مغناطیس فیزیک یازدهم
در فصل سوم مغناطیس فیزیک دهم، شما با مفاهیم ، آهنرباها، میدان ، قوانین حاکم بر آن، القاگرها و جریان متناوب آشنا خواهید شدید. این فصل حاوی حجم زیادی اطلاعات است و بنابراین تعداد مباحثی که در آن شامل میشوند نیز زیاد است. از آنجایی که این فصل برای دانشآموزان رشتهی تجربی و ریاضی به طور جداگانه تدریس میشود، محتوای آن در فصل سوم برای رشتهی تجربی و در فصل سوم و چهارم برای رشتهی ریاضی مورد بررسی قرار میگیرد. همچنین، تستهای مرتبط با این فصل نسبت به حجم آن زیاد است، اما بیشتر این تستها به تیپهای معمول و شناخته شده از پیش تعلق دارند.
مباحث فصل سه فیزیک یازدهم
مغناطیس
در فصل القای الکترومغناطیس فیزیک دهم دبیرستانهای ایران، دانشآموزان با مفاهیم اصلی و اساسی در زمینه مغناطیس و الکترومغناطیس آشنا میشوند. این فصل به بررسی خصوصیات مواد، میدان مغناطیسی و خطوط میدان مغناطیسی، قوانین بیوت-ساوارت، اثر میدان ایجاد شده توسط جریانهای مستقیم و متناوب، القاگرها، قوانین فیرادی و لنز، و همچنین مفهوم ایندوکتانس و آنها میپردازد.
با درک این مفاهیم اساسی، دانشآموزان میتوانند رفتار مغناطیسی مواد و پدیدههای مرتبط با الکترومغناطیسی را درک کنند. این مفاهیم مهمی در فهم مفاهیم پیشرفتهتر و بیشتر در زمینهی فیزیک هستند و اساسی برای درک مفاهیمی مانند تئوریهای الکترودینامیک و ، الکترونیک و دستگاههای الکتریکی، و دیگر پدیدههای پیچیده در علوم مرتبط است.
نیروی وارد بر ذره باردار
نیروی وارد بر یک ذره باردار، به عنوان قانون کلی، توسط قانون لورنتز مشخص میشود. این قانون مشخص میکند که یک ذره باردار که در حال حرکت در یک میدان است، تحت تأثیر یک نیروی قرار میگیرد.
فرمول قانون لورنتز برای محاسبه این نیرو به صورت زیر است:
[ \mathbf{F} = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B}) ]
در اینجا:
- ( \mathbf{F} ) نیروی وارد بر ذره باردار است.
- ( q ) بار ذره است.
- ( \mathbf{v} ) سرعت ذره است.
- ( \mathbf{B} ) میدان است.
عبارت ( (\mathbf{v} \times \mathbf{B}) ) نشاندهندهی حاصلضرب برداری دو بردار ( \mathbf{v} ) و ( \mathbf{B} ) است. این نیرو به جهت قاطع با بردار سرعت ذره و بردار میدان نسبت به هم قرار دارد.
در اینجا، توجه کنید که این فرمول مناسب است برای ذراتی که دارای بار الکتریکی هستند و در میدان حرکت میکنند، مانند الکترونها یا پروتونها در فیزیک معمولی یا در شرایطی که ذرات باردار مانند یونها در میدانهای مغناطیسی حرکت میکنند.
نیروی وارد بر سیم حامل جریان
نیروی وارد بر یک سیم حامل جریان نیز توسط قانون لورنتز مشخص میشود. وقتی که یک سیم حامل جریان در میدان قرار میگیرد، نیروی بر روی آن اثر میگذارد. فرمول محاسبه این نیرو به شکل زیر است:
[ \mathbf{F} = I \mathbf{l} \times \mathbf{B} ]
در اینجا:
- ( \mathbf{F} ) نیروی وارد بر سیم حامل جریان است.
- ( I ) جریانی است که از سیم عبور میکند.
- ( \mathbf{l} ) بردار طول سیم است، که جهت آن از نقطه شروع تا نقطه پایان جریان است.
- ( \mathbf{B} ) میدان مغناطیسی است.
عبارت ( (\mathbf{l} \times \mathbf{B}) ) نشاندهندهی حاصلضرب برداری دو بردار ( \mathbf{l} ) و ( \mathbf{B} ) است. این نیرو به جهت قاطع با بردار طول سیم و بردار میدان نسبت به هم قرار دارد.
در این فرمول، توجه کنید که اگر جریان در سیم و میدان موازی به هم باشند یا سیم و میدان عمود به یکدیگر باشند، نیروی بر سیم صفر خواهد بود. اما اگر زاویه بین جریان و میدان مختل باشد، نیرویی که وارد بر سیم میشود، وجود خواهد داشت.
میدان مغناطیسی
میدان فضایی است که از وجود ذرات باردار یا جریانهای الکتریکی ایجاد میشود. این میدان نقش مهمی در تعاملات بین ذرات باردار و جریانهای الکتریکی با یکدیگر دارد و در فیزیک و مهندسی بسیاری از پدیدهها و دستگاهها تأثیرگذار است.
میدان با نماد ( \mathbf{B} ) یا ( \mathbf{H} ) نشان داده میشود و دارای ویژگیهایی مانند قوی بودن، جهت، و جریانهای الکتریکی ایجاد کننده است. همچنین، میدان میتواند توسط میدانهای دائمی تولید شود، که در این صورت از طریق مغناطیسهای دائمی مانند آهنرباها یا مغناطیسهای نیمههادی تولید میشود.
ویژگی های مغناطیسی مواد
ویژگیهای مواد نشاندهندهی توانایی آنها برای جذب یا تولید میدان هستند. این ویژگیها بسته به ساختار داخلی و رفتار الکترونهای مواد متفاوت است. برخی از ویژگیهای مهم عبارتند از:
- مغناطش:
- مغناطش یکی از ویژگیهای مهم مواد است که نشاندهندهی قدرت ماده است. مغناطش مواد میتواند مثبت یا منفی باشد و بر اساس آن، مواد به دو دسته مواد و غیرمغناطیسی تقسیم میشوند.
- نقطهی نقطهی Curie:
- نقطهی Curie نقطهای است که در آن مغناطیسیته یا مغناطیسی ماده به طور ناگهانی تغییر میکند. در دماهای بالاتر از نقطهی Curie، مواد مغناطیسی ممکن است به شکل پارامغناطیسی رفتار کنند.
- آهنربایی:
- آهنربایی نشاندهندهی توانایی ماده برای جذب میدان خارجی و تبدیل شدن به یک آهنربا است. مواد با آهنربایی بالا معمولاً مواد هستند.
- مغناطیسیته نسبی:
- مغناطیسیته نسبی نشاندهندهی نسبت میزان مغناطیسیته یک ماده به میزان مغناطیسیته مواد مرجع مانند آهن است.
- ترتیب مغناطیسی:
- ترتیب مغناطیسی میزان ترتیب داخلی ماده به شکل مغناطیسی است که تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی خارجی قرار میگیرد.
این ویژگیهای مغناطیسی از اهمیت بسیاری در زمینههای مختلفی از جمله فیزیک، مهندسی، الکترونیک و پزشکی برخوردار هستند و در طراحی دستگاهها و فرآیندهای مختلف بهکار میروند.
شار مغناطیسی
شار مغناطیسی یک مفهوم مهم در فیزیک است که به میزان میدان مغناطیسی که از یک سطح خاص عبور میکند، اشاره دارد. این مفهوم بسیار مشابه با مفهوم شار الکتریکی است که برای میدان الکتریکی تعریف میشود.
شار مغناطیسی با نماد ( \Phi ) نشان داده میشود و به صورت ریاضی به صورت زیر تعریف میشود:
[ \Phi = \int \mathbf{B} \cdot d\mathbf{A} ]
در اینجا:
- ( \mathbf{B} ) میدان مغناطیسی است.
- ( d\mathbf{A} ) یک عنصر فضایی از سطح است که میدان مغناطیسی از آن عبور میکند.
- علامت نقطه (·) نشان دهندهی عملگر نقطهای (dot product) بین دو بردار است.
- علامت انتگرال (تکتک شدن) نشان دهندهی این است که بردار میدان مغناطیسی در طول سطح را در طول آن سطح محاسبه کنیم و جمع بزنیم.
به طور کلی، شار مغناطیسی نشان دهندهی تعداد خطوط میدان مغناطیسی است که از یک سطح معین عبور میکند. این مفهوم مهم در تحلیل و مدلسازی مسائل مغناطیسی و در تعریف قوانین مغناطیسی از جمله قانون فیرادی-لنز و قانون امپر قابل استفاده است.
قانون القای فاراده (فارادی)
قانون القای فاراده، یا به طور کوتاه قانون فارادی، یکی از قوانین مهم الکترومغناطیسی است که توسط فیزیکدان فرانسوی مایکل فاراده در سال ۱۸۳۱ ارائه شد. این قانون توصیف میکند که چگونه تغییر میدان مغناطیسی در یک ناحیهی فضا باعث ایجاد جریان الکتریکی در اطراف آن ناحیه میشود.
بر اساس قانون فارادی، تغییرات میدان مغناطیسی در یک ناحیه، حرکت الکترونها در این ناحیه را تحریک میکند و جریان الکتریکی در اطراف ناحیهی تغییر میدان مغناطیسی ایجاد میشود. این جریان الکتریکی نیز میدان مغناطیسی ایجاد میکند که با میدان اولیه تداخل دارد.
یکی از فرمولهای ریاضی قانون فارادی به صورت زیر است:
[ \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} ]
در اینجا:
- ( \nabla \times \mathbf{E} ) نمایش دهندهی گرادیان متقاطع میدان الکتریکی است.
- ( \mathbf{B} ) میدان مغناطیسی است.
- ( \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} ) نشان دهندهی تغییرات زمانی میدان مغناطیسی است.
این فرمول نشان میدهد که تغییرات زمانی در میدان مغناطیسی (برحسب مشتق زمانی آن) باعث ایجاد میدان الکتریکی میشود (برحسب گرادیان متقاطع میدان الکتریکی). این ایجاد میدان الکتریکی، باعث ایجاد جریان الکتریکی در اطراف ناحیهی تغییر میدان مغناطیسی میشود.
قانون لنز
قانون لنز یکی از قوانین مهم در زمینه الکترومغناطیس است که توسط فیزیکدان روسی امیل لنز در قرن نوزدهم ارائه شد. این قانون بیان میکند که جریان الکتریکی یا جریان فارادی (القای فاراده) که به وجود میآید در یک حلقه مستطیلی، از تغییر میدان مغناطیسی که به این حلقه وارد میشود، جلوگیری میکند.
به طور دقیقتر، قانون لنز بیان میکند که جریان الکتریکی ایجاد شده در یک حلقه مستطیلی به شکلی است که میدان مغناطیسی تغییر میکند به نحوی که جریان ایجاد شده میدان مغناطیسیی مخالف با تغییرات میدان مغناطیسی اولیه باشد.
به صورت ریاضی، قانون لنز به صورت زیر بیان میشود:
این قانون در بسیاری از تحلیلهای مهم فیزیکی و مهندسی که با تغییرات میدان مغناطیسی و جریانهای الکتریکی سر و کار دارند، بسیار اهمیت دارد.
القاگرها
القاگرها (Inductors) اجزای مدارهای الکتریکی هستند که به منظور ایجاد میدان مغناطیسی و تولید جریان الکتریکی بر اثر تغییرات جریان الکتریکی در یک مدار استفاده میشوند.
یکی از نوعهای شایع القاگرها، سیم لوله (Coil) یا همان زیرپیچ است. سیم لوله یک سیم را چندین بار به دور یک محور مشترک میپیچد تا یک لوله ایجاد شود. وقتی جریان الکتریکی از سیم لوله عبور میکند، یک میدان مغناطیسی در وسیعیت فضا ایجاد میشود. همچنین، هنگام تغییرات جریان الکتریکی در سیم لوله، یک جریان الکتریکی در سیم تولید میشود.
القاگرها در مدارهای الکتریکی برای انتقال انرژی، تنظیم ولتاژ و جریان، تفریق سیگنالها، و کاربردهای دیگر مورد استفاده قرار میگیرند. آنها از اهمیت بسیاری در صنایع الکترونیکی، مخابرات، رایانهها، تجهیزات پزشکی و صنایع دیگر برخوردارند.
جریان متناوب
جریان متناوب (Alternating Current یا AC) نوعی از جریان الکتریکی است که جهت و مقدار آن به طور دورهای تغییر میکند. در جریان متناوب، جهت جریان الکتریکی به طور دورهای عوض میشود، به این معنی که جریان ابتدا در یک جهت جریان دارد و سپس در جهت معکوس آن جریان میرود. این تغییرات دورهای با فرکانس مشخصی اتفاق میافتد که به هر ثانیه تعداد دورهای از تغییرات را مشخص میکند و این فرکانس به واحد هرتز (Hz) اندازهگیری میشود.
جریان متناوب به طور گسترده در انتقال برق، سیستمهای الکتریکی خانگی، الکترونیک صنعتی، ماشینآلات، وسایل الکتریکی و الکترونیکی و بسیاری دیگر از کاربردهای الکترونیکی استفاده میشود. از ویژگیهای مهم جریان متناوب میتوان به امکان کاربردن ترانسفورماتورها برای تغییر ولتاژ، استفاده از موتورهای القایی، عدم انتشار انرژی در فاصلههای بلند و سادگی در تولید و کنترل آن اشاره کرد.
بودجه بندی فصل مغناطیس و القای الکترومغناطیس در کنکور سال های اخیر
سال | کنکور تجربی داخلی | کنکور ریاضی داخلی | کنکور تجربی خارجی | کنکور ریاضی خارجی |
---|---|---|---|---|
1399 | 2 | 4 | 3 | 4 |
1400 | 2 | 5 | 2 | 5 |
1401 | 3 | 4 | 2 | 4 |
1402 | 2 | 4 | 1 | 3 |
متوسط تعداد تستهای مطرح شده از فصل 3 فیزیک یازدهم در کنکور به این صورت است:
- برای رشته تجربی: حدود 3 تست
- برای رشته ریاضی: حدود 4 یا 5 تست
بنابراین، فصل مغناطیس و القای الکترومغناطیس برای تستزنی مناسب و مهم میباشد. این فصل، با توجه به کمبود تیپ تستها، ارزش ویژهای دارد و بهتر است به آن توجه ویژهای شود.
جمع بندی
فصل مغناطیس و القای الکترومغناطیس نسبت به سایر فصلهای فیزیک یازدهم حجیمتر است و شامل مباحث بیشتری میشود.
از طرفی، این فصل به عنوان یکی از فصول تستخیز محسوب میشود و به طور متوسط 4 الی 5 تست از کنکور را به خود اختصاص میدهد.
برای موفقیت در این فصل، تسلط بر مفاهیم فصل جریان الکتریکی ضروری است، زیرا در برخی موارد سوالات ترکیبی با فصل 2 مطرح شده است.
دیدگاهتان را بنویسید