قانون لنز و قانون فاراداي – فيزياء السادس

قانون فاراداي وقانون لنز

مقدمة

تُعدُّ قوانين فاراداي ولنز من الركائز الأساسية في علم الكهرومغناطيسية، وهما يفسّران كيفية توليد التيار الكهربائي في دائرة كهربائية نتيجة تغيّر المجال المغناطيسي. وتُعرف هذه الظاهرة باسم الحث الكهرومغناطيسي.

أولاً: قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي

صياغة القانون:

ينص قانون فاراداي على ما يلي:

“تتولد قوة دافعة كهربائية (EMF) في دائرة كهربائية عندما يتغير التدفق المغناطيسي خلال هذه الدائرة، وتتناسب هذه القوة طرديًا مع معدل تغير التدفق المغناطيسي.”

الصيغة الرياضية:

$$\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}$$

حيث:

• $\mathcal{E}$: القوة الدافعة الكهربائية (EMF) بوحدة الفولت.
• $\Phi_B$: التدفق المغناطيسي (بوحدة ويبر Weber).
• $\frac{d\Phi_B}{dt}$: معدل تغير التدفق المغناطيسي مع الزمن.

التدفق المغناطيسي ($\Phi_B$):

التدفق المغناطيسي هو كمية تصف مقدار خطوط المجال المغناطيسي التي تمر خلال سطح ما.

$$\Phi_B = B \cdot A \cdot \cos(\theta)$$

• $B$: شدة المجال المغناطيسي (تسلا).
• $A$: مساحة السطح (متر مربع).
• $\theta$: الزاوية بين اتجاه المجال المغناطيسي وعمودي السطح.

كيف يتولد التيار؟

عندما:

• يتغير شدة المجال المغناطيسي $B$
• أو تتغير المساحة $A$
• أو تتغير الزاوية $\theta$

يتغير بذلك التدفق المغناطيسي، مما يولد قوة دافعة كهربائية، فتتحرك الإلكترونات ويظهر تيار كهربائي.

أمثلة على الحث الكهرومغناطيسي:

1. تحريك مغناطيس داخل ملف سلكي: عند إدخال أو إخراج مغناطيس من داخل ملف، يتغير التدفق المغناطيسي، فيتولد تيار كهربائي.
2. المولد الكهربائي: يُستخدم فيه دوار يدور داخل مجال مغناطيسي لتوليد تيار كهربائي متناوب.

ثانيًا: قانون لنز (Lenz’s Law)

الصياغة:

ينص قانون لنز على ما يلي:

“يكون اتجاه التيار الكهربائي المستحث الناتج عن الحث الكهرومغناطيسي في دائرة ما، بحيث يُولد مجالًا مغناطيسيًا يعاكس التغير في التدفق المغناطيسي الذي تسبب في توليده.”

أي أن الطبيعة تقاوم التغير الذي يحدث فيها.

الصيغة الرياضية:

العلامة السالبة في قانون فاراداي:

$$\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}$$

تُعبّر عن قانون لنز، حيث إن التيار المتولد يتخذ اتجاهًا معاكسًا للتغير في التدفق المغناطيسي.

تفسير فيزيائي:

قانون لنز يُمثل تطبيقًا لمبدأ المحافظة على الطاقة:

• إذا لم يعارض التيار المتولد التغير في المجال، فإن هذا يعني إمكانية توليد طاقة من العدم، وهو غير ممكن.
• لذا، التيار المتولد يعمل دائمًا على إبطاء أو معارضة التغير في المجال المغناطيسي.

أمثلة على قانون لنز:

1. إسقاط مغناطيس داخل أنبوب نحاسي:
   • عند إسقاط مغناطيس في أنبوب نحاسي، يتولد تيار دوامي في الأنبوب يعاكس حركة المغناطيس، مما يؤدي إلى تباطؤه.
2. تحريك سلك داخل مجال مغناطيسي:
   • إذا حُرّك سلك داخل مجال مغناطيسي، فإن التيار المتولد فيه يتجه بحيث يولد مجالًا يعاكس حركة السلك.

العلاقة بين قانون فاراداي وقانون لنز:

• قانون فاراداي يحدد مقدار القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن تغير التدفق المغناطيسي.
• قانون لنز يحدد اتجاه التيار المتولد الناتج عن هذه القوة الدافعة.

فهما مترابطان: فاراداي يعطينا الكمية، ولنز يعطينا الاتجاه.

تطبيقات عملية لقانوني فاراداي ولنز:

1. المولدات الكهربائية:

• تولد الكهرباء عن طريق تدوير ملف داخل مجال مغناطيسي.
• قانون فاراداي يحدد مقدار الجهد الناتج.
• قانون لنز يحدد اتجاه التيار.

2. المحركات الكهربائية:

• تستخدم التيار الكهربائي لإنتاج حركة.
• عند تشغيل محرك كهربائي، يولد تيار عكسي (يسمى القوة الدافعة العكسية) يعارض التغير، طبقًا لقانون لنز.

3. المحولات الكهربائية:

• تنقل الكهرباء من جهد إلى آخر عن طريق الحث الكهرومغناطيسي.
• تعتمد على تغير التيار في ملف أولي لتوليد تيار في الملف الثانوي.

4. المكابح الكهرومغناطيسية:

• تُستخدم في القطارات، حيث يتم توليد تيار مستحث في عجلات القطارات يُنتج مجالًا يعارض الحركة، فيبطئ القطار.

خاتمة

يمثل قانونا فاراداي ولنز حجر الزاوية في فهم ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي التي تُعد من أكثر الظواهر الفيزيائية أهمية في حياتنا اليومية. فبفضل هذين القانونين، نستطيع توليد الكهرباء، وتحويلها، واستخدامها في عدد هائل من التطبيقات. قانون فاراداي يُعطينا مدى القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن التغير في المجال المغناطيسي، بينما يوضح قانون لنز كيف تحافظ الطبيعة على الاتزان بمعارضة هذا التغير. وهكذا، فإن فهم هذين القانونين لا يقتصر فقط على الجانب النظري، بل يُسهم أيضًا في تطوير التكنولوجيا المعاصرة.