قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي - Lenz's law

تعريف قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي:

ينص قانون “لينز” للحث الكهرومغناطيسي على أنّ اتجاه التيار المستحث في الموصل بواسطة مجال مغناطيسي متغير (وفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي) هو أنّ المجال المغناطيسي الناتج عن التيار المستحث يعارض المجال المغناطيسي المتغير الأولي الذي أنتجه. يتم تحديد اتجاه تدفق هذا التيار من خلال قاعدة اليد اليمنى لـ (Fleming).

تستحث القوة الدافعة الكهربائية المستحثة ذات الأقطاب المختلفة تياراً يعارض مجاله المغناطيسي التغيير في التدفق المغناطيسي عبر الحلقة لضمان الحفاظ على التدفق الأصلي من خلال الحلقة عندما يتدفق التيار فيها. سمي قانون “لينز” على اسم “إميل لينز”، ويعتمد على مبدأ الحفاظ على الطاقة وقانون نيوتن الثالث. إنّها الطريقة الأكثر ملاءمة لتحديد اتجاه التيار المستحث. تنص على أنّ اتجاه التيار المستحث يكون دائماً مثل معارضة التغيير في الدائرة أو المجال المغناطيسي الذي ينتجه.

شرح قانون لينز:

قد يكون من الصعب فهم هذا في البداية، لذلك دعونا نلقي نظرة على مثال لذلك. تذكر أنّه عندما يتم إحداث تيار بواسطة مجال مغناطيسي، فإنّ المجال المغناطيسي الذي ينتجه هذا التيار المستحث سيخلق مجاله المغناطيسي الخاص به. سيكون هذا المجال المغناطيسي دائماً بحيث يعارض المجال المغناطيسي الذي أنشأه في الأصل. إذا كان المجال المغناطيسي (B) آخذ في الازدياد، فإنّ المجال المغناطيسي المستحث سوف يعمل بشكل معاكس له.

عندما يتناقص المجال المغناطيسي (B)، سيعمل المجال المغناطيسي المستحث مرة أخرى في مقابله. لكن هذه المرة بالمعارضة (in opposition) تعني أنّها تعمل على زيادة المجال، لأنّها تعارض معدل التغيير المتناقص. يستند قانون “لينز” على قانون “فاراداي” للحث الكهرومغناطيسي (induction). يخبرنا قانون “فاراداي” أنّ المجال المغناطيسي المتغير سيحدث تياراً في الموصل. بينما يخبرنا قانون (Lenzs) عن اتجاه هذا التيار المستحث، والذي يعارض المجال المغناطيسي المتغير الأولي الذي أنتجه. يُشار إلى هذا في صيغة قانون “فاراداي” بعلامة النفي (“-“).

ε = – dφ_B / dt

قد يكون هذا التغيير في المجال المغناطيسي ناتجاً عن تغيير شدة المجال المغناطيسي عن طريق تحريك المغناطيس باتجاه الملف أو بعيداً عنه، أو تحريك الملف داخل المجال المغناطيسي أو خارجه. بعبارة أخرى، يمكننا القول أنّ حجم (EMF) المستحث في الدائرة يتناسب مع معدل تغير التدفق.

ξ ∝ dφ /dt

صيغة قانون لينز – Lenz’s Law Formula:

ينص قانون “لينز” على أنّه عندما يتم إنشاء (EMF) عن طريق تغيير في التدفق المغناطيسي وفقاً لقانون “فاراداي”، فإنّ قطبية (EMF) المستحثة تكون هكذا، بحيث تنتج تياراً مستحثاً يعارض مجاله المغناطيسي، المجال المغناطيسي المتغير الأولي الذي أنتجه. تشير العلامة السلبية المستخدمة في قانون “فاراداي” للحث الكهرومغناطيسي إلى أنّ (EMF) المستحث (ε) والتغير في التدفق المغناطيسي (δΦ_B) لهما إشارات معاكسة. معادلة قانون “لينز” موضحة أدناه:

ε = -N (∂Φ_B / ∂t)

حيث:

ε – المستحث (emf).

δΦ_B – التغير في التدفق المغناطيسي.

N – عدد الدورات في الملف.

قانون لينز ومبدأ حفظ الطاقة:

للحفاظ على الطاقة، يجب أن يخلق اتجاه التيار المستحث من خلال قانون “لينز” مجالاً مغناطيسياً يعاكس المجال المغناطيسي الذي أنشأه. في الواقع، قانون “لينز” هو نتيجة لقانون الحفاظ على الطاقة. إذا كان المجال المغناطيسي الناتج عن التيار المستحث هو نفس اتجاه المجال الذي أنتجه، فإنّ هذين المجالين المغناطيسيين سوف يتحدان وينشئان مجالاً مغناطيسياً أكبر. سيؤدي هذا المجال المغناطيسي الكبير المشترك بدوره إلى إحداث تيار آخر داخل الموصل ضعف حجم التيار المستحث الأصلي.

وهذا بدوره سيخلق مجالاً مغناطيسياً آخر يحفز تياراً آخر وهلم جراً. لذلك يمكننا أن نرى أنّه إذا لم يفرض قانون “لينز” أنّ التيار المستحث يجب أن يخلق مجالاً مغناطيسياً يعاكس المجال الذي أنشأه، فسننتهي بحلقة تغذية مرتدة إيجابية لا نهاية لها (endless positive feedback loop)، مما يكسر مبدأ حفظ الطاقة (نكون قد خلقنا مصدر طاقة لا نهاية له).

يخضع قانون لينز أيضاً لقانون “نيوتن الثالث” للحركة (أي أنّه يوجد دائماً رد فعل مساوٍ ومعاكس لكل فعل). إذا كان التيار المستحث يخلق مجالاً مغناطيسياً مساوياً ومعاكساً لاتجاه المجال المغناطيسي الذي يخلقه، فيمكنه فقط مقاومة التغيير في المجال المغناطيسي في المنطقة. وهذا يتوافق مع قانون نيوتن الثالث للحركة.

توضيح بالأمثلة لقانون لينز:

لفهم قانون لينز بشكل أفضل، دعونا ننظر في حالتين:

الحالة 1: عندما يتحرك المغناطيس نحو الملف.

عندما يقترب القطب الشمالي للمغناطيس نحو الملف، يزداد التدفق المغناطيسي المرتبط بالملف. وفقاً لقانون “فاراداي” للحث الكهرومغناطيسي، عندما يكون هناك تغيير في التدفق، فإنّه يتم تحفيز (EMF)، وبالتالي يتم تحفيز التيار في الملف وهذا التيار سيخلق مجاله المغناطيسي الخاص.

الآن وفقاً لقانون “لينز”، فإنّ هذا المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه سيعارض مجاله أو يمكننا القول أنّه يعارض الزيادة في التدفق عبر الملف وهذا ممكن فقط إذا وصل جانب الملف المقترب إلى القطب الشمالي، كما نعلم أنّ الأقطاب المتشابهة تتنافر. بمجرد أن نعرف القطبية المغناطيسية لجانب الملف، يمكننا بسهولة تحديد اتجاه التيار المستحث من خلال تطبيق قاعدة اليد اليمنى. في هذه الحالة، يتدفق التيار في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة.

الحالة 2: عندما يتحرك المغناطيس بعيد عن الملف.

عندما يتحرك القطب الشمالي للمغناطيس بعيداً عن الملف، يتناقص التدفق المغناطيسي المرتبط بالملف. وفقاً لقانون “فاراداي” للحث الكهرومغناطيسي، يتم تحفيز (EMF) وبالتالي تحفيز التيار في الملف وسيخلق هذا التيار مجاله المغناطيسي الخاص.

الآن وفقاً لقانون “لينز”، فإنّ هذا المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه سيعارض مجاله أو يمكننا القول أنّه يعارض انخفاض التدفق عبر الملف وهذا ممكن فقط إذا وصل جانب الملف المقترب إلى القطب الجنوبي، كما نعلم أنّ الأقطاب المختلفة تجذب بعضها البعض. بمجرد أن نعرف القطبية المغناطيسية لجانب الملف، يمكننا بسهولة تحديد اتجاه التيار المستحث من خلال تطبيق قاعدة اليد اليمنى. في هذه الحالة، يتدفق التيار في اتجاه عقارب الساعة.

لاحظ أنّه لإيجاد اتجاهات المجال المغناطيسي أو التيار، استخدم قاعدة الإبهام اليمنى، أي إذا تم وضع أصابع اليد اليمنى حول السلك بحيث يشير الإبهام في اتجاه تدفق التيار ، فإنّ الأصابع سوف تشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن السلك.

يمكن ذكر قانون لينز على النحو التالي:

• إذا زاد التدفق المغناطيسي (Ф) الذي يربط الملف، فسيكون اتجاه التيار في الملف بحيث يعارض الزيادة في التدفق، وبالتالي فإنّ التيار المستحث سينتج تدفقه في اتجاه متعاكس (باستخدام  قاعدة إبهام اليد اليمنى لـ Fleming ).

• إذا كان التدفق المغناطيسي (Ф) الذي يربط ملفاً يتناقص، فإنّ التدفق الناتج عن التيار في الملف يكون كذلك، بحيث يساعد التدفق الرئيسي وبالتالي يكون اتجاه التيار متماثل في نفس الإتجاه.

تجارب قانون لينز – Lenz’s Law Experiment:

للعثور على اتجاه القوة الدافعة الكهربائية والتيار، ننظر إلى قانون “لينز”. تمّ إثبات بعض التجارب بواسطة لينز وفقاً لنظريته:

التجربة الأولى:

في التجربة الأولى، خلص إلى أنّه عندما يتدفق التيار في الملف في الدائرة، يتم إنتاج خطوط المجال المغناطيسي. مع زيادة تدفق التيار عبر الملف، سيزداد التدفق المغناطيسي. سيكون اتجاه تدفق التيار المستحث على هذا النحو بحيث يتعارض عندما يزداد التدفق المغناطيسي.

التجربة الثانية:

في التجربة الثانية، خلص إلى أنّه عندما يتم لف الملف الحامل للتيار على قضيب حديدي مع طرفه الأيسر يتصرف كقطب (N) ويتم تحريكه نحو الملف (S)، وعندها سيتم إنتاج تيار مستحث.

التجربة الثالثة:

في التجربة الثالثة، خلص إلى أنّه عندما يتم سحب الملف باتجاه التدفق المغناطيسي، فإنّ الملف المرتبط به يستمر في التناقص مما يعني أنّ مساحة الملف داخل المجال المغناطيسي تتناقص. وفقاً لقانون “لينز”، فإنّ حركة الملف تتعارض عندما يتم تطبيق التيار المستحث في نفس الاتجاه.

تطبيقات قانون لينز:

• يمكن استخدام قانون “لينز” لفهم مفهوم الطاقة المغناطيسية المخزنة في محث. عندما يكون مصدر (emf) متصلاً عبر المحث، يبدأ التيار بالتدفق خلاله. سوف يعارض (emf) الخلفي هذه الزيادة في التيار من خلال المحث. من أجل تحديد تدفق التيار، يجب على المصدر الخارجي لـ (emf) القيام ببعض العمل للتغلب على هذه المعارضة. يمكن القيام بهذا العمل عن طريق تخزين (emf) في المحث ويمكن استعادته بعد إزالة المصدر الخارجي لـ (emf) من الدائرة.

• يشير هذا القانون إلى أنّ (emf) المستحث والتغير في التدفق لهما علامات معاكسة توفر تفسيراً مادياً لاختيار الإشارة في قانون (Faraday) للحث.

• يطبق قانون “لينز” أيضاً على المولدات الكهربائية. عندما يتم إحداث تيار في المولد، يكون اتجاه هذا التيار المستحث هو الذي يعارضه ويسبب دوران المولد (وفقاً لقانون لينز) وبالتالي يتطلب المولد المزيد من الطاقة الميكانيكية. كما أنّه يوفر (emf) خلفي في حالة المحركات الكهربائية.

• يستخدم قانون “لينز” أيضاً في الكبح الكهرومغناطيسي ومواقد الحث.

تطبيقات قانون لينز في الحياة اليومية:

• موازين تيارات إيدي (Eddy current).

• أجهزة الكشف عن المعادن.

• دينامومترات تيارات إيدي (dynamometers).

• أنظمة الكبح في القطار.

• مولدات التيار المتردد (AC generators).

• أجهزة قراءة البطاقات (Card readers).

• الميكروفونات (Microphones).