بدايةً، يجب أن تعرف أن قوانين فارادي تشرح مبدأ عمل المحولات والمحركات والمولّدات والمحرّضات، وسُميت بقوانين فاراداي نسبةً إلى العالِم مايكل فاراداي الذي أجرى تجربة المغناطيس والملف؛ ليكتشف كيف يتم حثّ القوة الدافعة الكهربائية Electromotive Force واختصارًا EMF، في ملف ما؛ عندما يتم تحريض هذا الملف.

قوانين فاراداي للتحريض الكهرومغناطيسي (يُشار إليها اختصارًا بقوانين فاراداي)، وهي قانونان؛ القانون الأول والقانون الثاني. في البداية، لنعرّف قانون فاراداي للتحريض الكهرومغناطبسي، وهو قانون أساسي للكهرومغناطيسية، يبين كيف يتصرف المجال المغناطيسي مع دارة كهربائية وذلك لإنتاج قوة حركية كهربائية EMF، وتُعرف هذه الظاهرة بالحثّ الكهرومغناطيسي.

انظر إلى الصورة أدناه، والتي تبيّن تجربة فاراداي، إذ يأخذ فارادي مغناطيسًا وملفًا ويربط الملف بمقياس جلفانومتر. في البداية، يكون المغناطيس في حالة راحة، لذلك لا ينحرف مؤشر الجلفانومتر (يبقى في وضع الصفر)، أما عند تحريك المغناطيس باتجاه الملف؛ ينحرف المؤشر باتجاه واحد.

عندما نثبّت المغناطيس بعد تقريبه، يرجع المؤشر إلى وضع الصفر. الآن، إذا حركنا المغناطيس بعيدًا عن الملف، تنحرف أبرة المؤشر قليلًا ولكن في الاتجاه المعاكس، ومرة أخرى عندما نثبّت المغناطيس بعد إبعاده؛ يعود المؤشر لوضع الصفر.

ينص قانون فارادي على وجوب حدوث تيار (نسميه تيار مُستَحَثّ) في موصل كهربائي، عند تعريض هذا الموصل لمجال مغناطيسي متغير (الحثّ المغناطيسي)، ولتفسير ذلك بشكلٍ أوضح؛ وتحديد اتجاه التيار، نستعين بقانون لينز:

ينص قانون لينز أيضًا على أنه يمكن تحديد اتجاه هذا التيار المُستحث بواسطة المجال المغناطيسي المتغير؛ ويتم تحديد اتجاه المجال المغناطيسي المُتحرِّض؛ والذي أنتجه التيار المُستحث، بحيث يكون اتجاه هذا المجال يعاكس اتجاه المجال الأولي المُحرِّض. يمكنك تحديد اتجاه التيار باستخدام قاعدة اليد اليمنى لفلمنغ (تعامد الإبهام والسبابة والوسطى كما في الشكل).

إذن، كملخّص لما أسلفت ذكره، كلما كان هناك حركة نسبية بين موصلٍ ما ومجال مغناطيسي، يتغير التدفّق الحاصل، وهذا التغيّر في التدفق؛ يولّد جهدًا عبر الملف، كما أنه كلما كان التغيير في المجال المغناطيسي أسرع؛ كلما كانت القوة الكهربائية المتحرّضة أكبر، والجهد المتولّد أكبر.

قانون فاراداي الأول

إن أي تغيير في المجال المغناطيسي لملف مكوّن من عدة أسلاك، سيؤدي إلى إحداث قوة محركة كهربائية في الملف. ونغيّر المجال بإحدى الطرق:

  • تحريك المغناطيس باتجاه الملف أو بعيدًا عنه.

  • تحريك الملف داخل أو خارج المجال المغناطيسي.

  • تغيير منطقة الملف الموضوعة في المجال المغناطيسي.

  • تدوير الملف بالنسبة للمغناطيس.

قانون فاراداي الثاني

ينص على أن حجم القوة المحركة الكهربائية المتحرّضة في الملف تساوي معدّل تغير التدفق الحاصل والمرتبط بالملف، حيث ينتج ارتباط التدفق بالملف من عدد دورات الملف والتدفق المرتبط بها.

صيغة قانون فاراداي

إذا اعتبرنا أن المغناطيس يقترب من الملف، هنا يصبح لدينا مركّبتين؛ الأولى تدل على ارتباط التدفق بالملف في الوقت T1 والثانية ارتباط التدفق الحاصل في الملف في الوقت T2، وعليه:

نعبر عن التغير الحاصل في التدفق كالتالي:

حيث التغّير في التدفق هو

وبالتالي التغير في معدل التدفق سيكون:

والآن معدل التغيّر في التدفق المرتبط:

بالاشتقاق وإجراء الإصلاحات، نجد:

ووفقًا لقانون فاراداي، فإن التدفق الناتج سيكون معاكس دائمًا (إشارته سالبة)، لذا:

أكمل القراءة

سميت هذه القوانين نسبةً إلى العالم الفيزيائي والكيميائي البريطاني مايكل فاراداي، الذي يُعتبر أكثر من قدّم من العلماء خلال القرن التاسع عشر، وقد عُرف باكتشافاته الهامة كالحث والتحريض الكهرومغناطيسي وقوانين التحليل الكهربائي، لكن الاكتشاف الأهم هو المحرك الكهربائي، كما يعود له الفضل في اكتشاف الشكل البدائي من موقد بنزن الذي لا تزال المختبرات تستخدمه حتى أيامنا هذه.

ما هي قوانين فاراداي

يُعرف قانون فاراداي ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي، فهو القانون الأساسي للكهرومغناطيسية؛ إذ يتنبأ القانون بالطريقة التي يتفاعل فيها مجال مغناطيسي مع دارة كهربائية وذلك لإنتاج قوة دافعة كهربائية (Electromotive Force، اختصارًا EMF).

ينص القانون على أنّه في حال تواجد ناقل موصل للكهرباء ضمن حقل مغناطيسي متغير، فبالتأكيد سيتولد تيار كهربائي ضمن الناقل، ويسمى هذا التيار بالتيار المُستحث، فيما يشرح قانون لينز للحث الكهرومغناطيسي الإتجاه الذي سيسلكه التيار، إذ سينتقل التيار عبر الناقل بحيث تقاوم الحقل المغناطيسي الناتج عن التيار المُستحث الحقل المغناطيسي البدائي المتغير الذي تحرض بسببه، ويمكن تحديد اتجاه تدفق التيار باستخدام قاعدة اليد اليمنى لـ Fleming.

بناءً على هذا القانون، أجرى فاراداي تجربته التي وضع فيها مغناطيس مقابل ملف موصول مع جلفانومتر، في البداية وعند ثبات المغناطيس يبقى مرشر الجلفانومتر ثابتًا على الصفر، مع تحرك المغناطيس يبدأ المؤشر بالتحرك في اتجاه واحد، وعندما يثبت المغناطيس في الموضع الجديد، يعود المؤشر إلى موضع الصفر، وعند تحريك المغناطيس بعيدًا عن الملف، ينحرف المؤشر لكن بالاتجاه المعاكس، وعند تثبيت المغناطيس مرة أخرى، يعود المؤشر إلى موضع الصفر، وبالمثل إذا كان المغناطيس ثابتًا وتحرك الملف بعيدًا، ينحرف مؤشر الجلفانومتر، وقد لوحظ أنّه كلما كان التغيير أسرع في المجال المغناطيسي كلما زاد الجهد الكهرومغناطيسي المُستحث أو الجهد في الملف.

ما هي قوانين فاراداي

وفقًا للتجربة السابقة نتجت قوانين فاراداي، القانونان الأول والثاني اللذان ينصان على:

  1. قانون فاراداي الأول: تتولد قوة محركة كهربائية في أي ملف مكون من أسلاك بمجرد حدوث أي تغيير في الحقل المغناطيسي، وإن كانت دارة الموصل مغلقة فإن التيار المُستحث الناتج سيدور ضمنها.
  2. قانون فاراداي الثاني: حجم القوة المحركة الكهربائية المُتحرّضة في الملف يساوي معدل تغير التيار المتدفق في الملف والمرتبط به، يتعلق ارتباط التدفق بالملف بعدد دورات الملف والتدفق المرتبط به.

يتم تطبيق قانون فارادي في معظم الآلات الكهربائية والصناعات والمجال الطبي، ومن التطبيقات الشائعة للقانون محولات الطاقة والمولد الكهربائي،بالإضافة إلى ما يلي:

  • الطباخ التحريضي: يعمل هذا الطباخ وفق مبدأ الحث المتبادل، حيث عندما يتدفق التيار عبر ملف مكون من أسلاك نحاسية موضوعة أسفل وعاء الطهي فإنّه ينتج مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا، هذا المجال المغناطيسي المتغير يحرض قوة محركة كهربائية التي ينتج عنها تيار في الحاوية الموصولة إليه، الذي ينتج بدوره طاقة حرارية كافية للطهي.

الطباخ التحريضي

  • مقياس التدفق الكهرومغناطيسي: عبارة عن جهاز إلكتروني يستخدم في قياس سرعة السوائل، عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي على أنبوب معزول كهربائيًا تتدفق فيه سوائل موصلة، فإنه وفقًا قوانين فاراداي يتم تحريض قوة كهربائية محركة فيه، تتناسب هذا القوة مع سرعة تدفق السائل.

مقياس التدفق الكهرومغناطيسي

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هي قوانين فاراداي"؟