرنا مستوى متجهات عموديا على مستوي الصفحة لسهولة الرسم فعند عمل مقارنة يجب أن يكون قابلا للتطبيق في حالة العلاقة التي أوجدناهل .
والمقارنة بين الراهنة وتلك التي عولجت من قبل تتضح عند الرجوع الى المعادلات التي نتجت بكل من الحالتين فقد وجدنا سابقا ان الجزء المغناطيسي من موجة كهرمغناطيسية قد ولد جال كهربائيا معطي بالعلاقة .
وفي كلتا الحالتين يكون متطابقين ويكون الاتجاه النسبى للمجالات متطابقة . وهذا يعني بالضرورة أن من حيث الاتجاه والطور . وبالمثل يتطابق كل في الاتجاه والطور . ويكون السؤال الملح الان : هل هما نفسهما من حيث التطابق وهل هما ايضا نفس الشىء؟ لقد أوضحنا فعلا تطابقهما في الاتجاه والطور فلو ان المقادير ايضا كانت متطابقة فان اجابه السوال تصبح (( نعم ))
هذه النتيجة حق مذهلة .. لقد استخدمنا قانون الحث لفاراداى مع مبدأ ما كسويل للتيار المكافىء وذلك لايجاد سرعة أمواج ( ك . م ) وقد اتضح ان هذه هي سعة الضوء المقاسة وقد قمنا أثناء ذلك بفرض الن المجال الكهربائي المولد من تغير المجال المغناطيسى كان فعلا الجزء الكهربائي من الموجة ( ك م ) وبالمثل قام جزء المجال الكهربائي المتغير من موجة ( ك م ) بحث مجال مغناطيسي تحت مطابقته مع الجزء المغناطيسي من الوجة ( ك م ) . بمعني آخر لقد افترضنا أن الموجة ( ك م ) تولد نفسها أثناء انتقالها في الفراغ . وقد قادنا هذا الفرض الى ان نستنتج أن الموجة تنقل بسرعة الضوء . وقد أشارت كثير من التجارب الى صحة هذا الاستنتاج وبهذا تعير اقتراحاتنا التصديق .
لقد كان ماكسويل – كما ذكرنا – هو أول من اكتشف العلاقة المتبادلة بين الضوء و الكهرمغناطيسية وقد استنتج أن الضوء هو موجة ( ك م ) وهو استنتاج تم التحقق منه خلال السنوات التي نلت ذلك على نطاق واسع . على الرغم من ان أمواج اللاسلكى لم تكن قد اكتشفت حتى الوقت الذى مات فيه ماكسويل ( 1879 ) الا ان هاينريش هيرتز ( 1857 – 1894 ) كان قد نجح في توليد أمواج ( ك م ) غير الضوء عام 1887 وقد اثبت فيما بعد أن هذه الأمواج تنتقل بسرعة الضوء وبذا تم تبرير تنبؤ ماكسويل بشكل كامل ونهائى .

الخاتــــمة :

وفي ختام هذا البحث أرجو أن يكون قد نال على رضاكم واعجابكم .

المــــراجع :