ما هو التدفق المغناطيسي؟
يتم تعريف التدفق المغناطيسي على أنّه عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تمر عبر سطح مغلق معين. يوفر قياس المجال المغناطيسي الكلي الذي يمر عبر مساحة سطح معينة. هنا، يمكن أن تكون المنطقة قيد النظر من أي حجم وتحت أي اتجاه فيما يتعلق باتجاه المجال المغناطيسي.
التدفق المغناطيسي هو قياس المجال المغناطيسي الكلي الذي يمر عبر منطقة معينة. إنّها أداة مفيدة للمساعدة في وصف تأثيرات القوة المغناطيسية على شيء يشغل منطقة معينة. يرتبط قياس التدفق المغناطيسي بالمنطقة المحددة المختارة. يمكننا اختيار جعل المنطقة بأي حجم نريده وتوجيهها بأي شكل من الأشكال بالنسبة للمجال المغناطيسي.
تكمن رؤى “فاراداي” في إيجاد علاقة رياضية بسيطة لشرح سلسلة التجارب التي أجراها على الحث الكهرومغناطيسي. قدم “فاراداي” مساهمات عديدة في العلوم وهو معروف على نطاق واسع بأنّه أعظم عالم تجريبي في القرن التاسع عشر. قبل أن نبدأ، دعونا نفهم مفهوم التدفق المغناطيسي الذي يلعب دوراً رئيسياً في الحث الكهرومغناطيسي.
شرح التدفق المغناطيسي:
إذا استخدمنا صورة خط المجال للمجال المغناطيسي، فإنّ كل خط حقل يمر عبر المنطقة المعينة يساهم في بعض التدفق المغناطيسي. الزاوية التي يتقاطع فيها خط الحقل مع المنطقة مهمة أيضاً. لن يساهم خط الحقل الذي يمر بزاوية خاطفة إلّا في جزء صغير من المجال في التدفق المغناطيسي. عند حساب التدفق المغناطيسي، فإننّا نقوم فقط بتضمين مكون متجه المجال المغناطيسي الطبيعي لمنطقة الاختبار لدينا.
إذا اخترنا سطح مستو بسيط مع مساحة (A)، كمنطقة اختبار لدينا وهناك زاوية (θ) بين الطبيعي على السطح وناقل المجال المغناطيسي (المقدار B)، إذاً التدفق المغناطيسي سيكون:
φ = B A cos θ
في حالة أنّ السطح متعامد مع المجال المغناطيسي، تكون الزاوية صفراً ويكون التدفق المغناطيسي ببساطة (BA).
كيف نقيس التدفق المغناطيسي؟
وحدة التدفق المغناطيسي في (SI) هي الويبر (Weber)، سميت على اسم الفيزيائي الألماني ومخترع التلغراف (Wilhelm Weber) والوحدة تحمل الرمز (Wb). نظراً لأنّ التدفق المغناطيسي هو مجرد طريقة للتعبير عن المجال المغناطيسي في منطقة معينة، فيمكن قياسه باستخدام المقياس المغناطيسي بنفس طريقة قياس المجال المغناطيسي.
على سبيل المثال، افترض أنّه تم تحريك مسبار مغناطيسي صغير “بدون تدوير” داخل (0.5m2)، منطقة بالقرب من ورقة كبيرة من المواد المغناطيسية وتشير إلى قراءة مستمرة لـ (5mT). ثم التدفق المغناطيسي عبر المنطقة (5. 10-3) × (0.5m2) تساوي (0.0025 Wb). في حالة تغير قراءة المجال المغناطيسي مع الموضع، سيكون من الضروري إيجاد متوسط القراءة.
المصطلح ذو الصلة الذي قد تصادفه هو كثافة التدفق المغناطيسي. يتم قياس هذا بوحدة (Wb/m2). نظراً لأننّا نقسم التدفق على المنطقة، يمكننا أيضاً تحديد وحدات كثافة التدفق بوحدة “تسلا” مباشرة. في الواقع، غالباً ما يستخدم مصطلح كثافة التدفق المغناطيسي بشكل مترادف مع حجم المجال المغناطيسي.
لماذا التدفق المغناطيسي مفيد؟
هناك عدة أسباب تجعل وصف التدفق المغناطيسي أكثر فائدة من وصف المجال المغناطيسي مباشرة:
- عندما يتم نقل ملف من الأسلاك عبر مجال مغناطيسي، يتم إنشاء جهد يعتمد على التدفق المغناطيسي عبر منطقة الملف. هذا موصوف في “قانون فاراداي“. تطبق المحركات والمولدات الكهربائية “قانون فاراداي” على الملفات التي تدور في مجال مغناطيسي. في المولد الكهربائي يتغير التدفق مع دوران الملف. يسمح وصف التدفق المغناطيسي بحساب الجهد المتولد عن مولد كهربائي بسهولة حتى عندما يكون المجال المغناطيسي معقداً.
- على الرغم من أنّنا لم نهتم إلا بقياس التدفق المغناطيسي لمنطقة اختبار مسطحة بسيطة، يمكننا أن نجعل منطقة الاختبار لدينا سطحاً من أي شكل نحب. في الواقع، يمكننا استخدام سطح مغلق مثل الكرة التي تحيط بمنطقة الاختبار. تعتبر الأسطح المغلقة مثيرة للاهتمام بشكل خاص بسبب “قانون غاوس للمغناطيسية“.
- نظراً لأنّ المغناطيس يحتوي دائماً على قطبين، فلا توجد إمكانية لوجود أحادي القطب المغناطيسي داخل سطح مغلق. هذا يعني أنّ التدفق المغناطيسي عبر هذا السطح المغلق يكون دائماً صفراً، وبالتالي فإنّ جميع خطوط المجال المغناطيسي التي تدخل إلى السطح المغلق متوازنة تماماً بخطوط المجال الخارجة منه. هذه الحقيقة مفيدة في تبسيط مشاكل المجال المغناطيسي.
- التدفق المغناطيسي هو كمية مهمة تسمح لنا بحساب (emf) المتولد في ملف من الأسلاك عندما يتغير التدفق من خلال الملف، كما يحدث في الدينامو أو أنواع معينة من الميكروفون. تتضمن آلية النوع الأول عادةً دوران المغناطيس حول ملف ثابت من الأسلاك، يخلق المغناطيس المتحرك تدفقاً مغناطيسياً متغيراً بمرور الوقت عبر الملف، وبالتالي يولد (emf). يتناسب حجم (emf) الذي تم إنشاؤه بهذه الطريقة مع معدل تغير التدفق “قانون فاراداي” واتجاهه مثل معارضة التغيير في التدفق الذي تسبب في ذلك “قانون لينز“.
