الحث الكهرومغناطيسي

ما هو الحث الكهرومغناطيسي؟

يعرف الحث الكهرومغناطيسي بأنه إنتاج القوة الدافعة الكهربائية (EMF) التي تنشأ نتيجة للحركة النسبية بين المجال المغناطيسي والموصل،إذ تم اكتشافه في عام 1831 من قبل مايكل فاراداي، ويضع الأساس لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة والمحركات الكهربائية ودوائر التيار المتردد التي تزود الشبكة الكهربائية والمحولات والعديد من الظواهر الأخرى.

المعادلة التي تصف الحث الكهرومغناطيسي رياضيًا هي قانون فاراداي، الذي ينص على أن أي تغيير في البيئة المغناطيسية لسلك ملفوف سيؤدي إلى إحداث جهد كهربائي (EMF)، حيث وجد فاراداي طرقًا عديدة لحدوث ذلك مثل تغيير قوة المجال المغناطيسي، وتحريك المغناطيس عبر ملف من الأسلاك، وتحريك الملف عبر مجال مغناطيسي، على سبيل المثال لا الحصر.

إذ يمكن وصف الجهد (EMF) المتولد في ملف من الأسلاك، أنه القوة الدافعة الكهربائية (EMF) وهي جهد طور بواسطة أي مصدر للطاقة الكهربائية مثل البطارية أو الخلية الكهروضوئية، كلمة “قوة” مضللة إلى حد ما، لأن المجالات الكهرومغناطيسية ليست قوة، بل هي “إمكانية” لتوفير الطاقة، كما يتم الاحتفاظ بمصطلح (EMF) لأسباب تاريخية، وهو مفيد للتمييز بين الفولتية المتولدة والطاقة المفقودة للمقاومات.

فعندما يكون الجسيم المشحون موجودًا في المجال الكهرومغناطيسي، فإن الجهد سوف يمد الجسيم بالطاقة الحركية وهو ما يحرك الدوائر الكهربائية، ويمكن بعد ذلك فقدان هذه الطاقة كحرارة في جميع أنحاء الدائرة حيث يلتقي التيار المتحرك للشحنات مع المقاومة الكهربائية، كما تحدد كمية المقاومة في جميع أنحاء الدائرة مقدار التيار الذي سيتدفق فيه، وفقًا لقانون أوم.

ويعرف ايضا الحث الكهرومغناطيسي أو الحث أنه عملية يتم فيها وضع الموصل في موضع معين ويظل المجال المغناطيسي متغيرًا أو يكون المجال المغناطيسي متغيرًا ويتحرك الموصل، إذ ينتج عن هذا الجهد الكهربي أو (EMF) (القوة الدافعة الكهربائية) عبر الموصل الكهربائي، حيث اكتشف مايكل فاراداي قانون الاستقراء في عام 1830.

أثناء التسوق قد نذهب بدون نقود إذ يمكن استخدام البطاقات، ويقوم صاحب المتجر دائمًا بمسح البطاقة أو تمريرها، حيث صاحب المتجر لا يلتقط صورة للبطاقة أو ينقر عليها؛ السبب في ذلك أنه يقوم بتمريره أو مسحه ضوئيًا، ويقوم هذا الضرب بخصم الأموال من البطاقة، كل ذلك يحدث هذا بسبب “الحث الكهرومغناطيسي”.

يمكن للأجسام المتحركة أن تنتج تيارات كهربائية، إذ تحدد العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، ويمكن تخيل السيناريو إذا لم تكن هناك أجهزة كمبيوتر ولا هواتف ولا مصابيح كهربائية، حيث أدت تجارب فاراداي إلى توليد المولدات والمحولات.

قانون فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي:

يُطلق على تحريض القوة الدافعة الكهربائية بواسطة حركة موصل عبر مجال مغناطيسي، أو عن طريق تغيير التدفق المغناطيسي في مجال مغناطيسي “الحث الكهرومغناطيسي”، ويحدث هذا إما عندما يتم ضبط موصل في مجال مغناطيسي متحرك (عند استخدام مصدر طاقة التيار المتردد) أو عندما يتحرك الموصل دائمًا في مجال مغناطيسي ثابت.

وجد قانون الحث الكهرومغناطيسي مايكل فاراداي، حيث قام بتنظيم سلك رئيسي، متصلاً بأداة لقياس الجهد الكهربائي على الدائرة، لذلك عندما يمر قضيب مغناطيسي عبر الثعبان، يتم قياس الجهد في الدائرة، تكمن أهمية هذا في طريقة لإنتاج الطاقة الكهربائية في الدائرة باستخدام المجالات المغناطيسية وليس فقط البطاريات بعد الآن، إذ تعمل الآلات مثل المولدات والمحولات أيضًا على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي.

قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، حيث ينص القانون الأول: عندما يتم وضع موصل في مجال مغناطيسي متغير، يستحث (EMF) ويسمى هذا (emf) المستحث، وإذا كان الموصل عبارة عن دائرة مغلقة من تدفق التيار المستحث خلالها، أما القانون الثاني ينص أن : حجم المجال الكهرومغناطيسي المستحث يساوي معدل تغير روابط التدفق.

بناءً على تجاربه، أصبح لدينا الآن قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي والذي بموجبه تتناسب كمية الجهد المستحث في الملف مع عدد الدورات والمجال المغناطيسي المتغير للملف حتى الآن، يعطى الجهد المستحث كما يلي: (e = N × dΦdt)، حيث e هو الجهد المستحث، N هو عدد الدورات في الملف، Φهو التدفق المغناطيسي، t هو الوقت المناسب.

قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي:

ينص قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي على أنه عندما يحرض emf وفقًا لقانون فاراداي، فإن قطبية (اتجاه) تلك (emf) المستحثة تعارض سبب إنتاجها، ووفقًا لقانون لينز( E = -N (dΦ/ dt   )).

بموجب قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي، يدور التيار بطريقة تخلق مجالًا مغناطيسيًا يقاوم التغيير، وبسبب ميل التيارات الدوامة للمعارضة، تسبب التيارات الدوامة فقدان الطاقة، وتعمل تيارات إيدي على تحويل أشكال أكثر فائدة من الطاقة، مثل الطاقة الحركية، إلى حرارة، وهو أمر غير مفيد بشكل عام.

في العديد من التطبيقات، لا يكون فقدان الطاقة المفيدة أمراً مرغوباً بشكل خاص، ولكن هناك بعض التطبيقات العملية، مثل: في فرامل بعض القطارات أثناء الكبح، تعرض الفرامل العجلات المعدنية لمجال مغناطيسي يولد تيارات دوامة في العجلات، حيث يؤدي التفاعل المغناطيسي بين المجال المطبق والتيارات الدوامة إلى إبطاء العجلات، وكلما زادت سرعة دوران العجلات، كان التأثير أقوى، مما يعني أنه مع تباطؤ القطار، تقل قوة الكبح، مما ينتج عنه حركة توقف سلسة.

هناك عدد قليل من مقاييس الجلفانومتر التي لها قلب ثابت وهي مصنوعة من مادة معدنية غير مغناطيسية، عندما يتأرجح الملف، فإن التيارات الدوامة التي تولد في القلب تعارض الحركة وتجلب الملف للراحة، ويمكن استخدام فرن الحث لتحضير السبائك عن طريق صهر المعادن، إذ تنتج التيارات الدوامية المتولدة في المعادن درجة حرارة عالية بما يكفي لإذابتها.

تطبيقات للحث الكهرومغناطيسي:

هناك عدة تطبيقات للحث الكهرومغناطيسي، مثال على ذلك الحث الكهرومغناطيسي في مولد التيار المتردد، محولات كهربائية ومقياس التدفق المغناطيسي.

الحث الكهرومغناطيسي في مولد التيار المتردد:

يعد توليد التيار المتردد أحد التطبيقات المهمة للحث الكهرومغناطيسي، حيث يعد مولد التيار المتردد بسعة خرج 100 ميجا فولت آلة أكثر تطورًا، فعندما يدور الملف في مجال مغناطيسي B، تكون المنطقة الفعالة للحلقة هي A cosθ ، حيث θ هي الزاوية بين A و B.

هذه طريقة لإنتاج تغيير التدفق هي مبدأ تشغيل مولد تيار متردد بسيط، ويكون محور ملف الدوران عمودي على اتجاه المجال المغناطيسي، إذ يؤدي دوران الملف إلى تغيير التدفق المغناطيسي من خلاله، لذلك تستمر قوة (emf) في التحفيز في الملف.

محولات كهربائية:

تطبيق مهم آخر للحث الكهرومغناطيسي هو المحولات الكهربائية، حيث أن المحول هو جهاز يقوم بتغيير التيار الكهربائي المتردد عند مستوى جهد إلى مستوى آخر من خلال عمل مجال مغناطيسي.

المحول التدريجي هو المحول الذي يكون فيه الجهد أعلى في الجهد الأساسي من الجهد الثانوي، وفي حين أن المحول الذي يحتوي فيه الجهد الثانوي على عدد أكبر من المنعطفات هو محول تصاعدي، حيث تستخدم شركات الطاقة محولًا متدرجًا لزيادة الجهد إلى 100 كيلو فولت، مما يقلل من التيار ويقلل من فقد الطاقة في خطوط النقل، وعلى الطرف الآخر، تستخدم الدوائر المنزلية محولات تنحي لخفض الجهد إلى 120 أو 240 فولت فيها.