قانون فاراداي

صورة توضح تجربة الحلقة الحديدية لفاراداي

تم اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي بشكل مستقل بواسطة مايكل فاراداي في عام 1831 وجوزيف هنري في عام 1832.[4][5][6] كان فاراداي هو أول من نشر نتائج تجاربه. في أولى تجارب فاراداي للحث الكهرومغناطيسي (29 أغسطس1831)[7] قام فاراداي بلف سلكين حول جانبين مختلفين من حلقة حديدية. وبناء على تقييمه لخواص المغناطيسات الكهربية المكتشفة حديثا، توقع فاراداي أنه عندما يبدأ التيار في السريان في أحد السلكين فإن نوعا ما من الموجات سينتقل خلال الحلقة مسببا تأثيرا كهربيا على الناحية المقابلة. قام بتوصيل أحد السلكين بجلفانوميتر وراقبه بينما وصل السلك الآخر ببطارية. بالفعل رأى تيارا مؤقتا (والذي أطلق عليه «موجة كهربية») عندما وصل السلك بالبطارية ولاحظ تيارا آخر عند فصل السلك عن البطارية.[8] سبب هذا الحث هو الاختلاف في التدفق المغناطيسي الذي حدث عند توصيل وعند فصل البطارية. في غضون شهرين كان فاراداي قد دون مجموعة أخرى من الملاحظات بخصوص الحث الكهرومغناطيسي. على سبيل المثال فقد لاحظ تيارات مؤقتة عندما يحرك قضيبا مغناطيسيا بسرعة داخل وخارج الأسلاك، وقام بتوليد تيارا ثابتا (تيار مستمر) عن طريق دوران حلقة نحاسية قرب قضيب مغناطيسي.[9]

شرح مايكل فاراداي الحث الكهرومغناطيسي مستخدما مبدأ أسماه خطوط القوة. إلا أن العلماء في ذلك الوقت رفضوا أفكاره النظرية بشكل واسع بسبب أنه لم يكن قد شكلها في صورة رياضية بعد.[10] الاستثناء كان جايمس كليرك ماكسويل والذي في 1861-1862 استخدم أفكار فاراداي كأساس لنظريته الكمية الكهرومغناطيسية.[10][11][12]

يصف قانون لينز والذي صاغه إيميل لينز في عام 1834[13] «التدفق خلال دائرة كهربية» كما يعطي اتجاه القوة الكهرومغناطيسية المستحثة والتيار الناتج عن الحث الكهرومغناطيسي.[14]

معادلات ماكسويل الأربعة (ومنهم معادلة ماكسويل فاراداي) بالإضافة إلى قانون لورنتس هم أساس كاف لاستخلاص كل شئ في الكهرومغناطيسية الكلاسيكية. ولذا فإنه من الممكن إثبات قانون فاراداي بداية من هذه المعادلات.[21][22][23][24]

نقطة البداية هي التدفق المتغير مع الوقت في خلال مساحة تخيلية متحركة في الفضاء Σ:

${\displaystyle {\frac {d\Phi _{B}}{dt}}={\frac {d}{dt}}\int _{\Sigma (t)}\mathbf {B} (t)\cdot d\mathbf {A} }$

طبقا للتعريف فإن كل هذا التدفق المتغير مع الوقت يمكن قياسه وتبسيطه بمساعدة معادلة ماكسويل فاراداي وقانون جاوس المغناطيسي وبعض المتجهات التكاملية. النتيجة هي:

${\displaystyle {\frac {d\Phi _{B}}{dt}}=-\oint _{\partial \Sigma }\left(\mathbf {E} +\mathbf {v} _{\mathbf {l} }\times \mathbf {B} \right)\cdot d\mathbf {l} .}$

حيث ∂Σ هي حدود المساحة Σ وv_l هي سرعة حدود هذه المساحة.

في حين أن هذه المعادلة صحيحة لأي مساحة متحركة افتراضية Σ في الفضاء، إلا أنه يمكن تبسيطها أكثر في حالة خاصة عندما يكون ∂Σ دائرة مغلقة من الأسلاك. في هذه الحالة يمكننا أن نساوي بين الجهة اليمنى للمعادلة وبين القوة الدافعة الكهربية. بشكل خاص يمكن تعريف القوة الدافعة الكهربية بأنها الطاقة المتاحة لوحدة الشحنة التي تسافر مرة واحدة خلال دائرة كهربية مغلقة. لذا وطبقا لقانون لورنتس فإن:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=\oint \left(\mathbf {E} +\mathbf {v} _{m}\times \mathbf {B} \right)\cdot {\text{d}}\mathbf {l} }$

حيث ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ هي القوة الدافعة الكهربية وv_m هي السرعة المادية أي سرعة الذرات المكونة للدائرة الكهربية ولذا فإن كانت ∂Σ هي الدائرة الكهربية المغلقة فإن v_m=v_l ومن هنا:

${\displaystyle {\frac {d\Phi _{B}}{dt}}=-{\mathcal {E}}}$

قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي هو الأساس لعمل للعديد من التطبيقات مثل:

• المحول: وهو جهاز في الهندسة الكهربائية، مؤلف من ملفين من الأسلاك المنفصلة الملفوفة حول قضبان حديدية فقط بمسافة بسيطة، يسمى الطرف المرتبط بالمولد الكهربي بالملف الابتدائي بينما يطلق على الطرف المرتبط بالحمل مسمى الثانوي، ويستخدم المحول لتغيير قيمة الجهد الكهربي في نظام نقل الطاقة الكهربائية الذي يعمل على التيار المتردد حيث لا يمكن أن يعمل المحول في أنظمة التيار المستمر.[25][26]
• المحث: وهو أحد الادوات الإلكترونية أو الدارات التي من شأنها زيادة تدفق سيل التيار في دائرة الموصل. وهو يستخدم لتقليل التيار الكهربائي نوعا ما بحيث يتناسب التيار الذي يدخل الجهاز مع معدل صرفه.[27]
• المولد الكهربائي: هو جهاز ميكانيكي يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية بوجود مجال مغناطيسي.[28]
• المحرك الكهربائي: هو آلة تحوِّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركة دورانية لإنجاز شغل. وتُستَخدم المحركات الكهربائية لتشْغيل عدة آلات كهربائية ومعدات ميكانيكية مثل غسالات الملابس وأجهزة التكييف والمكانس الكهربائية ومجفِّفات الشعر وآلات الخياطة والمثاقب الكهربائية والمناشير. وتشغل أنواعٍ شتى من المحركات في القطارات والمترو وحافلات النقل العام الكهربائية (تروليباص)، كما تدير آلات المصانع والروبوتات.[29][30]

• معادلات ماكسويل
• محاثة تبادلية
• تيار دوامي

• محاكاة باللغة الجافا لحقل كهرومغناطيسي حركي (بالإنجليزية)

• بوابة إلكترونيات
• بوابة الفيزياء