قانون فاراداي

نص قانون فاراداي

ينص قانون فارادي على أن التغيرات الحاصلة في معدل التدفق المغناطيسي للملف يمكن أن تولد قوة دافعة كهربائية، والتي بدورها تولد تياراً كهربائياً متناوباً.

يصف قانون فارادي العلاقة بين معدل تغير تدفق المجال المغناطيسي Δϕ وحجم القوة الدافعة الكهربائية ε، إذ يتناسب معدل التغير في التدفق المغناطيسي طرديًا مع معدل التغير في الزمن، وعكسيًا مع القوة الدافعة الكهربائية.

اكتشف الفيزيائي الإنجليزي مايكل فارادي العلاقة بين تدفق المجال المغناطيسي والقوة الدافعة الكهربائية في القرن التاسع عشر عام 1830م، كما اكتشف أيضاً بدوره ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي وهي عملية تحفيز تدفق التيار الكهربائي في ملف اعتمادًا على التغيرات في معدل التدفق المغناطيسي Δϕ.

الصيغة الرياضية لقانون فاراداي

يمكن صياغة قانون فاراداي للحث رياضيًا على النحو الآتي:

القوة الدافعة الكهربائية = - عدد الدورات × (التغير في التدفق المغناطيسي/ التغير في الزمن)

وبالرموز؛ (ε = −N (Δϕ / Δt، إذ تشير الرموز إلى ما يأتي:

• ε: القوة الدافعة الكهربائية، وتقاس بوحدة الفولت.
• Δϕ: التغير في التدفق المغناطيسي، وتقاس بوحدة الويبر.
• N: عدد الدورات.
• Δt: التغير في الزمن، ويُقاس بوحدة الثانية.

تشير الإشارة السالبة في قانون فاراداي إلى أنه إذا تم إضافة تيار آخر على التيار الأصلي، فإن ذلك من شأنه أن ينتج تدفق مغناطيسي معاكسًا، وفقًا لقانون لينز (بالإنجليزية: Lenz's Law)، ونجد من العلاقة السابقة أيضًا أن القوة الدافعة الكهربائية تتناسب تناسبًا طرديًا مع معدل التغير في الزمن.

تطبيقات عملية على قانون فاراداي

يوجد العديد من التطبيقات العملية على قانون فارادي، ومن هذه التطبيقات ما يأتي:

• المحول الكهربائي

يقوم مبدأ عمل المحول الكهربائي على نقل الطاقة الكهربائية من ملف إلى آخر؛ نتيجة الحث الكهرومغناطيسي المتبادل بين ملفي المحول، وبناءً على قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي سينشأ مجال مغناطيسي متغير في الملف الثانوي يحث على سريان تيار كهربائي متردد في الملف الأساسي للمحول.

• المولد الكهربائي

يقوم المولد الكهربائي بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية، ويعتمد مبدأ عمله على الحث الكهرومغناطيسي، ويتم ذلك بتحريك موصل كهربائي خلال مجال مغناطيسي، مما يولد تياراً كهربائيا متردداً نتيجة حدوث فرق جهد كهربائي بين طرفي الموصل.

• جهاز قياس التدفق الكهرومغناطيسي

وهو جهاز لقياس سرعة السوائل المارة من خلاله (بالإنجليزية: Electromagnetic Flow Meter)، حيث يعتمد مبدأ عمله على الحث الكهرومغناطيسي؛ فعند تدفق السائل عبر مجال مغناطيسي في الجهاز؛ ينتج فرق جهد كهربائي نتيجة وجود جسيمات موصلة في هذا السائل.

• جهاز الطباخ

يعد أسرع جهاز للطبخ (بالإنجليزية: The Induction cooker)، ويقوم مبدأ عمله على الحث الكهرومغناطيسي، حيث تقوم الأسلاك النحاسية الموجودة أسفل وعاء الطهي بانتاج مجال مغناطيسي متغير، مما يساهم في إنتاج تيار متردد يتم تحويله إلى حرارة.

أمثلة حسابية على قانون فاراداي

فيما يأتي مجموعة من الأمثلة المتنوعة على قانون فاراداي:

حساب القوة الدافعة الكهربائية

تم تمرير ملف عدد لفاته 400 لفة في مجال مغناطيسي منتظم، ونتج عن ذلك معدل تدفق مغناطيسي مقداره 3 ويبر، احسب القوة الدافعة الكهربائية المتولدة في الملف إذا تلاشى المجال المغناطيسي خلال ثانية واحدة.

الحل:

• (ε = −N (Δϕ / Δt
• ( 1 / 3 ) 400 - = ε
• ( 3 ) 400 - = ε
• فولت 1.200 - = ε

حساب عدد لفات الملف

يتغير معدل التدفق المغناطيسي في ملف لولبي بمقدار 5 ويبر كل 5 ثوان، إذا علمت أن مقدار القوة الدافعة المتولدة في الملف تساوي 1000 فولت، احسب عدد لفات هذا الملف؟

الحل:

• (ε = −N (Δϕ / Δt
• ε / (Δϕ / Δt) = - N
• ( 5 / 5 ) / 1000 = N -
• لفة 1.000 = N

حساب مقدار القوة الدافعة الكهربائية

عند تحريك مغناطيس داخل ملف عدد لفاته 2000 لفة، يتغير معدل تدفق المغناطيسي بمقدار 10 ويبر خلال زمن مقداره 2 ثانية، احسب مقدار القوة الدافعة الكهربائية المتولدة في هذه الملف؟

الحل:

• (ε = −N (Δϕ / Δt
• ( 2 / 10 ) 2.000 - = ε
• فولت 10.000 - = ε

حساب معدل التغير في التدفق المغناطيسي

ملف دائري عدد لفاته 200 لفة، تم تمريره في مجال مغناطيسي فكانت القوة الدافعة الكهربائية المتولدة في الملف خلال 4 ثوان تساوي 60 فولت، احسب مقدار معدل التغير في معدل التدفق المغناطيسي بوحدة ويبر؟

الحل:

• (ε = −N (Δϕ / Δt
• 60 = ( 4 / Δϕ ) 200 -
• 60 = 800 / Δϕ) 200) -
• Δϕ) 200 = 48.000) -
• 200 / 48.000 = Δϕ
• ويبر 240 = Δϕ

حساب مقدار القوة الدافعة الكهربائية

غُمر ملف دائري عدد لفاته 500 لفة في مجال مغناطيسي، فكان مقدار التغير في التدفق المغناطيسي يساوي 20 ويبر خلال 5 ثوان، احسب مقدار القوة الدافعة الكهربائية المتولدة في الملف؟

الحل:

• (ε = − N (Δϕ / Δt
• ( 5 / 20 ) 500 − = ε
• ( 4 ) 500 − = ε
• فولت 2.000 − = ε

حساب مقدار القوة الدافعة الكهربائية

تم تمرير ملف عدد لفاته 320 لفة في مجال مغناطيسي، احسب مقدار القوة الدافعة الكهربائية عندما يمر تيار مقداره 10 أمبير في الملف ويتلاشى خلال زمن مقداره 2 ثانية.

الحل:

• (ε = − N (Δϕ / Δt
• ( 2 / 10 ) 320 − = ε
• ( 5 ) 320 − = ε
• فولت 1600 − = ε

يعد قانون فارادي للحث الكهرومغناطيسي أحد مفاهيم الكهرباء المهمة؛ إذ إنه ساهم في اكتشاف المحركات، والمولدات، والمحولات الكهربائية ، التي تشكل أساس التكنولوجيا الحديثة اليوم.