ماذا سنتعلم في هذا البحث ؟
- تجارب فاراداي للحث الكهرومغناطيسي.
- التدفق المغناطيسي.
- قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي .
- قانون لينز.
- المولدات والمحركات.
- المجال الكهربائي المستحث.
- حث الملف اللولبي .
- الحث الذاتي والحث المتبادل.
- دوائر المحث والمقاوم (RL)
مقدمة
يُعدّ الحث الكهرومغناطيسي من أهم الظواهر الفيزيائية التي تربط بين الكهرباء والمغناطيسية. يمثل هذا المفهوم الأساس الذي تقوم عليه العديد من التقنيات الحديثة التي نستخدمها في حياتنا اليومية، بدءًا من توليد الطاقة الكهربائية في محطات توليد الطاقة وصولًا إلى عمل المحولات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية المختلفة. يستكشف هذا البحث المبادئ الأساسية لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي، ويكشف عن القوانين التي تحكمها، بالإضافة إلى استعراض تطبيقاتها المتنوعة وأهميتها في عالمنا المعاصر.
يُعتبر مايكل فاراداي (1791-1867) أحد أعظم العلماء في التاريخ، حيث أسهمت تجاربه الرائدة في مجال الحث الكهرومغناطيسي في عشرينيات وثلاثينيات القرن التاسع عشر، في وضع الأساسات للتقنيات الكهربائية الحديثة.
أجرى فاراداي سلسلة من التجارب المبتكرة التي كشفت عن العلاقة العميقة بين الكهرباء والمغناطيسية، مما فتح الباب أمام تطوير المولدات الكهربائية والمحولات وغيرها من الأجهزة التي تعتمد على مبدأ الحث.
الخلفية العلمية
قبل تجارب فاراداي، كان العالم هانز كريستيان أورستد قد اكتشف في عام 1820 أن التيار الكهربائي يُنتج مجالاً مغناطيسياً حول السلك. هذا الاكتشاف أثار فضول فاراداي، الذي تساءل عما إذا كان يمكن عكس هذه الظاهرة، أي هل يمكن للمجال المغناطيسي أن يُنتج تياراً كهربائياً؟
التجارب الأساسية
1. تجربة الملف والمغناطيس (1831)
قام فاراداي بتوصيل ملف من الأسلاك بجهاز قياس التيار (الجلفانوميتر)، ثم أدخل مغناطيساً داخل الملف. لاحظ أن إبرة الجلفانوميتر انحرفت عند حركة المغناطيس، ولكنها عادت إلى الصفر عندما توقف المغناطيس عن الحركة. هذه الملاحظة قادته إلى استنتاج أن:
- التيار الكهربائي يُحث فقط عند تغير المجال المغناطيسي
- الحركة النسبية بين المغناطيس والملف هي التي تولد التيار
2. تجربة الملفين المتقابلين
في تجربة أكثر تعقيداً، لف فاراداي ملفين حول حلقة حديدية. عند توصيل أحد الملفين ببطارية ولاحظ انحرافاً مؤقتاً في الجلفانوميتر المتصل بالملف الثاني عند فتح وغلق الدائرة فقط، وليس أثناء مرور تيار مستمر. هذا أكد أن:
- التغير في التيار هو ما يولد التيار وليس التيار نفسه .
النتائج والاستنتاجات
من خلال هذه التجارب، صاغ فاراداي قانون الحث الكهرومغناطيسي الذي ينص على أن:
- القوة الدافعة الكهربائية المستحثة (EMF) تتناسب مع معدل تغير التدفق المغناطيسي
- اتجاه التيار المستحث يعاكس التغير المسبب له (قانون لينز لاحقاً)
التطبيقات العملية
أدت اكتشافات فاراداي إلى تطوير:
- المولدات الكهربائية: تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية
- المحولات: تغيير جهد التيار المتردد
- المحركات الكهربائية: تحويل الطاقة الكهربائية إلى ميكانيكية
تُعد تجارب فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي من أعظم الإنجازات في تاريخ الفيزياء. لم تكن هذه الاكتشافات مجرد إضافة إلى المعرفة العلمية، بل شكلت حجر الأساس للثورة الصناعية الثانية والتحول إلى المجتمع الكهربائي الحديث. يُظهر منهج فاراداي التجريبي الدقيق
هو عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تجتاز سطح ما .
يحسب من قانون جاوس للمجالات المغناطيسية .
فيما يلي مقارنة بين قانون جاوس للمجالات الكهربائية وقانون جاوس للمجالات المغناطيسية .
يظهر الشكل مجالا مغناطيسيا غير منتظم يمر عبر عنصر مساحة تفاضلي وتظهر فيه الزاوية بين متجه المجال ومتجه عنصر المساحة التفاضلي .
في حالة خاصة إذا كان لدينا حلقة مسطحة مساحتها A في مجال مغناطيسي منتظم ( ثابت ) فيمكن صياغة العلاقة بالشكل :
وبهذا يكون التدفق المغناطيسي بأكبر قيمة عندما يكون سطح الحلقة عموديا على خطوط المجال المغناطيسي
ويكون التدفق معدوما عندما يكون سطح الحلقة موازيا لخطوط المجال المغناطيسي .
يقاس التدفق بوحدة T.m2 ولها اسم خاص يسمى ويبر إذا
1Wb=T.m2
تطبيق
