حث كهرومغناطيسي

التاريخ

اِكتُشف الحث (التحريض) الكهرومغناطيسيّ للمرة الأولى على يد مايكل فاراداي، الذي صرَّح عن اكتشافه على العلن عام 1831. كما تم اكتشافه بشكل مستقلٍّ على يد جوزيف هنري عام 1832.
قام فاراداي في أول تجربة علنيّة (في 29 أغسطس/آب 1831) بلف سلكين حول جانبين متقابلين من حلقة معدنيّة "طارة". توقَّع فاراداي، اعتمادًا على فهمه للمغناطيس الكهربيّ، أنه عندما يبدأ التيّار بالتدفُّق في أحد السلكين، سينتقل نوعٌ من الموجات عبر الحلقة المعدنيّة ويُسبّب بعض التأثيرات الكهربائيّة على الجانب المقابل، لذا قام بوصل أحد السلكين إلى مقياس جلفانيّ، وراقبه بعد أن وصل السلك الآخر ببطاريّة. رأى فاراداي حينها تيّارًا عابرًا عندما وصل السك بالبطاريّة وآخر عندما فصل السلك عنها أطلق عليهما اسم "موجة من الكهرباء". كان هذا التحريض عائدًا للتغيُّر الحاصل في التدفُّق المغناطيسيّ، والذي حدث عندما تم توصيل السلك بالبطاريّة ومن ثُمّ فُصلَ عنها. وخلال شهرين من هذه التجربة، وجد فاراداي ظواهر أُخرى عديدة ناجمة عن التحريض الكهرومغناطيسيّ. على سبيل المثال، فقد رأى فاراداي تيارات عابرة عندما قام بزلق مغناطيس ذو شكل قضيبيّ داخل وخارج وشيعة (ملف من الأسلاك)، نجم عنه توليد تيار ثابت (أو مستمر DC)، تظاهر هذا التيّار بدوران قرص نجاسيّ مُثبَّت من مركزه قرب المغناطيس.
شرح فاراداي التحريض الكهرومغناطيسيّ باستخدام مفهوم أسماه بخطوط القوّة، إلا أن علماء ذلك الوقت رفضوا أفكار فاراداي النظريّة، وكانت أهم الأسباب رفضهم أنها لم تكن مُصاغة رياضيًّا، باستثناء جيمس كلارك ماكسويل الذي استخدم أفكار فاراداي لبناء نظريته الكهرومغناطيسيّة الكميّة. ففي نموذج ماكسويل يتم التعبير عن جانب الوقت المتغيّر من التحريض الكهرومغناطيسيّ بمعادلة تفاضليّة، أشار إليها أوليفر هيفسايد باسم قانون فاراداي على الرغم من اختلافها قليلًا عن صيغة فاراداي الأصليّة إضافةً إلى عدم وصفها للمجالات الكهرومغناطيسيّة الحركيّة. حاليًا يُقرُّ بصيغة هيفسايد (انظر معادلة ماكسويل-فاراداي) ضمن إطار مجموعة معادلات تُعرف باسم معادلات ماكسويل.
عام 1843 صاغ هنريش لينز القانون الذي سُميَ فيما بعد باسمه، لوصف "التدفُّق عبر الحلقة). يتميز قانون لنز بإعطائه لاتجاه القوّة المحرّكة الكهربائيّة المتحرّضة واتجاه التيّار الناتج عن التحريض الكهرومغناطيسيّ.

قانون فاراداي والنسبيّة

يصف قانون فاراداي ظاهرتين مختلفتين: القوّة الكهربائيّة المحرّكة ذات الأثر الحركيّ المتولّدة عن تطبيق قوّة مغناطيسيّة على سلك متحرّك (انظر قانون لينز) والمجال الكهرومغناطيسيّ المحوِّل المتولّد عن قوّة كهربائيّة بسبب تغيّر المجال المغناطيسيّ (بسبب الشكل التفاضليّ لمعادلة ماكسويل-فاراداي). لفت جيمس كلارك ماكسويل الانتباه إلى الظواهر الفيزيائيّة المنفصلة عام 1861. يُعتقد أن مثل هذا مثال فريد في الفيزياء عن استخدام قانون أساسيّ لشرح ظاهرتين مختلفتين من هذا القبيل.
لاحظ آينشتاين أن هاتين الحالتين تتطابقان مع حركة نسبيّة بين الموصل والمغناطيس، ولا تتأثر النتيجة بأيٍّ منهما هو المتحرّك. مثّل هذا أحد المسارات الرئيسيّة التي قادت آينشتاين إلى تطوير النسبيّة الخاصة.

الصفائح الكهرومغناطيسيّة

تنشأ التيارات الدوّاميّة عندما تدور كتلة معدنيّة صلبة في حقل مغناطيسيّ، وذلك لأن الجزء الخارجيّ من المعدن يقطع خطوطًا أكثر من الحقل المغناطيسيّ مما يفعله الجزء الداخليّ، وبالتالي فإن القوّة المحركة الكهربائيّة المتحرضة ليست متجانسة بل وتميل لتوليد تيّارات بين نقاط الإمكانيات الأعظم والأصغر. حيث تستهلك التيارات الدوّاميّة كمية كبيرة من الطاقة وغالبًا ما تتسبب بارتفاع ملحوظ في درجة الحرارة.
يظهر في هذا المثال خمس صفائح أو ألواح فقط، لإظهار التقسيم الفرعي للتيارات الدوّامية، بينما في الاستخدام العمليّ يتراوح عدد التصفيحات بين 40 و66 لكل إنش، مما يخفض خسارة الطاقة عبر التيّار إلى ما يُقارب 1 بالمئة. وبينما يمكن فصل الألواح عبر عزلها، يكون الجهد الكهربائيّ منخفضًا للحد الذي يجعل طبقة طلاء الأكسدة/الصدأ الطبيعيّ كافيًا لمنع تدفُّق التيّار عبر الصفائح.
يظهر في الصورة مُدوِّر قطره حوالي 20 مم، أُخرج من محرّك يعمل بالتيّار المستمر، يُستخدم عادةً في مشغل الأقراص المضغوطة. لاحظ استخدام تصفيحات قطع قطبيّة لمغانط كهربيّة، للحدّ من الضياعات التحريضيّة المتطفلة.

التحريض التطفليّ داخل الموصلات

في هذا الرسم، يمر موصل متطاول نحاسي صلب على محرك دوَّار، يمرّ تحت طرف قطعة القطب الشماليّ للحقل المغناطيسيّ. لاحظ التوزيع غير المتساوي لخطوط القوّة عبر المستطيل النحاسيّ. المجال المغناطيسيّ أكثر تركيزًا على الحافة اليسرى للمستطيل النحاسيّ وبالتالي أقوى (a وb) بينما يكون الحقل أضعف على الحافة اليُمنى (c وd). وباعتبار أن كلتي الحافتين تتحركان بالسرعة ذاتها، سيخلق فرق قوّة الحقل بين الحافتين دوَّامات داخل الشريط النحاسي المستطيل.
تستخدم أجهزة الترددات العالية الحالية كالمحركات والمولّدات والمحوّلات الكهربائيّة عدّة موصلات صغيرة متوازية لتحطيم التدفُّق الدوَّاميّ الذي يمكن أن يتشكّل داخل الموصلات الصلبة الكبيرة. يُطبَّق المبدأ ذاته على المحوّلات ذات الترددات الأعلى من القدرة، مثلًا المحوّلات المستخدمة في إمدادات الطاقة في وضع التبديل ومحوّلات الاقتران متوسطة الترددات الموجودة في أجهزة استقبال الراديو.