استعرضنا في المقالة السابقة قوانين ماكسويل الأربعة وأثرها الهائل على الفيزياء والهندسة والعالم في القرن العشرين. سنتحدث اليوم عن أول هذه القوانين وأبسطها، وهو «قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي»، القانون الذي بذل فيه مايكل فاراداي قُصارى جهده لإثباته.

حيث كان من المتعارف عليه أن التيار الكهربائي من الممكن أن يولد مجالًا مغناطيسي، ولكن ظنَّ فاراداي أنه من الممكن للمجال المغناطيسي أن يُولِّد تيارًا كهربائيًّا ايضًا، وبناءً على تلك الفرضية، قام فاراداي بعدة تجارب لمحاولة إثبات أن المجال المغناطيسي قد يُوفِّر تيارًا كهربائيًّا في ظروفٍ محددة.

فقام فاراداي بوضع قطعةٍ من المغناطيس بداخل حلقة من النحاس المُوصِّل للكهرباء، ووَصَّل تلك الحلقة بمقياس كلفاني لقياس التيار الكهربائي، ولكن محاولته باءت بالفشل عندما وجد أن المقياس الكلفاني لا يلتقط أي تحرك لتيارٍ كهربائي.

ولكنه لاحظ أنه عند وضع قطعة المغناطيس بداخل الحلقة يتحرك مؤشر المقياس الكلفاني في الاتجاه الموجب، وعند إخراج قطعة المغناطيس يتحرك المؤشر في الاتجاه السالب.

وبسبب تلك الملاحظة، استنتج فارادي أن المجال المغناطيسي يولِّد تيارًا كهربائيًا عندما تكون هناك حركة نسبية بين المغناطيس والحلقة الموصِّلة للكهرباء، ولا يولِّد أي تيار عند الثبات. وعند إعادة التجربة عدة مرات بوضع قطع مختلفة للمغناطيسات، وجد فاراداي أنه كُلَّما زادت قوة المجال المغناطيسي كُلَّما زادت قوة التيار الكهرباء، فاستنتج أن العلاقة بين قوة التيار الكهربائية وقوة المجال المغناطيسي هي علاقة طردية.

وبناءً على ذلك الاستنتاج، وضع فاراداي القانون الآتي:

– حيث EMF  هو الحث الكهرومغناطيسي

– و هي دالة على كمية التدفق المغناطيسي عند الزمن t

وكمية التدفق المغناطيسي تساوي: قوة المغناطيس الخارجية مضروبة في مساحة الحلقة الموصلة للكهرباء.

ويعني القانون أن الحث الكهرومغناطيسي يساوي معدل التغير الكهرومغناطيسي، ولذلك إذا كان التغير المغناطيسي ثابتًا، فإن معدل التغير يساوي الصفر، ولذلك لا يتم توليد أي جهد كهربائي.

وبعد أن أثبت فاراداي أن المجال المغناطيسي قد يولد تيارًا كهربائيُّا في ظروفٍ معينة عن طريق التجربة التي سبق شرحها، طور فاراداي في تجربته أكثر، حيث جَرَّب وضع قطعتين من المغناطيسيات المتساويتين في القوة بداخل حلقتين موصلتين للكهرباء، واحدة بعدد لفات أكثر من الثانية، فوجد أن هناك اختلافًا في المؤشر الكلفاني، حيث كان التيار الكهربائي الناتج عن الحلقة ذات عدد اللفات الأكثر، أعلى من تلك ذات الأقل عددًا، فاستنتج فاراداي أن لعدد لفات الحلقة دور أيضًا في تحديد قوة التيار الكهرومغناطيسي.

وعدَّل فاراداي قانونه بناءً على ذلك الاستنتاج حيث أصبح:

حيث تكونN هي عدد اللفات في الحلقة.

فيساوي الحث الكهرومغناطيسي: عدد اللفات في الحلقة مضروبة في (كمية التدفق المغناطيسي مقسومة على الزمن)

قانون لينز:

بعد أن أتمَّ فاراداي تجربته ووضع القانون الذي تم شرحه سابقًا، استنتج هنري لينز شيئًا جديدًا، حيث قال لينز أن التيار الكهربائي الناتج عن الطاقة الكهرومغناطيسية المُستحثَّة يجب أن يكون في الاتجاه المعاكس للتدفق المغناطيسي. وهذا لأن التدفق المغناطيسي يستحث طاقة كهرومغناطيسية، والطاقة الكهرومغناطيسية تستحث تيار كهربائي بدورها، وكما نعلم فإن التيار الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيًا؛ مما سيزيد التدفق المغناطيسي، والذي سيزيد التيار الكهربائي مرةً أخرى! وسيصبح لدينا طاقة إيجابية لا نهائية للأبد، وهو ما يخالف قانون حفظ الطاقة.

فاستنتج لينز أنه لابد للتيار الكهربائي أن يكون في الاتجاه المعاكس للتدفق المغناطيسي لكي يحد منه وينهي تلك الدورة اللانهائية السابق ذكرها، فعدَّل لينز على قانون فارادي، وسُمِّيَ بعدها بقانون «لينز-فاراداي».

ونص القانون:

إعداد: Ziead Elshamy
مراجعة علمية: Ahmed Hassanin
مراجعة لغوية: Mohamed Sayed Elgohary
تحرير: ندى المليجي
تصميم: توفيق عاطف