ماذا يحدث في المجال المغناطيسي المتغير
من خلال موسوعتنا، سنقدم إجابة عن سؤال حول ما يحدث في المجال المغناطيسي المتغير، وهو أحد أسئلة مادة الفيزياء لطلاب الصف الثالث الثانوي في الفصل الدراسي الثاني. فيزياء المجال المغناطيسي هي فرع من فروع علم الفيزياء، وتهتم بدراسة العلاقة بين الكهرباء والمغناطيس، وتأثير المجال المغناطيسي على الشحنة الكهربائية. سنستعرض التغيرات التي تحدث في المجال المغناطيسي المتغير فيما يلي
- إجابة سؤال ما يحدث في المجال المغناطيسي المتغير هي إنشاء مجال كهربائي عن طريق المجال المغناطيسي، وتسمى هذه الظاهرة بالحث الكرومغناطيسي.
ما هو الحث الكهرومغناطيسي
تمت مناقشة إجابة سؤال ما يحدث في المجال المغناطيسي المتغير سابقا، حيث تم التأكيد على حدوث ظاهرة الحث المغناطيسي، ونقدم الآن بعض المعلومات حول الحث الكرومغناطيسي:
- يعتبر الحث الكرومغناطيسي إحدى عمليات إنتاج القوة في المحرك الكهربائي عن طريق الموصل في مجال مغناطيسي متغير.
- حيث يتم وضع مغناطيس وموصل في أحد الأماكن مع تحريك المغناطيس وتثبيت الوصل أو العكس
- ينتج عن ذلك تغير في التدفق المغناطيسي، مما ينشئ قوة دافعة عبر الملف بسبب حركته في المجال المغناطيسي.
اكتشاف التغير في المجال المغناطيسي
تنشأ الحث الكهرومغناطيسي بسبب التغير المتكرر في المجال المغناطيسي، ويعرف هذه الظاهرة باسم الحث الكهرومغناطيسي، وتم اكتشافها في القرن التاسع عشر الميلادي. سنلقي نظرة على تاريخ اكتشافها فيما يلي:
- يعود الفضل في اكتشاف تلك الظاهرة إلى العالم مايكل فاراداي، أثناء عام 1831 م، حين قام بلف طرفين من الأسلاك حول جوانب متقابلة لحلقة معدنية.
- ثم قام بتوصيل الطرفين بمقياس جلفاني ووصل الطرف الآخر بالبطارية ، ورأى تيارا يمر عند توصيل السلك بالبطارية وتيارا آخر عند فصل السلك ، فأطلق عليهما نبضة كهربائية.
- ظل فاراداي يعيد تكرار هذه التجربة لمدة شهرين مع إجراء بعض التجارب الأخرى التي تنتج عن التحريض الكهرومغناطيسي.
- من بين تلك التجارب، قام فاراداي بإدخال مغناطيس قضيبي الشكل داخل وخارج ملف من الأسلاك، مما أدى إلى توليد تيار ثابت في بعض الأحيان ومستمر في أحيان أخرى، وشاهد التيارات العابرة.
- قدم فاراداي شرحا للحث الكروماغناطيسي من خلال خطوط القوة، ولكن علماء ذلك الوقت قابلوا تلك الفكرة بالرفض.
- كانت أهم أسباب رفضهم هي عدم وجود صيغة رياضية لهذا القانون، مما دفع جيمس كلارك ماكسويل إلى تطوير نظرية الكهرومغناطيسية الكمية.
- قام جيمس كلارك بتطوير نموذج يعبر عن جانب التغير الزمني للحث الكهرومغناطيسي من خلال معادلة تفاضلية.
- رغم اختلافها البسيط عن نظرية فاراداي الأصلية، يسميها العالم أوليفر هيفسايد قانون فاراداي.
- في عام 1843، قام هنريش لينز بإصدار قانون يعرف لاحقا باسم قانون هنريش لينز، ووصف فيه تدفق الحقل المعدني.
قانون فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي
هو أحد القوانين الأساسية في الكهرومغناطيسية، حيث يتنبأ بطريقة تفاعل التيار الكهربائي مع الحقل المغناطيسي لإنتاج قوة محركة كهربائية، وفيما يلي سنستعرض بعض المعلومات عن قانون فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي
- ينص قانون مايكل فاراداي على أن القوة الكهربية الدافعة المحفزة في دائرة مغلقة والمتولدة في الموصل تتناسب طرديا مع المعدل الزمني الذي يستغرقه الموصل لقطع خطوط الفيض المغناطيسي.
- تم استخدام النص الكمي لقانون فاراداي لشرح تدفق المجال المغناطيسي الذي يحدث على سطح افتراضي ومحدود في مساحة مغلقة، ويعود ذلك إلى حركة الدائرة المغلقة فقط.
- ينص قانون فاراداي على أن الدائرة الكهربائية تحصل على قوة دافعة كهربائية، ويمكن تعريفها بأنها الطاقة التي تنتجها وحدة الشحنة في دائرة كهربائية.
- هكذا يتم قياس فرق الجهد الكهربائي عن طريق فصل السلك وتكوين دائرة مفتوحة وتوصيل السلك بالفولتميتر.
قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي
يأتي قانون لينز كإضافة لما بدأه مايكل فاراداي في مجال الحث الكهرومغناطيسي، وسنوضح ذلك فيما يلي:
- وفقا لقانون مايكل فاراداي، يحدد قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي اتجاه التيار المحفز في الموصل بواسطة المجال المغناطيسي المتغير.
- يتعارض المجال المغناطيسي الناتج عن التيار المحفز مع المجال المغناطيسي المتغير الأصلي، ويتم تحديد اتجاه تدفق التيار عن طريق قاعدة ليد اليمنى لقاعدة فلمنج.
- عند إنشاء EMF عن طريق التغير في التدفق المغناطيسي، يتم إنتاج تيار محفز من قطبين مستحثين يتعارض مع المجال المغناطيسي.
- في إطار تنفيذ لينز لبعض التجارب لإثبات هذا القانون، تمت المراقبة الأولى لتدفق التيار في الملف الكهربائي حيث تم إنتاج خطوط مجال مغناطيسي وزيادة تدفق التيار عبر الملف.
- لاحظ زيادة تدفق المغناطيسية واتجاهها المعاكس لتدفق التيار.
تجربة في أي اتجاه تؤثر المجالات المغناطيسية
يمكننا الإجابة على سؤال ما يحدث في المجال المغناطيسي المتغير من خلال إجراء تجربة لمعرفة اتجاه القوة التي تؤثر على الجسم المغناطيسي. نستعرض ذلك فيما يلي:
- أولا نجهز أدوات التجربة وهي عبارة عن قضبان فلزية وبوصلة ومسطرة.
- نبدأ التجربة بوضع قضيب واحد بشكل مستقيم بحيث يكون القطب الشمالي في الجهة اليسرى.
- نقوم بتوضيع القضيب الثاني بشكل أفقي وعلى بعد 5 سم عن القضيب الأول لوضع البوصلة بينهما، ويكون قطبه الشمالي في الجهة اليسرى.
- ثم نضع البوصلة بالقرب من أحد القطبين ونسجل الاتجاه الذي يشير إليه السهم.
- قم بتغيير موضع البوصلة عدة مرات نحو القطب الآخر وسجل الاتجاه الذي يشير إليه سهم البوصلة في كل مرة.
- نكرر الخطوات السابقة مرة أخرى ونغير اتجاه القطبين بحيث يصبحان متقابلين.
- يلاحظ أن الطرف الشمالي في البوصلة عادة يشير إلى القطب الجنوبي، بينما يبتعد عن اتجاه القطب الشمالي.
- نستنتج أن الأسهم لا تشير إلى أي من المواقع بسبب وجود البوصلة بين القطبين المتشابهين، مما يؤدي إلى وجود قوة تنافر تنتج عنها توليد مجال مغناطيسي عمودي.
تطبيقات الحث المغناطيسي
تم تطبيق مبادئ الحث المغناطيسي على العديد من الأنظمة والأجهزة، بما في ذلك المولدات الكهربائية وألواح الرسم وحساسات التدفق الكهرومغناطيسية، بالإضافة إلى المصابيح المشحونة كهربائيا وغيرها من الأجهزة، سنستعرض بعضها فيما يلي.
المولد الكهربائي
وفقا لقانون فاراداي، يتم توليد القوة الكهربائية المحركة من خلال ما يلي:
- تتم إنتاج القوة الكهربائية عن طريق حركة الحلقة المعدنية في المجال المغناطيسي، حيث يحدث هذا الآلية في المولدات الكهربائية عند تحريك المغناطيس بشكل دائم.
- وهذا يؤدي إلى توليد قوة محركة كهربائية، وإذا كان السلك في الدائرة متصلا بحمل كهربائي، فسيتدفق التيار الكهربائي.
- بالتالي، يتم توليد الطاقة الكهربائية من خلال تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، ومن بين تلك المولدات قرص فاراداي.
- أثناء دوران هذا القرص في مجال مغناطيسي منتظم، تكون خطوطه عمودية على القرص مما يؤدي إلى تدفق التيار الكهربائي في الاتجاه الشعاعي.
- يحدث العمل الميكانيكي الذي يقوم بتدوير القرص من تدفق التيار عبر حافة الموصل، وبذلك يتكون حقل مغناطيسي جديد وفقا لقانون أمبير، وتصبح حافة القرص مشابهة للمغناطيس الكهربائي المقاوم للدوران.
- تتدفق الدمية العائدة من الذراع البعيدة في الحافة الى الفرشاة السفلية.
- يتعاكس الحقل المغناطيسي مع تيار العودة، مما يقلل من شدته في الدوران ويزيد من تدفق الحقل المتحرض على جانب الدائرة، ويكون معاكسا للانخفاض في التدفق الناتج عن الدوران.
- مما يؤدي إلى توليد جانب دائري لقوة كهربائية تحريكية ومعاكسة للدوران.
المحول الكهربائي
المحول الكهربائي هو أحد أشكال تطبيقات الحث الكهرومغناطيسي، وسنشرح ذلك فيما يلي:
- أثناء تغير التيار الكهربائي الذي يمر في السلك الموصل يتكون حقل مغناطيسي متغير.
- فعندما يتأثر السلك الثاني الموجود داخل مجال المغناطيس، يتغير تدفق المغناطيسية في المجال على سطح الدائرة التي يمر بها السلك.
- يطلق على القوة الكهربائية المحركة الموجودة في العروة الثانية اسم القوة الكهربائية المحولة.
- إذا وصلت هذه القوة إلى نهاية السلك وكان هناك تيار كهربائي، سيتدفق التيار الكهربائي.
في ختام مقالنا، قد قدمنا الإجابة على سؤال ما يحدث في المجال المغناطيسي المتغير المعروف بالحث المغناطيسي، بالإضافة إلى تقديم بعض المعلومات حول الحث المغناطيسي وتاريخ اكتشاف التغير في المجال المغناطيسي، بالإضافة إلى ذلك، ذكرنا قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي وقانون لينز، وعرضنا بعض تطبيقات الحث المغناطيسي بما في ذلك المولد الكهربائي والمحول الكهربائي.
يمكنكم الحصول على مزيد من المقالات من خلال زيارة الموسوعة العربية الشاملة.
المراجع