ينص قانون فاراداي للحث على أن التيار الكهربائي ينتج مجالًا مغناطيسيًا، وعلى العكس من ذلك، يولد المجال المغناطيسي المتغير تيارًا كهربائيًا في موصل. يعود الفضل للفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي في اكتشاف الحث المغناطيسي في عام 1830. ووفقًا لجامعة تكساس، فقد اكتشف عالم الفيزياء الأمريكي جوزيف هنري الشيء ذاته بشكل مستقل في نفس الوقت.
لا يعد التأكيد على أهمية اكتشاف فاراداي مبالغة، إذ جعل الحث المغناطيسي كلًا من المحركات الكهربائية والمولدات والمحولات التي تشكل أساس التكنولوجيا الحديثة شيئًا ممكنًا. من خلال فهم واستخدام الحث، أصبح لدينا شبكة كهرباء والعديد من الأشياء لتوصيلها بها.
وفقًا لمايكل دوبسون أستاذ الفيزياء في جامعة كولورادو بولدر، دمج قانون فاراداي لاحقًا في معادلات ماكسويل الأكثر شمولًا، إذ طور عالم الفيزياء الأسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل معادلات ماكسويل لشرح العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، وتوحيدها في قوة كهرومغناطيسية واحدة، ومن ثم وصف الموجات الكهرومغناطيسية التي تشكل موجات الراديو والضوء المرئي وأشعة إكس.
الكهرباء
وفقًا لمعهد روتشستر للتكنولوجيا، تعتبر الشحنة الكهربائية إحدى خواص المادة. وبالرغم من صعوبة وصف طبيعة الشحنة، فإننا نعرف تمامًا كيفية تصرفها وتفاعلها مع الشحنات والحقول الأخرى.
يقول سيريف أوران أستاذ الفيزياء بجامعة بيتسبيرج الحكومية أن فهم المجال الكهربائي لشحنة نقطية بسيط إلى حد ما، ويصفه بأنه ينتشر بالتساوي في جميع الاتجاهات مثل انتشار الضوء من مصباح إضاءة، وبأنه يتناقص في القوة بتناسب عكسي مع مربع المسافة 1/r2 وفقًا لقانون كولوم. أي عندما تبتعد عن مصدر الشحنة بمقدار وحدتين، فإن قوة الحقل تقل إلى الربع، وعندما تبتعد ثلاث وحدات، فإن القوة تقل إلى التسع.
تمتلك البروتونات شحنة موجبة، بينما تمتلك الإلكترونات شحنة سالبة. ولأن البروتونات غالبًا ما تكون محتجزة داخل نواة الذرة، تتولى الإلكترونات مهمة نقل الشحنة من مكان إلى آخر.
تكون الإلكترونات الموجودة في مادة موصلة مثل المعدن حرة في الانتقال من ذرة إلى أخرى عبر نطاقات التوصيل الخاصة بها، وهي المدارات العليا للإلكترونات. تنتج القوة الكهربائية الدافعة emf أو الجهد الكهربائي خللًا في توازن الشحنات يسبب انتقال الإلكترونات عبر موصل من منطقة ذات شحنة سالبة إلى منطقة ذات شحنة موجبة. تسمى هذه الحركة بالتيار الكهربائي.
المغناطيسية
يجب أن تكون على دراية كافية بمفهوم المجالات المغناطيسية لتستطيع فهم قانون فاراداي للحث. وفقًا لجامعة ولاية سان خوسيه، يعتبر المجال المغناطيسي أكثر تعقيدًا من المجال الكهربائي. ففي حين أن الشحنات الموجبة والسالبة يمكن أن تتواجد بشكل منفصل، تتواجد الأقطاب المغناطيسية دائمًا في أزواج، يتجه أحدها شمالًا والآخر جنوبًا.
عادة ما تكون المغانط من جميع الأحجام ثنائية القطب، ابتداءً من الجسيمات دون الذرية إلى المغناطيس ذي الحجم الصناعي ثم الكواكب والنجوم. نسمي هذين القطبين شمالًا وجنوبًا نسبة للاتجاه الذي تشير إليه إبرة البوصلة. ونظرًا إلى أن القطبين المختلفين ينجذبان، فإن القطب الشمالي المغناطيسي للأرض هو في الواقع القطب المغناطيسي الجنوبي لأن قطب الأرض الشمالي يجذب القطب الجنوبي لإبرة البوصلة.
غالبًا ما يمثل المجال المغناطيسي بواسطة خطوط التدفق المغناطيسي. في حالة كان المغناطيس على هيئة قضيب تخرج خطوط التدفق من القطب الشمالي وتنحني عائدة إلى القطب الجنوبي. في هذا النموذج يمثل عدد خطوط التدفق التي تمر عبر مساحة معينة كثافة التدفق أو قوة المجال. يجدر الإشارة إلى أن هذا مجرد نموذج، فالمجال المغناطيسي سلس ومستمر ولا يتكون من خطوط منفصلة.
خطوط الحقل المغناطيسي لقضيب مغناطيسي
يُنتج الحقل المغناطيسي للأرض مقدارًا هائلًا من التدفق المغناطيسي، لكنه يتشتت على المساحة الضخمة. تمر كمية صغيرة فقط من التدفق عبر كل منطقة ما ينتج عنه مجال ضعيف نسبيًا. وبالمقارنة يولد تدفق مغناطيس الثلاجة الصغير مجالًا بشدة أقوى بكثير من شدة مجال الأرض المغناطيسي. يعود ذلك لقرب المسافة بين خطوط تدفق المغناطيس الصغير وكونها معبأة بشكل أكثر كثافة. أي أن الحقل يصبح أضعف بكثير كلما زادت المسافة.
الحث
إذا قمنا بتوصيل تيار كهربائي عبر سلك، فسينتج عنه حقل مغناطيسي يدور حول السلك. يمكن تحديد اتجاه هذا المجال المغناطيسي من خلال قاعدة اليد اليمنى. وفقًا لقسم الفيزياء بجامعة ولاية بوفالو في نيويورك، إذا مددت إبهامك وطويت أصابع يدك اليمنى، يشير إبهامك للاتجاه الموجب للتيار، وتشير أصابعك المطوية للاتجاه الشمالي للحقل المغناطيسي.
قاعدة اليد اليمنى واليسرى لتحديد اتجاه الحقل المغناطيسي الناتج عن تيار كهربائي.
حسب قانون فاراداي ، إذا قمت بثني السلك في شكل حلقة، تنحني خطوط المجال المغنطيسي أيضًا في شكل حلقي أو شكل دونات. في هذه الحالة يشير الإبهام للاتجاه الشمالي للحقل المغناطيسي الخارج من مركز الحلقة، بينما تشير أصابعك إلى الاتجاه الموجب للتيار في الحلقة.
وفقًا لمعهد روتشستر للتكنولوجيا، إذا مررنا تيارًا عبر حلقة سلكية في مجال مغناطيسي، ينتج تفاعل هذه الحقول المغناطيسية قوة دورانية أو عزم دوران مسلط على الحلقة ما يؤدي إلى تدويرها. تستمر الحلقة في الدوران حتى تتحاذى الحقول المغناطيسية. وإذا أردنا أن تستمر الحلقة في الدوران، فعلينا عكس اتجاه التيار ما سيعكس اتجاه المجال المغناطيسي. ستدور الحلقة 180 درجة حتى يتحاذى مجالها في الاتجاه الآخر. هذا هو أساس المحرك الكهربائي.
وإذا قمنا بتدوير سلك ملفوف في مجال مغناطيسي، يحفز الحقل تيارًا كهربائيًا في السلك. ينعكس اتجاه التيار كل نصف دورة ما ينتج تيارًا مترددًا، وهذا هو أساس المولد الكهربائي. يجدر الإشارة إلى أن حركة السلك ليست هي المسؤولة عن إنتاج التيار بل يَنتج التيار بسبب فتح وإغلاق الدائرة حسب اتجاه الحقل الذي يولد التيار. عندما يكون السلك موازيًا للمجال، يمر الحد الأقصى لمقدار التدفق عبر السلك. وعندما يكون مقاطعًا له، لا تمر أي خطوط تدفق خلال السلك. هذا التغيير في مقدار التدفق هو ما يحفز التيار.
يمكننا القيام بتجربة أخرى بلف سلك وتوصيل الأطراف بمقياس تيار حساس أو مقياس الجلفانومتر. إذا أدخلنا قضيبًا مغناطيسيًا خلال السلك، تتحرك الإبرة في الجلفانومتر التي تشير إلى وجود تيار مستحث. وبمجرد إيقاف حركة المغناطيس، يعود التيار إلى الصفر. لا يؤدي الحقل المغناطيسي إلى إحداث تيار إلا عندما يزداد أو يتناقص. إذا سحبنا المغناطيس مرة أخرى، يُستحث التيار مرة أخرى في السلك.
يؤدي وضع مصباح ضوئي في الدائرة إلى تبديد الطاقة الكهربائية في شكل ضوء وحرارة، كما سنشعر بمقاومة حركة المغناطيس أثناء تحريكه داخل وخارج السلك. يجب أن ندفع المغناطيس بما يعادل الطاقة التي يستخدمها المصباح لنتمكن من تحريكه.
في تجربة أخرى، نقوم بلف سلكين، ثم نوصل طرفي أحدهما بدائرة بها بطارية ومفتاح، ونوصل طرفي الآخر بجلفانومتر. إذا وضعنا الحلقتين بالقرب من بعضهما بشكل متواز ومررنا تيارًا في السلك الأول، يشير الجلفانومتر المتصل بالحلقة الثانية إلى وجود تيار مستحث ثم يعود بسرعة إلى الصفر.
تفسير ما يحدث هو أن التيار الموجود في السلك الأول ينتج مجالًا مغناطيسيًا يحفز بدوره تيارًا في السلك الثاني، ولكن يحدث ذلك للحظة فقط عندما يتغير المجال المغناطيسي. عند إيقاف تشغيل المفتاح، ينحرف العداد في الاتجاه المعاكس. يعتبر هذا دليلًا إضافيًا على أن التغير في شدة المجال المغناطيسي هو الذي يحفز التيار وليس قوته أو حركته.
تفسير ذلك هو أن المجال المغنطيسي يتسبب في حركة الإلكترونات في موصل. هذه الحركة هي ما يعرف باسم التيار الكهربائي. في النهاية، تصل الإلكترونات إلى نقطة تتوازن فيها مع الحقل وتتوقف حركتها. وعند إزالة الحقل أو إيقاف تشغيله، تعود الإلكترونات إلى موقعها الأصلي ما ينتج تيارًا في الاتجاه المعاكس.
بخلاف مجال الجاذبية أو الحقل الكهربائي، يعد الحقل المغناطيسي ثنائي القطب بنية معقدة ثلاثية الأبعاد، والتي تختلف في قوتها واتجاهها وفقًا للموقع الذي تقاس منه، لذا فهي تتطلب حساب التكامل لوصفها بالكامل.
يمكن وصف حالة مبسطة لحقل مغناطيسي موحد -كجزء صغير من مجال مغناطيسي كبير جدًا– بهذه المعادلة ΦB = BA ، حيث ΦBهي القيمة المطلقة للتدفق المغناطيسي، B هي قوة المجال و A هي منطقة محددة يمر خلالها الحقل. وفي هذه الحالة تساوي قوة المجال المغناطيسي التدفق لكل وحدة مساحة أو B = ΦB / A.
قانون فاراداي
بعد أن أصبح لدينا فهم جيد للمجال المغناطيسي، صرنا الآن مستعدين لتعريف قانون فاراداي للحث. ينص القانون على أن الجهد المستحث في الدائرة يتناسب مع معدل التغير في التدفق المغناطيسي المار من خلالها. بمعنى آخر، كلما تغير المجال المغناطيسي بسرعة أكبر، زاد الجهد في الدائرة. ويحدد اتجاه التغير في المجال المغناطيسي اتجاه التيار.
يمكن زيادة الجهد بزيادة عدد الحلقات في الملف. يزيد الجهد المستحث في ملف به حلقتان بمعدل الضعف، ويزيد ثلاثة أضعاف في ملف به ثلاث حلقات. هذا هو السبب في أن المحركات والمولدات الحقيقية لها أعداد كبيرة من الملفات.
تتطابق المحركات والمولدات نظريًا، إذ تنتج المولدات الكهرباء عند تشغيلها، ويشتغل المحرك عند مده بالتيار الكهربائي. مع ذلك، تطوَّر معظم المحركات والمولدات الحقيقية للقيام بوظيفة واحدة فقط.
المحولات
المحول تطبيق مهم آخر لقانون الحث ابتكره نيكولا تسلا. في هذا الجهاز، يُرسل تيار متردد وهو تيار يغير اتجاهه عدة مرات في الثانية من خلال سلك ملفوف حول لب مغناطيسي. ينتج عن هذا التيار مجال مغناطيسي متغير في اللب، والذي يحفز بدوره تيارًا في السلك الثاني الملفوف حول الجزء الآخر من اللب المغناطيسي نفسه.
تحدد النسبة بين عدد اللفات في السلكين نسبة الجهد بين المدخلات والمخرجات. على سبيل المثال، إذا أخذنا محولًا به 100 دورة في جانب الإدخال و50 دورة في جانب الإخراج، وأدخلنا تيارًا مترددًا جهده 220 فولت، فسيكون الجهد الناتج 110 فولت.
وفقًا لمجلة Hyperphysics، لا يمكن للمحول زيادة الطاقة، لذلك عند رفع الجهد، ينخفض التيار والعكس صحيح. في المثال السابق، ينتج عن إدخال تيار 220 فولت و10 أمبير، أو 2200 واط، إخراج تيار 110 فولت و20 أمبير، 2200 واط أيضًا. وفقًا لجامعة تكساس، لا تكون المحولات فعالة تمامًا على الصعيد العملي، غير أن المحولات جيدة التصميم لا تخسر إلا نسبة مئوية ضئيلة من الطاقة.
تتيح المحولات وجود الشبكة الكهربائية التي نعتمد عليها في مجتمعنا الصناعي والتكنولوجي. تعمل خطوط النقل عبر البلاد بمئات الآلاف من الفولتات وذلك لتتمكن من نقل المزيد من الطاقة في حدود الحمل الحالية للأسلاك. ينخفض هذا الجهد بشكل متكرر باستخدام المحولات الموجودة في محطات التوزيع الفرعية حتى يصل إلى منزلك، إذ ينخفض أخيرًا إلى 220 و110 فولت، وهو الجهد المناسب لتشغيل الموقد الكهربائي أو الكمبيوتر.
اقرأ أيضًا:
من هو مايكل فاراداي وما هي أبرز انجازاته</a
ترجمة: رتاج ابراهيم
تدقيق: علي فرغلي
