قانون فاراداي، الذي صاغه العالم مايكل فاراداي في القرن التاسع عشر، يعتبر من الركائز الأساسية في الكهرومغناطيسية. هذا القانون يصف كيفية توليد قوة دافعة كهربائية في دائرة كهربائية نتيجة لتغيرات في المجال المغناطيسي. تطبيقات هذا القانون واسعة الانتشار، بدءًا من المولدات الكهربائية التي تزودنا بالطاقة وصولًا إلى الأجهزة الإلكترونية الدقيقة التي نستخدمها يوميًا. فهم هذا القانون يفتح الباب أمام فهم أعمق لكيفية عمل التكنولوجيا الحديثة.

نص قانون فاراداي

ينص قانون فاراداي ببساطة على أن أي تغير في التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر ملف أو دائرة مغلقة يؤدي إلى توليد قوة دافعة كهربائية (EMF). هذه القوة الدافعة الكهربائية بدورها تحفز تدفق تيار كهربائي في الدائرة.

العلاقة بين التدفق المغناطيسي والقوة الدافعة الكهربائية

رياضيًا، يوضح قانون فاراداي العلاقة بين معدل تغير التدفق المغناطيسي (ΔΦ) وحجم القوة الدافعة الكهربائية (ε). العلاقة طردية، بمعنى أنه كلما زاد معدل تغير التدفق المغناطيسي، زادت القوة الدافعة الكهربائية المتولدة.

اكتشف مايكل فاراداي هذه العلاقة الهامة في عام 1830، واكتشافه لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي وضع الأساس لتطبيقات لا حصر لها في عالمنا الحديث.

الصيغة الرياضية لقانون فاراداي

يمكن التعبير عن قانون فاراداي بالصيغة الرياضية التالية:

ε = −N (ΔΦ / Δt)

حيث:

  • ε: القوة الدافعة الكهربائية (تقاس بالفولت).
  • N: عدد لفات الملف.
  • ΔΦ: التغير في التدفق المغناطيسي (يقاس بالويبر).
  • Δt: التغير في الزمن (يقاس بالثانية).

تشير الإشارة السالبة في القانون إلى قانون لينز، الذي يوضح أن اتجاه القوة الدافعة الكهربائية المتولدة يعاكس التغير في التدفق المغناطيسي المسبب لها.

تطبيقات عملية على قانون فاراداي

قانون فاراداي ليس مجرد معادلة نظرية، بل هو الأساس لعدد كبير من التقنيات التي نستخدمها يوميًا، منها:

  • المحولات الكهربائية: تعتمد على الحث الكهرومغناطيسي لنقل الطاقة الكهربائية بين الدوائر.
  • المولدات الكهربائية: تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية عن طريق تحريك موصل في مجال مغناطيسي.
  • أجهزة قياس التدفق الكهرومغناطيسي: تستخدم في قياس سرعة السوائل بناءً على القوة الدافعة الكهربائية المتولدة عند مرور السائل عبر مجال مغناطيسي.
  • أفران الحث الحراري: تستخدم المجالات المغناطيسية المتغيرة لتوليد الحرارة مباشرة في أواني الطهي.

أمثلة حسابية على قانون فاراداي

لفهم كيفية تطبيق قانون فاراداي، إليك بعض الأمثلة الحسابية:

مثال 1: حساب القوة الدافعة الكهربائية

ملف يتكون من 500 لفة يتعرض لتغير في التدفق المغناطيسي بمعدل 0.2 ويبر في الثانية. احسب القوة الدافعة الكهربائية المتولدة.

الحل: ε = -N (ΔΦ / Δt) = -500 * 0.2 = -100 فولت

مثال 2: حساب عدد اللفات

مولد كهربائي يولد قوة دافعة كهربائية مقدارها 220 فولت عندما يتعرض لتغير في التدفق المغناطيسي بمعدل 0.5 ويبر في الثانية. احسب عدد لفات الملف.

الحل: N = -ε / (ΔΦ / Δt) = -220 / 0.5 = 440 لفة

مثال 3: حساب معدل التغير في التدفق المغناطيسي

ملف يتكون من 100 لفة يولد قوة دافعة كهربائية مقدارها 12 فولت. احسب معدل التغير في التدفق المغناطيسي.

الحل: ΔΦ / Δt = -ε / N = -12 / 100 = -0.12 ويبر/ثانية

الخلاصة

قانون فاراداي هو حجر الزاوية في فهم الكهرومغناطيسية وتطبيقاتها. من خلال فهم العلاقة بين التغير في التدفق المغناطيسي والقوة الدافعة الكهربائية، يمكننا فهم وتطوير العديد من التقنيات التي تعتمد على الكهرومغناطيسية.