نسخة الفيديو النصية
في هذا الدرس سوف نتعرف على أحد أهم الاكتشافات وأكثرها فائدة في تاريخ الفيزياء. وهو اكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. تبرز فائدة الحث الكهرومغناطيسي في شواحن الهواتف المحمولة، وأجهزة الحاسوب المحمولة، والسماعات، ومشغل الأقراص المضغوطة، والطهي، ولاقط الجيتار، والتسخين، واللحام، وتوليد الطاقة، والمحولات، وأجهزة الرسم اللوحية، وأجهزة قياس السريان في الأنابيب، والتحفيز الكهربي عبر الجمجمة. إن الحث الكهرومغناطيسي يستخدم في جميع المجالات والصناعات تقريبًا.
بالرغم من ذلك، فالفكرة الكامنة وراء الحث الكهرومغناطيسي بسيطة للغاية. لنفترض أن لدينا ملفًا ومغناطيسًا دائمًا. في هذه اللحظة، لا يوجد تيار يمر في هذا الملف. ويرجع هذا إلى عدم وجود قوة دافعة كهربية تدفع الشحنة في الملف. لكن سوف نفترض على أية حال أننا سنضع في الملف جهازًا لقياس التيار يسمى الأميتر لملاحظة التيار عندما يمر من خلاله.
الأميتر الذي نستخدمه، أي جهاز القياس الحالي، له تدريج. ونلاحظ أنه في اللحظة التي يشير فيها مؤشر التدريج إلى الصفر، أي لا يوجد تيار يتدفق خلال الملف. وليس ذلك أمرًا مفاجئًا بالطبع؛ لأننا لم نضع بطارية أو أي شيء آخر يولد تيارًا في الملف. لنفترض مع ذلك أننا سنأخذ المغناطيس الدائم ونحركه خلال الملف. إذا فعلنا ذلك، يمكننا أن نلاحظ انحرافًا لحظيًا في الأميتر. لكن حين يصبح المغناطيس في حالة سكون مرة أخرى، نرى أن مؤشر الأميتر يكون عند الصفر. نكاد نبدأ في التشكيك بأنفسنا. هل رأينا قراءة الأميتر تتغير بالفعل؟ لنجرب مرة أخرى.
هذه المرة سنحرك المغناطيس خلال الملف في الاتجاه المعاكس. في هذه المرة، نرى أن المؤشر ينحرف انحرافًا لحظيًا مرة أخرى لكن في الاتجاه المعاكس. ومرة أخرى، عندما يصبح المغناطيس في حالة سكون، يتجه المؤشر إلى الصفر. في هذه المرحلة، قد لا نتمكن من تفسير ما يحدث. لكن يبدو من المؤكد أن شيئًا ما يحدث فيما يتعلق بالتيار في هذا الملف عند مرور المغناطيس خلاله. لذلك نستمر في التجريب وتمرير المغناطيس خلال الملف ذهابًا وإيابًا من أحد الاتجاهين إلى الاتجاه الآخر ونرى كيف يستجيب الأميتر لذلك. وفي كل مرة نفعل ذلك، نلاحظ أن مؤشر الأميتر ينحرف للحظة ثم يعود مجددًا إلى الصفر. في نهاية المطاف، نتمكن من استخلاص بعض الاستنتاجات التي يمكننا تسجيلها في دفتر المختبر.
أولى هذه الملاحظات هي أنه عندما يتحرك المغناطيس خلال الملف، يتدفق التيار في الملف. وهذا يبدو أمرًا غريبًا تمامًا. لكن هذا هو ما نراه مرارًا وتكرارًا. أما الأمر الثاني الذي لاحظناه فهو أنه عندما لا يتحرك المغناطيس لا يتدفق التيار في الملف. وأخيرًا، لاحظنا أنه عندما يتحرك المغناطيس خلال الملف في الاتجاه المعاكس، يتدفق التيار في الملف أيضًا في الاتجاه المعاكس. ما يتبين لنا من هذه الملاحظات الثلاث هو أنه عندما يتحرك المغناطيس في هذا الملف، يولد تيارًا مستحثًا. ويبدو أن ثمة شيئًا مهمًا للغاية يتعلق بحركة المغناطيس. فنحن لم نلاحظ وجود تيار مستحث في الملف إلا حينما تحرك المغناطيس.
دعونا نفكر قليلًا في المغناطيس. إن الطريقة التي رسمناه بها لا توضح سوى القطبين الشمالي والجنوبي لهذا المغناطيس الدائم. لكننا نعلم أن الأمر لا يقتصر على ذلك. وما أعنيه على وجه التحديد، هو أن كل مغناطيس يولد مجالًا مغناطيسيًا حوله. ويبدو المجال المغناطيسي بهذا الشكل. ونوضحه باستخدام خطوط المجال التي تتجه من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي. ويمكننا أن نتذكر مما درسناه سابقًا أن أقصى كثافة فيض لهذا المجال المغناطيسي توجد عندما تكون خطوط المجال في أشد صورها كثافة، أي حيث تكون أقرب بعضها لبعض. ويكون هذا بالقرب من القطبين، هنا وهنا. بعد ذلك، عندما تصبح خطوط المجال أقل كثافة، فإن هذا يشير إلى ضعف الكثافة الكلية للفيض المغناطيسي.
إذن في كل مرة نحرك فيها المغناطيس خلال الملف، ليس المغناطيس وحده هو الذي يتحرك خلاله، بل المجال أيضًا. ونظرًا لأن كثافة الفيض المغناطيسي تختلف هنا مقارنة بهنا أو هنا أو هنا أو في أي نقطة أبعد على امتداد هذا الخط، يمكننا القول إنه مع تحرك المغناطيس خلال هذا الملف، يتعرض الملف لمجال مغناطيسي متغير. ويمكننا أن نعبر عن هذا بطريقة أخرى، وهي أننا إذا نظرنا إلى مساحة مقطع الملف الموجود لدينا، نجد أنه بتحريك المغناطيس عبر الملف، يتغير المجال المغناطيسي خلال هذه المساحة. وبناء على ملاحظتنا، يبدو أنه حين يحدث ذلك، يتدفق التيار خلال الملف. ومعنى هذا أن التيار يستحث في الملف.
سنوضح الآن إحدى الطرق التي يمكننا من خلالها التعبير عن فكرة ختامية بشأن هذه التجربة. يمكننا القول إنه عندما يتغير المجال المغناطيسي خلال الملف، يتدفق تيار في الملف، أي إنه يستحث. هذه العبارة التي استخلصناها هنا تعد ملخصًا رائعًا لما يعنيه الحث الكهرومغناطيسي. توضح هذه العبارة أنه إذا كان لدينا ملف مغلق، ثم تغير المجال المغناطيسي المار خلاله، فإن ثمة تيارًا يتولد في الملف، أي إنه يستحث.
هذه نقطة مثيرة للاهتمام للغاية. وتوجد طرق عديدة لاستكشاف هذه الفكرة بصورة أعمق. وثمة تغييرات عديدة يمكن أن نجريها على التجربة لنرى تأثير هذه التغييرات. على سبيل المثال، استخدمنا حتى الآن ملفًا من لفة واحدة فقط. لكن ماذا إذا استخدمنا ملفًا به العديد من اللفات، ومررنا المغناطيس خلالها؟ وماذا إذا استخدمنا مغناطيسًا أقوى ومررناه ذهابًا وإيابًا خلال الملفات؟ أو ماذا إذا كبرنا أبعاد اللفات في الملف أو صغرناها؟ كل هذه التغييرات التي نتحدث عنها ستحدث تغيرات في مقدار التيار المستحث في الملف.
يمكننا تلخيص هذه التغيرات من خلال التوسع قليلًا فيما ذكرناه هنا بشأن الحث الكهرومغناطيسي. نجد أنه كلما ازداد التغير في المجال المغناطيسي عبر مساحة الملف الكلية، يزداد التيار المستحث. وهكذا على سبيل المثال، عندما تحدثنا عن إضافة المزيد من اللفات إلى الملف الموجود لدينا، فإننا حين نستخدم ملفًا من لفة واحدة ستكون مساحة الملف الكلية هي هذه المنطقة، أما حين نضيف المزيد من اللفات ستزداد مساحة الملف الكلية؛ لأن كل هذه المساحة أصبحت تدخل الآن في الحسابات المتعلقة بالملف. أو فكر في مسألة استخدام مغناطيس أقوى. في تلك الحالة، سيكون لدينا مجال مغناطيسي أقوى.
وبهذا، سيكون التغير في المجال المغناطيسي عبر مساحة الملف، أيًا كانت قيمة هذه المساحة، أكبر بشكل عام، ومن ثم يزداد التيار المستحث. ويمكن أن نلاحظ أنه عندما يتعلق الأمر بتغيير أبعاد الملف، أي تكبيره أو تصغيره، فإن تكبيره سيؤدي إلى زيادة مساحة الملف الكلية، ومن ثم إلى زيادة التيار المستحث. وسيؤدي تصغير أبعاد الملف إلى تقليل تلك المساحة، مما يقلل التيار المستحث.
ثمة أمر أخير بشأن هذه التجربة، وهو أننا قد رأينا أنه عند توجيه المغناطيس بهذه الطريقة؛ حيث يكون قطبه الشمالي في اتجاه اليمين، حينئذ عندما نمرر هذا المغناطيس خلال الملفات، يتحرك مؤشر الأميتر إلى اليمين. يشير هذا التحرك في اتجاه ما نسميه التيار الموجب إلى اتجاه معين للتيار عند تدفقه في الملف، إما باتجاه عقارب الساعة أو عكسها. إذا غيرنا اتجاه المغناطيس بحيث يشير القطب الشمالي إلى اليسار، ومررناه في هذا الاتجاه خلال الملف، فسنلاحظ أن المؤشر ينحرف في الاتجاه المعاكس. بعبارة أخرى، سيتولد التيار في الملف متدفقًا في الاتجاه المعاكس لاتجاه تدفقه في المرة السابقة. ويمكننا القول إن هذا التغير في وضع المغناطيس يؤدي إلى تغير في المجال المغناطيسي عبر مساحة الملف الكلية. في هذه الحالة، نجد أن هذه العبارة تلخص بالفعل ما لاحظناه فيما يتعلق بالظاهرة التي توضحها هذه التجربة.
إذن، لدينا حتى الآن ملف في حالة سكون ومغناطيس؛ ومن ثم مجال مغناطيسي يتحرك خلاله. وتلك هي الطريقة التي طبقناها لإحداث تغير في المجال المغناطيسي عبر مساحة الملف الكلية. غير أن هناك طريقة أخرى لإحداث هذا النوع من التغير. لنفترض أن لدينا هذا الشكل. وهو تمثيل لمجال مغناطيسي، سنسميه 𝐵، يتجه خارجًا من الشاشة باتجاهنا مباشرة. سنفترض أن هذا المجال له كثافة فيض ثابتة، أي إنها تساوي المقدار نفسه في كل مكان. تخيل بعد ذلك أننا وضعنا هذا المسار الذي يشبه حرف U داخل هذا المجال. وسنفترض أن هذا المسار مصنوع من مادة موصلة. قد يكون سلكًا على سبيل المثال.
نلاحظ أن المسار بشكله الحالي لا يسمح بتدفق التيار على امتداده لأنه ليس ملفًا مغلقًا. لكن ماذا إذا أخذنا سلكًا مستقيمًا ووضعناه عموديًا على المسار بهذا الشكل؟ في هذه الحالة، بفضل هذا السلك الموضوع عموديًا على المسار، أصبح لدينا الآن ملف مغلق. ويمكن للتيار التدفق هنا. لكن بالطبع، لكي يتدفق التيار نحتاج لشيء يدفعه؛ قوة دافعة كهربية من نوع ما. حسنًا، لنفكر الآن بطريقة مبتكرة.
يخبرنا الحث الكهرومغناطيسي أن التغير في المجال المغناطيسي الكلي عبر ملف موصل يولد تيارًا مستحثًا. ليس لدينا هنا مجال مغناطيسي متغير. فالمجال المغناطيسي ثابت في هذه الحالة. لكن لا يزال بإمكاننا تغيير المجال المغناطيسي الكلي الذي يتعرض له هذا الملف. كيف يمكننا القيام بذلك؟ يمكننا القيام بذلك من خلال تغيير مساحة الملف. وسنفعل ذلك عن طريق تحريك السلك على طول المسار. فكر في الأمر. في البداية، كانت هذه هي مساحة الملف التي نتعامل معها. لكن مع تحرك السلك بعد ذلك، ستزيد مساحة الملف الموصل.
إذن في السابق كان المجال المغناطيسي الكلي الذي يمر خلال الملف منحصرًا في هذه المساحة، أما الآن فنظرًا إلى أن الملف صار أكبر فقد ازدادت المساحة المحصورة للمجال المغناطيسي الكلي. ويعني هذا فعليًا أن المجال المغناطيسي يتغير عبر الملف. هذا لأن مساحة الملف تتغير. بعبارة أخرى، يمكننا القول إن هذا المجال المغناطيسي له مقدار معين من كثافة الفيض لكل وحدة مساحة. ومن ثم، كلما ازدادت المساحة التي نتناولها، فإننا نضيف المزيد والمزيد من كثافة الفيض المغناطيسي إلى كثافة الفيض الكلية. وهذا يعني أن كثافة الفيض الكلية تتغير مع زيادة المساحة.
وما يعنيه هذا كله أنه إذا كان لدينا هذا المجال المغناطيسي المنتظم – أي هذا المسار الموصل والسلك الموضوع عموديًا عليه وهو في حالة حركة على طول المسار – فمع تحرك السلك سيتولد في هذا الملف المغلق تيار كهربي مستحث. وثمة شيء آخر مثير للاهتمام: كلما ازدادت السرعة التي يتحرك بها السلك يزداد التيار المستحث في الملف. ما نلاحظه بشكل عام هو وجود عاملين مهمين لتوليد تيار مستحث في ملف. العامل الأول هو المجال المغناطيسي الذي يمر عبر الملف، والعامل الثاني هو مساحة الملف. ما رأيناه هو أن تغير أحد هذين العاملين يكفي لتوليد تيار مستحث في الملف.
مثلما قلنا، فإن التغير في المجال المغناطيسي الكلي عبر ملف موصل هو ما يولد تيارًا مستحثًا. ولا يهم كيفية حدوث هذا التغير سواء بتغيير المجال أو تغيير مساحة الملف. الآن، لنتدرب قليلًا على الحث الكهرومغناطيسي من خلال مثال.
يوضح الشكل مغناطيسًا دائمًا يحرك عبر ملف نحاسي. تولد هذه الحركة تيارًا كهربيًا بالحث في الملف شدته 0.5 أمبير. إذا حرك المغناطيس عبر الملف بنصف السرعة، فما شدة التيار في الملف؟ إذا استبدل بالمغناطيس الدائم مغناطيس آخر ضعفه في الشدة، وحرك عبر الملف بالسرعة الأصلية، فما شدة التيار في الملف؟
حسنًا، عند النظر إلى الشكل، نرى الملف المصنوع من النحاس، وهو مادة موصلة، والمغناطيس الدائم الذي يحرك عبر الملف. يخبرنا نص المسألة أنه عندما يحدث هذا، أي عندما يتحرك المغناطيس عبر الملف، فإنه يولد تيارًا مستحثًا شدته 0.5 أمبير. تحدث حركة المغناطيس عبر الملف بسرعة معينة. يمكننا تسميتها 𝑆 بالرغم من أن الشكل لم يذكر اسمًا لها.
يسألنا السؤال الأول ما يلي: إذا لم نغير أي شيء في هذا الترتيب ما عدا السرعة التي يتحرك بها المغناطيس؛ إذ نجعلها نصف السرعة السابقة، فماذا سيحدث للتيار المستحث في الملف؟ لمعرفة الإجابة، سيكون من المفيد أن نرسم خطوط المجال المغناطيسي التي توضح المجال المغناطيسي الذي يولده هذا المغناطيس. هذا المجال المغناطيسي وخطوط المجال التي تمثله تبدو على هذا الشكل. في البداية، سنحرك هذا المغناطيس ومجاله المغناطيسي عبر الملف بالسرعة التي نسميها 𝑆.
يعني هذا أن المجال المغناطيسي الكلي يتغير عبر هذا الملف أثناء تحرك المغناطيس. ويرتبط معدل ذلك التغير، أي السرعة التي يحدث بها، بالسرعة 𝑆. كلما ازدادت 𝑆، ازدادت السرعة التي يتحرك بها المغناطيس، ومن ثم يزداد معدل تغير المجال المغناطيسي عبر الملف. وهذا التغير هو الآلية التي تولد تيارًا مستحثًا في السلك. وتتناسب شدة التيار المستحث طرديًا مع المعدل الذي يحدث به هذا التغير. بعبارة أخرى، كلما ازداد معدل تغير المجال المغناطيسي عبر الملف، زادت شدة التيار المستحث في الملف.
هذا الجزء مهم لأننا علمنا من المعطيات أن التغيير الذي حدث في السؤال الأول هو أننا لم نعد نحرك المغناطيس بالسرعة 𝑆. بل بسرعة تساوي نصف السرعة الأصلية. وبما أننا نحرك المغناطيس بصورة أبطأ نسبيًا، فهذا يعني أن المجال المغناطيسي المؤثر على الملف سيتغير بصورة أبطأ. عندما يقل معدل تغير المجال المغناطيسي عبر الملف، ستقل شدة التيار المستحث أيضًا.
إننا لا نعرف ماذا ستكون شدة التيار على وجه التحديد عندما نحرك المغناطيس بنصف السرعة الأصلية. لكننا نعرف أنها ستكون أقل من المقدار الأصلي الذي يساوي 0.5 أمبير. وهذه هي الإجابة التي سنكتبها. وتفسيرها كما رأينا هو أن معدل تغير المجال المغناطيسي خلال الملف الموصل يقل مقارنة بما كان عليه في الأصل. إن انخفاض معدل التغير يعني انخفاض شدة التيار المستحث، مما يعني أنه أيًا كانت شدة التيار فإنها ستكون أقل من 0.5 أمبير.
يسألنا الجزء الثاني من السؤال ما يلي: إذا استبدل بالمغناطيس الدائم مغناطيس آخر ضعفه في القوة، لكنه يتحرك عبر الملف بالسرعة الأصلية، سنسميها 𝑆، فما شدة التيار في الملف؟ إذا ضاعفنا شدة هذا المغناطيس ومن ثم كثافة فيض مجاله المغناطيسي، وأبقينا على حركة المغناطيس كما هي، فسؤالنا هو عما سيخلفه ذلك من تأثير على معدل تغير المجال المغناطيسي عبر الملف.
مع زيادة شدة المغناطيس بشكل عام، فإن هذا يعني زيادة كثافة الفيض المغناطيسي للمغناطيس عن قيمتها الأصلية عند تحركنا من أحد قطبي المغناطيس إلى القطب الآخر. وهذا يعني أنه إذا مررنا هذا المغناطيس بأكمله عبر الملف، فسيزداد تغير المجال المغناطيسي الذي يتعرض له الملف. وستؤدي هذه الزيادة إلى زيادة شدة التيار الكهربي المستحث.
مثلما هي الحال في السؤال الأول، لا يمكننا أن نذكر القيمة المحددة لشدة التيار في هذه الحالة المعدلة. لكننا نتوقع أنها ستكون أكبر مما كانت عليه، أي أكبر من 0.5 أمبير. وهذه هي الإجابة التي سنكتبها لأننا لاحظنا أن معدل تغير المجال المغناطيسي عبر الملف يزداد في هذه الحالة. ونتوقع أن تؤدي هذه الزيادة إلى زيادة شدة التيار المستحث.
لنلخص الآن ما تعلمناه عن الحث الكهرومغناطيسي.
في هذا الدرس، عرفنا ما يعنيه مصطلح الحث الكهرومغناطيسي. يحدث الحث الكهرومغناطيسي عندما يؤدي مجال مغناطيسي متغير إلى توليد تيار مستحث عبر الملف. ورأينا أنه توجد طرق مختلفة لحدوث ذلك. تتمثل إحدى الطرق في إحضار مغناطيس دائم وتحريكه خلال ملف في حالة سكون. وتوجد طريقة أخرى وهي إعداد مجال مغناطيسي ثابت، ثم إحضار ملف موصل تتغير مساحته مع الزمن. في كلتا هاتين الحالتين، رأينا أنه يحدث تغيير في المجال المغناطيسي بشكل عام من خلال مساحة الملف، ومن ثم يتولد فيه تيار مستحث.
إضافة إلى ذلك، رأينا أنه كلما ازداد معدل تغير كثافة الفيض المغناطيسي الكلية عبر الملف، ازداد التيار المستحث. ورأينا أن الأمر نفسه ينطبق في الاتجاه المعاكس أيضًا. فكلما قل معدل التغير، انخفضت شدة التيار المستحث. هذه هي الأفكار الرئيسية التي يقوم عليها الحث الكهرومغناطيسي، وهي ظاهرة مفيدة للغاية وواسعة الانتشار في جميع جوانب حياتنا اليومية.
