نتطرق من خلال موسوعة للإجابة عن سؤال ماذا يحدث في المجال المغناطيسي المتغير إذ يعد احد أسئلة مادة الفيزياء لطلبة الصف الثالث الثانوي بالفصل الدراسي الثاني، حيث تعتبر فيزياء المجال المغناطيسي احد فروع علم الفيزياء وهي التي تهتم بدراسة العلاقة بين الكهرباء والمغناطيس، ومدى تأثر الشحنة الكهربائية بالمجال المغناطيسي، نستعرض فيما يلي التغير الذي يطرأ على المجال المغناطيسي المتغير:
تكون الإجابة على سؤال ماذا يحدث في المجال المغناطيسي المتغير هي خلق مجال كهربائي عن طريق المجال المغناطيسي وتسمى هذه الظاهرة بالحث الكرومغناطيسي.
ما هو الحث الكهرومغناطيسي
استعرضنا فيما سبق الإجابة على سؤال ماذا يحدث في المجال المغناطيسي المتغير حيث كانت الإجابة هي حدوث ظاهرة الحث المغناطيسي، نوضح فيما يلي بعض المعلومات عن الحث الكرومغناطيسي:
يعتبر الحث الكرومغناطيسي احد عمليات إنتاج القوة للمحرك الكهربائي من خلال الموصل في مجال مغناطيسي متغير.
حيث يتم وضع مغناطيس وموصل في احد الأماكن مع تحريك المغناطيس وتثبيت الوصل أو العكس
ينتج عن ذلك تغير في التدفق المغناطيسي مما يولد قوة دافعة حيثية عبر الملف بسبب حركته من خلال المجال المغناطيسي.
اكتشاف التغير في المجال المغناطيسي
يُخلق المجال الكهربائي بسبب المجال المغناطيسي المتغير وتسمى تلك الظاهرة بالحث الكهرومغناطيسي إذ تم اكتشافها منذ القرن التاسع عشر الميلادي، نستعرض تاريخ اكتشافها فيما يلي:
يرجع الفضل في اكتشاف تلك الظاهرة إلى العالم مايكل فاراداي، بينما كان ذلك في عام 1831 مـ بعدما قام بلف طرفين من الأسلاك حول جانبين متقابلين لحلقة معدنية.
من ثم قام بتوصيل الطرفين إلى مقياس جلفاني وأوصل الطرف الأخر إلى بطارية، ورأى تيار يمر عند إيصال السلك بالبطارية وتيار أخر عند فصل السلك، فأطلق عليهما موجه من الكهرباء.
ظل فاراداي يكرر تلك التجربة لمدة شهرين مع أجراء بعض التجارب الأخرى الناتجة عن التحريض الكهرومغناطيسي.
من بين تلك التجارب ما قام به فاراداي من زلق مغناطيس قضيبي الشكل إلى داخل وخارج ملف من الأسلاك والذي نجم عنه تيار ثابت في بعض الأحيان ومستمر في أحيان أخرى، فرأى التيارات العابرة.
قام فاراداي بشرح الحث الكرومغناطيسي من خلال خطوط القوة، لكن علماء ذلك الوقت قابلوا تلك الفكرة بالرفض.
كانت اهم أسباب رفضهم هي عدم وجود صيغة رياضية لذلك القانون، مما دفع جيمس كلارك ماكسويل إلى بناء نظرية الكهرومغناطيسية الكمية.
قام جيمس كلارك بإنشاء نموذج يتم فيه التعبير عن جانب الوقت المتغير من الحث الكهرومغناطيسي عن طريق معادلة تفاضلية.
بينما اسماها العالم أوليفر هيفسايد بقانون فاراداي رغم اختلافها في القليل من الصيغ عن نظرية فاراداي الأصلية.
خلال عام 1843 مـ قام هنريش لينز بإصدار قانون عرف فيما بعد بقانون هنريش لينز، وقام فيه بوصف التدفق عبر الحقلة المعدنية.
قانون فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي
هو احد القوانين الأساسية في الكهرومغناطيسية، حيث يتنبأ بطريقة تفاعل التيار الكهربائي مع الحقل المغناطيسي من اجل إنتاج قوة محركة كهربية، نستعرض فيما يلي بعض المعلومات عن قانون فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي:
ينص القانون الكيفي لمايكل فاراداي على التناسب الطردي للقوة الكهربية الدافعة المحفزة في أي دائرة مغلقة والمتولدة في الموصل مع المعدل الزمني الذي يستغرقه الموصل لقطع خطوط الفيض المغناطيسي.
كما استخدم النص الكمي لقانون فاراداي التدفق المغناطيسي الذي يحدث خلال سطح افتراضي ومحدود في جائرة مغلقة، ويرجع ذلك إلى تحرك الدائرة المغلقة فقط.
ينص قانون فاراداي على أن الدائرة الكهربائية تكتسب قوة دافعة كهربية، فيما يمكن تعريفها بأنها الطاقة الناتجة عن وحدة الشحنة خلال دائرة كهربائية.
كذا هي فرق الجهد الكهربائي الذي يمكن قياسه عن طريق قطع السلك وتكوين دائرة مفتوحة يتم فيها توصيل السلك بالفولتميتر.
قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي
يأتي قانون لينز في الحث الكهرومغناطيسي استكمالًا لما بدأه مايكل فاراداي، نوضح ذلك فيما يلي:
وفقًا لقانون مايكل فاراداي فقد نص قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي على أن اتجاه التيار المحفز في الموصل يتم تحديده من خلال المجال المغناطيسي المتغير.
كما أن المجال المغناطيسي الناتج عن التيار المحفز يتعارض مع المجال المغناطيسي المتغير الأول، ويتم تحديد اتجاه تدفق التيار عن طريق قاعدة ليد اليمنى لفلمينج.
عند إنشاء EMF بواسطة التغيير الذي يحدث في التدفق المغناطيسيي فإن القطبين المستحثين ينتجا تيار محفز يتعارض مع المجال المغناطيسي.
فيما أجرى لينز بعض التجارب حتى يتمكن من أثبات هذا القانون، فالتجربة الأولى شهدت تدفق التيار في الملف بالدائرة حيث تم إنتاج خطوط المجال المغناطيسي وزيادة التدفق في التيار عبر الملف.
لاحظ لينز زيادة التدفق المغناطيسي واتجاهه للجهة المعارضة لتدفق التيار.
تجربة في أي اتجاه تؤثر المجالات المغناطيسية
يمكننا الإجابة على سؤال ماذا يحدث في المجال المغناطيسي المتغير من خلال أجراء تجربة للتعرف على اتجاه القوة التي تؤثر في الجسم الممغنط، نستعرض ذلك فيما يلي:
في البداية نحضر أدوات التجربة وهي عبارة عن قضيبان فلزيان وبوصلة ومسطرة.
نبدأ التجربة من خلال وضع احد القضبان بشكل مستقيم على أن يكون قطبه الشمالي ناحية اليسار.
نقوم بوضع القضيب الأخر بصورة أفقية وبمسافة تبعد 5 سم عن القضيب الأول لوضع البوصلة بينهم، ويكون قطبه الشمالي ناحية اليسار.
من ثم نضع البوصلة بالقرب من احد القطبين وتسجيل الاتجاه الذي يشير إليه السهم.
نغير موضع البوصلة عدة مرات باتجاه القطب الأخر وتسجيل الاتجاه الذي يشير إليه سهم البوصلة في كل مرة.
نكرر الخوات السابقة مرة أخرى مع تغيير اتجاه القطبين بحيث يكونوا متقابلين.
يلاحظ أن الطرف الشمالي في البوصلة عادة ما يشير إلى القطب الجنوبي، فيما يبتعد عن اتجاه القطب الشمالي.
نستنج أن الأسهم لا تشير إلى أي من الموقعين بسبب وجود البوصلة بين القطبين المتشابهين، مما يؤدي إلى وجود قوة تنافر ينتج عنها توليد مجال مغناطيسي عمودي.
تطبيقات الحث المغناطيسي
طبقت مبادئ الحث المغناطيسي على عدد من الأنظمة والأجهزة من بينها المولدات الكهربائية وألواح الرسم وحساس الدفق الكهرومغناطيسي، بالإضافة إلى مصباح الإضاءة المشحون كهربائيًا وغيرها من الأجهزة، نستعرض بعضًا منها فيما يلي.
المولد الكهربائي
وفقًا لقانون فاراداي فان القوة الكهربائية المحركة تتولد من خلال ما يلي:
تنتج القوة الكهربائية من خلال حركة الحلقة المعدنية في المجال المغناطيسي، حيث تتم هذه الآلية في المولدات الكهربائية أثناء تحريك المغناطيس بصورة دائمة.
مما يؤدي إلى إنتاج قوة محركة كهربائية فإذا كان السلك الموجود بالدائرة موصل بحمل كهربائي فان التيار الكهربائي سيتدفق.
بالتالي تتولد الطاقة الكهربائية من خلال تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، من بين تلك المولدات قرص فاراداي.
فيما يدور هذا القرص في حقل مغناطيسي منتظم وتكون خطوطه عمودية على القرص مما يؤدي إلى تدفق التيار الكهربائي باتجاه الذراع الشعاعية.
ينشأ العمل الميكانيكي الذي يقوم بتدوير القرص من تدفق التيار بحافة الموصل فيتولد حقل مغناطيسي جديد بواسطة قانون أمبير وتصبح حافة القرص أشبه بالمغناطيس الكهربائي المقاوم للدوران.
كذا يتدفق تيار العودة من الذراع العودة بالجانب البعيد في الحافة إلى الفرشاة السفلية.
يتعاكس الحقل المغناطيسي مع تيار العودة فتقل شدته في الدوران ويزداد تدفق الحقل المتحرض على جانب الدائرة ويكون معاكس لانخفاض التدفق الناتج عن الدوران.
مما يؤدي إلى توليد جانبي الدائرة لقوة كهربائية محركة ومعاكسة للدوران.
المحول الكهربائي
يعتبر المحول الكهربائي احد أشكال تطبيقات الحث الكهرومغناطيسي، نوضح ذلك فيما يلي:
أثناء تغير التيار الكهربائي الذي يمر في السلك الموصل يتكون حقل مغناطيسي متغير.
إذ يتأثر السلك الثاني الموجود داخل مجال الحقل المغناطيسي ويتغير التدفق المغناطيسي في الحقل بسطح الدائرة التي يتخللها السلك.
يطلق على القوة الكهربائية المحركة الموجودة في العروة الثانية اسم القوة الكهربائية المحولة.
في حالة وصلت تلك القوة إلى نهاية طرفي السلك بحمل كهربائي سيتدفق التيار الكهربائي.
في ختام مقالنا نكون قد استعرضنا الإجابة على سؤال ماذا يحدث في المجال المغناطيسي المتغير إذ تسمى تلك الظاهرة بالحث المغناطيسي، بالإضافة إلى عرض بعض المعلومات عن الحث المغناطيسي وتاريخ اكتشاف التغير في المجال المغناطيسي، ألي جانب قانون فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي وقانون لينز، فضلًا عن عرض بعض تطبيقات الحث المغناطيسي ومن بينها المولد الكهربائي والمحول الكهربائي.
يمكنكم الاطلاع على المزيد من المقالات عن طريق زيارة الموسوعة العربية الشاملة.
