گالری فیلم فیزیک, آزمـایشـهـای شگفت انگیز فیبـیـسـت, آموزش فیزیک, فایل های مرجع و مستندات آزمایشگاهی, فیبیست کده, کارگاه فیزیک, گالری ها
میدان و نیروی الکترومغناطیسی
فروردین
میدان و نیروی الکترومغناطیسی؛ نامرئی اما همه‌جا
میدان و نیروی الکترومغناطیسی از اساسی‌ترین مفاهیم در فیزیک مدرن هستند که همه‌جا حاضرند. از تابش نور و امواج رادیویی گرفته تا عملکرد موتورها و پردازنده‌ها، همه به نوعی به این میدان‌ها وابسته‌اند. با این حال، درک شهودی این پدیده‌ها دشوار است، زیرا معمولاً دیده نمی‌شوند. با آزمایش‌های ساده اما دقیق می‌توان اثرات آنها را تجربه کرد و حضورشان را به‌وضوح حس کرد.
ولتاژ طبیعی بدن و آنتن‌های ساده
روی سطح بدن انسان، به‌ویژه دست‌ها، اختلاف ولتاژی در حدود ۰.۲ تا ۰.۳ ولت نسبت به زمین الکتریکی محیط وجود دارد. این اختلاف ناشی از برهم‌کنش با میدان‌های الکترومغناطیسی اطراف ماست. با استفاده از یک سیم بلند یا ورق فلزی به‌عنوان آنتن، می‌توان این ولتاژ را آشکارسازی کرد. این آنتن ساده، امواج محیطی را جمع‌آوری می‌کند و آن را به مدارهای تقویت‌کننده منتقل می‌کند.
تقویت سیگنال با ترانزیستورهای BJT و ماسفت
مدارهایی که از ۲ تا ۳ ترانزیستور BJT یا MOSFET استفاده می‌کنند، قابلیت تقویت میدان و نیروی الکترومغناطیسی ضعیف اطراف ما را دارند. این مدارها سیگنال‌های کوچک محیطی را گرفته و آن‌قدر تقویت می‌کنند که بتوانند یک لامپ کوچک را روشن کنند یا به دستگاه‌های اندازه‌گیری ارسال شوند. امپدانس بالا در ورودی، باعث جذب بهتر امواج محیطی می‌شود.
پاسخ لامپ سیگنال به میدان‌های ضعیف
به‌محض اعمال ولتاژ ناشی از میدان روی پایه ورودی ترانزیستورها، جریان مناسبی در خروجی ایجاد می‌شود. این جریان می‌تواند برای روشن شدن یک LED یا لامپ سیگنال کافی باشد. در واقع، به‌کمک این مدار، ما میدان و نیروی الکترومغناطیسی را به یک خروجی نوری و ملموس تبدیل کرده‌ایم. این اصل در گیرنده‌های رادیویی، سنسورها، و آنتن‌های حساس کاربرد دارد.
انحراف باریکه الکترونی در میدان مغناطیسی
یکی از آزمایش‌های جذاب مرتبط با میدان و نیروی الکترومغناطیسی، مشاهده انحراف باریکه الکترونی در مجاورت آهن‌رباست. لامپ تصویر تلویزیون‌های قدیمی (CRT) از تفنگ الکترونی برای پرتاب الکترون به صفحه استفاده می‌کند. وقتی یک آهن‌ربای میله‌ای یا نئودیمیومی را به نزدیکی لامپ ببریم، مسیر حرکت الکترونها تغییر می‌کند. این تغییر را می‌توان در تغییر رنگ یا مکان تصویر دید.
هشدار مهم درباره لامپ تصویر (CRT)
⚠️ آزمایش با لامپ تصویر تلویزیون بسیار خطرناک است. ولتاژ در این دستگاه‌ها به ۳۰ تا ۶۰ هزار ولت می‌رسد و به‌شدت خطرناک است. حتی پس از خاموشی، خازن‌ها ممکن است شارژ داشته باشند. بنابراین انجام این آزمایش باید فقط زیر نظر مربی فیزیک متخصص انجام شود و هرگز به‌صورت انفرادی در منزل توصیه نمی‌شود.
اثر چرخشی میدان‌های الکترومغناطیسی
وقتی جریان الکتریکی از یک سیم عبور می‌کند، میدان مغناطیسی در اطراف آن ایجاد می‌شود. اگر این سیم در نزدیکی یک آهن‌ربا قرار گیرد و زاویه خاصی داشته باشد، میدان تولید شده با خطوط میدان آهن‌ربا تداخل کرده و باعث ایجاد گشتاور می‌شود. نتیجه، چرخش جسم رسانا یا آهن‌ربا است. این اصل در طراحی موتورهای الکتریکی، بلندگوها و ژنراتورها استفاده می‌شود.
کاربردهای عملی میدان و نیروی الکترومغناطیسی
میدان و نیروی الکترومغناطیسی در تکنولوژی‌های پیشرفته، نقش محوری دارند. از ارتباطات بی‌سیم (WiFi، رادیو، تلفن همراه) تا تصویربرداری پزشکی (MRI)، همه وابسته به تولید، کنترل و تفسیر این میدان‌ها هستند. همچنین در حسگرهای صنعتی، آشکارسازهای میدان، و حتی در ساخت ربات‌های میکروسکوپی، میدان‌های الکترومغناطیسی به‌عنوان نیروی محرک استفاده می‌شوند.
جمع‌بندی نهایی: دیدن میدان‌ها با چشم تجربه
میدان و نیروی الکترومغناطیسی شاید با چشم دیده نشوند، اما با آزمایش‌هایی ساده می‌توان حضورشان را درک کرد. از لامپ روشن‌شده با لمس دست تا باریکه‌ای که در میدان مغناطیسی منحرف می‌شود، همه نشان می‌دهند که این نیروها واقعی و اثرگذارند. آشنایی با این مفاهیم نه‌تنها برای دانش‌آموزان، بلکه برای هر علاقه‌مند به علم، یک قدم به سوی فهم عمیق‌تر طبیعت است.
آنتن های ساده را می توان با کمک یک آمپلی فایر با امپدانس بالا تقویت کرد. روی دست ما چیزی بین 0.2-0.3 ولت اختلاف ولتاژ نسبت به محیط اطراف وجود دارد. مدار از تقویت دو تا 3 عدد ترانزیستور سیگنال کوچک bjt یا ماسفت های کم ولت درست شده است. به محض اعمال ولتاژ میدان روی پایه های ورودی ، جریان مناسبی برای روشن شدن لامپ سیگنال تولید می شود.
در این آزمایش انحراف باریکه الکترونها را در مجاورت میدان یک آهن ربا خواهید دید.میدان مغناطیسی آهن ربای میله ای به اندازه ای است که می تواند الکترون های تولید شده از لامپ تصویر را به انحراف وادار کند.
تذکر:
انجام این آزمایش حتما باید زیر نظر مربی فیزیک ورزیده انجام شود زیرا لامپ تصویر تلویزیون دارای چندین هزار ولت الکتریسیته مستقیم است و می تواند منجر به شوک یا خطر مرگ شود.
این آزمایش با بحث میدان های مغناطیسی نشان می دهد که میدان ها نیرو دارند و باعث چرخش اجسام می توانند بشوند.الکترون های عبور کرده از سیم از طریق آهن ربای نیئودیمیوم و پیچ تولید یک میدان مغناطیسی می کنند که بر خطوط میدان آهن ربا عمود است و با عث چرخش آن می شود.