القوة الدافعة الكهربية المستحثة

لقد تم اكتشاف أن التيارات الكهربية تولد مجالات مغناطيسية على يدي الفيزيائي الدنماركي هانز كريستيان  أورستيد عام 1820. وكما يحدث عادة في العلم فإن هذا الجانب الجديد الذي تم اكتشافه للطبيعة أدى إلى بحوث غزيرة في الظواهر المرتبطة به. وقد سار في احد دروب العلم التجريبي أولئك الذي حاولوا الإجابة على السؤال التالي: "غذا كانت التيارات تنتج مجالات مغناطيسية ، أفلا يمكن للمجالات المغناطيسية أن تنتج تيارات ؟ " ومضت عشر سنين قبل أن تظهر الإجابة التأكيدية على هذا السؤال على يدي مايكل فاراداي (1867 – 1791) في إنجلترا ، وبشكل مستقل أيضاً على يدي جوزيف هنري (1878 – 1797) بالولايات المتحدة*. وسنقوم الآن بعرضة تجربة توضح هذا التأثير بشكل جلي.

الشكل ((1: يتواجد تيار مستحث (تأثيري) في الملف الثانوي فقط عندما يكون التيار المار في الملف الابتدائي في حالة تغير. وتكون نبضات التيار في الواقع أقصر كثيراً عما هو مبين في (ب).

تستخدم في هذه التجربة معدات بسيطة كالمبينة في الشكل ( 1أ) ، حيث نرى دائرتين بسطتين ، والتوصيل في كل منهما على التوالي. تتكون الأولى من بطارية ومفتاح تتصل معاً على التوالي بواسطة سلك طويل ملفوف حول قضيب من الحديد المطاوع. ويطلق على هذا الملف ملفاً ابتدائياً لأن يتصل بالبطارية. اما الثانية فيلتف بها سلك مستقل حول القضيب نفسه ويتصل على التوالي بجلفانومتر ولكنها لا تحتوي على أية بطارية وهذا الملف هو ما يسمى بالملف الثانوي.

وقد يظن أحد أن التيار خلال الثانوي سيكون صفراً على الدوام بما أن دائرته لا تحتوي على بطارية.. على أن حقيقة ساطعة تتجلى إذا أغلق المفتاح أو فتح فجأ في الدائرة الابتدائية. ففي هذه اللحظة ذاتها سينحرف مؤشر الجلفانومتر فجأة ثم يعود مرة أخرى إلى الصفر. وبعبارة أخرى فإن تياراً يستحث في دائرة الملف الثانوي للحظة قصيرة. ويبدو الأمر كما لو كان بالدائرة الثانوية بطارية ( أي مصدر للقوة الدافعة الكهربية) لا يستمر وجودها إلا وقتاً قصيراً يتم فيه فتح أو قفل المفتاح. ويقال في هذه الحالة أن قوة دافعة كهربية مستحثة قد وجدت في الملف الثانوي خلال تلك اللحظة.

ويوضح الشكل (1ب) سمة أخرى للتيار والقوة الدافعة الكهربية المستحثين: حيث يسري التيار المار في فترة قصيرة في اتجاه معين عند قفل المفتاح ويسري في الاتجاه المضاد عندما يفتح. ويدل هذا على أن اتجاه القوة الدافعة الكهربية المستحثة يعتمد على ما إذا كان التيار في الملف الابتدائي في تزايد أم في تناقص.

اما الشكل (2) فيوضح تجربة ثانية تشبه الأولى إلى حد ما ، حيث تحتوي الدائرة على قضيب مغناطيسي وملف متصل على التوالي مع جلفانومتر وعندما يستقر المغناطيس ساكناً إلى جوار الملف كما في (أ) و (جـ) فلن يكون هناك تيار في الملف. أما إذا تحرك المغناطيس بالنسبة للملف فإن تياراً يسري في الملف كما هو مبين في الاجزاء (ب) ، (د) ، (هـ) ، وكما نرى فإن قوة دافعة كهربية مستحثة تظهر في الملف عندما يكون الملف والمغناطيس في حركة نسبية إزاء بعضها البعض فقط. لا تتواجد قوة دافعة كهربية مستحثة إذا لم تكن هناك ظروف متغيرة.

الشكل ((2: لا يستحث تيار في الملف إلا عندما يتحرك المغناطيس بالنسبة للملف. ويعتمد اتجاه التيار على اتجاه حركة المغناطيس وعلى اتجاه مجال المغناطيس.

ويمكننا تحليل هذا الأثر بطريقتين. فقد نلجأ إلى حقيقة أن شحنة تتحرك في مجال مغناطيسي لابد وأن تتعرض لقوة. وعلى الرغم من أن الشكل ((2 يبين أن المغناطيس هو الذي يتحرك ، إلا ان نفس الشيء تماماً يحدث إذا ظل المغناطيس ثابتاً وكان المتحرك هو الملف*. ولننظر ماذا يحدث عندما يتحرك الملف باتجاه المغناطيس. إن الشحنات الحركة داخل السلك ، تتعرض لقوةqvB_┴  عندما تتحرك في المجال المغناطيسي للمغناطيس. وتتدفق الشحنات تحت تأثير هذه القوة مما يؤدي إلى ظهور التيار المستحث.

__________________________________________________

(*) نشر عمل هنري الذي أجراه في سرية نسبية في ألباني بنيويورك في الولايات المتحدة الأمريكية فقط وعرف به عدد قليل من الناس. وهكذا فإن تجاربه لم سكن لها سوى تأثير طفيف على التقدم العلمي في ذلك الوقت.