القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث الكهرومغناطيسي
تُعرف القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث الكهرومغناطيسي (EMF) بأنها القوة الدافعة الكهربائية المُستحثّة، والتي تحدث عندما يتغير معدل تدفق المجال المغناطيسي عبر موصل كهربائي، حيث يكون هذا الموصل جزءًا من دائرة مغلقة. على سبيل المثال، قد يتكون من ملف من الأسلاك، فينتج عن الحركة النسبية للمجال الكهرومغناطيسي والموصل تيار كهربائي يتدفق خلال الموصّل، مما يخلق قوة دافعة كهربائية ناتجة عن هذا الحث.
في عام 1831، أظهر العالم مايكل فاراداي إمكانية توليد الكهرباء عبر المجال المغناطيسي من خلال سلسلة من التجارب التي أجراها. وقد تمكن من تطوير مفهوم شامل لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي خلال فترة زمنية قصيرة، حيث شملت إحدى تجاربه أسطوانة ورقية ملتفة بأسلاك متصلة بجلفانومتر ومغناطيس دائم.
قوانين القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث الكهرومغناطيسي
توجد قانونان رئيسيان يحكمان القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث الكهرومغناطيسي:
قانون فاراداي
ينص قانون فاراداي على أن المجال المغناطيسي المار عبر حلقة موصلة يتغير مع مرور الوقت، مما يؤدي إلى إنتاج شحنات كهربائية تعرف بالجهد الكهربائي. الجهد المتولد يعاكس التغير في التدفق المغناطيسي، ويتم التعبير عن ذلك بواسطة إشارة سالبة. الصيغة الرياضية للقانون هي كما يلي:
EMF = – ΔΦ / Δt
حيث:
- EMF: القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث.
- ΔΦ: معدل تغير التدفق المغناطيسي.
- Δt: معدل التغير في الزمن.
تُقاس الجهد والكهرباء المغناطيسية بوحدات الفولت.
قانون لينز لحفظ الطاقة
صاغ هاينريش لينز في عام 1833 قانون لينز، حيث أشار إلى أن الاتجاه الناتج للتيار الكهربائي المُستحث دائماً يتعارض مع التغير الحاصل في التدفق، بحيث يكون اتجاه المجال المغناطيسي الناتج من التيار المُستحث مخالفًا للمجال المغناطيسي الأصلي. يتماشى هذا المفهوم مع إشارة السالب في قانون فاراداي.
أمثلة على قانون القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث الكهرومغناطيسي
إليكم بعض الأمثلة لتوضيح مفهوم القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث:
المثال الأول: يتغير تدفق المجال المغناطيسي في موصل من 1 تسلا في متر مربع (T.m²) إلى 0.3 تسلا في متر مربع (T.m²) خلال فترة زمنية قدرها 2 ثانية (s). السؤال: ما هو المجال الكهرومغناطيسي المتولد؟
الإجابة: باستخدام صيغة قانون القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث:
EMF = – ΔΦ / Δt، فإن:
EMF = – (0.3 T.m² – 1 T.m²) / (2 s) = – (-0.35) T.m²/s = 0.35 V
المثال الثاني: يتغير تدفق المجال المغناطيسي عبر سلك دائري من 0.85 تسلا في متر مربع (T.m²) إلى 0.11 تسلا في متر مربع (T.m²)، ومع قيمة قوة EMF المحسوبة بـ 1.48 فولت. ما هي فترة الوقت اللازمة لإتمام هذا التغيير؟
الإجابة: من خلال استخدام صيغة قانون القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث:
T = – ΔΦ / EMF
ومن هنا:
T = – (0.11 T.m² – 0.85 T.m²) / (1.48 V)
تطبيقات القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث الكهرومغناطيسي
تستخدم القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث في توليد الطاقة ونقلها عبر مجموعة من التطبيقات، ومنها:
- تيارات الدوامي: تُعرف أيضاً بالتيارات الإيدي، حيث تقوم هذه التيارات بمقاومة تغييرات المجال المغناطيسي مما يُحوّل الطاقة الضائعة إلى أشكال أكثر فائدة، مثل الطاقة الحركية أو حرارية.
- المولدات الكهربائية: تحتوي المحركات والمولدات على ملفات سلكية تمر عبرها مجالات مغناطيسية، ويمكن استخدام نفس الجهاز كمولد أو محرك. حيث يحول المحرك الطاقة الكهربائية إلى ميكانيكية، بينما تولّد المولدات الكهرباء من الطاقة الميكانيكية.
- الرجوع (EMF) في المحركات الكهربائية: عند بدء تشغيل الأجهزة مثل الثلاجات أو المكيفات، يلاحظ أنه يحدث انخفاض في شدة الإضاءة نتيجة احتياج المحركات لتيار كبير لتصل إلى سرعة التشغيل المطلوبة.
- المحولات: تُولد الكهرباء في محطة توليد بعيدة عن استعمالها، وعند نقل هذه الكهرباء عبر شبكة، تؤدي المسافات الطويلة إلى فقدان في الطاقة بسبب المقاومة. مما يحتم استخدام قانون فاراداي لزيادة الجهد لتقليل الخسائر.
الختام
تُعرّف القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الحث الكهرومغناطيسي (EMF) بأنها الجهد الكهربائي الناتج عن تغيرات تدفق المجال المغناطيسي عبر موصل كهربائي خلال فترة زمنية، ويتم تطبيق هذه القوة وفقًا لقانون فاراداي لقياس التدفق الكهرومغناطيسي بوحدات الفولت. كما يُشير قانون لينز لحفظ الطاقة إلى الاتجاه السالب الناتج والذي يعاكس المجال المغناطيسي الأصلي الذي أدى إلى إنتاج الجهد.