حث كهرومغناطيسي

سلك ملفوف بشكل لولبيّ (وشيعة).

مقطع طوليّ في السلك اللولبيّ ويظهر في الشكل التيَّار الكهربائيّ وهو يعبر من خلال لفّات الملف اللولبيّ (الوشيعة). تتحرَّض خطوط الحقل المغناطيسيّ، ويظهر اتجاهها بالأسهم. يتناسب التدفُّق المغناطيسيّ مع 'كثافة خطوط الحقل'. وبالتالي يكون التدفُّق المغناطيسيّ أعظميًا في مركز الملف اللولبي، وأصغريًا خارجه.

يرتكز قانون فاراداي على التدفُّق المغناطيسيّ Φ_B عبر منطقة من الفضاء مُحاطة بحلقة سلكيّة، مع ملاحظة إمكانيّة اعتبار الوشيعة مجموعة من الحلقات المتتالية، يُعرَّف التدفُّق المغناطيسيّ عبر إجراء عمليّة تكامل للسطح:[13]

${\displaystyle \Phi _{\mathrm {B} }=\int \limits _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} \ ,}$

حيث dA هي عامل السطح Σ المُحدَّد بعروة السلك (أو الحلقة)، أما B هي الحقل المغناطيسيّ. تطابق كذلك نتيجة الجداء السُلَّميّ B·dA كمية متناهية في الصغر للتدفُّق المغناطيسيّ. وبعبارة أقرب للتصوّر، يتناسب التدفّق المغناطيسيّ عبر حلقة السلك (عروة السلك) مع عدد خطوط التدفّق المغناطيسيّ التي تمر عبر الحلقة.

و عندما يتغيّر التدفُّق عبر السطح، يقول قانون فاراداي أن الحلقة تكتسب قوّة كهربائيّة.[ملاحظة 1] تنص النسخة الأكثر انتشارًا من القانون على أن القوّة الكهربائيّة المحرّكة المتولِّدة بالتحريض في أي دارة مُغلقة تساوي معدل تغير التدفُّق المغناطيسيّ المحدود بالدارة:[17][18]

${\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{\mathrm {B} }} \over dt}\ }$,

حيث ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ هي القوّة المحركة الكهربائيّة وΦ_B هو التدفُّق المغناطيسيّ. يُعطى اتجاه القوة المحركة الكهربائيّة بقانون لينز الذي يقول أن التيّار المتولد بالتحريض سيتدفّق باتجاه معاكس للشحنة التي أنتجته.[19] وهذا يعود للإشارة السالبة في المعادلة السابقة. لزيادة القوّة المحرّكة الكهربائيّة المتولّدة يتم عادةً استغلال التدفُّق المغناطيسيّ بخلق أسطح جديدة يعبرها خلال مساره عبر استخدام أسلاك ملفوفة بشكل حلزوني أو لولبيّ مؤلّف من N حلقة (وشيعة مؤلفة من N حلقة)، إذ يعبر كلَّ حلقة التدفّق المغناطيسي ذاته، وبالتالي تكون القوّة المحركة الكهربائيّة الناتجة أكبر بـN مرة من تلك الناتجة عن عبور الحقل المغناطيسيّ لحلقة واحدة.[20][21]

${\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{\mathrm {B} }} \over dt}}$

يمكن توليد قوّة محركة كهربائيّة من خلال إحداث تغيرات في التدفّق المغناطيسيّ المار عبر سطح الحلقة (عروة السلك) الافتراضيّ بعدة طرق:

• تغيير المجال المغناطيسي B (مثلًا باستخدام حقل مغناطيسي متناوب أو بتحريك الحلقة (أو العروة) باتجاه مغناطيس ذو شكل قضيبيّ حيث ستزداد قوّة الحقل المغناطيسيّ بالاقتراب من المغناطيس)
• تغيير شكل الحلقة (عروة السلك) وبالتالي سيتغيّر السطح Σ
• تغيير اتجاه السطح dA (مثلًا تدوير الحلقة في حقل مغناطيسي ثابت)
• أو باستخدام أي مزيج مما أعلاه

عمومًا، تُعطى العلاقة بين القوّة المحركة الكهربائيّة ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ في الحلقة (عروة السلك) التي تُشكِّل السطح Σ والحقل الكهربائيّ E في السلك بالشكل:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}}$

حيث dℓ عنصر منسوب السطح Σ، وبجمع هذا مع تعريف التدفُّق

${\displaystyle \Phi _{\mathrm {B} }=\int \limits _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} \ ,}$

و يمكننا بالتالي كتابة الشكل المتكامل لمعادلة ماكسويل-فاراداي

${\displaystyle \oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=-{\frac {d}{dt}}{\int _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} }}$

و هي إحدى أربع معادلات تحمل اسم ماكسويل، كما أنها تلعب دورًا أساسيًا في النظرية الكهرومغناطيسيّة التقليديّة.

يصف قانون فاراداي ظاهرتين مختلفتين: القوّة الكهربائيّة المحرّكة ذات الأثر الحركيّ المتولّدة عن تطبيق قوّة مغناطيسيّة على سلك متحرّك (انظر قانون لينز) والمجال الكهرومغناطيسيّ المحوِّل المتولّد عن قوّة كهربائيّة بسبب تغيّر المجال المغناطيسيّ (بسبب الشكل التفاضليّ لمعادلة ماكسويل-فاراداي). لفت جيمس كلارك ماكسويل الانتباه إلى الظواهر الفيزيائيّة المنفصلة عام 1861.[15][22][ملاحظة 2] يُعتقد أن مثل هذا مثال فريد في الفيزياء عن استخدام قانون أساسيّ لشرح ظاهرتين مختلفتين من هذا القبيل.[23]

لاحظ آينشتاين أن هاتين الحالتين تتطابقان مع حركة نسبيّة بين الموصل والمغناطيس، ولا تتأثر النتيجة بأيٍّ منهما هو المتحرّك. مثّل هذا أحد المسارات الرئيسيّة التي قادت آينشتاين إلى تطوير النسبيّة الخاصة.[24]

تتولّد القوّة المحركة الكهربائيّة وفق قانون فاراداي للتحريض، تتولّد عن حركة الدارة (الحلقة) بالنسبة للمجال المغناطيسي، تُعتمد هذه الآليّة في المولِّدَات الكهربائيّة. عند تحريك مغناطيس دائم بالنسبة لموصل كهربائيّ، أو العكس، فتتولّد قوّة محرِّكة كهربائيّة. إذا كان السلك (سلك الدارة) موصولًا بحمل كهربيّ، سيتدفّق تيّار كهربائيّ، وبالتالي تتولّد الطاقة الكهربائيّة، عبر تحويل الطاقة الميكانيكيّة للحركة إلى طاقة كهربائيّة. على سبيل المثال، يعتمد المولّد الأسطواني على الآلية المُوضحَة في الشكل أدناه. أيضًا قرص فاراداي على هذه الفكرة.

في مثال، قرص فاراداي، يدور القرص في حقل مغناطيسيّ منتظم خطوطه عموديّة على القرص وتؤدي إلى تدفُّق التيار الكهربائيّ باتجاه ذراع شعاعيّة، يمكن تحديد جهته (التيّار) اعتمادًا على قانون لنز. من المثير للاهتمام فهم كيفيّة نشوء العمل الميكانيكيّ الذي سيقوم بتحريك (تدوير) القرص وبالتالي التيّار الكهربائيّ، حيث يتدفّق التيّار عبر حافة الموصل، مما يولّد حقلًا مغناطيسيًا من خلال قانون أمبير (تمت الإشارة إلى هذا الحقل المغناطيسيّ المُتحرِّض في الشكل باسم "induced B"). تصبح بالتالي حافة القرص أشبه ما تكون بمغناطيس كهربائيّ يقاوم الدوران (مثال عن قانون لنز). وعلى الجانب الآخر من الشكل، يتدفّق تيّار العودة من الذراع الدوّارة عبر الجانب البعيد من الحافة إلى الفرشاة السفلية. يُعاكس الحقل المغناطيسيّ المُتحرّض بتيّار العودة الحقلَ المغناطيسيّ المُطبَّق، مما يؤدي إلى تقليل شدّة الحقل المُطبَّق خلال الدوران. وعلى الجانب القريب من الشكل، يتدفَّق تيّار العودة من الذراع الدوّارة من خلال الجانب القريب للحافة إلى الفرشاة (الفحمة) السفليّة. يزيد الحقل المُتحرِّض التدفُّقَ على جانب الدارة، مٌعاكسًا انخفاض التدفُّق الناجمة عن الدوران. وبالتالي، فإن كلا جانبي الدارة تُولِّدَان قوّة محركة كهربائيّة مُعاكسة للدوران. تساوي الطاقة المطلوبة للحفاظ على حركة القرص، رغم هذه القوّة التفاعليّة، الطاقة الكهربائيّة المتولّدة (بالإضافة إلى الطاقة التي أُهدِرَت بسبب الاحتكاك ومفعول جول الحراريّ وعدم الكفاءة). تتماثل هذه الآلية (آلية تحويل الطاقة الميكانيكيّة إلى كهربائيّة) في جميع المولّدات الكهربائيّة.

عندما يتغيّر التيّار الكهربائيّ المار في عروة السلك يتكوّن حقل مغناطيسيّ متغيّر. يتأثر السلك الثاني الموجود في مجال هذا الحقل المغناطيسيّ، إذ سيتغيّر التدفّق المغناطيسيّ للحقل في سطح الدارة التي يُشكِّلُها السلك d Φ_B / d t. لذا، تُدعى القوّة الكهربائيّة المُحرِّكة المتحرضَة في العروة الثانيّة القوّة المحركة الكهربائيّة المُتحرضة (المُحرَّضة) أو القوّة المحركة الكهربائيّة المُحوِّلة. إذا وُصلت نهايتا عروة السلك بحمل كهربائيّ سيتدفَّق تيّار كهربائيّ.

مقياس كلامب ميتر.

مقياس كلامب ميتر محوّل، ذو قلب منفصل عنه وقابل للحركة يمكن أن يُقصَّ على سلك أو ملف لقياس التيّار المار فيه أو المُعاكس له، لتحريض فولتاج. على عكس الأدوات التقليديّة، لا يتصل الكلامب ميتر كهربائيًّا بالموصل كما أن من المطلوب أن يكون منفصلًا عنه خلال عمله.

يُستخدم قانون فاراداي لقياس تدفُّق السوائل والردغة الموصلة كهربائيًا. تُدعى مثل هذه الأدوات بمقاييس (أو حساسات) التدفُّق المغناطيسي. تُعطى الجهد الكهربائيّ المُتحرض ℇ المتولّد في الحقل المغناطيسي B بسبب حركة السائل الموصل بسرعة v من خلال العلاقة:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=-B\ell v,}$

حيث ℓ هي المسافة بين الأقطاب الكهربائيّة في حسّاس (مقياس) التدفُّق المغناطيسيّ.

تنشأ التيارات الدوّاميّة عندما تدور كتلة معدنيّة صلبة في حقل مغناطيسيّ، وذلك لأن الجزء الخارجيّ من المعدن يقطع خطوطًا أكثر من الحقل المغناطيسيّ مما يفعله الجزء الداخليّ، وبالتالي فإن القوّة المحركة الكهربائيّة المتحرضة ليست متجانسة بل وتميل لتوليد تيّارات بين نقاط الإمكانيات الأعظم والأصغر. حيث تستهلك التيارات الدوّاميّة كمية كبيرة من الطاقة وغالبًا ما تتسبب بارتفاع ملحوظ في درجة الحرارة.[25]

يظهر في هذا المثال خمس صفائح أو ألواح فقط، لإظهار التقسيم الفرعي للتيارات الدوّامية، بينما في الاستخدام العمليّ يتراوح عدد التصفيحات بين 40 و66 لكل إنش، مما يخفض خسارة الطاقة عبر التيّار إلى ما يُقارب 1 بالمئة. وبينما يمكن فصل الألواح عبر عزلها، يكون الجهد الكهربائيّ منخفضًا للحد الذي يجعل طبقة طلاء الأكسدة/الصدأ الطبيعيّ كافيًا لمنع تدفُّق التيّار عبر الصفائح.[25]

يظهر في الصورة مُدوِّر قطره حوالي 20 مم، أُخرج من محرّك يعمل بالتيّار المستمر، يُستخدم عادةً في مشغل الأقراص المضغوطة. لاحظ استخدام تصفيحات قطع قطبيّة لمغانط كهربيّة، للحدّ من الضياعات التحريضيّة المتطفلة.

في هذا الرسم، يمر موصل متطاول نحاسي صلب على محرك دوَّار، يمرّ تحت طرف قطعة القطب الشماليّ للحقل المغناطيسيّ. لاحظ التوزيع غير المتساوي لخطوط القوّة عبر المستطيل النحاسيّ. المجال المغناطيسيّ أكثر تركيزًا على الحافة اليسرى للمستطيل النحاسيّ وبالتالي أقوى (a وb) بينما يكون الحقل أضعف على الحافة اليُمنى (c وd). وباعتبار أن كلتي الحافتين تتحركان بالسرعة ذاتها، سيخلق فرق قوّة الحقل بين الحافتين دوَّامات داخل الشريط النحاسي المستطيل.[25]

تستخدم أجهزة الترددات العالية الحالية كالمحركات والمولّدات والمحوّلات الكهربائيّة عدّة موصلات صغيرة متوازية لتحطيم التدفُّق الدوَّاميّ الذي يمكن أن يتشكّل داخل الموصلات الصلبة الكبيرة. يُطبَّق المبدأ ذاته على المحوّلات ذات الترددات الأعلى من القدرة، مثلًا المحوّلات المستخدمة في إمدادات الطاقة في وضع التبديل ومحوّلات الاقتران متوسطة الترددات الموجودة في أجهزة استقبال الراديو.