القوة الدافعة الكهربائية المستحثة: نظرة شاملة

مقدمة حول القوة الدافعة الكهربائية المستحثة

القوة الدافعة الكهربائية المستحثة (بالإنجليزية: Induced Electromotive Force – EMF) هي ظاهرة فيزيائية تعرف أيضًا بالحث الكهرومغناطيسي. وهي تنشأ عندما يحدث تغيير في التدفق المغناطيسي الذي يعبر سطحًا ما، سواء كان هذا السطح يمثل حلقة موصلة أو جزءًا من دائرة كهربائية مغلقة. هذه الظاهرة تؤدي إلى نشوء تيار كهربائي في الموصل كنتيجة لحركة المجال المغناطيسي بالنسبة للموصل، أو العكس. هذا التيار الكهربائي الناتج هو ما يعرف بالقوة الدافعة الكهربائية المستحثة.

في عام 1831، أجرى العالم مايكل فاراداي سلسلة من التجارب أثبتت إمكانية توليد الكهرباء باستخدام المجال المغناطيسي. هذه التجارب كانت نقطة تحول في فهم العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، حيث استطاع فاراداي تطوير تصور عملي لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. إحدى تجاربه الشهيرة تضمنت استخدام أسطوانة ورقية ملفوفة بأسلاك متصلة بجلفانومتر، بالإضافة إلى مغناطيس دائم.

القوانين الأساسية للقوة الدافعة الكهربائية المستحثة

هناك قانونان رئيسيان يصفان القوة الدافعة الكهربائية المستحثة، وهما:

أمثلة توضيحية على قانون القوة الدافعة الكهربائية المستحثة

إليكم بعض الأمثلة التي توضح كيفية تطبيق قانون القوة الدافعة الكهربائية المستحثة:

المثال الأول:

إذا تغير التدفق المغناطيسي خلال موصل من 1 تسلا.متر² (T.m²) إلى 0.3 تسلا.متر² (T.m²) خلال فترة زمنية قدرها 2 ثانية (s)، فما هي قيمة المجال الكهرومغناطيسي المتولد؟

الحل:

باستخدام قانون فاراداي: EMF = – ΔΦ / Δt

EMF = – (0.3 T.m² – 1 T.m²) / (2 s) = – (- 0.7 T.m²) / (2 s) = 0.35 V

المثال الثاني:

إذا تغير التدفق المغناطيسي خلال حلقة واحدة من سلك من 0.85 تسلا.متر² (T.m²) إلى 0.11 تسلا.متر² (T.m²)، وكانت قيمة القوة الدافعة الكهربائية المستحثة خلال هذه الحلقة 1.48 فولت، فما هي الفترة الزمنية اللازمة لحدوث هذا التغير؟

الحل:

باستخدام قانون فاراداي: EMF = – ΔΦ / Δt

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

استخدامات القوة الدافعة الكهربائية المستحثة

تستخدم القوة الدافعة الكهربائية المستحثة في العديد من التطبيقات لتوليد الطاقة ونقلها، ومن بين هذه التطبيقات:

• التيارات الدوامية (Eddy Currents): التيارات الدوامية تنشأ نتيجة لتغير المجال المغناطيسي، وتقوم بتحويل الطاقة المفقودة إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الحرارية. تستخدم هذه التيارات في تطبيقات مثل فرامل القطارات، حيث يتم توليد مجال مغناطيسي يؤدي إلى نشوء تيارات دوامية في عجلات القطار، مما يبطئ حركتها.
• المولدات الكهربائية: المولدات والمحركات تمتلك ملفات سلكية يتدفق خلالها مجال مغناطيسي. المحرك الكهربائي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، بينما المولد يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
• القوة الدافعة الكهربائية العكسية (Back EMF) في المحركات الكهربائية: عند بدء تشغيل المحركات الكهربائية، فإنها تحتاج إلى تيار كبير للوصول إلى سرعة التشغيل المطلوبة. وعندما يبدأ المحرك بالدوران، فإنه يعمل أيضًا كمولد، مما يؤدي إلى نشوء قوة دافعة كهربائية عكسية تقاوم الجهد الذي تسبب في دوران الملفات في البداية، مما يقلل من تدفق التيار داخل الملفات.
• المحولات الكهربائية: تستخدم المحولات لرفع أو خفض الجهد الكهربائي. يتم توليد الكهرباء عادة في محطات توليد بعيدة عن أماكن الاستهلاك، ولتقليل الفاقد في الطاقة أثناء نقل الكهرباء عبر مسافات طويلة، يتم رفع الجهد الكهربائي باستخدام المحولات.

ملخص

القوة الدافعة الكهربائية المستحثة هي الجهد الكهربائي الناتج عن تغير التدفق المغناطيسي عبر موصل كهربائي. يتم قياسها بوحدة الفولت وتوصف بقانون فاراداي. قانون لينز يحدد اتجاه الجهد المستحث، والذي يعاكس اتجاه المجال المغناطيسي الأصلي الذي أدى إلى نشأته.

المراجع

• “Define induced EMF”, BYJU’S.
• “22.6 Electromagnetic Induction”, flexbooks.ck12.
• “Electromagnetic Induction”, NATIONAL MAGLAB.
• “What is Faraday’s law?”, Khan Academy.
• “Induced Electromotive Force Formula”, Soft Schools.
• Magnetic Flux and Faraday’s Law of induction, CSUN.
• “Applications of electromagnetic induction”, physics.