شرح الحث الكهرومغناطيسي وأنواعه

الحث الكهرومغناطيسي من أكثر المصطلحات المتداولة في الكهرباء ويجد الكثير من الطلاب والمهندسين صعوبة في فهمها، وكتبت هذا المقال بطريقة بسيطة كي يتيسر لك فهمها إن شاء الله، وفي البداية لابد من مراجعة العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية.

العلاقة ما بين الكهرباء والمغناطيسية

ينتج عن وجود مغناطيس عادي (Magnet) في مكان ما، ظهور ما يعرف بمنطقة المجال المغناطيسي، وهى المنطقة التي يظهر فيها ما يعرف بخطوط الفيض (Flux lines)، وهى الخطوط التي تمر من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي للمغناطيس، ويمكن أن نشعر بها ونرى اتجاهها إذا وضعنا برادة حديد بالقرب من مغناطيس.

اكتشف العلماء قديمًا أنه عند مرور تيار كهربائي (I) في في موصل ما، فإن مرور هذا التيار الكهربائي يسبب نشوء ما يُسمى بالمجال المغناطيسي (Magnetic Field) حول هذا الموصل على هيئة دوائر تسمى خطوط المجال المغناطيسية (أو الفيض المغناطيسي)، ويرمز له بالرمز (φ)، يشبه تمامًا المجال المغناطيسي الذى ينشأ حول مغناطيس عادي. ومن هنا ظهر مصطلح الكهرومغناطيسية، ويعنى أن الكهرباء و المغناطيس لهما علاقات وتأثيرات متبادلة ومتشابهة.

بعد اكتشاف أن التيار الكهربائي ينتج مجالًا مغناطيسيًا، بدأ العلماء في البحث عن الظاهرة العكسية منذ حوالي عام 1821 وصاعدًا، وكانت المشكلة التي طرحوها على أنفسهم هي كيفية “تحويل” المغناطيسية إلى كهرباء.

يُقال أن فاراداي كان معتادًا على المشي وهو يحمل مغناطيس في جيوبه لتذكيره باستمرار بالمشكلة. وبعد تسع سنوات من البحث والتجريب المستمر، نجح في توليد الكهرباء عن طريق التأثير المغناطيسي. في عام 1831، صاغ القوانين الأساسية الكامنة وراء ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي (المعروفة باسمه)، والتي تقوم على أساسها تشغيل معظم الأجهزة الهامة مثل المحركات والمولدات والمحولات.

تعريف الحث الكهرومغناطيسي

الحث الكهرومغناطيسي أو التحريض (Electromagnetic induction) هو توليد قوة دافعة كهربائية (جهد كهربائي) على طرفي موصل بتحريك الموصل في مجال مغناطيسي، أو بتثبيت الموصل في مجال مغناطيسي متغير.

إذا قمت بتحريك سلك موصل داخل مجال مغناطيسي بحيث يقطع خطوط الفيض فإن قوة دافعة كهربائية ستتولد في هذا السلك. ونلاحظ نفس النتيجة لو ثبتنا السلك وحركنا مصدر المجال المغناطيسي.

قانون فاراداي

ينص قانون فاراداي (Faraday Law) على أن أي تغيير في المجال المغناطيسي لملف من الأسلاك سوف يتسبب في توليد قوة دافعة كهربائية في الملف، وإذا تم إغلاق دائرة الموصل، سيتدفق تيار أيضًا عبر الدائرة يسمى بالتيار المستحث.

ينص قانون فاراداي رياضيًا على أن مقدار الجهد emf المستحث في الملف يتناسب طرديًا (∝) مع معدل تغير الفيض (⍙ϕ) المرتبط بالملف، بالنسبة للزمن. والفيض المرتبط (flux linkage) للملف يساوي عدد اللفات (N) مضروبًا في الفيض المرتبط بالملف.

E = – N (⍙ϕ/⍙t)

حيث E مقدار الجهد emf المستحث، (⍙ϕ) الفيض المرتبط بالملف، (⍙t) التغير في الزمن، (N) عدد اللفات.

تدل الإشارة السالبة على قانون لينز (Lenz) والذي ينص على أن القوة الدافعة الكهربية تعارض تغير الفيض الذي ولدها، بحيث لو أغلقنا دائرة الملف فإن تيارًا كهربائيًا سيمر في الملف وينشئ فيضًا مغناطيسيًا يعارض تغير الفيض الأصلي.

أنواع الحث الكهرومغناطيسي

الحث الكهرومغناطيسي ينقسم إلى نوعين الأول يسمى بالحث الذاتي ويكون ناشئ عن الملف بذته، والثاني يسمى بالحث المتبادل وبحدث عند تأثير ملف على آخر مجاور له.

الحث الذاتي

الحث الذاتي (self-induction) هي الظاهرة التي ينتج فيها قوة دافعة كهربائية في موصل أو ملف واحد له العديد من اللفات N، بسبب تغيير الفيض المغناطيسي عبر الملف، عن طريق تغيير التيار الكهربائي المار في الملف.

عند مرور تيار في الملف يزداد التيار المار في الدائرة مع الزمن وبالتالي يزداد الفيض المغناطيسي خلال الدائرة نتيجة لازدياد التيار، الفيض المتزايد يؤدي إلى توليد قوة دافعة كهربائية في طرفي الملف ليعاكس الزيادة في الفيض المغناطيسي.

هذه القوة الدافعة الكهربائية المتولدة في الملف تعمل في اتجاه معاكس للتيار الأصلي وهذا نتج عن الزيادة في الفيض المغناطيسي نتيجة لزيادة التيار ، هذا التأثير يعرف باسم تأثير الحث الذاتي (Self lnduction).

من قانون فاراداي يمكننا إيجاد صيغة رياضية للتعبير عن الحث الذاتي. حيث أن الفيض يتناسب مع المجال المغناطيسي والمجال يتناسب مع التيار في الملف لذا فإن القوة الدافعة الكهربائية للحث الذاتي تتناسب مع التغير في التيار الكهربائي.

E= -N(dφ/dt) = -L(dI/dt)

حيث أن E هي القوة الدافعة الكهربائية، N عدد لفات الملف، dφ التغير في الفيض المغناطيسي، dt التغير في الزمن. L قيمة المحاثة للملف، dI التغير في التيار.

الحث المتبادل

اذا قمنا بوضع ملفين معزولين بحيث يشبك الفيض المغناطيسي الناتج عن أحدهما الملف الآخر يقال للملفين أنهما متبادلين حثيًا بواسطة فيض مشترك بينهما يسمى بالفيض التبادلي (flux linkage).

يؤدي التغير في التيار الكهربائي في أحد الملفين إلى تغيير في الفيض المغناطيسي في الملف المجاور، وهذا بالتأكيد يولد قوة دافعة كهربائية (جهد) في الملف الآخر ويسمى هذا التأثير بالتأثير الحثي المتبادل (Mutual Inductance) لأنه نتج من تأثير ملف على الآخر . حيث تتوقف قيمة الجهد المستحث على المحاثة التبادلية التي يرمز لها بالرمز M.

في الشكل توضيح للتأثير الحثي المتبادل حيث يوجد ملفان متجاوران، يمر في الملف الأول وعدد لفاته N₁ تيار كهربائي قيمته I₁ ينشئ مجالًا مغناطيسيًا يؤثر على الملف الثاني وعدد لفاته N₂ بفيض مغناطيسي Φ₂₁ و يؤدي إلى تيار حثي في الملف الثاني وقيمته I₂.

يعرف التأثير الحثي المتبادل M₁₂ في الملف الثاني من خلال المعادلة التالية:

M₁₂ = N₂ Φ₂₁/I₁

تطبيقات الحث الكهرومغناطيسي

يقوم عمل الآلات الكهربائية بمختلف أنواعها على ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي التي توصل اليها فراداي.

• المولد الكهربائي يعمل على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية بمساعدة ظاهرة الحث.
• المحركات الكهربائية تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية عن طريق مبدأ الحث.
• المحول الكهربائي يعمل على خفض ورفع الجهد بواسطة ظاهرة الحث.
• القطارات الكهربائية ينتج السكة الحديدة والقطار مجالات مغناطيسية ويتم رفع القطار بواسطة قوى التنافر بين هذه المجالات المغناطيسية.
  يتم توليد المجال المغناطيسي في القطار بواسطة مغناطيس كهربائي أو مغناطيس دائم، بينما يتم توليد القوة الطاردة في السكة بواسطة مجال مغناطيسي مستحث في الموصلات داخل سكة الحديد.
• اللحام الحثي.
• أجهزة الطبخ الكهرومغناطيسية.

---

المراجع

• Theraja,A Text Book of Electrical Technology
• ا.د محمود جيلاني، المرجع في محولات القوى الكهربائية
• المؤسسة العامة للتدريب التقني والمهني، دوائر كهربائية 1