المغناطيسية والكهرومغناطيسية في فيزياء IGCSE

الأفكار الأساسية في كل منهج

الأقطاب المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب، والمغناطيس يجذب المواد المغناطيسية مثل الحديد والصلب والنيكل والكوبالت. يمكن حث المغناطيسية في مادة مغناطيسية داخل مجال. الحديد المطاوع يتمغنط ويفقد مغناطيسيته بسهولة فيستخدم في المغناطيس المؤقت وقلوب المغناطيس الكهربائي، والصلب يحتفظ بمغناطيسيته فيستخدم في المغناطيس الدائم. تتجه خطوط المجال من الشمال إلى الجنوب خارج المغناطيس، وتقاربها يعني مجالًا أقوى.

الكهرومغناطيسية: يغطي المستوى الأساسي في كامبريدج أنماط المجال حول السلك والملف اللولبي، والمرحلات ومكبرات الصوت، والقوة على موصل يحمل تيارًا، والعوامل التي تزيد عزم المحرك. ويضيف الموسع قاعدة اليد اليسرى وانحراف حزم الجسيمات المشحونة والمبدل ذا الحلقة المشقوقة. ويختبر إدكسل تأثير المحرك ومكبر الصوت وقاعدة اليد اليسرى في الورقتين، أما تركيب المغناطيس الكهربائي وأنماط المجال والقوة على الجسيمات المشحونة فللورقة الثانية فقط.

الحث: يتولد جهد عندما يقطع موصل خطوط المجال أو يتغير المجال عبر ملف، ويزداد بمغناطيس أقوى وحركة أسرع ولفات أكثر. ويضيف الموسع في كامبريدج أن الجهد المستحث يعاكس التغير المسبب له، والمولد المتردد والحلقات المنزلقة. وفي كامبريدج تركيب المحول ومعادلة اللفات والنقل بجهد عالٍ من الأساسي، ومبدأ العمل وIpVp = IsVs وP = I^2 R من الموسع. وفي إدكسل كل محتوى المحولات في البنود 6.17P إلى 6.20P.

قواعد اليد الثلاث

لا يشترط أي من المنهجين اسم "قاعدة اليد اليمنى لفلمنج"، فكامبريدج تطلب ذكر الاتجاهات النسبية للقوة والمجال والتيار المستحث واستخدامها.

مثال محلول ١: المحول

محول يخفض ٢٣٠ فولت إلى ١١٫٥ فولت، وملفه الابتدائي ٢٠٠٠ لفة. عدد لفات الثانوي = ٢٠٠٠ × ١١٫٥ ÷ ٢٣٠ = ١٠٠ لفة، فهو محول خافض.

إذا كان تيار الخرج ٢٫٠ أمبير وكفاءة المحول ١٠٠٪: Ip = (١١٫٥ × ٢٫٠) ÷ ٢٣٠ = ٠٫١٠ أمبير. القدرة على الجانبين ٢٣ واط، وخفض الجهد يرفع التيار بالنسبة نفسها.

مثال محلول ٢: لماذا ننقل الكهرباء بجهد عالٍ (موسع كامبريدج)

محطة ترسل ١٫٠ ميجاواط عبر كابلات مقاومتها الكلية ٥٫٠ أوم. عند ١٠ كيلوفولت يكون التيار ١٠٠ أمبير، والقدرة المهدرة = ١٠٠^٢ × ٥٫٠ = ٥٠٠٠٠ واط، أي ٥٪ من القدرة المرسلة.

عند ٤٠٠ كيلوفولت يكون التيار ٢٫٥ أمبير، والقدرة المهدرة = ٢٫٥^٢ × ٥٫٠ = ٣١ واط تقريبًا. رفع الجهد ٤٠ مرة يخفض التيار ٤٠ مرة والفقد ١٦٠٠ مرة، ثم تخفض المحولات الخافضة الجهد إلى مستوى آمن للمنازل.

أخطاء شائعة

• القول إن كل الفلزات مغناطيسية، فالألومنيوم والنحاس ليسا كذلك.
• رسم خطوط مجال متقاطعة أو أسهم من الجنوب إلى الشمال خارج المغناطيس.
• الخلط بين قاعدة اليد اليسرى وقاعدة قبضة اليد اليمنى.
• القول إن المحول يعمل بالتيار المستمر، فهو يحتاج تيارًا مترددًا لتوليد مجال متغير في القلب.
• القول إن المحول الرافع يزيد القدرة، فهو يرفع الجهد ويخفض التيار.
• القول إن جهدًا يُستحث عند تثبيت المغناطيس داخل الملف دون حركة.
• الخلط بين الحلقات المنزلقة في المولد المتردد والمبدل في محرك التيار المستمر.

أسلوب الإجابة ولغة سلم التصحيح

لشرح عمل المحول اتبع التسلسل: التيار المتردد في الملف الابتدائي يولد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا في قلب الحديد المطاوع، والمجال المتغير يمر عبر الملف الثانوي، فيُحث فيه جهد متردد. إغفال كلمة "متغير" أو "متردد" يضيع الدرجة الأولى غالبًا.

في المحركات ومكبرات الصوت اربط القوة بالمجال: التيار في الملف يولد مجالًا يتفاعل مع مجال المغناطيس الدائم فتنشأ قوة، وفي مكبر الصوت يعكس التيار المتردد اتجاه القوة فيهتز المخروط. ولعوامل الحث اذكر الثلاثة المعتادة: قوة المغناطيس، وسرعة الحركة، وعدد اللفات.

كيف تساعد الدروس الفردية في هذا الموضوع

المغناطيسية موضوع بصري ثلاثي الأبعاد يصعب فهمه من رسم مسطح في كتاب. يرسم المدرس أنماط المجال على السبورة المشتركة ويتدرب مع الطالب على قاعدة اليد اليسرى خطوة بخطوة، ثم يكرر حسابات المحول وسلاسل الشرح حتى يكتبها الطالب بالترتيب الذي يتوقعه المصحح.

قائمة التحقق الذاتي

1. أصف الفرق بين الحديد المطاوع والصلب كمواد مغناطيسية.
2. أرسم خطوط المجال حول قضيب مغناطيسي وسلك مستقيم وملف لولبي.
3. أصف رسم المجال باستخدام بوصلة.
4. أستخدم قاعدة اليد اليسرى لإيجاد اتجاه القوة.
5. أذكر ثلاث طرق لزيادة عزم المحرك والجهد المستحث في المولد.
6. أشرح عمل المحول.
7. أستخدم Vp / Vs = Np / Ns وVp Ip = Vs Is.
8. أشرح لماذا تُنقل الكهرباء بجهد عالٍ.