الدرس: 2-4 اكتشاف فاراداي

اشرح تجربة توضح فيها ما استنتجه فراداي في تجربته الشهيرة في الحث الكهرومغناطيسي باستعمال ملفين سلكيين ملفوفين حول حلقة مقفلة من الحديد المطاوع؟

• نحتاج ملفين سلكيين ملفوفان حول حلقة مغلقة من الحديد المطاوع.
• تربط أحد الملفين على التوالي مع مفتاح وبطارية. (وتسمى دائرة الملف الابتدائي).
• تربط الملف الآخر بين طرفي كلفانوميتر صفره في وسط التدريجة. (تسمى دائرة الملف الثانوي).

أولاً: نغلق المفتاح ماذا نلاحظ؟

نلاحظ انحراف مؤشر الكلفانوميتر على أحد جانبي صفر التدريجة ومن ثم عودته إلى الصفر.

ثانياً: نفتح المفتاح ماذا نلاحظ؟

نلاحظ انحراف مؤشر الكلفانوميتر إلى الجانب المعاكس من صفر التدريجة ثم عودته إلى الصفر ماذا نستنتج من التجربة؟ أو ما تفسير ذلك؟

• عند غلق المفتاح حصل نمو في تيار دائرة الملف الابتدائي فتسبب بزيادة الفيض المغناطيسي الذي يخترق دائرة الملف الثانوي وبالتالي انسياب تيار محتث فيها أدى إلى انحراف مؤشر الكلفانوميتر.
• إن عودة المؤشر إلى الصفر بسبب ثبوت تيار دائرة الملف الابتدائي وبالنتيجة ثبوت الفيض المغناطيسي فأصبح التيار المحتث يساوي صفر.
• عند فتح المفتاح حصل تلاشي في تيار دائرة الملف الابتدائي فتسبب يتناقص الفيض المغناطيسي الذي يخترق دائرة الملف الثانوي وبالتالي انسياب تيار محتث فيها أدى إلى انحراف مؤشر الكلفانوميتر.

إن عودة المؤشر إلى الصفر هو بسبب تلاشي الفيض المغناطيسي وأصبح يساوي صفر.

مبدأ أورستد (انسياب تيار كهربائي في سلك موصل يولد حوله مجالاً مغناطيسياً) لا ينساب تيار كهربائي في ملف ساكن مواجه لمجال مغناطيسي منتظم. علل ذلك؟

بسبب عدم حدوث تغير في الفيض المغناطيسي الذي يخترق الملف خلال وحدة الزمن، وذلك لعدم توفر حركة نسبية بين المغناطيس والملف لذا لا ينساب تيار في الدائرة.

ما هو العامل الأساسي لتوليد التيار المحتث في دائرة موصلة مقفلة؟

حصول تغير في الفيض المغناطيسي الذي يخترق الدائرة لوحدة الزمن.

ما سبب انحراف مؤشر المقياس المربوط مع الملف الثانوي على أحد جانبي صفر التدريجة لحظة إغلاق المفتاح المربوط مع الملف الابتدائي ثم رجوعه إلى تدريجة الصفر؟

لأن عملية تنامي التيار في دائرة الملف الابتدائي تسببت في تزايد الفيض المغناطيسي الذي يخترق الملف الثانوي وبالتالي انسياب تيار محنث، ومن ثم تلاشيه بسبب ثبات التيار المنساب في دائرة الملف الابتدائي.

ما هو استنتاج فراداي (مبدأ فراداي) (الحث الكهرومغناطيسي)؟

تتولد قوة دافعة كهربائية محتلة وينساب تيار محتث في دائرة كهربائية مقفلة (ملف سلكي أو حلقة موصلة) فقط عندما يحصل تغير في الفيض المغناطيسي الذي يخترق تلك الدائرة لوحدة الزمن $\frac{{\mathrm{\Delta \Phi }}_B}{\mathrm{\Delta }t}$.

ما سبب فشل المحاولات العملية التي سبقت اكتشاف فراداي في تولید تیار کھربائی بواسطة مجال مغناطيسي؟

كانت جميع المحاولات التي سبقت فراداي تعتمد على المجالات المغناطيسية الثابتة فقط.

هل يمكن للمجال المغناطيسي أن يولد تياراً كهربائياً في حلقة موصلة مقفلة؟ وضح ذلك؟

نعم، إذا توفرت حركة نسبية بين المجال المغناطيسي (B) والحلقة المقفلة أو عندما يحصل تغير في الفيض المغناطيسي الذي يخترق تلك الدائرة لوحدة الزمن، وهذا حسب مبدأ فراداي في الحث الكهرومغناطيسي.

وضح بنشاط ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي، ذاكراً الاستنتاج الذي توصلت إليه من خلال النشاط؟

لتوضيح مفهوم ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي بعد الاكتشاف المهم لفراداي، اشرح: تجربة واحدة لتوضيح ذلك مع رسم الدائرة الكهربائية؟

أدوات النشاط: ملفان سلكيان مجوفان مختلفان في أقطار هما (يمكن إدخال أحدهما في الآخر)، كلفانوميتر صفره في وسط التدريجة، ساق مغناطيسية، أسلاك توصيل، بطارية، مفتاح كهربائي.

نشاط 1:

خطوات النشاط:

• تربط طرفي أحد الملفين بواسطة أسلاك التوصيل مع طرفي الكلفانوميتر.
• نجعل الساق المغناطيسية وقطبها الشمالي مواجهاً للملف وفي حالة سكون نسبة للملف.

هل تلاحظ حصول انحراف لمؤشر الكلفانوميتر؟

سنجد أن مؤشر الكلفانوميتر يبقى ثابتاً عند صفر التدريجة، أي لا يشير إلى انسياب تيار في دائرة الملف.

ندفع الساق المغناطيسية نحو وجه الملف، ثم نبعدها عنه، ماذا نلاحظ؟

نلاحظ أن مؤشر الكلفانوميتر ينحرف على أحد جانبي صفر التدريجة (عند تقريب الساق) وينحرف باتجاه معاكس (عند إبعادها) مشيراً إلى انسياب تيار محتث في دائرة الملف في الحالتين.

نشاط 2:

خطوات النشاط:

• تربط طرفي ملف آخر (ويسمي بالملف الابتدائي) بين قطبي البطارية بواسطة أسلاك التوصيل للحصول على مغناطيس كهربائي نحرك الملف المتصل بالبطارية (الملف الابتدائي) أمام وجه الملف الثانوي المتصل بالكلفانوميتر بتقريبه مرة من وجه الملف الثانوي وأبعاده مرة أخرى وبموازاة محوره.
• نلاحظ أن مؤشر الكلفانوميتر ينحرف على أحد جانبي الصفر مرة وباتجاه معاكس مرة أخرى وبالتعاقب مشيراً إلى انسياب تيار محتث في دائرة الملف الثانوي ثم عودته إلى الصفر عندما لا يحصل توافر الحركة النسبية بين الساقين.

نشاط3:

خطوات النشاط: تربط مفتاح كهربائي في دائرة الملف الابتدائي وتجعله مفتوحاً.

ندخل الملف الابتدائي في جوف الملف الثانوي وتحافظ على ثبوت أحد الملفين نسبة إلى الآخر، هل ينحرف مؤشر الكلفانوميتر؟

نغلق ونفتح المفتاح في دائرة الملف الابتدائي ماذا تلاحظ؟

نلاحظ أن مؤشر الكلفتوميتر يتذبذب بانحرافه على جانبي الصفر باتجاهين متعاكسين فقط في لحظتي إغلاق وفتح المفتاح في دائرة الملف الابتدائي وعلى التعاقب، مشيراً إلى انسياب تيار محتث في دائرة الملف الثانوي.

نستنتج من كل نشاط من الأنشطة الثلاث ما يأتي:

• تستحث قوة دافعة كهربائية $\left({\epsilon }_{\text{ind }}\right)$ وينساب تيار محتث $\left(I_{\text{ind }}\right)$ في دائرة كهربائية مقفلة (حلقة موصلة أو فقط عند حصول تغير في الفيض المغناطيسي الذي يخترق تلك الدائرة لوحدة الزمن، (على الرغم من عدم توافر بطارية في تلك الدائرة).
• تكون قطبية القوة الدافعة الكهربائية المحتثة $\left({\epsilon }_{\text{ind }}\right)$ واتجاه التيار المحتث $\left(I_{\text{ind }}\right)$ في الدائرة الكهربائية باتجاه معين عند تزايد الفيض المغناطيسي الذي يخترقها، ويكونان باتجاه معاكس عند تناقص هذا الفيض على التيار المناوب.