الحث الكهرومغناطيسي

_{يعتمد قانون} فاراداي للحث الكهرومغناطيسي على التدفق المغناطيسي ΦB عبر منطقة من الفضاء محصورة بحلقة سلكية. ويُعرَّف التدفق المغناطيسي بتكامل سطحي : ^{[ 13 ]}$${\displaystyle \Phi _{\mathrm {B} }=\int _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} \,,}$$ حيث يمثل dA عنصرًا من السطح Σ المحصور داخل حلقة السلك، و B هو المجال المغناطيسي. يمثل حاصل الضرب القياسي B · dA كمية متناهية الصغر من التدفق المغناطيسي. وبعبارة أخرى، يتناسب التدفق المغناطيسي عبر حلقة السلك طرديًا مع عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تمر عبر الحلقة.

عندما يتغير التدفق المغناطيسي عبر السطح، ينص قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي على أن حلقة السلك تكتسب قوة دافعة كهربائية. ^{[ ملاحظة 1 ]} وتنص الصيغة الأكثر شيوعًا لهذا القانون على أن القوة الدافعة الكهربائية المستحثة في أي دائرة مغلقة تساوي معدل تغير التدفق المغناطيسي المحصور داخل الدائرة: ^{[ 17 ] [ 18 ]}$${\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi _{\mathrm {B} }}{dt}}\,,}$$ أين${\displaystyle {\mathcal {E}}}$يمثل Φ القوة الدافعة الكهربائية، وΦB _التدفق المغناطيسي . يُحدد اتجاه القوة الدافعة الكهربائية بقانون لينز الذي ينص على أن التيار المستحث يسري في الاتجاه المعاكس للتغير الذي أدى إلى ظهوره. ^{[ 19 ]} ويعود ذلك إلى الإشارة السالبة في المعادلة السابقة. ولزيادة القوة الدافعة الكهربائية المتولدة، يتمثل أحد الأساليب الشائعة في استغلال ربط التدفق المغناطيسي عن طريق إنشاء ملف سلكي محكم اللف ، يتكون من N لفة متطابقة، يمر عبر كل منها نفس التدفق المغناطيسي. وتكون القوة الدافعة الكهربائية الناتجة N ضعف قوة سلك واحد. ^{[ 20 ] [ 21 ]}$${\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{\frac {d\Phi _{\mathrm {B} }}{dt}}}$$

يمكن توليد قوة دافعة كهربائية من خلال تغيير التدفق المغناطيسي عبر سطح حلقة سلكية بعدة طرق:

1. يتغير المجال المغناطيسي B (على سبيل المثال، مجال مغناطيسي متناوب، أو تحريك حلقة سلكية باتجاه مغناطيس قضيب حيث يكون المجال B أقوى)،
2. تتشوه حلقة السلك ويتغير السطح Σ،
3. يتغير اتجاه السطح d A (على سبيل المثال، تدوير حلقة سلكية في مجال مغناطيسي ثابت)،
4. أي مزيج مما سبق

بشكل عام، العلاقة بين القوة الدافعة الكهربائية${\displaystyle {\mathcal {E}}}$في حلقة سلكية تحيط بسطح Σ ، ويُعطى المجال الكهربائي E في السلك بالعلاقة التالية: $${\displaystyle {\mathcal {E}}=\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}}$$ حيث يمثل d ℓ عنصرًا من عناصر محيط السطح Σ. بدمج هذا مع تعريف التدفق $${\displaystyle \Phi _{\mathrm {B} }=\int _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} \,,}$$ يمكن كتابة الصيغة التكاملية لمعادلة ماكسويل-فاراداي على النحو التالي: $${\displaystyle \oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=-{\frac {d}{dt}}{\int _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} }\,.}$$

إنها واحدة من معادلات ماكسويل الأربع ، وبالتالي تلعب دورًا أساسيًا في نظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية .

يصف قانون فاراداي ظاهرتين مختلفتين: القوة الدافعة الكهربائية الحركية الناتجة عن قوة مغناطيسية تؤثر على سلك متحرك (انظر قوة لورنتز )، والقوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن قوة كهربائية بسبب تغير المجال المغناطيسي (بسبب الصيغة التفاضلية لمعادلة ماكسويل-فاراداي ). لفت جيمس كلارك ماكسويل الانتباه إلى هاتين الظاهرتين الفيزيائيتين المنفصلتين عام ١٨٦١. ^{[ ٢٢ ] [ ٢٣ ]} ويُعتقد أن هذا مثال فريد في الفيزياء يُستعان فيه بقانون أساسي كهذا لتفسير ظاهرتين مختلفتين تمامًا. ^{[ ٢٤ ]}

لاحظ ألبرت أينشتاين أن الحالتين تتوافقان مع حركة نسبية بين موصل ومغناطيس، وأن النتيجة لا تتأثر بأي منهما يتحرك. وكان هذا أحد المسارات الرئيسية التي قادته إلى تطوير النظرية النسبية الخاصة . ^{[ 25 ]}

القوة الدافعة الكهربائية المتولدة وفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي نتيجة الحركة النسبية بين دائرة كهربائية ومجال مغناطيسي هي الظاهرة الأساسية للمولدات الكهربائية . فعند تحريك مغناطيس دائم بالنسبة لموصل، أو العكس، تتولد قوة دافعة كهربائية. وإذا تم توصيل السلك بحمل كهربائي ، فسيتدفق التيار، وبالتالي تتولد الطاقة الكهربائية ، محولةً الطاقة الميكانيكية للحركة إلى طاقة كهربائية. على سبيل المثال، يعتمد مولد الأسطوانة على الشكل الموضح في أسفل اليمين. ومن التطبيقات الأخرى لهذه الفكرة قرص فاراداي ، الموضح بشكل مبسط على اليمين.

في مثال قرص فاراداي، يدور القرص في مجال مغناطيسي منتظم عمودي عليه، مما يؤدي إلى تدفق تيار في الذراع الشعاعي بفعل قوة لورنتز. ويتطلب توليد هذا التيار بذل شغل ميكانيكي. وعندما يمر التيار المتولد عبر الحافة الموصلة، يتولد مجال مغناطيسي بفعل هذا التيار وفقًا لقانون أمبير الدائري (المُشار إليه بـ "المجال المغناطيسي المُستحث" في الشكل). وبذلك، تصبح الحافة مغناطيسًا كهربائيًا يُقاوم دوران القرص (مثال على قانون لينز ). في الجانب البعيد من الشكل، يتدفق التيار العائد من الذراع الدوارة عبر الجانب البعيد من الحافة إلى الفرشاة السفلية. يُعاكس المجال المغناطيسي المُستحث بواسطة هذا التيار العائد المجال المغناطيسي المُطبق، مما يُقلل التدفق المغناطيسي عبر ذلك الجانب من الدائرة، مُعاكسًا بذلك الزيادة في التدفق الناتجة عن الدوران. في الجانب القريب من الشكل، يتدفق التيار العائد من الذراع الدوارة عبر الجانب القريب من الحافة إلى الفرشاة السفلية. يزيد المجال المغناطيسي المستحث من التدفق المغناطيسي على هذا الجانب من الدائرة، مما يعاكس انخفاض التدفق الناتج عن الدوران. الطاقة اللازمة للحفاظ على حركة القرص، على الرغم من هذه القوة التفاعلية، تساوي تمامًا الطاقة الكهربائية المتولدة (بالإضافة إلى الطاقة المهدرة بسبب الاحتكاك ، والتسخين الجولي ، وغيرها من أوجه القصور). هذا السلوك شائع في جميع المولدات التي تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

عندما يتغير التيار الكهربائي في حلقة سلكية، يُحدث هذا التغير في التيار مجالاً مغناطيسياً متغيراً. وسيشعر سلك ثانٍ يقع ضمن نطاق هذا المجال المغناطيسي بهذا التغير في المجال المغناطيسي كتغير في التدفق المغناطيسي المرتبط به.${\displaystyle {\frac {d\Phi _{B}}{dt}}}$لذلك، تتولد قوة دافعة كهربائية في الحلقة الثانية تُسمى القوة الدافعة الكهربائية المستحثة أو قوة المحول. إذا تم توصيل طرفي هذه الحلقة بحمل كهربائي، فسيسري التيار.

مشبك التيار

مشبك التيار هو نوع من المحولات الكهربائية ذات قلب مقسم، يمكن فصله وتثبيته على سلك أو ملف لقياس التيار فيه، أو، بالعكس، لتوليد جهد كهربائي. على عكس الأجهزة التقليدية، لا يتصل المشبك كهربائيًا بالموصل، ولا يتطلب فصله أثناء تركيبه.

يُستخدم قانون فاراداي لقياس تدفق السوائل والمواد اللزجة الموصلة للكهرباء. تُسمى هذه الأجهزة مقاييس التدفق المغناطيسي. وبالتالي، يُعطى الجهد المستحث ε المتولد في المجال المغناطيسي B نتيجة لسائل موصل يتحرك بسرعة v بالعلاقة التالية:

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

حيث ℓ هي المسافة بين الأقطاب الكهربائية في مقياس التدفق المغناطيسي.

تحدث التيارات الدوامية عند دوران كتلة معدنية صلبة في مجال مغناطيسي، لأن الجزء الخارجي من المعدن يقطع خطوط قوة مغناطيسية أكثر من الجزء الداخلي؛ وبالتالي، فإن القوة الدافعة الكهربائية المستحثة غير منتظمة؛ وهذا يؤدي إلى تيارات كهربائية بين نقاط الجهد الأعلى والأدنى. تستهلك التيارات الدوامية كمية كبيرة من الطاقة، وغالبًا ما تسبب ارتفاعًا ضارًا في درجة الحرارة. ^{[ 26 ]}

يُظهر هذا المثال خمس طبقات أو صفائح فقط، وذلك لتوضيح تقسيم التيارات الدوامية. عمليًا، يتراوح عدد الطبقات أو الثقوب من 40 إلى 66 طبقة لكل بوصة (من 16 إلى 26 طبقة لكل سنتيمتر)، مما يُقلل فقد التيار الدوامي إلى حوالي واحد بالمئة. ورغم إمكانية فصل الصفائح بالعزل، إلا أن الجهد منخفض جدًا لدرجة أن طبقة الصدأ/الأكسيد الطبيعية على الصفائح كافية لمنع تدفق التيار عبر الطبقات. ^{[ 26 ]}

هذا دوار  قطره حوالي 20 مم من محرك تيار مستمر يُستخدم في مشغل أقراص مدمجة. لاحظ الصفائح المعدنية لأقطاب المغناطيس الكهربائي، المستخدمة للحد من الفقد الاستقرائي الطفيلي.

في هذا الرسم التوضيحي، يمر موصل نحاسي صلب على محرك دوار أسفل طرف القطب الشمالي للمغناطيس. لاحظ التوزيع غير المتساوي لخطوط المجال المغناطيسي عبر الموصل النحاسي. يكون المجال المغناطيسي أكثر تركيزًا، وبالتالي أقوى، على الحافة اليسرى للموصل (أ، ب)، بينما يكون أضعف على الحافة اليمنى (ج، د). ولأن حافتي الموصل تتحركان بنفس السرعة، فإن هذا الاختلاف في شدة المجال عبر الموصل يُحدث دوامات أو تيارات كهربائية داخله. ^{[ 26 ]}

تستخدم الأجهزة ذات التيار العالي وتردد الطاقة، مثل المحركات الكهربائية والمولدات والمحولات، موصلات صغيرة متعددة موصولة على التوازي لكسر التيارات الدوامية التي قد تتشكل داخل الموصلات الصلبة الكبيرة. وينطبق المبدأ نفسه على المحولات المستخدمة بتردد أعلى من تردد الطاقة، على سبيل المثال، تلك المستخدمة في مصادر الطاقة ذات الوضع التبديل ومحولات اقتران التردد المتوسط ​​لأجهزة استقبال الراديو.