ماذا يحدث في المجال المغناطيسي المتغير، المجال المغناطيسي المتغير حيث أنه أحد الأسئلة الفيزيائية لطلاب المرحلة الثانوية في الفصل الدراسي الثاني حيث تكون فيزياء المجال المغناطيسي أحد فروع الفيزياء والتي يتعامل مع دراسة العلاقة بين الكهرباء والمغناطيس، وإلى أي مدى تتأثر الشحنة الكهربائية بالمجال المغناطيسي، نراجع الآن التغيير الذي يحدث في المجال المغناطيسي المتغير
- الجواب على سؤال ما يحدث في مجال مغناطيسي متغير هو إنشاء مجال كهربائي بواسطة مجال مغناطيسي وهذه الظاهرة تسمى الحث الكهرومغناطيسي.
ما هو الحث الكهرومغناطيسي؟
سابقاً استعرضنا إجابة سؤال ما يحدث في المجال المغناطيسي المتغير، حيث كانت الإجابة هي حدوث ظاهرة الحث المغناطيسي، وشرحنا أدناه بعض المعلومات حول الحث الكهرومغناطيسي
- الحث الكهرومغناطيسي هو إحدى عمليات إنتاج القوة لمحرك كهربائي من خلال موصل في مجال مغناطيسي متغير.
- حيث يتم وضع المغناطيس والموصل في مكان مع تحريك المغناطيس والاتصال ثابت أو العكس
- ينتج عن هذا تغيير في التدفق المغناطيسي الذي يولد لحظة حركية من خلال الملف بسبب حركته عبر المجال المغناطيسي.
اكتشف التغيير في المجال المغناطيسي.
يتم إنشاء المجال الكهربائي بسبب تغير المجال المغناطيسي وتسمى هذه الظاهرة بالحث الكهرومغناطيسي. تم اكتشافه من القرن التاسع عشر الميلادي. نستعرض تاريخ اكتشافه على النحو التالي
- يعود الفضل في اكتشاف هذه الظاهرة إلى العالم مايكل فاراداي، حيث كان ذلك في عام 1831 بعد الميلاد، بعد أن لف طرفي السلك حول وجهين متقابلين من حلقة معدنية.
- ثم قام بتوصيل الطرفين بجلفانومتر وربط الطرف الآخر ببطارية، ورأى تيارًا يتدفق عند توصيل السلك بالبطارية وتيار آخر عند فصل السلك، لذلك أطلق عليهما موجة من الكهرباء.
- استمر فاراداي في تكرار هذه التجربة لمدة شهرين، مع بعض التجارب الأخرى الناتجة عن الحث الكهرومغناطيسي.
- بين تلك التجارب، كان فاراداي ينزلق مغناطيس قضيب داخل وخارج ملف من الأسلاك، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى تيار ثابت وأحيانًا إلى تيار مباشر. رأى التيارات العابرة.
- شرح فاراداي الحث الكهرومغناطيسي من خلال خطوط القوة، لكن العلماء في ذلك الوقت رفضوا هذه الفكرة.
- كان السبب الرئيسي لرفضه هو عدم وجود صيغة رياضية لهذا القانون، مما دفع جيمس كلارك ماكسويل إلى بناء نظرية الكهرومغناطيسية الكمومية.
- أنشأ جيمس كلارك نموذجًا يتم فيه التعبير عن الجانب المتغير بمرور الوقت للحث الكهرومغناطيسي بواسطة معادلة تفاضلية.
- بينما أطلق عليه العالم أوليفر هيفيسايد قانون فاراداي، على الرغم من اختلافه في بعض الصياغات عن نظرية فاراداي الأصلية.
- خلال عام 1843 م، أصدر هاينريش لينز قانونًا عُرف لاحقًا باسم قانون هاينريش لينز، والذي وصف فيه التدفق عبر حقل المعادن.
قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي
هو أحد القوانين الأساسية للكهرومغناطيسية، والذي يتنبأ بكيفية تفاعل التيار الكهربائي مع المجال المغناطيسي لإنتاج قوة كهربائية، وهنا نستعرض بعض المعلومات حول قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي
- ينص القانون النوعي لمايكل فاراداي على أن القوة الدافعة الكهربائية المستحثة في دائرة مغلقة ولدت في موصل تتناسب طرديًا مع معدل الوقت الذي يستغرقه الموصل لقطع خطوط التدفق المغناطيسي.
- استخدم النص الكمي لقانون فاراداي أيضًا التدفق المغناطيسي الذي يحدث من خلال سطح افتراضي ومحدود في دائرة مغلقة، ويرجع ذلك فقط إلى حركة الدائرة المغلقة.
- ينص قانون فاراداي على أن الدائرة الكهربائية تكتسب قوة دافعة كهربائية، والتي يمكن تعريفها على أنها الطاقة التي تنتجها وحدة الشحن عبر دائرة كهربائية.
- هذا هو فرق الجهد الكهربائي الذي يمكن قياسه عن طريق قطع السلك وتشكيل دائرة مفتوحة يتم فيها توصيل السلك بمقياس الفولتميتر.
قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي
قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي هو استمرار لما بدأه مايكل فاراداي، نوضحه على النحو التالي
- وفقًا لقانون مايكل فاراداي، ينص قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي على أن اتجاه التيار المستحث في الموصل يتحدد بواسطة مجال مغناطيسي متغير.
- يتعارض المجال المغناطيسي الناتج عن التيار المستحث مع المجال المغناطيسي المتغير الأول، ويتم تحديد اتجاه تدفق التيار بواسطة قاعدة اليد اليمنى لـ Fleming.
- عندما يتم إنشاء EMF عن طريق التغيير في التدفق المغناطيسي، فإن الأقطاب المستحثة تنتج تيارًا مستحثًا يعاكس المجال المغناطيسي.
- بينما قام Lenz ببعض التجارب ليتمكن من إثبات هذا القانون، شهدت التجربة الأولى تدفق التيار في الملف في الدائرة حيث تم إنتاج خطوط المجال المغناطيسي وزاد تدفق التيار عبر الملف.
- لاحظ لينز أن التدفق المغناطيسي كان يتزايد ويتجه في الاتجاه المعاكس لتدفق التيار.
جرب الاتجاه الذي تؤثر فيه المجالات المغناطيسية
يمكننا الإجابة على سؤال ما يحدث في المجال المغناطيسي المتغير من خلال إجراء تجربة لتحديد اتجاه القوة التي تؤثر على الجسم الممغنط، ونراجعها على النحو التالي
- في البداية نقوم بتجهيز الأدوات التجريبية وهي عبارة عن قضيبين معدنيين وبوصلة ومسطرة.
- نبدأ التجربة بوضع أحد القضبان بشكل مستقيم مع قطبه الشمالي إلى اليسار.
- نضع القضيب الآخر أفقيًا وعلى مسافة 5 سم من العمود الأول لوضع البوصلة بينهما، ويكون قطبه الشمالي على اليسار.
- ثم نضع البوصلة بالقرب من أحد القطبين ونسجل الاتجاه الذي يشير إليه السهم.
- نقوم بتغيير موضع البوصلة عدة مرات إلى القطب الآخر ونسجل الاتجاه الذي يشير إليه سهم البوصلة في كل مرة.
- نكرر الحلقات السابقة مرة أخرى، ونغير اتجاه القطبين بحيث يكونان متعاكسين.
- لاحظ أن الطرف الشمالي من البوصلة يشير عمومًا إلى القطب الجنوبي، بينما يبتعد عن اتجاه القطب الشمالي.
- نستنتج أن الأسهم لا تدل على أي من الموقعين بسبب وجود البوصلة بين القطبين المتشابهين مما يؤدي إلى وجود قوة طاردة ينتج عنها توليد مجال مغناطيسي عمودي.
تطبيقات الحث المغناطيسي
تم تطبيق مبادئ الحث المغناطيسي على أنظمة وأجهزة مختلفة، بما في ذلك المولدات ولوحات الرسم وأجهزة استشعار التدفق الكهرومغناطيسي والمصابيح الكهربائية المشحونة وغيرها من الأجهزة، بعضها معروض أدناه.
مولد كهرباء
وفقًا لقانون فاراداي، تتولد القوة الدافعة الكهربائية من خلال
- تنتج القوة الكهربائية عن حركة الحلقة المعدنية في المجال المغناطيسي، حيث تحدث هذه الآلية في المولدات الكهربائية بينما يكون المغناطيس في حركة ثابتة.
- مما يؤدي إلى إنتاج محرك كهربائي إذا كان سلك الدائرة متصلاً بحمل كهربائي، فسوف يتدفق التيار الكهربائي.
- وبالتالي، يتم توليد الطاقة الكهربائية عن طريق تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، أحد هذه المولدات هو قرص فاراداي.
- بينما يدور هذا القرص في مجال مغناطيسي موحد وتكون خطوطه متعامدة مع القرص مما يؤدي إلى تدفق التيار الكهربائي باتجاه الذراع الشعاعية.
- ينشأ الإجراء الميكانيكي الذي يدور القرص من تدفق التيار عند حافة الموصل، ويتولد مجال مغناطيسي جديد بواسطة قانون أمبير، وتصبح حافة القرص مثل مغناطيس كهربائي دوار.
- لذلك، يتدفق تيار العودة من ذراع العودة مع الجانب الأبعد من الحافة إلى الفرشاة السفلية.
- يقاوم المجال المغناطيسي تيار العودة، لذلك تنخفض شدته في الدوران ويزداد تدفق المجال المستحث على جانب الدائرة ويكون عكسًا لانخفاض التدفق بسبب الدوران.
- نتيجة لذلك، يولد كلا جانبي الدائرة قوة كهربائية دافعة ومعاكسة للدوران.
محول كهربائي
المحولات الكهربائية هي أحد أشكال تطبيقات الحث الكهرومغناطيسي، نوضح أدناه
- عندما يمر التيار الكهربائي عبر سلك الرصاص، يتشكل مجال مغناطيسي متغير.
- يتأثر السلك الثاني داخل المجال المغناطيسي ويتأثر التدفق المغناطيسي في الحقل بسطح الدائرة التي يمر من خلالها السلك.
- القوة المحركة في الطرف الثاني تسمى القوة المحولة.
- إذا وصلت هذه القوة إلى طرفي السلك بشحنة كهربائية، فسوف يتدفق التيار الكهربائي.