فيزياء – التيارات الدوامة

التيارات الدوامية Eddy Currents

🟦 مقدمة

التيارات الدوامية هي نوع من التيارات الكهربائية التي تتولد داخل المواد الموصلة عندما تتغير خطوط المجال المغناطيسي المارّة بها. وتعد هذه الظاهرة تطبيقًا مباشرًا لقانوني فاراداي ولنز في الحث الكهرومغناطيسي. ورغم أنها غير مرغوب فيها في بعض التطبيقات، فإن لها فوائد عديدة في مجالات أخرى مثل المكابح الكهرومغناطيسية، والتسخين بالحث، وأجهزة الكشف عن المعادن.

🟩 تعريف التيارات الدوامية

التيارات الدوامية هي:

تيارات كهربائية مستحثة تنشأ داخل جسم موصل عندما يخترقه مجال مغناطيسي متغير، وتتخذ هذه التيارات مسارات دائرية أو دوامية داخل الجسم.

يُطلق عليها اسم “دوامية” لأن الإلكترونات تسلك مسارات مغلقة تشبه الدوامات، على غرار دوامات الماء عندما يُرمى جسم في بركة.

🟦 كيف تتولد التيارات الدوامية؟

تتولد التيارات الدوامية نتيجة تغير التدفق المغناطيسي داخل الموصل. وفقًا لقانون فاراداي، فإن:

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

وهذا يعني أنه كلما تغيّر المجال المغناطيسي عبر سطح ما داخل الجسم، فإن قوة دافعة كهربائية تتولد، مما يدفع الإلكترونات إلى التحرك في مسارات دائرية داخل الجسم.

🧲 أمثلة توضيحية:

1. تحريك مغناطيس قرب لوح نحاسي:
   • عند تقريب مغناطيس من لوح معدني (مثل الألمنيوم أو النحاس)، يتغير التدفق المغناطيسي داخل اللوح.
   • هذا التغير يولّد تيارات دائرية في اللوح تعاكس حركة المغناطيس، حسب قانون لنز.
   • النتيجة: يشعر الشخص بمقاومة في الحركة، رغم عدم وجود احتكاك ميكانيكي.
2. إسقاط مغناطيس داخل أنبوب نحاسي:
   • يسقط المغناطيس ببطء، لأن التيارات الدوامية المتولدة في الأنبوب تخلق مجالًا مغناطيسيًا معاكسًا.

🟩 قانون لنز وتفسير الاتجاه

بحسب قانون لنز، فإن:

اتجاه التيار المستحث يكون دائمًا بحيث يعارض التغير في التدفق المغناطيسي.

ولذلك، فإن التيارات الدوامية تولّد مجالًا مغناطيسيًا مضادًا للتغير الذي سببها.

🟦 العوامل المؤثرة في التيارات الدوامية

هناك عدة عوامل تؤثر في مقدار التيارات الدوامية:

1. سرعة تغير المجال المغناطيسي:
   • كلما زادت سرعة التغير، زاد مقدار التيارات الدوامية.
2. مقاومة المادة:
   • المواد ذات المقاومة المنخفضة (مثل النحاس والألمنيوم) تولد تيارات دوامية أكبر.
3. شكل الجسم وحجمه:
   • الأجسام الكبيرة أو السميكة تسمح بتشكل دوامات أكبر.
4. زاوية دخول المجال المغناطيسي:
   • أقرب ما يكون إلى الزاوية العمودية كلما زادت كفاءة توليد التيارات.

🟩 آثار التيارات الدوامية

رغم أنها ليست تيارًا مفيدًا دائمًا، إلا أن لها آثارًا واضحة يجب الانتباه إليها:

✅ آثار مرغوبة:

1. التسخين بالحث (Induction Heating):
   • تُستخدم في أفران صهر المعادن والطهي بالحث، حيث تنتج التيارات الدوامية حرارة كبيرة داخل الجسم المعدني.
2. فرامل القطارات الكهرومغناطيسية:
   • تُستخدم التيارات الدوامية كمكابح عند مرور قرص معدني بين مغناطيسين، مما يؤدي إلى إبطاء الحركة دون تلامس.
3. أجهزة الكشف عن المعادن:
   • يُرسل مجال مغناطيسي متغير يُولّد تيارات دوامية في المعادن المدفونة، والتي تُكشف من خلال تغير المجال.

❌ آثار غير مرغوبة:

1. فقدان الطاقة الحرارية في المحولات والمحركات:
   • تؤدي التيارات الدوامية إلى تسخين غير مرغوب فيه في قلب المحول، مما يُهدر الطاقة.
2. توليد حرارة زائدة في الآلات الكهربائية:
   • يُسبب تآكلًا وتلفًا في المكونات على المدى البعيد.

🟦 كيفية تقليل التيارات الدوامية غير المرغوبة

لحسن الحظ، يمكن تقليل هذه التيارات في الأجهزة التي لا نريد فيها فقدان طاقة، وذلك عبر عدة وسائل:

1. تصفيح القلب الحديدي (Laminated Core):

• يُقسم القلب إلى صفائح رقيقة معزولة، بحيث لا تستطيع الإلكترونات الدوران بحرية بين الصفائح.
• هذا يقلل من التيارات الدوامية لأنه يكسر الدوامات الكبيرة إلى صغيرة.

2. استخدام مواد ذات مقاومة كهربائية عالية:

• مثل الفريت (Ferrite)، حيث تقل شدة التيارات الناتجة بسبب ارتفاع المقاومة.

3. تخفيض معدل تغير المجال المغناطيسي:

• تقليل التردد أو التغير المفاجئ في المجال يقلل من استثارة التيارات الدوامية.

🟩 تطبيقات على التيارات الدوامية

🟦 مقارنة بين التيار الدوامي والتيار الكهربائي العادي

✅ خاتمة

تمثل التيارات الدوامية أحد الأمثلة الجميلة في الفيزياء التي تُبيّن كيف يمكن للطبيعة أن تولّد تيارًا كهربائيًا من مجرد تغير في المجال المغناطيسي. وهي ظاهرة حيوية تجمع بين الفيزياء النظرية والتطبيق العملي، وتستخدم في كل شيء من القطارات إلى أفران المطبخ.

ورغم أنها قد تسبب فقدانًا للطاقة في بعض الحالات، فإن التحكم فيها وتحسين استخدامها جعلها جزءًا أساسيًا من التكنولوجيا الحديثة.