حث كهرومغناطيسي معلومات

اِكتُشف الحث (التحريض) الكهرومغناطيسيّ للمرة الأولى على يد مايكل فاراداي، الذي صرَّح عن اكتشافه على العلن عام 1831. كما تم اكتشافه بشكل مستقلٍّ على يد جوزيف هنري عام 1832.

قام فاراداي في أول تجربة علنيّة (في 29 أغسطس/آب 1831) بلف سلكين حول جانبين متقابلين من حلقة معدنيّة "طارة". توقَّع فاراداي، اعتمادًا على فهمه للمغناطيس الكهربيّ، أنه عندما يبدأ التيّار بالتدفُّق في أحد السلكين، سينتقل نوعٌ من الموجات عبر الحلقة المعدنيّة ويُسبّب بعض التأثيرات الكهربائيّة على الجانب المقابل، لذا قام بوصل أحد السلكين إلى مقياس جلفانيّ، وراقبه بعد أن وصل السلك الآخر ببطاريّة. رأى فاراداي حينها تيّارًا عابرًا عندما وصل السك بالبطاريّة وآخر عندما فصل السلك عنها أطلق عليهما اسم "موجة من الكهرباء". كان هذا التحريض عائدًا للتغيُّر الحاصل في التدفُّق المغناطيسيّ، والذي حدث عندما تم توصيل السلك بالبطاريّة ومن ثُمّ فُصلَ عنها. وخلال شهرين من هذه التجربة، وجد فاراداي ظواهر أُخرى عديدة ناجمة عن التحريض الكهرومغناطيسيّ. على سبيل المثال، فقد رأى فاراداي تيارات عابرة عندما قام بزلق مغناطيس ذو شكل قضيبيّ داخل وخارج وشيعة (ملف من الأسلاك)، نجم عنه توليد تيار ثابت (أو مستمر DC)، تظاهر هذا التيّار بدوران قرص نجاسيّ مُثبَّت من مركزه قرب المغناطيس.

شرح فاراداي التحريض الكهرومغناطيسيّ باستخدام مفهوم أسماه بخطوط القوّة، إلا أن علماء ذلك الوقت رفضوا أفكار فاراداي النظريّة، وكانت أهم الأسباب رفضهم أنها لم تكن مُصاغة رياضيًّا، باستثناء جيمس كلارك ماكسويل الذي استخدم أفكار فاراداي لبناء نظريته الكهرومغناطيسيّة الكميّة. ففي نموذج ماكسويل يتم التعبير عن جانب الوقت المتغيّر من التحريض الكهرومغناطيسيّ بمعادلة تفاضليّة، أشار إليها أوليفر هيفسايد باسم قانون فاراداي على الرغم من اختلافها قليلًا عن صيغة فاراداي الأصليّة إضافةً إلى عدم وصفها للمجالات الكهرومغناطيسيّة الحركيّة. حاليًا يُقرُّ بصيغة هيفسايد (انظر معادلة ماكسويل-فاراداي) ضمن إطار مجموعة معادلات تُعرف باسم معادلات ماكسويل.

عام 1843 صاغ هنريش لينز القانون الذي سُميَ فيما بعد باسمه، لوصف "التدفُّق عبر الحلقة). يتميز قانون لنز بإعطائه لاتجاه القوّة المحرّكة الكهربائيّة المتحرّضة واتجاه التيّار الناتج عن التحريض الكهرومغناطيسيّ.

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

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. تنص النسخة الأكثر انتشارًا من القانون على أن القوّة الكهربائيّة المحرّكة المتولِّدة بالتحريض في أي دارة مُغلقة تساوي معدل تغير التدفُّق المغناطيسيّ المحدود بالدارة:/

حيث  هي القوّة المحركة الكهربائيّة و هو التدفُّق المغناطيسيّ. يُعطى اتجاه القوة المحركة الكهربائيّة بقانون لينز الذي يقول أن التيّار المتولد بالتحريض سيتدفّق باتجاه معاكس للشحنة التي أنتجته. 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.

 
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
معادلة ماكسويل-فاراداي
عمومًا، تُعطى العلاقة بين القوّة المحركة الكهربائيّة في الحلقة (عروة السلك) التي تُشكِّل السطح Σ والحقل الكهربائيّ E في السلك بالشكل:/

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

و يمكننا بالتالي كتابة الشكل المتكامل لمعادلة ماكسويل-فاراداي

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

قانون فاراداي والنسبيّة
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. يُعتقد أن مثل هذا مثال فريد في الفيزياء عن استخدام قانون أساسيّ لشرح ظاهرتين مختلفتين من هذا القبيل.

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.

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.