main concepts scientists sections
بسيطمبسّطمتقدم

مسبار نحاسي يكتشف حافة الفقاعة المغناطيسية

الأصل: "Induced electromotive force of a thin metal rod in the alternating electromagnetic field of Helmholtz coil: experimental results and theoretical analysis"
· Yilin Shao, Minghan Gao, Baiqing Li, Xiaoguang Li, Chengfu Mu
arXiv:2609.06548v1 · 2026-09-06 · CC BY 4.0 · 1 دقيقة
الفيزياء الكلاسيكية
قضيب نحاسي يتحرك عرضيًا عبر مجال ملفين يظهر جهدًا صفريًا في المنتصف وأقوى إشارة عند حافة الفقاعة.

قضيب نحاسي بطول كف اليد يتحرك ببطء عرضيًا عبر مجال مغناطيسي غير مرئي ينشئه ملفان متطابقان. في مركز المجال تمامًا، يُظهر الفولتميتر صفرًا. وما إن نزيح القضيب قليلًا إلى الجانب حتى يتحرك مؤشر الجهاز: يزداد الجهد، ويبلغ ذروته، ثم يتناقص تدريجيًا. يعمل القضيب كمسبار يستشعر حافة الفقاعة غير المرئية حيث يتوقف المجال عن كونه منتظمًا.

تحدث أقصى إشارة ليس عند حدود الملف، بل قبل ذلك بقليل: عندما يكون وسط القضيب لا يزال داخل المجال بينما خرج طرفاه إلى الخارج.

لماذا يكون الجهد صفرًا في المركز؟ المجال المغناطيسي المتغير يحثّ جهدًا في القضيب. في المركز، يشعر النصفان العلوي والسفلي من القضيب بنفس تغير المجال، فتلغي إشارتاهما بعضهما البعض. وعند إزاحة القضيب، يجد النصفان ظروفًا مختلفة، فيظهر فرق، أي جهد. لكن إذا ابتعدنا كثيرًا، فإن المجال خارج حافة الملف يكون في الاتجاه المعاكس ويعيق الإشارة. لذلك فإن المنحنى يرتفع أولًا ثم ينخفض.

أظهرت التجربة أن الذروة تقع على مسافة تساوي تقريبًا ثلاثة وتسعين جزءًا من مائة من نصف قطر الملف من المركز. وهذا يعني أن القضيب قد خرج بالكامل تقريبًا من المجال، لكن وسطه لا يزال في الداخل. تساعد هذه المعرفة في معايرة أجهزة استشعار المجال المغناطيسي: عند الحافة تكون الإشارة أقوى، ويمكن ضبط الجهاز بدقة أكبر. يتحول قضيب نحاسي بسيط إلى أداة تجعل المجال غير المرئي ملموسًا.

تتحقق أقصى قوة دافعة كهربائية عندما يكون القضيب مزاحًا عن المركز بنسبة 93% من نصف قطر الملف، أي أن مركزه على حدود المجال تقريبًا بينما طرفاه خارجان بالفعل. وعند الذروة تكون الإشارة أكبر بثلاث مرات تقريبًا منها عند نصف نصف القطر.

\varepsilon_{AB} = B_0 \frac{dB_t(t)}{dt} y l
تزداد القوة الدافعة الكهربائية خطيًا مع المسافة y من المركز، طالما أن القضيب داخل المجال المنتظم بالكامل.
\varepsilon_{AB} = B_0 \frac{dB_t(t)}{dt} \left[ y \sqrt{R^2 - y^2} + R^2 \left( \arctan\frac{l}{y} - \arctan\frac{\sqrt{R^2 - y^2}}{y} \right) \right]
تصف الصيغة الارتفاع ثم الانخفاض اللاحق للقوة الدافعة الكهربائية في المنطقة الانتقالية حيث يعبر جزء من القضيب حدود المجال.
\varepsilon_{AB} = B_0 \frac{dB_t(t)}{dt} R^2 \arctan\frac{l}{y}
تتناقص القوة الدافعة الكهربائية رتيبًا مع المسافة، لأن القضيب بأكمله في منطقة مجال صفري، لكن المجال الكهربائي الدوامي في الخارج لا يختفي.