Fislab
الرئيسية / الدروس / المغناطيسية — الثالث ثانوي — المنهاج السوري

🧲 المغناطيسية (الوحدة 2 - الكهرباء والمغناطيسية 1)

Magnetism · Grade 12 · Syrian Curriculum · Unit 2
⏱️ 90 دقيقة 📂 الكهرباء والمغناطيسية 🎯 الثالث ثانوي - المنهاج السوري

مقدمة في المغناطيسية

Introduction to Magnetism

تأخذ الظواهر المغناطيسية أهمية متنامية في حياتنا اليومية، فنجد أن الأجهزة الكهربائية البسيطة مثل الهاتف تحتوي مغناطيسًا داخلها، كما أن المولدات الكهربائية والمحركات وأشرطة التسجيل وأقراص الحاسوب جميعها تعتمد على الآثار المغناطيسية.

Magnetic phenomena play an increasingly important role in our daily lives. Simple electrical devices like phones contain a magnet inside, and generators, motors, tape recorders, and computer disks all rely on magnetic effects.

المغناطيس الكهربائي يُستخدم أيضًا لرفع الكتل الحديدية الكبيرة. لكن ما هو المغناطيس؟ وما المواد المغناطيسية وغير المغناطيسية؟ وما الحقل المغناطيسي؟ وما علاقته بالتيار الكهربائي؟

Electromagnets are also used to lift large iron masses. But what is a magnet? What are magnetic and non-magnetic materials? What is the magnetic field, and how is it related to electric current?

في هذا النشاط، سنقوم بإجراء تجربة لفهم مفهوم الحقل المغناطيسي واستنتاج خصائصه من خلال الملاحظة والتحليل.

In this activity, we will run an experiment to understand the concept of the magnetic field and derive its properties through observation and analysis.

تجربة مفهوم الحقل المغناطيسي

Experiment: The Concept of the Magnetic Field

المواد اللازمة: حقيبة المغناطيسية (إبر مغناطيسية، مغناطيس مستقيم، مغناطيس حذوي).

Materials needed: a magnetism kit (magnetic needles, a bar magnet, a horseshoe magnet).

يُمثَّل المجال المغناطيسي بخطوط وهمية تسمى خطوط المجال المغناطيسي. وأسهل طريقة لتعيين اتجاه خط القوة في أي نقطة بالقرب من مغناطيس هي أن توضع بوصلة صغيرة في تلك النقطة، فتستقر الإبرة المغناطيسية للبوصلة بحيث يتجه قطبها الشمالي نحو القطب الجنوبي للمغناطيس وقطبها الجنوبي نحو قطبه الشمالي، ويتخذ محورها اتجاهًا مماسًا لخط القوة.

The magnetic field is represented by imaginary lines called magnetic field lines. The easiest way to find the direction of a field line at any point near a magnet is to place a small compass there: its needle settles so its north pole points toward the magnet’s south pole and its south pole toward the magnet’s north pole, with its axis tangent to the field line.

في هذه المحاكاة سيتم رسم خطوط المجال والاطّلاع على الصفات التالية:

This simulation draws the field lines and demonstrates the following properties:

  • خطوط المجال المغناطيسي هي خطوط وهمية تكوّن مسارات مغلقة.
  • تتجه من القطب الشمالي إلى الجنوبي خارج المغناطيس، ومن الجنوبي إلى الشمالي داخل المغناطيس.
  • اتجاه المجال عند أي نقطة هو المماس لخط المجال عند تلك النقطة.
  • خطوط المجال لا يمكن أن تتقاطع.
  • تتكاثف خطوط المجال عند الأقطاب وأقل ما يمكن عند الوسط، وتزداد كثافتها عند وضع نواة من الحديد.
  • Magnetic field lines are imaginary lines forming closed paths.
  • They go from the north pole to the south pole outside the magnet, and from south to north inside it.
  • The field direction at any point is tangent to the field line there.
  • Field lines never cross.
  • Lines are densest at the poles and sparsest at the middle, and their density increases when an iron core is placed inside.

عامل النفاذية المغناطيسية والحقل المغناطيسي الأرضي

The Magnetic Permeability Factor and the Earth’s Magnetic Field

ما هو عامل النفاذية المغناطيسية؟

What Is the Magnetic Permeability Factor?

عند وضع نواة حديدية داخل ملف لولبي (سولينويد) يمر به تيار كهربائي، تزداد شدة الحقل المغناطيسي الكلي داخل الملف بسبب خصائص المادة المغناطيسية للنواة الحديدية.

تُعرف النسبة بين شدة الحقل المغناطيسي الكلي (مع النواة) إلى شدة الحقل المغناطيسي الأصلي (بدون النواة) بعامل النفاذية المغناطيسية (n).

When an iron core is placed inside a current-carrying solenoid, the total magnetic field inside the coil increases due to the magnetic properties of the iron core.

The ratio of the total magnetic field (with the core) to the original field (without the core) is called the magnetic permeability factor (n).

\[B_t = n \times B\]

حيث: n عدد لا واحدية (بدون وحدة) يعتمد على طبيعة المادة وقابليتها للمغنطة، وعلى شدة الحقل الممغِّط B. B_t شدة الحقل الكلي (بوجود النواة)، تُقاس بالتسلا. B شدة الحقل الأصلي (بدون نواة)، تُقاس بالتسلا.

كلما زادت قيمة n، زادت قدرة المادة على تكثيف الخطوط المغناطيسية، وبالتالي زادت شدة الحقل الكلي.

Where: n is a dimensionless number (no unit) that depends on the material’s nature and its ability to be magnetized, and on the magnetizing field B. B_t is the total field (with the core), in tesla. B is the original field (without the core), in tesla.

The larger n is, the greater the material’s ability to concentrate the field lines, and hence the larger the total field.

حاسبة عامل النفاذية المغناطيسية

Magnetic Permeability Calculator

استخدم الأدوات التالية لتغيير قيم B وn وراقب التغيّر في قيمة Bₜ:

Use the controls below to change B and n, and watch Bₜ change:

1.0 T
100
B
Bt

أنشطة تحقّق من الفهم

Comprehension-Check Activities

إذا كان الحقل المغناطيسي الأصلي لملف لولبي هو \(0.5\;T\)، وعامل النفاذية للنواة الحديدية المستخدمة هو 600، فما شدة الحقل المغناطيسي الكلي؟A solenoid’s original field is \(0.5\;T\), and the permeability factor of the iron core used is 600. What is the total magnetic field?
300 A/m
300 T
600.5 T
0.00083 T
الحلSolution

\(B_t = n\times B = 600\times0.5 = 300\;T\)

\(B_t = n\times B = 600\times0.5 = 300\;T\)

لماذا لا يمكن أن يكون الحقل المغناطيسي الأرضي ناتجًا عن مواد حديدية مغناطيسية دائمة في باطن الأرض؟Why can’t the Earth’s magnetic field be produced by permanently magnetized iron materials in the Earth’s interior?
لأن الحديد لا يوجد في باطن الأرضBecause iron does not exist in the Earth’s interior
لأن درجة الحرارة في باطن الأرض عالية جدًا مما يُفقد المواد مغناطيسيتهاBecause the temperature in the Earth’s interior is so high it destroys the materials’ magnetism
لأن الأرض تدور بسرعة عاليةBecause the Earth rotates at high speed
لأن الحقل المغناطيسي للأرض ثابت لا يتغيّرBecause the Earth’s field is constant and never changes
الحلSolution

درجة الحرارة في باطن الأرض تصل إلى آلاف الدرجات المئوية، مما يُفقد المواد خصائصها المغناطيسية الدائمة (تتجاوز درجة كوري).

The temperature in the Earth’s interior reaches thousands of degrees Celsius, which destroys any material’s permanent magnetic properties (it exceeds the Curie temperature).

أيّ من المواد التالية لديها أعلى عامل نفاذية مغناطيسية، وبالتالي تكون الأفضل لصنع نواة مغناطيسية قوية؟Which of the following materials has the highest magnetic permeability factor, making it best for a strong magnetic core?
الهواء (n ≈ 1)Air (n ≈ 1)
الألومنيوم (n ≈ 1.00002)Aluminum (n ≈ 1.00002)
الحديد الرقيق (n ≈ 5000)Silicon iron (n ≈ 5000)
النحاس (n ≈ 0.99999)Copper (n ≈ 0.99999)
الحلSolution

الحديد الرقيق (السليكوني) له أعلى عامل نفاذية مغناطيسية بين الخيارات، مما يجعله مثاليًا للنواة المغناطيسية.

Silicon iron has the highest permeability factor among the options, making it ideal for a magnetic core.

الحقل المغناطيسي الأرضي

The Earth’s Magnetic Field

يتّجه مؤشر البوصلة المغناطيسية نحو الشمال الجغرافي بسبب وجود الحقل المغناطيسي الأرضي، لكن منشأ هذا الحقل ظلّ غير معروف بدقة حتى الآن.

في بداية القرن العشرين، اعتقد العلماء أن موادًا حديدية في باطن الأرض مسؤولة عن مغناطيسيتها، لكن درجات الحرارة العالية جدًا في جوف الأرض تجعل من الصعب الحفاظ على مغناطيسية دائمة للمواد.

حاليًا، يعزو العلماء مغناطيسية الأرض إلى الشحنات المتحركة في سوائل جوف الأرض (أيونات موجبة وإلكترونات سالبة) التي تولّد بحركتها تيارات كهربائية داخل الأرض، ينشأ عنها حقول مغناطيسية.

هذه النظرية تُعرف بنظرية الدينامو، حيث تتحرك المعادن المنصهرة في النواة الخارجية للأرض مكوِّنة تيارات كهربائية تولّد بدورها الحقل المغناطيسي الأرضي.

A compass needle points toward geographic north because of the Earth’s magnetic field, but the exact origin of this field remained unknown for a long time.

In the early 20th century, scientists thought iron materials inside the Earth were responsible for its magnetism, but the extremely high temperatures inside the Earth make it hard for materials to retain permanent magnetism.

Today, scientists attribute the Earth’s magnetism to moving charges in the Earth’s interior fluids (positive ions and negative electrons), whose motion generates electric currents inside the Earth, producing magnetic fields.

This is known as the dynamo theory: molten metals move in the Earth’s outer core, forming electric currents that in turn generate the Earth’s magnetic field.

النقطة البرتقالية تمثّل النواة الحديدية المنصهرة؛ الخطوط تمثّل الحقل المغناطيسي.The orange dot represents the molten iron core; the lines represent the magnetic field.

🌍 الأرض كمغناطيس

🌍 The Earth as a Magnet

تتصرف الأرض مثل مغناطيس قضيب ضخم: له قطبان مغناطيسيان، ومحوره يميل عن محور دوران الأرض بحوالي 11 درجة، والقطب المغناطيسي الشمالي ليس في نفس مكان القطب الجغرافي الشمالي.

The Earth behaves like a giant bar magnet: it has two magnetic poles, its axis is tilted about 11° from the Earth’s rotation axis, and the north magnetic pole is not at the same location as the geographic north pole.

🌐 الحقل المغناطيسي المتولّد عن تيار كهربائي

The Magnetic Field Produced by an Electric Current

🧲 تجربة هانز أورستد

Hans Ørsted’s Experiment

اكتشف العالم الدنماركي هانز أورستد سنة 1820 أثناء تجربة مهمة أن الإبرة المغناطيسية تنحرف إذا اقتربت من سلك يمرّ به تيار كهربائي، وبعد هذا الاكتشاف استنتج أن المجالات المغناطيسية تنشأ نتيجة تيارات صغيرة سببها حركة داخل ذرات المادة.

في هذه المحاكاة يظهر لديك سلك يمر به تيار كهربائي؛ حدِّد اتجاه مرور التيار في السلك، ولتحديد اتجاه المجال نطبّق قاعدة قبضة اليد اليمنى: نجعل الإبهام باتجاه التيار الاصطلاحي، فيكون اتجاه المجال هو اتجاه باقي الأصابع. راقب برادة الحديد واتجاه البوصلة، وجرّب تغيير اتجاه التيار وراقب اتجاه المجال.

In 1820, the Danish scientist Hans Ørsted discovered, during an important experiment, that a magnetic needle deflects when brought near a current-carrying wire. From this he concluded that magnetic fields arise from small currents caused by motion inside the atoms of matter.

In this simulation you see a wire carrying a current; set the current’s direction. To find the field direction, apply the right-hand grip rule: point the thumb along the conventional current, and the fingers curl in the direction of the field. Watch the iron filings and the compass, and try changing the current direction to see how the field direction changes.

عند مرور تيار كهربائي في سلك، يتولّد حوله مجال مغناطيسي. يمكن قياس شدة هذا المجال (B) بدلالة شدة التيار (I) والبعد عن السلك (d). في هذا الشرح سنستعرض تجربتين أساسيتين لاستنتاج العلاقات الرياضية مع رسوم بيانية دقيقة.

When a current flows in a wire, a magnetic field develops around it. Its strength (B) can be expressed in terms of the current (I) and the distance from the wire (d). Below we examine two basic experiments that derive the mathematical relationships, with precise graphs.

🔬 النشاط الأول: تغيّر B بدلالة I (عند بعد ثابت عن السلك)

🔬 Activity One: B as a Function of I (at a Fixed Distance from the Wire)

في تجربة باستخدام سلك مستقيم، قِيست شدة الحقل المغناطيسي B في نقطة تقع على بُعد معيّن من السلك، مع تغيير شدة التيار I. النتائج في الجدول أدناه؛ قيم المجال معطاة بوحدة \(10^{-4}\;T\).

In an experiment using a straight wire, the field strength B was measured at a fixed point while the current I was varied. Results below; field values are in \(10^{-4}\;T\).

الجدول (1): تغيرات B بدلالة ITable (1): B vs. I
I (A)12345
B (×10⁻⁴ T)4.08.012.016.020.0
التمثيل البياني: B بدلالة I (علاقة خطية)Graph: B vs. I (a linear relationship)
01234548121620I (A)B (×10⁻⁴ T)(1,4)(2,8)(3,12)(4,16)(5,20)

🔍 نلاحظ أن النقاط تقع على خط مستقيم يمر بالمبدأ، مما يدل على تناسب طردي بين B وI.

🔍 The points lie on a straight line through the origin, showing that B is directly proportional to I.

📐 حساب الميل (k): ميل الخط البياني \(\dfrac{\Delta B}{\Delta I}=\dfrac{(20-4)\times10^{-4}}{5-1}=\dfrac{16\times10^{-4}}{4}=4\times10^{-4}\;T/A\).

إذن \(B=kI\) حيث \(k=4\times10^{-4}\;T/A\) في هذه التجربة (k يعتمد على البعد عن السلك وشكل الدارة).

⚡ تطبيق: من أجل تيار \(I=8\;A\)، نحسب \(B=k\times8=4\times10^{-4}\times8=32\times10^{-4}\;T\).

📐 Computing the slope (k): the graph’s slope \(\dfrac{\Delta B}{\Delta I}=\dfrac{(20-4)\times10^{-4}}{5-1}=\dfrac{16\times10^{-4}}{4}=4\times10^{-4}\;T/A\).

So \(B=kI\) with \(k=4\times10^{-4}\;T/A\) in this experiment (k depends on the distance from the wire and the circuit’s geometry).

⚡ Application: for a current \(I=8\;A\): \(B=k\times8=4\times10^{-4}\times8=32\times10^{-4}\;T\).

🔎 الاستنتاج العام: شدة الحقل المغناطيسي تتناسب طرديًا مع شدة التيار المار في السلك: \(B\propto I\Rightarrow B=kI\).

حيث k ثابت يتعلق بالطبيعة الهندسية للدارة (بعد النقطة عن السلك، شكل السلك)، ويُعطى لسلك مستقيم طويل بالعلاقة:

🔎 General conclusion: the magnetic field is directly proportional to the current in the wire: \(B\propto I\Rightarrow B=kI\).

where k is a constant related to the circuit’s geometry (distance from the wire, shape of the wire), given for a long straight wire by:

\[k = \frac{\mu_0}{2\pi d}\]

(d هو البعد العمودي عن السلك).

(d is the perpendicular distance from the wire.)

📏 العلاقة العكسية بين شدة المجال المغناطيسي (B) والبعد عن السلك (d)

📏 The Inverse Relationship Between Field Strength (B) and Distance from the Wire (d)

البيانات التجريبية: تيار ثابت \(I=20\;A\)، قياسات المجال على أبعاد مختلفة.

Experimental data: constant current \(I=20\;A\), field measured at different distances.

قيم d وB (d بـ 10⁻² m، B بـ 10⁻⁴ T)Values of d and B (d in 10⁻² m, B in 10⁻⁴ T)
d (×10⁻² m)10542
B (×10⁻⁴ T)0.40.81.02.0
التمثيل البياني: B بدلالة d (تناسب عكسي)Graph: B vs. d (inverse proportionality)
024568101200.51.01.52.02.5d (×10⁻² m)B (×10⁻⁴ T)(2,2.0)(4,1.0)(5,0.8)(10,0.4)

✅ الاستنتاج: من الجدول نرى أن حاصل الضرب \(d\times B\) ثابت (\(=4\times10^{-6}\;T\cdot m\)). هذا يعني أن B تتناسب عكسيًا مع d، أي \(B\propto\dfrac1d\). النقاط التجريبية تقع تمامًا على منحنى التناسب العكسي.

🧲 العلاقة الرياضية: \(B=\dfrac{\text{ثابت}}{d}\)، حيث الثابت \(=4\times10^{-6}\;T\cdot m\) في هذه التجربة مع \(I=20\;A\).

✅ Conclusion: from the table, the product \(d\times B\) is constant (\(=4\times10^{-6}\;T\cdot m\)), showing that B is inversely proportional to d: \(B\propto\dfrac1d\). The experimental points lie exactly on the inverse-proportion curve.

🧲 The relation: \(B=\dfrac{\text{constant}}{d}\), with the constant \(=4\times10^{-6}\;T\cdot m\) in this experiment (\(I=20\;A\)).

✏️ المطلوب: إكمال الجدول بحساب الكميتين الأخريين \(k=\dfrac{B}{I}\) و\(k'=B\cdot d\)

✏️ Required: complete the table by computing \(k=\dfrac{B}{I}\) and \(k'=B\cdot d\)

الجدول المكمَّل (مع حسابات k وd×B)Completed table (with k and d×B)
d (×10⁻² m)10542
B (×10⁻⁴ T)0.40.81.02.0
k = B/I (T/A), I=20A2×10⁻⁶4×10⁻⁶5×10⁻⁶10×10⁻⁶
d × B (T·m)4×10⁻⁶4×10⁻⁶4×10⁻⁶4×10⁻⁶

📊 نلاحظ أن \(k=B/I\) ليس ثابتًا (يتغيّر بتغيّر d)، بينما \(d\times B\) ثابت. هذا يؤكد أن B تتناسب عكسيًا مع d.

📊 We note that \(k=B/I\) is not constant (it changes with d), while \(d\times B\) is constant. This confirms that B is inversely proportional to d.

🧪 استنتاج القانون العام لسلك مستقيم طويل

🧪 Deriving the General Law for a Long Straight Wire

بالجمع بين التناسبين \(B\propto I\) و\(B\propto\dfrac1d\) نحصل على:

Combining \(B\propto I\) and \(B\propto\dfrac1d\) gives:

\[B = (\text{constant})\times\frac{I}{d}\]

الثابت يُحدَّد تجريبيًا ويساوي \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\).

The constant is determined experimentally and equals \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\).

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

حيث: B شدة الحقل المغناطيسي (تسلا)، I شدة التيار (أمبير)، d البعد العمودي عن السلك (متر)، \(\mu_0\) نفاذية الفراغ \(=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\).

Where: B is the field strength (tesla), I the current (amperes), d the perpendicular distance from the wire (meters), and \(\mu_0\) the permeability of free space \(=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\).

📝 كيف نستنتج القوانين من النشاطات؟

📝 How Do We Derive the Laws from the Activities?

  • من النشاط الأول (B، I): نرسم العلاقة بين B وI، فنحصل على خط مستقيم يمر بالأصل، مما يعني \(B=kI\). الميل k يمثّل الثابت التناسبي الذي يعتمد على البعد وشكل السلك.
  • من النشاط الثاني (B، d): نثبّت التيار ونغيّر البعد d. نلاحظ أن B تتناقص بزيادة d، وبحساب الجداء \(B\cdot d\) نجد أنه ثابت، أي \(B\propto\dfrac1d\).
  • From Activity One (B, I): plotting B against I gives a straight line through the origin, meaning \(B=kI\). The slope k is the proportionality constant that depends on the distance and the wire’s shape.
  • From Activity Two (B, d): we fix the current and vary d. B decreases as d increases, and computing the product \(B\cdot d\) shows it is constant, i.e. \(B\propto\dfrac1d\).

⚡ مثال تطبيقي:

⚡ Worked Example:

إذا مرّ تيار \(I=15\;A\) في سلك مستقيم، احسب شدة الحقل المغناطيسي على بعد \(d=3\;cm\) منه.

A current \(I=15\;A\) flows in a straight wire. Find the field strength at a distance \(d=3\;cm\) from it.

الحل:

Solution:

\[B=\frac{\mu_0 I}{2\pi d}=\frac{4\pi\times10^{-7}\times15}{2\pi\times0.03}=\frac{2\times10^{-7}\times15}{0.03}=\frac{3\times10^{-6}}{0.03}=1\times10^{-4}\;T=0.1\;mT\]

🔧 نشاط منزلي: تحقّق من العلاقة

🔧 Home Activity: Verify the Relationship

استخدم محاكاة تفاعلية (مثل محاكاة PhET أو محاكاة مجال السلك المستقيم) وسجّل قيم B لأبعاد وتيارات مختلفة، ثم أنشئ جدولًا مشابهًا وتحقّق من صحة العلاقة \(B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}\).

Use an interactive simulation (such as a PhET simulation or a straight-wire field simulation) and record B for different distances and currents, then build a similar table and verify the relation \(B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}\).

أمثلة على سلك مستقيم

Examples on a Straight Wire

سلك عمودي على الورقة: تم حساب الحقل المغناطيسي عند نقطة تبعد عن السلك \(0.2\;m\) فكانت قيمة المجال \(4.0\times10^{-6}\;T\)، وكان اتجاهه يوازي الورقة نحو الأعلى. فإن مقدار واتجاه التيار في السلك يساوي:A wire perpendicular to the page: the field at a point \(0.2\;m\) from the wire was found to be \(4.0\times10^{-6}\;T\), directed parallel to the page, upward. What is the magnitude and direction of the current in the wire?
i = 4 A عمودي للداخلi = 4 A, into the page
i = 4 A عمودي للخارجi = 4 A, out of the page
i = 2 A عمودي للداخلi = 2 A, into the page
i = 2 A عمودي للخارجi = 2 A, out of the page
الحلSolution

\(B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}\Rightarrow I=\dfrac{2\pi d B}{\mu_0}=\dfrac{dB}{2\times10^{-7}}=\dfrac{0.2\times4\times10^{-6}}{2\times10^{-7}}=4\;A\)

وبتطبيق قاعدة اليد اليمنى على اتجاه المجال المعطى، يكون التيار عموديًا على الورقة نحو الداخل.

\(B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}\Rightarrow I=\dfrac{2\pi d B}{\mu_0}=\dfrac{dB}{2\times10^{-7}}=\dfrac{0.2\times4\times10^{-6}}{2\times10^{-7}}=4\;A\)

Applying the right-hand rule to the given field direction, the current points into the page.

سلك طويل يمرّ به التيار كما في الشكل. النسبة بين الحقل المغناطيسي عند النقطة a إلى الحقل عند النقطة b تساوي:A long wire carries a current as shown. The ratio of the magnetic field at point a to the field at point b equals:
9
4
3
2
الحلSolution

\(\dfrac{B_a}{B_b}=\dfrac{I/d_a}{I/d_b}=\dfrac{d_b}{d_a}\)؛ بالتعويض عن المسافتين الموضحتين بالشكل تكون النسبة \(=3\).

\(\dfrac{B_a}{B_b}=\dfrac{I/d_a}{I/d_b}=\dfrac{d_b}{d_a}\); substituting the distances shown in the figure gives a ratio of \(3\).

باستخدام قاعدة قبضة اليد اليمنى، حدِّد اتجاه الحقل المغناطيسي عند النقطة a وعند النقطة c

Using the Right-Hand Grip Rule, Find the Field Direction at Points a and c

اضغط هنا تظهر طريقة الحلClick here to view the solution

المجال المغناطيسي حول سلك دائري

The Magnetic Field Around a Circular Wire

النظرية العلمية

Theory

عند مرور تيار كهربائي في سلك دائري (حلقة):

  • يتولّد حقل مغناطيسي عمودي على مستوى الحلقة.
  • اتجاه الحقل يتبع قاعدة اليد اليمنى.
  • يعتمد الحقل على: شدة التيار (I)، نصف قطر الحلقة (r)، وعدد اللفات (N).

When a current flows in a circular wire (loop):

  • A magnetic field is produced perpendicular to the plane of the loop.
  • Its direction follows the right-hand rule.
  • The field depends on: the current (I), the loop’s radius (r), and the number of turns (N).

القانون الرياضي: شدة المجال في مركز الحلقة

The Law: Field Strength at the Center of the Loop

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

حيث: \(\mu_0\) نفاذية الفراغ \((4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A)\)، n عدد اللفات، I شدة التيار (أمبير)، r نصف القطر (متر).

Where: \(\mu_0\) is the permeability of free space \((4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A)\), n the number of turns, I the current (A), r the radius (m).

مرور تيار في ملف دائري يولّد حقلًا مغناطيسيًا عند كل طرف دوائر متّحدة المركز، وفي مركز الملف حقل مغناطيسي منتظم.

A current in a circular coil produces a magnetic field along concentric circles around it, and a uniform field at the center of the coil.

نشاط تجريبي: قياس المجال المغناطيسي في مركز ملف دائري

Experimental Activity: Measuring the Field at the Center of a Circular Coil

في تجربة معملية، نمرّر تيارًا كهربائيًا مستمرًا شدته \(I=10\;A\) في ملف دائري نصف قطره \(r=10\;cm\)، ونقيس شدة الحقل المغناطيسي في مركز الملف باستخدام مقياس تسلا. نكرّر التجربة لملفات متماثلة في نصف القطر ولكن بعدد لفات مختلف (N). النتائج:

In a lab experiment, a steady current \(I=10\;A\) flows in a circular coil of radius \(r=10\;cm\), and the field at the coil’s center is measured with a tesla-meter. The experiment is repeated for identical-radius coils with different numbers of turns (N). Results:

N (لفة)100200300
B (×10⁻³ T)6.2812.5718.85
k = B/I (×10⁻⁴ T/A)6.2812.5718.85

🔍 نلاحظ أن قيمة B تزداد بزيادة N بشكل خطي تمامًا (تتضاعف مع تضاعف N)، وكذلك k=B/I. هذا يؤكّد أن \(B\propto N\)، وبما أننا نعرف من الأنشطة السابقة أن \(B\propto I\) وأن العلاقة بالنسبة لسلك دائري تعتمد على r، فإننا نتوصّل إلى \(B\propto\dfrac{NI}{r}\)، وهو ما تؤكده العلاقة \(B=\dfrac{\mu_0NI}{2r}\) (تحقّق: عند N=100، \(B=\dfrac{4\pi\times10^{-7}\times100\times10}{2\times0.1}\approx6.28\times10^{-3}\;T\)، مطابق للقيمة المقاسة).

🔍 B increases exactly linearly with N (doubling N doubles B), and so does k=B/I. This confirms \(B\propto N\). Combined with \(B\propto I\) from the earlier activities and the r-dependence of a circular loop, we reach \(B\propto\dfrac{NI}{r}\), confirmed by \(B=\dfrac{\mu_0NI}{2r}\) (check: at N=100, \(B=\dfrac{4\pi\times10^{-7}\times100\times10}{2\times0.1}\approx6.28\times10^{-3}\;T\), matching the measured value).

استنتاج العلاقة بين شدة المجال والعوامل المؤثرة

Deriving the Field Strength in Terms of the Controlling Factors

من الجدول السابق، نجد أن شدة المجال B تتناسب طرديًا مع عدد اللفات N. كما نعرف من تجارب أخرى أن B تتناسب طرديًا مع شدة التيار I وعكسيًا مع نصف القطر r. رياضيًا:

From the table above, B is directly proportional to N. From other experiments, B is also directly proportional to I and inversely proportional to r. Mathematically:

\[B \propto \frac{N I}{r}\]

باستخدام الثابت المناسب الذي يتضمّن نفاذية الفراغ \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\) نصل إلى القانون الدقيق:

Using the appropriate constant involving the permeability of free space \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\), we reach the exact law:

\[B = \frac{\mu_0 N I}{2r} = \frac{2\pi\times10^{-7}\times N I}{r}\]

يمكن كتابة العلاقة بدلالة ثابت التناسب k كما في الجدول: \(B=kI\) حيث \(k=2\pi\times10^{-7}N/r\).

The relation can be written in terms of the proportionality constant k: \(B=kI\) where \(k=2\pi\times10^{-7}N/r\).

اتجاه المجال المغناطيسي (قاعدة اليد اليمنى)

The Field Direction (the Right-Hand Rule)

عمليًا: عند مركز ملف دائري، يكون اتجاه المجال عموديًا على مستوى الملف. لتحديد الجهة، نستخدم قاعدة اليد اليمنى: إذا أشارت الأصابع إلى اتجاه التيار في اللفة، فإن الإبهام يشير إلى اتجاه المجال.

نظريًا: نضع راحة اليد اليمنى بحيث تستقبل التيار الخارج من أحد طرفي الملف، فتشير الأصابع إلى داخل الملف حسب التيار، ويكون الإبهام باتجاه المجال.

Practically: at the center of a circular coil, the field is perpendicular to the coil’s plane. To find its direction, use the right-hand rule: if the fingers curl in the direction of the current in the loop, the thumb points in the direction of the field.

Theoretically: orient the right palm to receive the current emerging from one end of the coil, so the fingers point into the coil following the current, and the thumb gives the field direction.

تطبيق: ملف دائري وسلك مستقيم

Application: A Circular Loop and a Straight Wire

المعطيات: سلك مستقيم يمرّ فيه تيار شدته \(6\;A\)؛ نُشكّل جزءًا منه على شكل حلقة دائرية نصف قطرها \(3\;cm=0.03\;m\) بلفة واحدة \((N=1)\). نحسب المجال المغناطيسي المحصَّل في مركز الحلقة مع الأخذ بعين الاعتبار تأثير الجزء المستقيم المتبقي من السلك (باعتبار أن السلك طويل ويؤثر مجاله في المركز أيضًا).

Given: a straight wire carries a current of \(6\;A\); part of it is bent into a circular loop of radius \(3\;cm=0.03\;m\), one turn \((N=1)\). Find the net field at the center of the loop, accounting for the remaining straight part of the wire (assume it is long, so its field also acts at the center).

الحل:

Solution:

المجال الناتج عن الحلقة الدائرية:

Field due to the circular loop:

\[B_1 = \frac{2\pi\times10^{-7}\times N I}{r} = \frac{2\pi\times10^{-7}\times(1\times6)}{0.03} = 1.2566\times10^{-4}\;T\;\;\text{(عمودي على الورقة للخارج)}\]

المجال الناتج عن السلك المستقيم: يُعتبر السلك المستقيم طويلًا (نصف لا نهائي) لأن الحلقة صغيرة. المجال عند نقطة تبعد \(d=r=0.03\;m\):

Field due to the straight wire: the straight wire is treated as long (semi-infinite) since the loop is small. The field at a distance \(d=r=0.03\;m\):

\[B_2 = \frac{\mu_0 I}{2\pi d} = \frac{2\times10^{-7}\times6}{0.03} = 4\times10^{-5}\;T\;\;\text{(عمودي على الورقة للخارج)}\]

اتجاه المجالين: باستخدام قاعدة اليد اليمنى، نجد أن المجالين (من الحلقة ومن السلك المستقيم) لهما نفس الاتجاه في مركز الحلقة (خارج مستوى الصفحة)، لذلك نجمع قيمتيهما:

Direction of both fields: by the right-hand rule, both fields (from the loop and from the straight wire) point in the same direction at the loop’s center (out of the page), so we add them:

\[B_{tot} = B_1 + B_2 = 1.2566\times10^{-4} + 4\times10^{-5} = 1.6566\times10^{-4}\;T\;\;\text{للخارج}\]
سلك طويل عُمل جزء منه على شكل حلقة كما في الشكل، ويمرّ به تيار. فإن اتجاه الحقل المغناطيسي في مركز الحلقة:A long wire has part of it bent into a loop, as shown, carrying a current. The field direction at the loop’s center is:
عمودي على الورقة نحو الخارجPerpendicular to the page, outward
عمودي على الورقة نحو الداخلPerpendicular to the page, inward
يوازي الورقة نحو اليسارParallel to the page, to the left
يوازي الورقة نحو اليمينParallel to the page, to the right
الحلSolution
اضغط هنا تظهر طريقة الحلClick here to view the solution
حلقتان دائريتان لهما نفس المركز يمرّ بهما تياران. الحلقة الخارجية نصف قطرها \(0.2\;m\) ويمرّ بها تيار شدته \(4\;A\)، والحلقة الداخلية نصف قطرها \(0.15\;m\) ويمرّ بها تيار. حُسب الحقل المغناطيسي في المركز المشترك فوُجد أنه معدوم. فإن مقدار واتجاه التيار في الملف الداخلي يعادل:Two concentric circular loops carry currents. The outer loop has radius \(0.2\;m\) and current \(4\;A\); the inner loop has radius \(0.15\;m\). The field at the common center was found to be zero. The magnitude and direction of the current in the inner loop is:
I = 3 A مع عقارب الساعةI = 3 A, clockwise
I = 2 A مع عقارب الساعةI = 2 A, clockwise
I = 3 A عكس عقارب الساعةI = 3 A, counter-clockwise
I = 2 A عكس عقارب الساعةI = 2 A, counter-clockwise
الحلSolution

لانعدام المحصلة يجب أن يتساوى المجالان بالمقدار ويتعاكسا بالاتجاه: \(\dfrac{\mu_0 I_1}{2r_1}=\dfrac{\mu_0 I_2}{2r_2}\Rightarrow I_2=I_1\dfrac{r_2}{r_1}=4\times\dfrac{0.15}{0.2}=3\;A\)، بجهة عكس التيار الخارجي (عكس عقارب الساعة إذا كان الخارجي مع عقارب الساعة).

For zero net field, the two fields must be equal in magnitude and opposite in direction: \(\dfrac{\mu_0 I_1}{2r_1}=\dfrac{\mu_0 I_2}{2r_2}\Rightarrow I_2=I_1\dfrac{r_2}{r_1}=4\times\dfrac{0.15}{0.2}=3\;A\), opposite in sense to the outer current (counter-clockwise if the outer is clockwise).

الملف اللولبي (المحث)

The Solenoid

النظرية العلمية

Theory

الملف اللولبي عبارة عن سلك ملفوف على شكل لولب (عدة حلقات متتالية ومتلاصقة). عند مرور تيار كهربائي فيه، يتولّد داخله مجال مغناطيسي شبه منتظم يوازي محور الملف، وسلوكه يشبه سلوك مغناطيس قضيبي له قطبان (شمالي وجنوبي).

A solenoid is a wire wound into a helical coil (many closely-spaced consecutive turns). When current flows through it, a nearly-uniform magnetic field is produced inside it, parallel to the solenoid’s axis, and it behaves like a bar magnet with a north and a south pole.

القانون الرياضي: شدة المجال داخل ملف لولبي طويل

The Law: Field Inside a Long Solenoid

إذا كان طول الملف L وعدد لفاته الكلي N، فإن عدد اللفات لكل وحدة طول \(n=\dfrac{N}{L}\)، وتكون شدة المجال داخل الملف (بعيدًا عن طرفيه):

If the solenoid has length L and total turns N, the number of turns per unit length is \(n=\dfrac{N}{L}\), and the field inside the solenoid (away from its ends) is:

\[B = \mu_0 n I = \mu_0 \frac{N}{L} I\]

حيث: \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\)، I شدة التيار، L طول الملف، N عدد اللفات. ملاحظة مهمة: شدة المجال داخل الملف اللولبي الطويل لا تعتمد على نصف قطر الملف، بل فقط على n و I.

Where \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\), I the current, L the length, N the number of turns. Important note: the field inside a long solenoid does not depend on its radius — only on n and I.

اتجاه المجال (قاعدة اليد اليمنى)

The Field Direction (Right-Hand Rule)

إذا لفّت أصابع اليد اليمنى في اتجاه سريان التيار في لفات الملف، فإن الإبهام الممدود يشير إلى القطب الشمالي للملف (اتجاه المجال داخله).

If the fingers of the right hand curl in the direction the current flows around the turns, the extended thumb points to the solenoid’s north pole (the field direction inside it).

محاكاة: خطوط المجال حول الملف اللولبي

Simulation: Field Lines Around the Solenoid

الخطوط الزرقاء داخل الملف تمثّل المجال المنتظم (من S إلى N)، والخطوط الحمراء خارجه تمثّل عودة خطوط المجال من N إلى S (تمامًا كخطوط مغناطيس قضيبي). اضغط الزر لعكس اتجاه التيار وراقب كيف يتبادل القطبان مكانيهما وتنعكس كل الأسهم:

The blue lines inside the coil represent the uniform field (from S to N), and the red lines outside represent the field lines returning from N to S — just like a bar magnet. Click the button to reverse the current direction and watch the poles swap and every arrow flip:

S N
ملف لولبي طوله \(0.5\;m\) ملفوف بـ \(1000\) لفة، يمرّ به تيار شدته \(2\;A\). المجال المغناطيسي داخله تقريبًا:A solenoid of length \(0.5\;m\) has \(1000\) turns and carries a current of \(2\;A\). The field inside it is approximately:
\(5.0\times10^{-3}\;T\)\(5.0\times10^{-3}\;T\)
\(2.5\times10^{-3}\;T\)\(2.5\times10^{-3}\;T\)
\(5.0\times10^{-4}\;T\)\(5.0\times10^{-4}\;T\)
\(1.0\times10^{-2}\;T\)\(1.0\times10^{-2}\;T\)
الحلSolution

\(n=\dfrac{N}{L}=\dfrac{1000}{0.5}=2000\;\text{لفة/م}\)؛ \(B=\mu_0 n I=4\pi\times10^{-7}\times2000\times2\approx5.03\times10^{-3}\;T\approx5.0\times10^{-3}\;T\).

\(n=\dfrac{N}{L}=\dfrac{1000}{0.5}=2000\;\text{turns/m}\); \(B=\mu_0 n I=4\pi\times10^{-7}\times2000\times2\approx5.03\times10^{-3}\;T\approx5.0\times10^{-3}\;T\).

اضغط هنا تظهر طريقة الحلClick here to view the solution
ملف لولبي طوله \(20\;cm\) وعدد لفاته \(300\) لفة، يمرّ به تيار شدته \(0.3\;A\). فإن المجال المغناطيسي في منتصف الملف يساوي تقريبًا:A solenoid of length \(20\;cm\) has \(300\) turns and carries a current of \(0.3\;A\). The field at the middle of the solenoid is approximately:
\(5.7\times10^{-4}\;T\)\(5.7\times10^{-4}\;T\)
\(9.0\times10^{-4}\;T\)\(9.0\times10^{-4}\;T\)
\(1.8\times10^{-3}\;T\)\(1.8\times10^{-3}\;T\)
\(2.3\times10^{-4}\;T\)\(2.3\times10^{-4}\;T\)
الحلSolution

\(n=\dfrac{300}{0.2}=1500\;\text{لفة/م}\)؛ \(B=\mu_0 n I=4\pi\times10^{-7}\times1500\times0.3\approx5.65\times10^{-4}\;T\approx5.7\times10^{-4}\;T\).

\(n=\dfrac{300}{0.2}=1500\;\text{turns/m}\); \(B=\mu_0 n I=4\pi\times10^{-7}\times1500\times0.3\approx5.65\times10^{-4}\;T\approx5.7\times10^{-4}\;T\).

اضغط هنا تظهر طريقة الحلClick here to view the solution
ملفان لولبيان A و B لهما نفس الطول وعدد اللفات، لكن نصف قطر A ضعف نصف قطر B، ويمرّ بهما نفس التيار. النسبة بين شدة المجال المغناطيسي داخل كل منهما \(B_A:B_B\) تساوي:Two solenoids A and B have the same length and number of turns, but A’s radius is twice B’s radius. Both carry the same current. The ratio \(B_A:B_B\) of the field strengths inside them equals:
1 : 11 : 1
2 : 12 : 1
4 : 14 : 1
1 : 21 : 2
الحلSolution

شدة المجال داخل ملف لولبي طويل \(B=\mu_0 n I\) لا تعتمد على نصف القطر، فبما أن n (عدد اللفات لكل وحدة طول) و I متساويان في الحالتين، فإن \(B_A=B_B\)، أي النسبة \(1:1\) — نصف القطر لا يؤثر إطلاقًا.

The field inside a long solenoid \(B=\mu_0 n I\) does not depend on the radius. Since n (turns per unit length) and I are the same in both, \(B_A=B_B\), i.e. the ratio is \(1:1\) — the radius has no effect at all.

اضغط هنا تظهر طريقة الحلClick here to view the solution

التدفق المغناطيسي

Magnetic Flux

المفهوم

The Concept

التدفق المغناطيسي \(\Phi\) مقدار فيزيائي يعبّر عن "كمية" خطوط المجال المغناطيسي المارّة عبر مساحة معيّنة. يعتمد على شدة المجال B، مساحة السطح S، والزاوية α بين المجال والعمود المقام على السطح.

Magnetic flux \(\Phi\) expresses the “amount” of magnetic field lines passing through a given area. It depends on the field strength B, the surface area S, and the angle α between the field and the normal to the surface.

القانون الرياضي

The Law

\[\Phi = B\,S\cos\alpha\]

وحدة التدفق المغناطيسي هي الويبر \((Wb)\)؛ \(1\;Wb = 1\;T\cdot m^2\). يكون التدفق أعظميًا عندما يكون المجال عموديًا على السطح \((\alpha=0°,\ \cos\alpha=1)\)، ومعدومًا عندما يكون المجال موازيًا للسطح \((\alpha=90°,\ \cos\alpha=0)\).

The unit of magnetic flux is the weber \((Wb)\); \(1\;Wb = 1\;T\cdot m^2\). Flux is maximum when the field is perpendicular to the surface \((\alpha=0°,\ \cos\alpha=1)\), and zero when the field is parallel to the surface \((\alpha=90°,\ \cos\alpha=0)\).

حاسبة التدفق المغناطيسي

Magnetic Flux Calculator

غيّر شدة المجال B، ومساحة السطح S، وزاوية الميل α، وراقب كيف يتغيّر "المسقط الفعّال" للسطح أمام خطوط المجال والتدفق المغناطيسي الناتج:

Change the field strength B, the surface area S, and the tilt angle α, and watch how the surface’s “effective projection” in front of the field lines — and the resulting magnetic flux — change:

0°
α=0°

الأسهم الزرقاء: خطوط المجال B. الدائرة الخضراء: مسقط السطح كما "تراه" الخطوط. السهم الأحمر المتقطّع: العمود المقام على السطح.

Blue arrows: field lines B. Green ellipse: the surface’s projection as “seen” by the field. Dashed red arrow: the normal to the surface.

نشاط: أكمل الجدول

Activity: Complete the Table

لملف مساحته \(S=0.05\;m^2\) موضوع في مجال مغناطيسي منتظم شدته \(B=0.2\;T\)، أكمل قيم التدفق المغناطيسي \(\Phi\) للزوايا التالية:

For a loop of area \(S=0.05\;m^2\) placed in a uniform field \(B=0.2\;T\), complete the flux \(\Phi\) values for the following angles:

α0°30°60°90°
\(\cos\alpha\)10.8660.50
\(\Phi\;(Wb)\)…………

نتائج مهمة

Important Results

  • التدفق أعظمي عندما يكون السطح عموديًا على المجال (\(\alpha=0\)).
  • التدفق معدوم عندما يكون السطح موازيًا للمجال (\(\alpha=90°\)).
  • التدفق يتناقص تدريجيًا كلما زادت الزاوية α من 0 إلى 90°.
  • Flux is maximum when the surface is perpendicular to the field (\(\alpha=0\)).
  • Flux is zero when the surface is parallel to the field (\(\alpha=90°\)).
  • Flux decreases gradually as α increases from 0 to 90°.

المصدر الحقيقي للمغناطيسية: مغزل الإلكترون

The Real Source of Magnetism: Electron Spin

لماذا تكون بعض المواد (كالحديد) مغناطيسية بشدة، بينما مواد أخرى (كالنحاس) غير مغناطيسية عمليًا؟ الجواب يكمن في حركة الإلكترونات داخل الذرة:

  • كل إلكترون يدور حول النواة (حركة مدارية) ويدور أيضًا حول نفسه (مغزل/سبين spin)، وكلتا الحركتين تشكّلان تيارًا كهربائيًا مجهريًا يولّد مجالًا مغناطيسيًا صغيرًا (ما يُعرف بـ"المغناطيس الذري").
  • في معظم المواد، تترتب هذه المغانط الذرية عشوائيًا فتُلغي تأثير بعضها البعض، فلا يظهر للمادة مجال مغناطيسي كلي (مثل النحاس).
  • في المواد المغناطيسية (الحديدية) كالحديد والنيكل والكوبالت، تتجمّع المغانط الذرية في مناطق صغيرة تسمى النطاقات المغناطيسية (Magnetic Domains)، وداخل كل نطاق تصطف المغانط الذرية في نفس الاتجاه.
  • في القطعة غير الممغنطة، تكون اتجاهات النطاقات المختلفة عشوائية فتُلغي بعضها البعض. عند وضع القطعة في مجال مغناطيسي خارجي (أو تمريرها بالقرب من مغناطيس)، تصطف النطاقات في نفس الاتجاه، فتصبح القطعة ممغنطة.

Why are some materials (like iron) strongly magnetic while others (like copper) are practically non-magnetic? The answer lies in the motion of electrons inside the atom:

  • Each electron orbits the nucleus (orbital motion) and also spins about its own axis (spin), and both motions act as a microscopic current producing a small magnetic field (an “atomic magnet”).
  • In most materials, these atomic magnets are randomly oriented and cancel each other, so the material shows no net magnetic field (like copper).
  • In ferromagnetic materials like iron, nickel, and cobalt, atomic magnets cluster into small regions called magnetic domains, and within each domain the atomic magnets align in the same direction.
  • In an unmagnetized piece, the different domains point in random directions and cancel out. When the piece is placed in an external field (or brought near a magnet), the domains align in the same direction, and the piece becomes magnetized.

محاكاة: النطاقات المغناطيسية في الحديد والنحاس

Simulation: Magnetic Domains in Iron vs. Copper

اختر المادة، ثم فعّل المجال المغناطيسي الخارجي لترى كيف تستجيب النطاقات المغناطيسية داخل كل مادة:

Choose the material, then switch on the external field to see how the magnetic domains inside each material respond:

➜ ➜ ➜ ➜ ➜

النطاقات في الحديد غير الممغنطة تشير بشكل عشوائي

Domains in unmagnetized iron point randomly

اختبر نفسك

Test Yourself

ملف دائري بعدد لفات N ونصف قطر r يمرّ به تيار I، فأنتج مجالًا B في مركزه. إذا ضاعفنا عدد اللفات إلى 2N وقلّلنا نصف القطر إلى النصف r/2 (مع بقاء I ثابتًا)، فإن المجال الجديد يصبح:A circular loop with N turns, radius r, carries current I, producing field B at its center. If the turns are doubled to 2N and the radius halved to r/2 (I unchanged), the new field becomes:
4B4B
2B2B
BB
B/2B/2
الحلSolution

\(B=\dfrac{\mu_0 N I}{2r}\)؛ عند مضاعفة N وتنصيف r: \(B_{new}=\dfrac{\mu_0(2N)I}{2(r/2)}=\dfrac{2\mu_0 N I}{r}=4\times\dfrac{\mu_0 N I}{2r}=4B\).

\(B=\dfrac{\mu_0 N I}{2r}\); doubling N and halving r: \(B_{new}=\dfrac{\mu_0(2N)I}{2(r/2)}=\dfrac{2\mu_0 N I}{r}=4\times\dfrac{\mu_0 N I}{2r}=4B\).

حلقة سلكية في مجال مغناطيسي منتظم، تدور حول محور يمر بمركزها. إذا كان التدفق المغناطيسي عبرها يبلغ نصف قيمته العظمى، فإن الزاوية بين مستوى الحلقة والمجال تكون:A wire loop in a uniform field rotates about an axis through its center. If the flux through it is half its maximum value, the angle between the field and the loop’s normal is:
60°60°
30°30°
45°45°
90°90°
الحلSolution

\(\Phi=\Phi_{max}\cos\alpha\)؛ \(\dfrac{1}{2}\Phi_{max}=\Phi_{max}\cos\alpha\Rightarrow\cos\alpha=0.5\Rightarrow\alpha=60°\).

\(\Phi=\Phi_{max}\cos\alpha\); \(\dfrac{1}{2}\Phi_{max}=\Phi_{max}\cos\alpha\Rightarrow\cos\alpha=0.5\Rightarrow\alpha=60°\).

ملف لولبي متصل بمصدر جهد ثابت ومقاومة داخلية للدارة. إذا زدنا الجهد المطبّق (مع بقاء كل شيء آخر كما هو)، فإن المجال المغناطيسي داخل الملف:A solenoid is connected to a constant-voltage source with a fixed circuit resistance. If the applied voltage is increased (everything else unchanged), the field inside the solenoid:
يزدادIncreases
يقلّDecreases
يبقى ثابتًاStays constant
ينعدمBecomes zero
الحلSolution

حسب قانون أوم \(I=V/R\)، زيادة الجهد V (مع ثبات R) تزيد التيار I، وبما أن \(B=\mu_0 n I\) يتناسب طرديًا مع I، فإن المجال يزداد.

By Ohm’s law \(I=V/R\), increasing V (with R fixed) increases I, and since \(B=\mu_0 n I\) is directly proportional to I, the field increases.

سلك مستقيم طويل يمرّ به تيار I عند نقطة تبعد عنه مسافة d، وشدة المجال هناك B. إذا ضاعفنا التيار إلى 2I وقلّلنا المسافة إلى النصف d/2، فإن المجال الجديد يصبح:A long straight wire carries current I; at a distance d the field is B. If the current is doubled to 2I and the distance halved to d/2, the new field becomes:
4B4B
2B2B
BB
B/2B/2
الحلSolution

\(B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}\)؛ عند مضاعفة I وتنصيف d: \(B_{new}=\dfrac{\mu_0(2I)}{2\pi(d/2)}=\dfrac{4\mu_0 I}{2\pi d}=4B\).

\(B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}\); doubling I and halving d: \(B_{new}=\dfrac{\mu_0(2I)}{2\pi(d/2)}=\dfrac{4\mu_0 I}{2\pi d}=4B\).

أسئلة تفسيرية

Conceptual Questions

١. لماذا لا يمكن الحصول على قطب مغناطيسي منفرد (أحادي القطب)؟

1. Why can’t an isolated magnetic monopole be obtained?

لأن المغناطيسية تنشأ أساسًا من حركة الشحنات (دوران الإلكترون حول نفسه وحول النواة)، وكل مغناطيس ذرّي له دائمًا قطبان متلازمان. عند تقطيع مغناطيس قضيبي إلى قطعتين، لا نحصل على قطعة بقطب شمالي فقط وأخرى بقطب جنوبي فقط، بل تتشكّل في كل قطعة أقطاب جديدة، لأن كل قطعة تحوي بدورها ملايين المغانط الذرية المزدوجة القطبين.

Because magnetism fundamentally arises from moving charges (electron spin and orbital motion), and every atomic magnet always has two inseparable poles. Cutting a bar magnet in two does not give one piece with only a north pole and another with only a south pole — each piece develops its own new pair of poles, since each piece still contains millions of two-poled atomic magnets.

٢. لماذا يفقد المغناطيس خاصيته المغناطيسية عند تسخينه بشدة أو طرقه بقوة؟

2. Why does a magnet lose its magnetism when strongly heated or struck?

لأن التسخين الشديد يزيد الاهتزاز الحراري للذرات، والطرق يُحدث اضطرابًا ميكانيكيًا، وكلاهما يُفقد النطاقات المغناطيسية اصطفافها المنظّم فتعود لاتجاهات عشوائية، فيُلغى المجال الكلي للمادة (المغناطيسية).

Strong heating increases thermal vibration of the atoms, and striking causes mechanical disturbance — both disrupt the ordered alignment of the magnetic domains, returning them to random orientations, cancelling the material’s net field.

٣. لماذا يُصنع نواة الملف اللولبي (المغناطيس الكهربائي) من الحديد الطري وليس الفولاذ؟

3. Why is a solenoid’s (electromagnet’s) core made of soft iron, not steel?

لأن الحديد الطري يُمغنط بسهولة عند تمرير تيار (نفاذية مغناطيسية عالية) ويفقد مغناطيسيته بسرعة عند قطع التيار (لا يحتفظ بمغناطيسية متبقية)، وهذا مناسب للمغناطيس الكهربائي الذي يجب أن "يعمل ويتوقف" حسب التيار. أما الفولاذ فيحتفظ بمغناطيسية دائمة بعد إزالة المجال، وهذا مناسب لصنع المغانط الدائمة لا الكهربائية.

Soft iron magnetizes easily when current flows (high magnetic permeability) and quickly loses its magnetism when the current stops (little residual magnetism), which suits an electromagnet that must switch on and off with the current. Steel instead retains permanent magnetism after the field is removed, making it suitable for permanent magnets, not electromagnets.

حل المسائل

Solved Problems

(في جميع المسائل: \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\))

(In all problems: \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\;T\cdot m/A\))

المسألة الأولى: سلكان مستقيمان متوازيانProblem One: Two Parallel Straight Wires

سلكان مستقيمان طويلان متوازيان، المسافة بينهما \(d=0.4\;m\)، يمرّ في الأول تيار \(I_1=6\;A\) وفي الثاني تيار \(I_2=4\;A\).

① بافتراض أن التيارين متعاكسا الاتجاه (متضادّان)، جِد شدة المجال المغناطيسي المحصَّل عند نقطة منتصف المسافة بينهما.

② بنفس الافتراض (تيارات متضادّة)، جِد شدة المجال المحصَّل عند نقطة تبعد \(0.1\;m\) عن السلك الأول (و\(0.3\;m\) عن الثاني)، بين السلكين.

③ لو افترضنا في هذا الجزء فقط أن التيارين بنفس الاتجاه (متوازيان)، جِد موقع النقطة الواقعة بين السلكين حيث ينعدم المجال المغناطيسي المحصَّل.

④ بالعودة لافتراض التيارين المتضادّين (① و②)، جِد موقع النقطة خارج السلكين (على الجهة الأبعد عن السلك الأول) حيث ينعدم المجال المحصَّل.

Two long parallel straight wires are separated by \(d=0.4\;m\). The first carries \(I_1=6\;A\) and the second \(I_2=4\;A\).

① Assuming the currents are antiparallel (opposite directions), find the net field at the point midway between them.

② With the same assumption (antiparallel currents), find the net field at a point \(0.1\;m\) from the first wire (and \(0.3\;m\) from the second), between the two wires.

③ Assume, for this part only, that the currents are parallel (same direction). Find the location of the point between the wires where the net field is zero.

④ Returning to the antiparallel assumption (① and ②), find the location of the point outside the wires (on the far side from the first wire) where the net field is zero.

الحل:Solution:

① عند المنتصف (\(x=0.2\;m\) من كل سلك)، تياران متضادّان → المجالان بنفس الاتجاه في هذه النقطة فيُجمعان:

\(B=\dfrac{\mu_0}{2\pi}\left(\dfrac{I_1}{0.2}+\dfrac{I_2}{0.2}\right)=2\times10^{-7}\times(30+20)=1.0\times10^{-5}\;T\)

② تياران متضادّان أيضًا فيُجمعان:

\(B=2\times10^{-7}\left(\dfrac{6}{0.1}+\dfrac{4}{0.3}\right)=2\times10^{-7}\times(60+13.33)\approx1.47\times10^{-5}\;T\)

③ بافتراض تيارين بنفس الاتجاه، ينعدم المجال بين السلكين عند النقطة التي يتساوى فيها المجالان (لأنهما متعاكسا الاتجاه هناك):

\(\dfrac{I_1}{x}=\dfrac{I_2}{d-x}\Rightarrow x=\dfrac{I_1\,d}{I_1+I_2}=\dfrac{6\times0.4}{10}=0.24\;m\;\text{من السلك الأول}\)

④ للتيارين المتضادّين، خارج السلكين تكون المجالات متعاكسة الاتجاه، وينعدم المجال المحصَّل عند نقطة أقرب للسلك الأضعف تيارًا (\(I_2\)):

\(\dfrac{I_1}{d+y}=\dfrac{I_2}{y}\Rightarrow y=\dfrac{I_2\,d}{I_1-I_2}=\dfrac{4\times0.4}{2}=0.8\;m\;\text{خارج السلك الثاني}\)

① At the midpoint (\(x=0.2\;m\) from each wire), antiparallel currents → both fields point the same way there, so they add:

\(B=\dfrac{\mu_0}{2\pi}\left(\dfrac{I_1}{0.2}+\dfrac{I_2}{0.2}\right)=2\times10^{-7}\times(30+20)=1.0\times10^{-5}\;T\)

② Still antiparallel currents, so they add:

\(B=2\times10^{-7}\left(\dfrac{6}{0.1}+\dfrac{4}{0.3}\right)=2\times10^{-7}\times(60+13.33)\approx1.47\times10^{-5}\;T\)

③ Assuming same-direction currents, the field between the wires vanishes where the two contributions are equal (since they are opposite there):

\(\dfrac{I_1}{x}=\dfrac{I_2}{d-x}\Rightarrow x=\dfrac{I_1\,d}{I_1+I_2}=\dfrac{6\times0.4}{10}=0.24\;m\;\text{from wire 1}\)

④ For antiparallel currents, outside the wires the two fields point opposite ways, and the net field vanishes at a point closer to the weaker-current wire (\(I_2\)):

\(\dfrac{I_1}{d+y}=\dfrac{I_2}{y}\Rightarrow y=\dfrac{I_2\,d}{I_1-I_2}=\dfrac{4\times0.4}{2}=0.8\;m\;\text{outside wire 2}\)

المسألة الثانية: ملف مكبّر الصوتProblem Two: A Speaker Coil

ملف دائري (مكبّر صوت) نصف قطره \(r=2\;cm=0.02\;m\) وعدد لفاته \(N=400\) لفة، موصول بمصدر جهد \(V=10\;V\) ومقاومة الدارة \(R=20\;\Omega\).

احسب: ① شدة التيار المارّ في الملف. ② شدة المجال المغناطيسي في مركز الملف. ③ التدفق المغناطيسي الكلي عبر لفات الملف (مساحة اللفة الواحدة \(S=\pi r^2\)).

A circular coil (speaker coil) has radius \(r=2\;cm=0.02\;m\) and \(N=400\) turns, connected to a \(V=10\;V\) source with circuit resistance \(R=20\;\Omega\).

Find: ① the current in the coil. ② the field at the coil’s center. ③ the total flux linkage through the coil’s turns (area of one turn \(S=\pi r^2\)).

الحل:Solution:

① بقانون أوم: \(I=\dfrac{V}{R}=\dfrac{10}{20}=0.5\;A\)

② المجال في مركز الملف: \(B=\dfrac{\mu_0 N I}{2r}=\dfrac{4\pi\times10^{-7}\times400\times0.5}{2\times0.02}\approx6.283\times10^{-3}\;T\)

③ مساحة اللفة الواحدة: \(S=\pi r^2=\pi(0.02)^2\approx1.257\times10^{-3}\;m^2\)

التدفق الكلي عبر الـ N لفة: \(\Phi_{total}=N\,B\,S=400\times6.283\times10^{-3}\times1.257\times10^{-3}\approx3.16\times10^{-3}\;Wb\)

① By Ohm’s law: \(I=\dfrac{V}{R}=\dfrac{10}{20}=0.5\;A\)

② Field at the coil’s center: \(B=\dfrac{\mu_0 N I}{2r}=\dfrac{4\pi\times10^{-7}\times400\times0.5}{2\times0.02}\approx6.283\times10^{-3}\;T\)

③ Area of one turn: \(S=\pi r^2=\pi(0.02)^2\approx1.257\times10^{-3}\;m^2\)

Total flux linkage through the N turns: \(\Phi_{total}=N\,B\,S=400\times6.283\times10^{-3}\times1.257\times10^{-3}\approx3.16\times10^{-3}\;Wb\)

المسألة الثالثة: إيجاد شدتي التيارينProblem Three: Finding Both Currents

سلكان مستقيمان متوازيان يمرّ فيهما تياران \(I_1,\,I_2\). عند نقطة P تبعد \(d_1=10\;cm\) عن السلك الأول و\(d_2=5\;cm\) عن السلك الثاني (بين السلكين)، وُجد:

• عندما يكون التياران بنفس الاتجاه: شدة المجال المحصَّل عند P تساوي \(2\times10^{-8}\;T\) (المجالان متعاكسان عند P فيُطرحان).

• عندما يُعكس اتجاه أحد التيارين (فيصبحا متضادّين): شدة المجال المحصَّل عند P تساوي \(1\times10^{-7}\;T\) (المجالان يُجمعان).

جِد شدتي التيارين \(I_1\) و\(I_2\).

Two parallel straight wires carry currents \(I_1,\,I_2\). At a point P located \(d_1=10\;cm\) from wire 1 and \(d_2=5\;cm\) from wire 2 (between the wires), it is found that:

• When the currents are in the same direction: the net field at P is \(2\times10^{-8}\;T\) (the two fields are opposite at P, so they subtract).

• When one current is reversed (so they become antiparallel): the net field at P is \(1\times10^{-7}\;T\) (the fields add).

Find \(I_1\) and \(I_2\).

الحل:Solution:

نرمز \(B_1=\dfrac{\mu_0I_1}{2\pi d_1}\)، \(B_2=\dfrac{\mu_0I_2}{2\pi d_2}\). لدينا النظام:

\(B_1-B_2=2\times10^{-8}\)

\(B_1+B_2=1\times10^{-7}\)

بالجمع: \(2B_1=1.2\times10^{-7}\Rightarrow B_1=6\times10^{-8}\;T\)، وبالتالي \(B_2=4\times10^{-8}\;T\)

\(I_1=\dfrac{2\pi d_1 B_1}{\mu_0}=\dfrac{0.1\times6\times10^{-8}}{2\times10^{-7}}=0.03\;A\)

\(I_2=\dfrac{2\pi d_2 B_2}{\mu_0}=\dfrac{0.05\times4\times10^{-8}}{2\times10^{-7}}=0.01\;A\)

Let \(B_1=\dfrac{\mu_0I_1}{2\pi d_1}\), \(B_2=\dfrac{\mu_0I_2}{2\pi d_2}\). The system is:

\(B_1-B_2=2\times10^{-8}\)

\(B_1+B_2=1\times10^{-7}\)

Adding: \(2B_1=1.2\times10^{-7}\Rightarrow B_1=6\times10^{-8}\;T\), so \(B_2=4\times10^{-8}\;T\)

\(I_1=\dfrac{2\pi d_1 B_1}{\mu_0}=\dfrac{0.1\times6\times10^{-8}}{2\times10^{-7}}=0.03\;A\)

\(I_2=\dfrac{2\pi d_2 B_2}{\mu_0}=\dfrac{0.05\times4\times10^{-8}}{2\times10^{-7}}=0.01\;A\)

المسألة الرابعة: ملفان دائريان متّحدا المركزProblem Four: Two Concentric Circular Loops

ملف دائري خارجي نصف قطره \(r_1=0.2\;m\)، عدد لفاته \(N_1=50\)، يمرّ به تيار ثابت \(I_1=4\;A\)؛ فينتج في المركز مجالًا \(B_1\). يوضع في مركزه ملف داخلي (متّحد المركز) نصف قطره \(r_2=0.1\;m\) وعدد لفاته \(N_2=25\)، يمرّ به تيار \(I_2\) قابل للضبط. جِد \(I_2\) في كل من الحالات التالية:

① بحيث ينعدم المجال المحصَّل في المركز (الملفان بحقلين متعاكسين).

② بحيث يصبح المجال المحصَّل مساويًا لثلاثة أمثال \(B_1\) (الملفان بحقلين متوافقين/في نفس الاتجاه).

③ بحيث يكون مستوي الملف الداخلي عموديًا على مستوي الملف الخارجي، وتكون شدة المحصلة (المتعامدة) مساوية لضعف \(B_1\).

An outer circular loop of radius \(r_1=0.2\;m\), \(N_1=50\) turns, carries a fixed current \(I_1=4\;A\), producing a field \(B_1\) at the center. A concentric inner loop of radius \(r_2=0.1\;m\), \(N_2=25\) turns, carries an adjustable current \(I_2\), is placed at the same center. Find \(I_2\) in each case:

① So the net field at the center is zero (the two fields opposing).

② So the net field becomes three times \(B_1\) (the two fields aiding, same direction).

③ So the inner loop’s plane is perpendicular to the outer loop’s plane, and the (perpendicular) resultant equals twice \(B_1\).

الحل:Solution:

أولًا نحسب \(B_1=\dfrac{\mu_0N_1I_1}{2r_1}=\dfrac{4\pi\times10^{-7}\times50\times4}{0.4}\approx6.283\times10^{-4}\;T\)

ونعرّف \(k_2=\dfrac{\mu_0N_2}{2r_2}\) بحيث \(B_2=k_2I_2\).

① انعدام المجال ⇒ \(B_2=B_1\): \(I_2=\dfrac{B_1}{k_2}=4.0\;A\)

② المجال المحصَّل \(=3B_1\) (توافق) ⇒ \(B_1+B_2=3B_1\Rightarrow B_2=2B_1\): \(I_2=\dfrac{2B_1}{k_2}=8.0\;A\)

③ مستويان متعامدان ⇒ المحصلة \(=\sqrt{B_1^2+B_2^2}=2B_1\Rightarrow B_2=\sqrt{3}\,B_1\): \(I_2=\dfrac{\sqrt{3}\,B_1}{k_2}\approx6.93\;A\)

First, \(B_1=\dfrac{\mu_0N_1I_1}{2r_1}=\dfrac{4\pi\times10^{-7}\times50\times4}{0.4}\approx6.283\times10^{-4}\;T\)

Define \(k_2=\dfrac{\mu_0N_2}{2r_2}\) so \(B_2=k_2I_2\).

① Zero field ⇒ \(B_2=B_1\): \(I_2=\dfrac{B_1}{k_2}=4.0\;A\)

② Net field \(=3B_1\) (aiding) ⇒ \(B_1+B_2=3B_1\Rightarrow B_2=2B_1\): \(I_2=\dfrac{2B_1}{k_2}=8.0\;A\)

③ Perpendicular planes ⇒ resultant \(=\sqrt{B_1^2+B_2^2}=2B_1\Rightarrow B_2=\sqrt{3}\,B_1\): \(I_2=\dfrac{\sqrt{3}\,B_1}{k_2}\approx6.93\;A\)

المسألة الخامسة: ملف دائري بديل عن ملف لولبيProblem Five: A Circular Loop Replacing a Solenoid

ملف لولبي طوله \(L=1\;m\) وعدد لفاته \(N_s=500\) لفة يمرّ به تيار \(I\)، فينتج داخله مجالًا \(B_s=\mu_0nI\). نريد استبداله بملف دائري واحد نصف قطره \(r=5\;cm=0.05\;m\) يمرّ به نفس التيار \(I\)، بحيث ينتج المجال نفسه \(B_s\) في مركزه. جِد عدد لفات الملف الدائري \(N_c\) اللازم.

A solenoid of length \(L=1\;m\) with \(N_s=500\) turns carries a current \(I\), producing a field \(B_s=\mu_0nI\) inside it. We want to replace it with a single circular loop of radius \(r=5\;cm=0.05\;m\) carrying the same current \(I\), producing the same field \(B_s\) at its center. Find the number of turns \(N_c\) needed for the loop.

الحل:Solution:

مجال الملف اللولبي: \(B_s=\mu_0\dfrac{N_s}{L}I\). مجال الملف الدائري: \(B_c=\dfrac{\mu_0N_cI}{2r}\)

بمساواة \(B_c=B_s\): \(\dfrac{N_c}{2r}=\dfrac{N_s}{L}\Rightarrow N_c=\dfrac{2rN_s}{L}=\dfrac{2\times0.05\times500}{1}=50\;\text{لفة}\)

Solenoid field: \(B_s=\mu_0\dfrac{N_s}{L}I\). Circular loop field: \(B_c=\dfrac{\mu_0N_cI}{2r}\)

Setting \(B_c=B_s\): \(\dfrac{N_c}{2r}=\dfrac{N_s}{L}\Rightarrow N_c=\dfrac{2rN_s}{L}=\dfrac{2\times0.05\times500}{1}=50\;\text{turns}\)