المحتوى الرئيسي

الفيض المغناطيسي

الفيض المغناطيسي $\Phi$ عبر مساحة $A$ هو مقياس لعدد خطوط المجال المغناطيسي المارة عبرها، ويُعرَّف بأنه حاصل ضرب المركبة العمودية للمجال $B$ في المساحة $A$:

حيث $\theta$ الزاوية بين اتجاه المجال المغناطيسي والعمود المقام على المساحة. يكون الفيض أعظميًا عندما يكون المجال عموديًا تمامًا على المساحة ($\theta = 0°$)، وينعدم عندما يكون المجال موازيًا لسطح المساحة ($\theta = 90°$). وحدة الفيض المغناطيسي هي الويبر (Wb)، وتساوي تسلا.متر².

قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي

اكتشف فاراداي أن تغيّر الفيض المغناطيسي المار عبر ملف يُولّد قوة دافعة كهربية (EMF) حثية في هذا الملف، حتى لو لم يكن هناك مصدر كهربي متصل به. هذه هي ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي، والقوة الدافعة الحثية في ملف من $N$ لفة تُعطى بقانون فاراداي:

حيث $\Delta\Phi/\Delta t$ معدل تغيّر الفيض المغناطيسي مع الزمن. تكون القوة الدافعة الحثية أكبر كلما كان تغيّر الفيض أسرع (سواء بتغيّر $B$ نفسه، أو بتغيّر المساحة $A$، أو بتغيّر زاوية الميل $\theta$، أو بأي تركيب من هذه العوامل).

قانون لنز واتجاه التيار الحثي

تشير الإشارة السالبة في قانون فاراداي إلى قانون لنز، الذي ينص على أن التيار الحثي الناتج يكون في اتجاه يُعاكِس (يقاوم) سبب حدوثه، أي أن المجال المغناطيسي الذي يُنتجه التيار الحثي نفسه يعمل على معاكسة التغيّر في الفيض الأصلي الذي أحدثه. مثلًا، إذا كان الفيض المغناطيسي المار عبر ملف في ازدياد، فإن التيار الحثي يتجه بحيث يُنتج مجالًا مغناطيسيًا معاكسًا لهذه الزيادة؛ وإذا كان الفيض في نقصان، ينتج التيار الحثي مجالًا يدعم الفيض الأصلي ليقاومَ النقصان. قانون لنز في جوهره صورة من صور قانون حفظ الطاقة: فلو كان التيار الحثي يدعم التغيّر بدل معاكسته، لتضاعفت الطاقة الناتجة تلقائيًا دون بذل شغل، وهو ما يخالف حفظ الطاقة.

القوة الدافعة الحثية الحركية (لموصل متحرك)

عندما يتحرك موصل مستقيم طوله $L$ بسرعة $v$ عمودية على مجال مغناطيسي منتظم $B$ (والسرعة والمجال والموصل جميعها متعامدة على بعضها)، تتولد قوة دافعة كهربية حثية بين طرفي الموصل تُسمى القوة الدافعة الحركية، مقدارها:

يمكن تفسير هذه العلاقة فيزيائيًا بأن الشحنات الحرة داخل الموصل المتحرك تتأثر بقوة لورنتز المغناطيسية نتيجة حركتها مع الموصل داخل المجال، فتتجمع عند أحد طرفي الموصل، مما يولّد فرق جهد بين الطرفين. عند توصيل الموصل بدائرة مغلقة، يسري فيه تيار حثي نتيجة هذه القوة الدافعة.

المولد الكهربي (الدينامو)

يعتمد المولد الكهربي على تدوير ملف من $N$ لفة، مساحة كل لفة $A$، داخل مجال مغناطيسي منتظم $B$، بسرعة زاوية ثابتة $\omega$. بما أن الزاوية بين العمود المقام على الملف والمجال تتغير باستمرار مع الزمن ($\theta = \omega t$)، فإن الفيض المغناطيسي يتغير جيبيًا مع الزمن، وينتج عن ذلك قوة دافعة كهربية متغيرة جيبيًا (تيار متردد):

حيث القيمة العظمى للقوة الدافعة الحثية (القمة) تُعطى بـ:

هذا هو المبدأ الأساسي الذي تعمل به معظم محطات توليد الكهرباء: تحويل طاقة ميكانيكية (دوران) إلى طاقة كهربية عبر الحث الكهرومغناطيسي.