المغناطيسية

محاضرة 7 مغناطيسية وتيار متردد

قانون لينز Lenz's Law

روابط إعلانية

قانون لينز Lenz’s Law: تدل الاشارة السالبة في قانون فارادي على اتجاه التيار الحثي الذي يتولد في الدائرة الكهربية نتيجة للتغير في الفيض المغناطيسي بالنسبة للزمن.  وباستخدام قانون لينز يمكن تحديد اتجاه التيار الحثي، ينص قانون لينز على ما يلي:

قانون لينز: يكون اتجاه التيار الحثي في الدائرة الكهربية بحيث يعاكس الفيض المغناطيسي الناشئ عنه الفيض المغناطيسي الذي انشأه.

حالة توضيحية (1)

قانون لينز Lenz's Law

قانون لينز Lenz's Law

نفترض مجالا مغناطيسيا خارجيا في اتجاه الصفحة للداخل كما هو موضح في الشكل بعلامة x.  عند تحريك الساق المعدنية إلى اليمين يزداد الفيض المغناطيسي داخل الدائرة مع الزمن لأن المساحة تزداد.  من قانون لينز ينشئ تيار حثي بحيث ينشئ قوة تقاوم حركة الساق إلى اليمين لتمنع الزيادة في الفيض المغناطيسي في الدائرة وعليه يكون اتجاه التيار الحثي عكس عقارب الساعة.  لهذا التيار الحثي مجال مغناطيسي (في اتجاه خارج من الصفحة عكس المجال الخارجي) ليقاوم الزيادة في الفيض المغناطيسي.

إذا تحركت الساق المعدنية في المثال السابق إلى اليسار بحيث يقل الفيض المغناطيسي مع الزمن فإن التيار الحثي الناتج يكون مع عقارب الساعة بحيث يكون المجال المغناطيسي الناشئ عنه في اتجاه داخل على الصفحة (مع المجال المغناطيسي الخارجي) وذلك ليقاوم النقصان في الفيض المغناطيسي.

روابط إعلانية

 

حالة توضيحية (2) 

قانون لينز Lenz's Law

عند اقتراب المغناطيس من الملف فإن التيار الحثي المتولد سوف يعطي مجالا مغناطيسياً، معاكساً للزيادة في المجال المغناطيسي ولهذا فإن التيار الحثي المتولد الحلقة سيكون في اتجاه عكس عقارب الساعة ليكون اتجاه المجال المغناطيسي الناشئ عنه في عكس الزياة في التدفق الناتج من المغناطيس الخارجي.

 قانون لينز Lenz's Law

لا حظ ان التيار الحثي المتولد في الحلقة نتيجة لاقتراب المغناطيس من الحلقة ينشئ مجالا مغناطيسيا له قطب جنوبي وقطب شمالي ليتنافر مع المغناطيس المتحرك.

  

القوة الدافعة الكهربية المستحثة والمجال الكهربي Induced EMFs and Electric Fields

روابط إعلانية

لاحظنا ان بتغير الفيض المغناطيسي يولد قوة دافعة كهربية حثية وتيار حثي في الدائرة وهذا يؤكد على وجود مجال كهربي حثي نتيجة لتغير في الفيض المغناطيسي.  وكما نعلم من النظرية الكهرومغناطيسية ان مجال كهربي يتنج من تغير الفيض المغناطيسي في الفراغ.  وهنا سنقوم بحساب العلاقة بين المجال الكهربي المستحث والتغير في الفيض المغناطيسي.

قانون لينز Lenz's Law

الشكل اعلاه يبين حلقة موصلة نصف قطرها r موضوعة في مجال مغناطيسي خارجي متغير مع الزمن عمودي على مستوى الحلقة.  من قانون فارادي فإن القوة الدافعة الكهربية تعطى بالعلاقة التالية:

قانون لينز Lenz's Law

تعمل القوة الدافعة الكهربية على توليد تيار كهربي في الحلقة الموصلة وهذا بدوره يشير إلى وجود مجال كهربي يتناسب مقداره والتيار المار في الحلقة وله اتجاه المماس على الحلقة كما في الشكل.

بحساب الشغل المبذول لتحريك شحنة q في الحلقة الموصلة بواسطة كلاً من المجال الكهربي الناشئ والقوة الدافعة الكهربية ومساواة المعادلتين ينتج ان:

قانون لينز Lenz's Law

قانون لينز Lenz's Law

Since       Fm = BA = πr2 B

قانون لينز Lenz's Law

من المعادلة السابقة نلاحظ أنه إذا علمنا معدل التغير في المجال المغناطيسي بالنسبة للزمن يمكن حساب المجال الكهربي الناشئ بالحث.  وتدل الاشارة السالبة على أن المجال الكهربي في اتجاه يعاكس التغير في المجال المغناطيسي.

والصورة العامة لقوة الدافعة الكهربية على مسار مغلق تعطى بالعلاقة التالية:

General Faraday Law of Induction     قانون لينز Lenz's Law

المولد الكهربي والموتور الكهربي Generators and Motors

تعتبر المولدات الكهربية والموتورات الكهربية من الاجهزة المهمة في حياتنا العملية التي تعمل على اساس الحث الكهرومغناطيسي.

المولد الكهربي:

يقوم المولد الكهربي بتوليد التيار الكهربي المتردد الذي من خلاله يمكن تشغيل جميع الاجهزة الكهربية المستخدمة في حياتنا العملية، وتعتمد فكرة عمله على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة طاقة كهربية من خلال تدوير ملف كهربي في وجود مجال مغناطيسي.  ولتدوير الملف الكهربي نحتاج إلى مصدر طاقة ميكانيكية قد تكون الرياح أو المياه الساقطة من الشلالات أو من حرق الفحم أو البترول أو من الطاقة النووية كل هذه المصادر المختلفة تقوم بتوليد الطاقة اللازمة لإدارة الملف بين قطبي مجال مغناطيسي.  يوصل نهاية الملف الكهربي بحلقتين تدوران امام فرشاتين من مادة موصلة لنقل التيار الكهربي المتولد إلى خطوط نقل الطاقة الكهربية.

قانون لينز Lenz's Law قانون لينز Lenz's Lawلنفرض أن عدد لفات الملف الكهربي N لفة ومساحة الملف A وسرعة دوران الملف هي سرعة زاوية مقدارها ω.  اذا كانت الزاوية θ هي الزاوية الحصورة بين المجال المغناطيسي والعمودي على مستوى الملف الكهربيفإن الفيض المغناطيسي للملف عند أي زمن t يعطى بالعلاقة التالية:

Fm = BA cosθ = BA cos ωt

where θ = ωt

Hence the induced emf in the coil is given by

قانون لينز Lenz's Law

قانون لينز Lenz's Law

توضح المعادلة السابقة أن القوة الدافعة الكهربية emf متغيرة بدالة جيبية في الزمن ولهذا السبب يسمى التيار الناتج عن المولد الكهربي والتيار المتردد.  وتكون اكبر قيمة للقوة الدافع الكهربية عندما تكون الزاوية θ تساوي 90 أو 270 درجة وتعطى بالعلاقة التالية:

قانون لينز Lenz's Law

تكون قيمة القوة الدافعة الكهربية مساوية للصفر عندما تكون الزاوية θ تساوي صفر و 180 درجة

الموتور الكهربي:

يعمل الموتور الكهربي من خلال تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة ميكانيكية بنفس فكرة المولد الكهربي ولكن هنا يمرر التيار الكهربي في الملف الموضوع بين قطبيي المغناطيس وتكون النتيجة هي دوران الملف. وهذا الدوران يستخدم في فكرة عمل العديد من الأجهزة مثل المروحة الهوائية ومروحة الخلاط وموتور رفع المواد الثقيلة وتحريك الأبواب وغيره من الأمثلة العديدة.

روابط إعلانية
الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق