شرح تجربة فاراداي للحث الكهرومغناطيسي

نظرة عامة حول قانون فارادي

يصف قانون فارادي كيفية إنتاج المجال المغناطيسي من قبل تيار كهربائي، وكيفية توليد المجال المغناطيسي المتغير للتيار الكهربائي في الموصل، ويعود الفضل في اكتشافه إلى العالم الإنجليزي مايكل فارادي عام 1830م، وقد اكتشف فارادي بأنه عند وجود مجال مغناطيسي حول مغناطيس كهربائي وفتح وإغلاق الدائرة التي كان المغناطيس جزءاً منها، فإن ذلك يؤدي إلى وجود تيار كهربائي في موصل منفصل قريب منه.^[١][٢]

ومن الجدير بالذكر هنا بأنه عند تحريك مغناطيس دائم داخل ملف سلك وخارجه سيؤدي إلى إحداث تيار في السلك أثناء تحرك المغناطيس، وينطبق ذلك أيضاً على تحريك موصل بالقرب من مغناطيس دائم حيث يؤدي ذلك إلى تدفق تيار في السلك طوال فترة حركته.^[١]

قوانين فارادي في الحث الكهرومغناطيسي

يتكون قانون فارادي للحث الكهرومغناطيسي من قانونين يصف الأول منهما إنشاء القوة الدافعة الكهربائية في الموصل، أما القانون الثاني فيصف مقدار القوة الدافعة الكهربائية الناتجة في الموصل، ويمكن تلخيص القانونين كالآتي:^[٣]

القانون الأول لفارادي في الحث الكهرومغناطيسي

ينص القانون الأول لفارادي في الحث الكهرومغناطيسي على أنه عند وضع موصل في مجال مغناطيسي متغير، فإن ذلك سيؤدي إلى إحداث قوة دافعة كهربائية مستحثة فيه، وفي حال كان الموصل عبارة عن حلقة مغلقة، فإن تياراً سيسري فيها وهو التيار الذي يعرف باسم التيار المستحث.^[٣]

يمكن تغيير شدة المجال المغناطيسي في الحلقة المغلقة المتولد فيها التيار الكهربائي عن طريق تدوير الملف (الحلقة) في المجال المغناطيسي، أو تحريك الملف داخل أو خارج المجال المغناطيسي، أو تغيير مساحة الملف الموضوع بالمجال.^[٣]

القانون الثاني لفارادي في الحث الكهرومغناطيسي

ينص القانون الثاني لفارادي في الحث الكهرومغناطيسي على أن القوة الكهربائية المستحثة في الملف تساوي معدل تدفق المجال المغناطيسي فيه، وهو ما يمكن التعبير رياضياً عنه كالآتي:^[٣]

• القوة الدافعة الكهربائية (ε) = - عدد لفات الملف × (التغير في التدفق المغناطيسي (Δϕ) /التغير في الزمن (Δt) ).

تجارب فارادي

أجرى فارادي العديد من التجارب لإيجاد العلاقة بين القوة الدافعة الكهربائية المستحثة والمجال المغناطيسي، وهي:^[٣]

التجربة الأولى

أثبت فارادي في هذه التجربة أنه عندما تتغير شدة المجال المغناطيسي يتم توليد تيار كهربائي مستحث فقط في الملف، إذ لا حظ انحراف مؤشر الأميتر وهو جهاز قياس التيار الكهربائي عند تحريك المغناطيس نحو الملف.^[٣]

التجربة الثانية

أثبت فارادي في هذه التجربة أن تمرير تيار كهربائي عبر قضيب حديدي سيؤدي إلى تحويلها إلى مغناطيس كهربائي، ولاحظ أنه عند وجود حركة نسبية بين المغناطيس والملف فإنه سيتم إحداث قوة دافعة كهربائية؛ إذ إن تدوير المغناطيس حول محوره لا يؤدي إلى توليد قوة دافعة كهربائية، ولكن تدوير المغناطيس حول محور القضيب يؤدي إلى إنتاج قوة دافعة كهربائية مستحثة، وبالتالي فإن ثبات المغناطيس يعني عدم وجود أي انحراف في مؤشر الأميتر.

التجربة الثالثة

لاحظ فارادي في هذه التجربة بأنه عند تحريك الملف في مجال مغناطيسي ثابت فإن مؤشر الغلفانوميتر لا يظهر أي انحراف، مما يدل على عدم إنتاج أي تيار مستحث، إلا أن إبعاد المغناطيس عن الملف أدى إلى انحراف الأميتر في الاتجاه المعاكس.

أمثلة رياضية على قانون فارادي

• مثال (1): ملف مربع يتكون من 5 لفات طول كل ضلع من أضلاعه 0.5 متر، ويمر عبره مجال مغناطيسي قيمته 0.5 تسلا، وعندما يكون مستوى الملف عموديًا على المجال المغناطيسي، فإن المجال المار فيه يشير إلى الأعلى، احسب القوة الدافعة الكهربائية إذا ازداد المجال المغناطيسي المار فيه من 0.5 تسلا إلى 1 تسلا خلال مدة 10 ثوانٍ مع تحيد اتجاه التيار المستحث فيه.^[٤]

• الحل:
• القوة الدافعة الكهربائية (ε) = - عدد لفات الملف × التغير في التدفق المغناطيسي (Δϕ) ÷ التغير في الزمن (Δt)
• التدفق المغناطيسي = قيمة المجال المغناطيسي × مساحة الملف، وعليه:
• القوة الدافعة الكهربائية (ε) = عدد لفات الملف × (مساحة الملف × (قيمة المجال المغناطيسي النهائي - قيمة المجال المغناطيسي الابتدائي) / التغير في الزمن (Δt)
• القوة الدافعة الكهربائية (ε) = 5 × (0.5×0.5) × (1-0.5) ÷ 10
• القوة الدافعة الكهربائية (ε) = 0.0625 فولت، أما اتجاه التيار المستحث فهو عكس عقارب الساعة.

• مثال (2): ملف دائري مكون من 4 لفات نصف قطره (3*10^-2)م، ويخضع لمجال مغناطيسي متغير تتغير قيمته من 0.4 تسلا إلى 3.4 تسلا خلال 27 ثانية، ويصنع محور الملف اللولبي مع اتجاه المجال المغناطيسي زاوية مقدارها 35، احسب قيمة القوة الدافعة الكهربائية المستحثة في هذا الملف.^[٤]

• الحل:
• القوة الدافعة الكهربائية (ε) = عدد لفات الملف × التغير في التدفق المغناطيسي (Δϕ) /التغير في الزمن (Δt).
• التدفق المغناطيسي = قيمة المجال المغناطيسي × مساحة الملف، وعليه:
• القوة الدافعة الكهربائية (ε) = عدد لفات الملف × مساحة الملف × (قيمة المجال المغناطيسي النهائي - قيمة المجال المغناطيسي الابتدائي) × جتا(θ) ÷ التغير في الزمن (Δt)
• القوة الدافعة الكهربائية (ε) = (0.03×0.03) × 4 × 3.14 × جتا (35) × (3.4-0.4) ÷ 27
• القوة الدافعة الكهربائية (ε) = 1.03×10^-3 فولت، اتجاه التيار المستحث عكس عقارب الساعة.