كان مايكل فاراداي عالمًا كان لعمله تأثير عميق على الفيزياء والهندسة. وبفضل اكتشافه تعتمد عليه العديد من الأجهزة الكهربائية والإلكترونية التي نستخدمها في حياتنا اليومية قانون فاراداي. يصف هذا القانون ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي، حيث يتم إحداث تيار كهربائي في الدائرة عندما يتغير المجال المغناطيسي الذي يمر عبرها. يعد قانون فاراداي ضروريًا لفهم كيفية توليد الكهرباء في المولدات وكيفية عمل الأجهزة الرئيسية مثل المحولات والمحركات الكهربائية.
في هذه المقالة سوف نستكشف بالتفصيل الميزات والتطبيقات وأهمية قانون فارادايبالإضافة إلى تأثيرها على التكنولوجيا الحالية.
الخصائص الرئيسية لقانون فاراداي
تتعرض الشحنات الكهربائية المتحركة لقوة داخل المجال المغناطيسي. هذا المبدأ أساسي لوصف كيفية عمل قانون فاراداي. ومن الأمثلة الواضحة على ذلك السلك الذي يحمل تيارًا، حيث تتفاعل الإلكترونات المتحركة مع المجال المغناطيسي. إذا قمنا بتحريك سلك داخل مجال مغناطيسي أو تغيرنا في شدة المجال بمرور الوقت، فسوف يتولد تيار في السلك.
La قانون فاراداي يحدد هذه العلاقة بين التغير في المجال المغناطيسي والتيار المستحث. يقول بيانها: "إن الجهد المستحث في دائرة مغلقة يتناسب طرديا مع معدل تغير التدفق المغناطيسي الذي يعبر السطح المحدد بالدائرة المذكورة".
مفهوم فلوجو مغناطيسي هو المفتاح هنا. التدفق المغناطيسي هو مقدار المجال المغناطيسي الذي يمر عبر السطح، وأي تغيير في هذه القيمة بسبب التغيرات الزمنية أو المكانية في المجال المغناطيسي يؤدي إلى القوة الدافعة الكهربائية (EMF) في الدائرة.
عرض لقانون فاراداي: التجربة الكلاسيكية
أجرى فاراداي عدة تجارب لإثبات ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. واحدة من أشهرها تتضمن ملفين من الأسلاك ملفوفين حول حلقة حديدية. عندما يتدفق تيار في الملف الأول، يتولد مجال مغناطيسي يمر عبر الحلقة ويصل إلى الملف الثاني. عندما يتغير التيار في الملف الأول، يتغير المجال المغناطيسي أيضًا، مما يولد تيارًا في الملف الثاني. يمكن ملاحظة هذه الظاهرة بسهولة باستخدام الجلفانومتر، الذي يسجل التيار المستحث في الملف الثاني.
ومن هذه التجربة، صاغ فاراداي أساس قانون الحث الكهرومغناطيسي. النقطة الأساسية التي تنبثق من تجاربهم هي ذلك المجال المغناطيسي المتغير باستمرار يولد مجالا كهربائيا، وهذا ما يؤدي إلى تحريض التيار.
علاوة على ذلك، فإن هذا المبدأ أساسي في قانون لينز الذي ينص على ذلك الحالية التي يسببها في دائرة موجهة بتغير المجال المغناطيسي، فإنها تولد مجالًا كهرومغناطيسيًا يقاوم التغيير الذي ينتج عنه.
العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية: قانون فاراداي وماكسويل
كان أحد أعظم إنجازات مايكل فاراداي هو إثبات العلاقة بين الكائنات بشكل تجريبي المجالات الكهربائية y المجالات المغناطيسية. قبل عمله، كان يُنظر إلى الكهرباء والمغناطيسية على أنهما ظاهرتان منفصلتان. ومع ذلك، أظهر فاراداي أن المجال المغناطيسي المتغير يولد مجالًا كهربائيًا، مما يفتح الباب أمام فهم موحد لهاتين الظاهرتين. تم استخدام هذا العمل لاحقًا من قبل الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل لصياغة معادلات ماكسويلوالتي تعتبر أساس النظرية الكهرومغناطيسية الحديثة.
تتضمن معادلات ماكسويل قانون فاراداي وتصف كيفية تفاعل المجالات الكهرومغناطيسية مع الشحنات الكهربائية وكيف يمكن للمجالات المغناطيسية المتغيرة أن تولد مجالات كهربائية، والعكس صحيح.
صيغة قانون فاراداي
يتم التعبير عن قانون فاراداي رياضيا على النحو التالي:
EMF (Ɛ) = -dϕ/dt
حيث:
- EMF (Ɛ): القوة الدافعة الكهربائية أو الجهد المستحث.
- dϕ/dt: مشتق من التدفق المغناطيسي بالنسبة للزمن.
الإشارة السالبة في المعادلة تمثل قانون لينز، مما يشير إلى أن التيار المستحث له دائمًا اتجاه بحيث يعارض التغير في التدفق المغناطيسي الذي يسببه.
إن مفهوم التدفق المغناطيسي، الذي يرمز له بـ ϕ، هو المفتاح لفهم هذه المعادلة. يمكن تعريف التدفق المغناطيسي على أنه حاصل ضرب المجال المغناطيسي والمنطقة المتعامدة مع اتجاه المجال المذكور. إن معدل تغير هذا التدفق، سواء بتغير المجال أو المساحة، هو ما يولد تيارًا كهربائيًا.
تطبيقات قانون فاراداي في الحياة اليومية
لقانون فاراداي العديد من التطبيقات التي تؤثر على حياتنا اليومية، فهو أساس الكثير من التكنولوجيا الحديثة. فيما يلي بعض الأمثلة الرئيسية:
- المولدات الكهربائية: تقوم المولدات الكهربائية بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية باستخدام مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. في هذه الأجهزة، يدور ملف من الأسلاك داخل مجال مغناطيسي، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي.
- المحولات الكهربائية: المحولات هي الأجهزة التي تستخدم الحث الكهرومغناطيسي، لتعديل جهد التيار المتردد، مما يسمح بنقل الكهرباء عبر مسافات طويلة بكفاءة.
- الحث الكهرومغناطيسي في المطبخ: تستخدم المواقد التحريضية مبدأ قانون فاراداي لتوليد الحرارة في الحاويات المعدنية من خلال التيارات الناجمة عن المجالات المغناطيسية.
- الشحن اللاسلكي: تعتمد العديد من تقنيات الشحن اللاسلكي، بما في ذلك تلك المستخدمة في الأجهزة المحمولة، على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي لنقل الطاقة لاسلكيًا.
العلاقة بين الحث والقوة المغناطيسية
ويرتبط قانون فاراداي أيضًا بالقوة المغناطيسية المؤثرة على الجسيمات المشحونة. إذا اعتبرنا إلكترونًا حرًا يتحرك في سلك ووضعنا السلك المذكور في مجال مغناطيسي، فإن حركة السلك عموديًا على المجال المغناطيسي تولد قوة تؤثر على الإلكترون. هذه القوة هي التي تسبب التيار المستحث داخل السلك.
المفتاح هو أنه على الرغم من أن المجال المغناطيسي لا يقوم بعمل مباشر، إلا أن تفاعله مع حركة الشحنات يولد ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. علاوة على ذلك، يتم تعديل اتجاه التيار المستحث لمقاومة التغير في المجال المغناطيسي، بما يتوافق مع قانون لينز.
يعد قانون فاراداي ومبدأه في الحث الكهرومغناطيسي ضروريين للكثير من التكنولوجيا التي نستخدمها اليوم. من المولدات الكهربائية إلى الشحن اللاسلكي، تتشابك المجالات المغناطيسية والكهربائية بشكل عميق بفضل هذا القانون الذي اكتشفه العالم اللامع مايكل فاراداي.