ملخص الحث الكهرومغناطيسي، الفيزياء

الخطوات:

• صل الدارة الموضحة في الشكل ⁦(8-1/a)⁩.
• أغلق المفتاح وراقب مؤشر الجلفانوميتر. ماذا تلاحظ؟
• لقد حاول العالم فارادي توليد تيار كهربائي من المجال المغناطيسي، فصمم النشاط المبين في الشكل (8-1)، الذي يحتوي على ملفين: الملف (1) موصول ببطارية ومفتاح كهربائي، والملف (2) موصول بطرفي جلفانوميتر. وتوقع فارادي أن مرور تيارٍ كبيرٍ في الملف (1) يولد مجالاً مغناطيسياً قوياً فيه كافياً لتوليد تيار كهربائي في الملف (2).
• وكانت النتائج عكس ما توقعه، حيث لم يتولد تيار في الملف (2) عندما وصلت شدة التيار في الملف (1) إلى قيمتها القصوى، ولكنه لاحظ الانحراف الكبير لمؤشر الجلفانوميتر باتجاه ما لحظة إغلاق دارة الملف (1)، وانحراف المؤشر بالاتجاه الآخر عند فتحها.
• فاستنتج أن تياراً كهربائياً يسري في الجلفانوميتر لحظة غلق الدارة أو فتحها، ومن الملاحظات التي توصل إليها من معرفته لخطوط المجال المغناطيسي، اقتراحه أن التيار يتولد في ملف عندما تتغير شدة المجال المغناطيسي فيه.
• وهذا يفسر سبب فشل المحاولات السابقة للحصول على تيار كهربائي من المجال المغناطيسي الثابت. وللتحقق من فرضيته قام بتنفيذ الأنشطة المبينة في الشكل (8-2).

2-8 التدفق المغناطيسي

• التدفق المغناطيسي: يُعرّف قطع خطوط المجال المغناطيسي لمساحة ما: التدفق المغناطيسي
• تحقق فارادي كمياً من العوامل التي تؤثر في مقدار القوة الدافعة الكهربائية الحثية.
• ووجد أنه كلما زاد معدل التغير في المجال المغناطيسي بالنسبة للزمن، زادت القوة الدافعة الحثية المتولدة في الملف.
• وعلى الرغم من أن تغير المجال المغناطيسي يولد تياراً كهربائياً، فإنه في حالات أخرى يكون المجال المغناطيسي ثابتاً، ويتولد فيها تيار حثي، كما هو الحال عند تغير مساحة الملف أو دورانه في المجال المغناطيسي.
• لقد استدل فارادي من معرفته لخطوط قوى المجال المغناطيسي أن معدل التغير في عدد خطوط قوى المجال المغناطيسي الذي يقطع ملف (أو حلقة) هو الذي يؤدي إلى توليد تيار حثي فيه.
• $\Phi_B = \vec{B} \cdot \vec{A} = BA\cos\theta \quad (8-1)$

3-8 القوة الدافعة الكهربائية الحثية

• مما يؤدي إلى زيادة تركيز الشحنات الموجبة عند النقطة ⁦(c)⁩ والشحنات السالبة عند النقطة ⁦(a)⁩.
• وكنتيجة لعملية فصل الشحنات، يتولد مجال كهربائي داخل الموصل، يكون اتجاهه من ⁦(c)⁩ إلى ⁦(a)⁩، وتستمر الشحنات بالتجمع عند طرفي الموصل.
• حتى تتزن القوة الكهربائية إلى أسفل $(qE)$ والقوة المغناطيسية إلى الأعلى $(q v \times B)$، عندها تتوقف حركة الشحنات باتجاه طرفي الموصل.
• وبذلك، فإنه يمكننا التعبير عن حالة الاتزان هذه في الموصل في الاتجاه الصادي بالمعادلة: $F_B = F_E$
• $q v \times B = qE \text{ ومنها نجد:}$
• $E = v B \quad (8-2)$
• $\varepsilon = v B L \quad (8-3)$
• فإذا تم وصل طرفي الموصل ($a b$) بسلك خارجي على شكل حرف ⁦(U)⁩، بحيث يشكل مجرى يمكن للموصل أن ينزلق عليه، وقمنا بسحب الموصل ($a b$) بتأثير قوة خارجية، وبسرعة ثابتة نحو اليمين، باتجاه عمودي على خطوط المجال المغناطيسي، حينها يتولد تيار حثي بالاتجاه المبين في الشكل (8-4).
• ومع وجود الموصل في المجال المغناطيسي، فإن المجال يؤثر بقوة مغناطيسية في التيار الذي يسري في الموصل ($a b$) عمودياً على خطوط المجال المغناطيسي يكون اتجاهها نحو اليسار.
• وبما أنّ الموصل يتحرك بسرعة ثابتة، فإنّ القوة الخارجية ($F_{\text{ext}}$) تساوي القوة المغناطيسية، وتعاكسها في الاتجاه؛ أي أنّ: $F_{\text{ext}} = -F_B = -ILB$
• $W = F_{\text{ext}} (\Delta x)$ $W = -ILB\Delta x$
• حيث: $L \Delta x = \Delta A$ $W = -I\Delta\Phi$
• ويتحول هذا الشغل إلى طاقة كهربائية، وتساوي $(\varepsilon I \Delta t)$ أي أن: $\varepsilon I \Delta t = -I\Delta\Phi$ ومنها نجد أن: $\varepsilon_{\text{ave}} = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$
• $\varepsilon_{\text{ave}} = -N \frac{\Delta\Phi}{\Delta t} \quad (8-4)$
• $I = \frac{\varepsilon}{R} \quad (8-5)$

4-8 قانون لنز

• قانون لنز: يكون اتجاه التيار الحثي المتولد في دارة كهربائية أو ملف، بحيث يقاوم المولد له، وهو التغير في التدفق المغناطيسي
• لقد استخدم لنز مبدأ حفظ الطاقة للتوصل إلى قاعدة لتحديد قطبية القوة الدافعة الكهربائية الحثية المتولدة في ملف أو سلك، وبالتالي اتجاه التيار الحثي المتولد في ملف عندما يتغير فيه التدفق المغناطيسي.
• وكما هو شأن أي تيار آخر، فإن التيار الحثي ينتج مجالاً مغناطيسياً خاصاً به ($B$ حثي)، فيتولد عنه تدفقٌ مغناطيسيٌ في الملف يقاوم التغير في التدفق الذي أنشأه، ويحدد اتجاه التيار الحثي في الملف باستخدام قاعدة اليد اليمنى.
• فعند تقريب قطب شمالي من حلقة فلزية…