قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي

ما هو الحث الكهرومغناطيسي؟

الحث الكهرومغناطيسي: هو العملية التي يمكن من خلالها حث تيار كهربائي على التدفق نتيجة لتغير المجال المغناطيسي. ونعلم أنّ القوة المغناطيسية هي التي تحدث عند تحريك الشحنات في مجال مغناطيسي. القوة المؤثرة على السلك الحامل للتيار بسبب الإلكترونات التي تتحرك داخله عند وجود مجال مغناطيسي هي مثال كلاسيكي لهذه القوة. تعمل هذه العملية أيضاً في الاتجاه المعاكس. يمكن أنّ يؤدي تحريك سلك عبر مجال مغناطيسي إلى تغيير قوة المجال المغناطيسي بمرور الوقت إلى تدفق التيار.

تعريف قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي:

قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، المعروف أيضاً باسم “قانون فاراداي”، هو القانون الأساسي للكهرومغناطيسية الذي يساعدنا على التنبؤ بكيفية تفاعل المجال المغناطيسي مع دائرة كهربائية لإنتاج قوة دافعة كهربائية (EMF). تُعرف هذه الظاهرة “بالحث الكهرومغناطيسي”.

تم اقتراح القانون في عام 1831م من قبل فيزيائي وكيميائي تجريبي يدعى “مايكل فاراداي“، لذلك يمكنك أن ترى من أين يأتي اسم القانون. ومع ذلك، فإنّ قانون فاراداي أو قانون الحث الكهرومغناطيسي هو في الأساس عبارة عن نتائج أو ملاحظات التجارب التي أجراها فاراداي. أجرى ثلاث تجارب رئيسية لاكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي.

شرح قوانين فاراداي للحث الكهرومغناطيسي:

تتكون قوانين فاراداي للحث الكهرومغناطيسي من قانونين، يصف القانون الأول تحريض (emf) في الموصل والقانون الثاني يحدد مقدار (emf) الناتج في الموصل. الآن دعونا نتعرف على هذه القوانين بالتفصيل:

قانون فاراداي الأول للحث الكهرومغناطيسي:

يعتمد اكتشاف وفهم الحث الكهرومغناطيسي على سلسلة طويلة من التجارب التي أجراها “فاراداي” و”هنري”. من الملاحظات التجريبية، توصل “فاراداي” إلى استنتاج مفاده أنّ (emf) يتم إحداثه في الملف عندما يتغير التدفق المغناطيسي عبر الملف مع مرور الوقت. ونتيجةً لذلك، صاغ “فاراداي” قانونه الأول للحث الكهرومغناطيسي:

“عندما يتم وضع موصل في مجال مغناطيسي متغير، يتم إحداث قوة دافعة كهربائية. إذا تم إغلاق دائرة الموصل، يتم استحثاث تيار يسمى التيار المستحث”.

طرق تغيير شدة المجال المغناطيسي في حلقة مغلقة:

• عن طريق تدوير الملف بالنسبة للمغناطيس.

• عن طريق تحريك الملف داخل أو خارج المجال المغناطيسي.

• عن طريق تغيير مساحة الملف الموضوعة في المجال المغناطيسي.

• عن طريق تحريك المغناطيس باتجاه الملف أو بعيداً عنه.

قانون فاراداي الثاني للحث الكهرومغناطيسي:

ينص قانون “فاراداي” الثاني للحث الكهرومغناطيسي على:

“تساوي (emf) المستحثة في الملف معدل تغيير ارتباط التدفق”.

التدفق هو ناتج عدد الدورات في الملف والتدفق المرتبط بالملف، صيغة قانون “فاراداي” هي:

(ε = −N (Δϕ / Δt

حيث:

ε – هي القوة الدافعة الكهربائية.

Φ – هو التدفق المغناطيسي.

N – هو عدد الدورات.

تشير الإشارة السالبة إلى أنّ اتجاه (emf) المستحث والتغير في اتجاه الحقول المغناطيسية لهما إشارات معاكسة.

صيغة قانون فاراداي:

افترض أنّه لدينا مغناطيس يقترب من الملف، ولنعتبر أنّ لدينا (T₁ و T₂) للدلالة على الزمن، علاقة التدفق مع الملف خلال الزمن (T₁) الذي يتم فيه يعطى كالتالي:

T₁ = N Φ₁

علاقة التدفق مع الملف خلال الزمن (T₂) الذي يتم فيه يعطى كالتالي:

T₂ = N Φ₂

وتعطى علاقة التغيير بالتدفق كالتالي:

( N (Φ₂ – Φ₁

لنعتبر التغيير في التدفق يعطى بالعلاقة التالية:

Φ = Φ₂ – Φ₁

ومن ثم، يتم إعطاء التغيير في التدفق بواسطة العلاقة:

NΦ

يتم إعطاء معدل تغيير التدفق بواسطة العلاقة التالية:

NΦ/t

بأخذ مشتق المعادلة أعلاه، نحصل على:

N dΦ/dt

وفقاً لقانون فاراداي الثاني للحث الكهرومغناطيسي، نعلم أنّ (emf) المستحث في الملف يساوي معدل تغير التدفق، وبالتالي:

(E=N (dϕ / dt

من المعادلة أعلاه، يمكننا أن نستنتج ما يلي:

• تؤدي زيادة عدد اللفات في الملف إلى زيادة (emf) المستحثة.

• تؤدي زيادة شدة المجال المغناطيسي إلى زيادة (emf) المستحثة.

• تؤدي زيادة سرعة الحركة النسبية بين الملف والمغناطيس إلى زيادة (emf).

تجربة فاراداي العلاقة بين (EMF) المستحث والتدفق:

في التجربة الأولى: أثبت أنّه عندما تتنوع قوة المجال المغناطيسي، عندها فقط يتم تحفيز التيار. تم توصيل مقياس التيار الكهربائي بحلقة من الأسلاك، وعندها انحرف مقياس التيار عند تحريك المغناطيس نحو السلك.

في التجربة الثانية: أثبت أنّ تمرير تيار عبر قضيب حديدي سيجعله كهرومغناطيسياً. لاحظ أنّه عند وجود حركة نسبية بين المغناطيس والملف، سيتم إحداث قوة دافعة كهربائية. عندما كان المغناطيس يدور حول محوره، لم تُلاحظ أي قوة دافعة كهربائية، ولكن عندما تم تدوير المغناطيس حول محوره، تمّ إنتاج القوة الدافعة الكهربائية المستحثة. وبالتالي، لم يكن هناك أي انحراف في مقياس التيار عند ثبات المغناطيس.

أثناء إجراء التجربة الثالثة: سجل أنّ الجلفانومتر لم يُظهر أي انحراف ولم ينتج أي تيار مستحث في الملف عند تحريك الملف في مجال مغناطيسي ثابت. انحرف مقياس التيار في الاتجاه المعاكس عندما تم إبعاد المغناطيس عن الحلقة.

بتلخيص النقاط أعلاه، قمنا برسم العلاقة بين موضع المغناطيس والانحراف في الجلفانومتر في الجدول التالي:

بعد إجراء جميع التجارب، استنتج “فاراداي” أخيراً إلى أنّه في حالة وجود حركة نسبية بين الموصل والمجال المغناطيسي، فإنّ ارتباط التدفق مع الملف قد تغير وهذا التغيير في التدفق ينتج جهداً عبر الملف. ينص قانون فاراداي أساساً على أنّه “عندما يتغير التدفق المغناطيسي أو المجال المغناطيسي بمرور الوقت، يتم إنتاج القوة الدافعة الكهربائية”. بالإضافة إلى ذلك، صاغ “مايكل فاراداي” قوانينه الإثنين على أساس التجارب المذكورة أعلاه.

تطبيقات قانون فاراداي في الحياة اليومية:

فيما يلي المجالات التي نجد فيها تطبيقات قانون فاراداي:

• تعمل المعدات الكهربائية مثل المحولات على أساس قانون فاراداي.

• يعمل الطباخ التقليدي على أساس الحثّ المتبادل وهو مبدأ قانون فاراداي.

• من خلال إحداث قوة دافعة كهربائية في مقياس الجريان الكهرومغناطيسي، يتم تسجيل سرعة السوائل.

• الجيتار الكهربائي والكمان الكهربائي هي الآلات الموسيقية التي تعتبر إحدى تطبيقات قانون فاراداي.

• تعتمد معادلة ماكسويل على عكس قوانين فاراداي التي تنص على أنّ التغيير في المجال المغناطيسي يؤدي إلى تغيير في المجال الكهربائي.