القوة الدافعة الكهربائية الحثية

القوة الدافعة الكهربائية الحثية

تعرَف القوة الدافعة الكهربائية الحثيّة (EMF) باسم القوة الدافعة الكهربائية المُستحثّة، أو الحث الكهرومغناطيسي، أو تحريض القوة الدافعة الكهربائية، ويحدث الحث الكهرومغناطيسي عندما يحدث تغيّر في معدّل تدفق المجال المغناطيسي عبر موصّل كهربائي، بحيث يكون هذا الموصّل جزء من دائرة مغلقة؛ كملف من الأسلاك مثلًا، سيتحرك المجال الكهرومغناطيسي مع الموصّل بحركة نسبية بالنسبة لبعضهما البعض، لينشأ عنها تيار كهربائي ينتقل خلال الموصّل ويعبر خطوط المجال الكهرومغناطيسي والذي يُعرف بالقوة الدافعة الكهربائية الحثيّة.

أثبت مايكل فاراداي في عام 1831م إمكانية توليد الكهرباء من المجال المغناطيسي من خلال قيامه بالعديد من التجارب، وقد نجح في ذلك خلال بضعة أسابيع فقط، كما قام بتطوير تصوّر عملي لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي التي أثبتها، حيث شملت إحدى تجاربه أسطوانة ورقية ملفوف حولها أسلاك متّصلة بجلفانومتر ومغناطيس دائم.

قوانين القوة الدافعة الكهربائية الحثية

القوة الدافعة الكهربائية الحثيّة لها قانونان رئيسيان وهما كالآتي:

قانون فارادي

يتدفق المجال المغناطيسي عبر حلقة مشكلّة حول الموصل، ويتغيّر تدفقه بمرور الوقت مولداً شحنات كهربائية تُعرف بالجهد الكهربائي، وهذا ما يُعرف بقانون فارادي، كما أنّ الجهد الكهربائي المتولد يقاوم تغير التدفق المغناطيسي ويُعبّر عنه في قانون فارادي بإشارة السالب " - "، ومنه تصبح صيغة القانون كما يأتي:

EMF = - ΔΦ / t

بحيث:

• EMF: القوة الدافعة الكهربائية الحثيّة.
• ΔΦ: معدل تغير التدفق المغناطيسي.
• Δt: معدل التغير في الزمن. ي

ويُقاس الجهد والمجال الكهرومغناطيسي بنفس الوحدة، وهي وحدة الفولت.

قانون لينز لحفظ الطاقة

صاغ هاينريش لينز في عام 1833م قانون لينز موضحاً فيه اتجاه التيار الكهربائي الناتج، وبأنّ التيار الكهربائي المُستحث دائماً يُعارض ويعاكس التغيّر في التدفق، بحيث يكون اتجاه المجال المغناطيسي الناتج من التيار المستحث معاكس لاتجاه المجال المغناطيسي الأصلي، وهذا ما أُشير إليه سابقاً بأنّه يتمّ دمجه مع قانون فارادي بإشارة السالب.

أمثلة على قانون القوة الدافعة الكهربائية الحثية

ومن الأمثلة على قانون القوة الدافعة الكهربائية الحثيّة ما يأتي:

المثال الأول: يتغير تدفق المجال المغناطيسي خلال الموصّل من 1 تسلا في متر مربع (T.m²) إلى 0.3 تسلا في متر مربع (T.m²) خلال 2 ثانية (s) من الزمن، ما هو المجال الكهرومغناطيسي؟

الإجابة: باستخدام صيغة قانون القوة الدافعة الكهربائية الحثية (EMF):

EMF = - ΔΦ / t، فإنّ: 

EMF = - (0.3 T.m² - 1 T.m²) / (2 s) = - (- 0.35) T.m²/s = 0.35 V

المثال الثاني: يتغير تدفق المجال المغناطيسي خلال حلقة واحدة من السلك من 0.85 تسلا في متر مربع (T.m²) إلى 0.11 تسلا في متر مربع (T.m²)، وتبلغ قيمة القوة الدافعية الكهربائية الحثية خلاله 1.48 فولت، كم قيمة الوقت المطلوب لحدوث هذا التغيير؟

الإجابة: باستخدام صيغة قانون القوة الدافعة الكهربائية الحثيّة (EMF):

EMF = - ΔΦ / t، فإنّ: 

T = - ΔΦ / EMF (0.5s) = T = - (0.11 T.m² - 0.85 T.m²)/(1.48 V)

تطبيقات على القوة الدافعة الكهربائية الحثية

هناك العديد من التطبيقات التي تستخدم القوة الدافعة الكهربائية الحثية لتوليد الطاقة ونقلها، ومن هذه التطبيقات ما يأتي:

• تيارات إيدي (بالإنجليزية: Eddy currents): أو ما تُعرف بالتيار الدوامي، بسبب قيام تيارات الدوامي بمقاومة التغيير في المجال المغناطيسي؛ فإنّها تقوم بتحويل الطاقة المفقودة إلى أشكال للطاقة أكثر فائدة، مثل الطاقة الحركية وتحويلها إلى طاقة حرارية، وعلى الرغم من أنّ الطاقة المفقودة غير مرغوب بها عموماً، إلّا أنّها تُستخدم في كثير من التطبيقات العملية مثل؛ التيارات التي تعمل على فرامل القطارات، إذ تتعرّض العجلات أثناء كبح قوة القطار لمجال مغناطيسي يتولّد عنه تيارات دوامي، بحيث تقوم مقاومة تيار دوامي للمجال على إبطاء سرعة العجلات، وكلّما أبطأ القطار وقلة قوة الكبح يتوقف القطار بسلاسة.
• المولد الكهربائي: تمتلك المحركات والموّلدات ملف سلكي يتدفق خلاله مجال مغناطيسي، ويمكن أن يتمّ استخدام نفس الجهاز كموّلد أو محرك، إذ يقوم المحرك الكهربائي بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، بينما يقوم الموّلد باستخدام الطاقة الميكانيكية لإنتاج الكهرباء، وعندما يُستخدم الجهاز كمحرك، يمر تيار كهربائي عبر الملف السلكي ويتفاعل التيار مع المجال المغناطيسي ممّا يؤدي إلى دوران الملف، ولاستخدام الجهاز كمولد يتمّ عكس الملف وإحداث تيار كهربائي فيه.
• رجوع (EMF) في المحركات الكهربائية: عند تشغيل الثلاجة او مكيف الهواء أول مرة، فإنّ إضاءة الأضواء تصبح خافتة؛ وذلك بسبب حاجة محرك هذه الأجهزة في البداية لتيار كبير ليصل إلى سرعة التشغيل المطلوبة، وعندما تبدأ المحركات بالدوران يُقلّل التيار لتستمر في دورانها، ويتمّ ذلك عن طريق عمل المحرك كمولد أيضاً، إذ يحتوي المحرك على ملفات تدور نتيجة المجال المغناطيسي داخلها، ودوران هذه الملفات ينتج عنه قوة رجعية (EMF)، والتي تقاوم الجهد الذي سبّب دوران الملفات في البداية، ممّا يؤدي إلى تقليل تدفق التيار داخل الملفات بحيث يوفر للمحرك الطاقة اللازمة لتشغيله.
• المحولات: يتمّ توليد الكهرباء في محطة توليد بمكانٍ بعيد عن مكان استخدامها، وفي حال نقل الكهرباء عبر الخطوط إلى مكان استخدامها، وكانت المسافة قصيرة فإنّ المقاومة ستكون منخفضة نسبياً، ولكن إذا كانت المسافة طويلة فإنّ المقاومة ستكون كبيرة وستتسبّب بفقدان الطاقة وضياع الحرارة، ولذلك يتمّ تقليل التيار لتقليل الخسائر والحفاظ على الطاقة، من خلال زيادة الجهد الكهربائي بتطبيق قانون فاراداي للحثّ.

الخلاصة

تُعرّف القوة الدافعة الكهربائية الحثيّة (EMF) بأنّها الجهد الكهربائي الناتج من تغير تدفق المجال المغناطيسي عبر موصّل كهربائي خلال فترة من الزمن، وتُطبّق القوة الدافعة الكهربائية في قانون فارادي لقياس التدفق الكهرومغناطيسي بوحدة الفولت، كما يتمّ الإشارة إلى اتجاه الجهد الناتج والذي يعاكس اتجاه المجال المغناطيسي الأصلي الذي أنتج الجهد بإشارة السالب في قانون فارادي والتي أخبر عنها العالم لينز في قانون لينز لحفظ الطاقة.