ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي هي ظاهرة تتمثل في حدوث قوة أو جهد كهربي في جسم يقع في مجال مغناطيسي يتغير باستمرار. تنشأ أيضًا قوة دافعة كهربائية نتيجة الحث الكهرومغناطيسي إذا كان الجسم يتحرك في مجال مغناطيسي ثابت وغير منتظم ، أو يدور في مجال مغناطيسي بحيث تتقاطع خطوطه مع تغيير حلقة مغلقة.
التيار الكهربائي المستحث
في ظل مفهوم "الاستقراء" يعني ظهور عملية نتيجة لتأثير عملية أخرى. على سبيل المثال ، يمكن إحداث تيار كهربائي ، أي أنه يمكن أن يظهر نتيجة تعريض موصل لمجال مغناطيسي بطريقة خاصة. يسمى هذا التيار الكهربائي المستحث. تمت مناقشة شروط تكوين تيار كهربائي نتيجة ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي لاحقًا في المقالة.
مفهوم المجال المغناطيسي
من قبللبدء دراسة ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي ، من الضروري فهم ماهية المجال المغناطيسي. بعبارات بسيطة ، المجال المغناطيسي هو منطقة من الفضاء تُظهر فيها المادة المغناطيسية آثارها وخصائصها المغناطيسية. يمكن تصوير هذه المنطقة من الفضاء باستخدام خطوط تسمى خطوط المجال المغناطيسي. يمثل عدد هذه الخطوط كمية مادية تسمى التدفق المغناطيسي. خطوط المجال المغناطيسي مغلقة ، تبدأ من القطب الشمالي للمغناطيس وتنتهي في الجنوب.
المجال المغناطيسي لديه القدرة على العمل على أي مواد ذات خصائص مغناطيسية ، مثل موصلات الحديد للتيار الكهربائي. يتميز هذا المجال بالحث المغناطيسي ، والذي يُشار إليه بـ B ويتم قياسه بالتسلا (T). الحث المغناطيسي بمقدار 1 تيرابايت هو مجال مغناطيسي قوي للغاية يعمل بقوة 1 نيوتن على شحنة نقطية مقدارها 1 كولوم ، والتي تطير بشكل عمودي على خطوط المجال المغناطيسي بسرعة 1 م / ث ، أي 1 ت.=1 Ns / (مCl).
من اكتشف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي؟
تم اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي ، على أساس مبدأه العديد من الأجهزة الحديثة ، في أوائل الثلاثينيات من القرن التاسع عشر. عادة ما يُعزى اكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي إلى مايكل فاراداي (تاريخ الاكتشاف - 29 أغسطس 1831). استند العالم إلى نتائج تجارب الفيزيائي والكيميائي الدنماركي هانز أورستد ، الذي اكتشف أن الموصل الذي يتدفق من خلاله تيار كهربائي ينتجمجال مغناطيسي حول نفسه ، أي أنه يبدأ في إظهار الخصائص المغناطيسية.
اكتشف فاراداي بدوره عكس الظاهرة التي اكتشفها أورستد. لقد لاحظ أن المجال المغناطيسي المتغير ، الذي يمكن إنشاؤه عن طريق تغيير معاملات التيار الكهربائي في الموصل ، يؤدي إلى ظهور فرق جهد في نهايات أي موصل تيار. إذا كانت هذه الأطراف متصلة ، على سبيل المثال ، من خلال مصباح كهربائي ، فإن تيارًا كهربائيًا سيتدفق عبر هذه الدائرة.
ونتيجة لذلك ، اكتشف فاراداي عملية فيزيائية ، ونتيجة لذلك يظهر تيار كهربائي في موصل نتيجة لتغير في المجال المغناطيسي ، وهو ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. في الوقت نفسه ، لتشكيل تيار مستحث ، لا يهم ما يتحرك: المجال المغناطيسي أو الموصل نفسه. يمكن إثبات ذلك بسهولة من خلال إجراء تجربة مناسبة على ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. لذلك ، بعد وضع المغناطيس داخل اللولب المعدني ، بدأنا في تحريكه. إذا قمت بتوصيل أطراف اللولب من خلال بعض مؤشرات التيار الكهربائي في دائرة ، يمكنك رؤية مظهر التيار. الآن يجب أن تترك المغناطيس وشأنه وتحريك اللولب لأعلى ولأسفل بالنسبة للمغناطيس. سيظهر المؤشر أيضًا وجود التيار في الدائرة
تجربة فاراداي
تألفت تجارب فاراداي من العمل مع موصل ومغناطيس دائم. اكتشف مايكل فاراداي لأول مرة أنه عندما يتحرك موصل داخل مجال مغناطيسي ، ينشأ فرق جهد في نهايته. يبدأ الموصل المتحرك في عبور خطوط المجال المغناطيسي ، والتي تحاكيتأثير تغيير هذا المجال.
اكتشف العالم أن العلامات الإيجابية والسلبية لفرق الجهد الناتج تعتمد على الاتجاه الذي يتحرك فيه الموصل. على سبيل المثال ، إذا تم رفع الموصل في مجال مغناطيسي ، فإن فرق الجهد الناتج سيكون له قطبية + - ، ولكن إذا تم تخفيض هذا الموصل ، فسنحصل بالفعل على - + قطبية. تؤدي هذه التغييرات في علامة الإمكانات ، والتي يُطلق على اختلافها القوة الدافعة الكهربائية (EMF) ، إلى ظهور تيار متناوب في دائرة مغلقة ، أي تيار يغير اتجاهه باستمرار إلى العكس.
ميزات الحث الكهرومغناطيسي التي اكتشفها فاراداي
معرفة من اكتشف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي وسبب وجود تيار مستحث ، سنشرح بعض ملامح هذه الظاهرة. لذلك ، كلما حركت الموصل بشكل أسرع في مجال مغناطيسي ، زادت قيمة التيار المستحث في الدائرة. ميزة أخرى لهذه الظاهرة هي كما يلي: كلما زاد الحث المغناطيسي للمجال ، أي كلما كان هذا المجال أقوى ، زاد فرق الجهد الذي يمكن أن يخلقه عند تحريك الموصل في الحقل. إذا كان الموصل في حالة سكون في مجال مغناطيسي ، فلن تظهر أي EMF فيه ، حيث لا يوجد تغيير في خطوط الحث المغناطيسي التي تعبر الموصل.
اتجاه التيار الكهربائي وقاعدة اليد اليسرى
لتحديد الاتجاه في موصل التيار الكهربائي الناتج عن ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي ، يمكنكاستخدم ما يسمى بقاعدة اليد اليسرى. يمكن صياغتها على النحو التالي: إذا تم وضع اليد اليسرى بحيث تدخل خطوط الحث المغناطيسي ، والتي تبدأ من القطب الشمالي للمغناطيس ، في راحة اليد ، ويتم توجيه الإبهام البارز في اتجاه حركة الموصل في مجال المغناطيس ، ثم ستشير الأصابع الأربعة المتبقية من اليد اليسرى إلى اتجاه التيار المستحث بالحركة في الموصل.
هناك نسخة أخرى من هذه القاعدة ، وهي كالتالي: إذا كانت سبابة اليد اليسرى موجهة على طول خطوط الحث المغناطيسي ، والإبهام البارز موجه في اتجاه الموصل ، فإن تحول الإصبع الأوسط 90 درجة إلى راحة اليد سيشير إلى اتجاه التيار الظاهر في الموصل.
ظاهرة الاستقراء الذاتي
اكتشف هانز كريستيان أورستد وجود مجال مغناطيسي حول موصل أو ملف مع تيار. وجد العالم أيضًا أن خصائص هذا المجال مرتبطة ارتباطًا مباشرًا بقوة التيار واتجاهه. إذا كان التيار في الملف أو الموصل متغيرًا ، فإنه سيولد مجالًا مغناطيسيًا لن يكون ثابتًا ، أي سيتغير. بدوره ، سيؤدي هذا المجال المتناوب إلى ظهور تيار مستحث (ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي). ستكون حركة تيار الحث دائمًا معاكسة للتيار المتردد المتداول عبر الموصل ، أي أنه سيقاوم كل تغيير في اتجاه التيار في الموصل أو الملف. هذه العملية تسمى الحث الذاتي. الفرق الكهربائي الناتجتسمى الإمكانات EMF للحث الذاتي.
لاحظ أن ظاهرة الاستقراء الذاتي لا تحدث فقط عندما يتغير اتجاه التيار ، ولكن أيضًا عندما يتغير ، على سبيل المثال ، عند الزيادة بسبب انخفاض المقاومة في الدائرة.
بالنسبة للوصف المادي للمقاومة التي يمارسها أي تغيير في التيار في دائرة بسبب الحث الذاتي ، تم تقديم مفهوم الحث ، والذي يقاس بالهنري (على شرف الفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري). هنري واحد هو مثل هذا الحث ، عندما يتغير التيار بمقدار 1 أمبير في ثانية واحدة ، تنشأ EMF في عملية الحث الذاتي ، يساوي 1 فولت.
التيار المتردد
عندما يبدأ مغوٍ بالدوران في مجال مغناطيسي ، نتيجة لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي ، فإنه ينتج تيارًا مستحثًا. هذا التيار الكهربائي متغير ، بمعنى أنه يغير اتجاهه بشكل منهجي.
التيار المتردد أكثر شيوعًا من التيار المباشر. لذلك ، فإن العديد من الأجهزة التي تعمل من الشبكة الكهربائية المركزية تستخدم هذا النوع من التيار. التيار المتردد أسهل في الحث والنقل من التيار المباشر. كقاعدة عامة ، فإن تردد التيار المتردد المنزلي هو 50-60 هرتز ، أي في ثانية واحدة يتغير اتجاهه 50-60 مرة.
التمثيل الهندسي للتيار المتردد هو منحنى جيبي يصف اعتماد الجهد على الوقت. تبلغ الفترة الكاملة للمنحنى الجيبي للتيار المنزلي حوالي 20 مللي ثانية. وفقًا للتأثير الحراري ، فإن التيار المتردد مشابه للتيارتيار مستمر ، جهده هو Umax/ √2 ، حيث Umaxهو أقصى جهد على منحنى التيار المتردد الجيبي.
استخدام الحث الكهرومغناطيسي في التكنولوجيا
أدى اكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي إلى طفرة حقيقية في تطور التكنولوجيا. قبل هذا الاكتشاف ، كان البشر قادرين فقط على توليد الكهرباء بكميات محدودة باستخدام البطاريات الكهربائية.
حاليًا ، تُستخدم هذه الظاهرة الفيزيائية في المحولات الكهربائية ، وفي السخانات التي تحول التيار المستحث إلى حرارة ، وفي المحركات الكهربائية ومولدات السيارات.
