جواب پرسش 3-13 صفحه 92 درس 3 فیزیک یازدهم تجربی (مغناطیس و القای الکترومغناطیسی)

گام اول: تعیین جهت میدان مغناطیسی القایی (واکنش حلقه)

به جهت فلش جریان روی حلقه در تصویر نگاه کن. اگر از بالا به حلقه نگاه کنیم، جریان القایی در جهت پادساعتگرد در حال چرخش است. حالا اگر قاعده دست راست رو پیاده کنی (چهار انگشت دست راستت رو در جهت چرخش این جریان قرار بدی)، انگشت شست تو جهت میدان مغناطیسیِ تولید شده توسط خود حلقه رو نشان می‌ده که رو به بالا است. (همچنین می‌تونی تصور کنی که سطح پایینی حلقه تبدیل به قطب S و سطح بالایی قطب N شده است.)

گام دوم: بررسی میدان مغناطیسی اصلی (عمل آهنربا)

قطب شمال (N) آهنربا رو به سمت حلقه قرار دارد. همان‌طور که می‌دونی، خطوط میدان مغناطیسی همیشه از قطب N خارج می‌شوند. پس جهت میدان مغناطیسیِ اصلی آهنربا در محل حلقه نیز رو به بالا است.

گام سوم: اتصال مفاهیم با قانون لنز

اینجا دقیقاً همون نقطه‌ای است که منطق قانون لنز خودش رو نشان می‌ده. دیدیم که میدان القایی حلقه (رو به بالا) دقیقاً هم‌جهت با میدان اصلی آهنربا (رو به بالا) است. طبق قانون لنز، جریان القایی همیشه سعی می‌کند با عاملی که به وجودش آورده (تغییر شار) مخالفت کند. وقتی میدان القایی می‌خواهد به میدان اصلی «کمک» کند و با آن هم‌سو می‌شود، به این معنی است که شار مغناطیسی اصلی در حال کاهش بوده و سیستم می‌خواهد جلوی این کاهش را بگیرد.

برای اینکه شار میدان مغناطیسی قطب N در درون حلقه کاهش پیدا کند، آهنربا باید در حال دور شدن از حلقه باشد.

گام اول: میدان مغناطیسی سیم مستقیم (عامل محرک)

جریان سیم مستقیم (I) به سمت پایین است. با استفاده از قاعده دست راست (قرار دادن انگشت شست به سمت پایین)، متوجه می‌شویم که خطوط میدان مغناطیسیِ تولید شده توسط این سیم در سمت راست آن (یعنی دقیقاً در محلی که حلقه قرار دارد) به سمت بیرون صفحه هستند.

گام دوم: بررسی تغییرات شار مغناطیسی

صورت مسئله اشاره می‌کند که جریان سیم در حال افزایش است. در نتیجه، میدان مغناطیسیِ برون‌سویی که از داخل حلقه عبور می‌کند، مدام در حال قوی‌تر شدن است؛ پس شار مغناطیسی عبوری از حلقه افزایش می‌یابد.

گام سوم: منطق قانون لنز (واکنش سیستم)

همان‌طور که می‌دانیم، قانون لنز بیان می‌کند که جریان القایی همواره با عاملی که آن را به وجود آورده (یعنی تغییرات شار) مخالفت می‌کند. چون میدان مغناطیسیِ رو به بیرون در حال زیاد شدن است، حلقه برای مقابله با این افزایش، یک میدان مغناطیسی القایی به سمت درون صفحه تولید می‌کند.

گام چهارم: تعیین جهت جریان القایی در حلقه

حالا برای پیدا کردن جهت جریان، دوباره به قاعده دست راست رجوع می‌کنیم، اما این بار برای خود حلقه. انگشت شست دست راستت را در جهت میدان القاییِ حلقه (به سمت درون صفحه و به مخالف خودت) نگه دار. مسیر بسته شدن چهار انگشتت، جهت جریان را نشان می‌دهد که ساعتگرد (جهت حرکت عقربه‌های ساعت) است.

چون نیروی محرکه باتری ثابت است، با افزایش مقاومت رئوستا، جریان عبوری از مدار کاهش می یابد، با توجه به تعیین جهت میدان مغناطیسی در محل حلقه رسانا، و همچنین کاهش جریان در مدار، جهت جریان القایی در حلقه رسانا پادساعتگرد است.

برای تعیین جهت جریان، از قانون لنز استفاده می‌کنیم:

1 تغییر شار: با حرکت حلقه به سمت راست و خروج از میدان، شار مغناطیسیِ «درون‌سو» که از حلقه می‌گذرد، در حال کاهش است.

2 واکنش حلقه: طبق قانون لنز، حلقه سعی می‌کند با این کاهش مخالفت کند؛ پس با تولید یک میدان مغناطیسی «درون‌سو»، تلاش می‌کند شارِ از دست رفته را جبران کند.

3 تعیین جهت: طبق قاعده دست راست، برای ایجاد میدان مغناطیسی «درون‌سو» در مرکز حلقه، جریان باید در جهت ساعتگرد برقرار شود.