قانون فارادي: قوة دافعة من مساحة متغيرة
1 · توقّع
حلقة سلك في مجال مغناطيسي ثابت، لكن مساحة الحلقة نفسها تتذبذب (تخيلها تتمدد وتنكمش). هل يحث ذلك أيضًا قوة دافعة كهربائية، كتغير شدة المجال؟
- نعم — لا يهتم قانون فارادي إلا بتغير التدفق الكلي Φ = BA، سواء كان المتغير هو B أم A.
- لا — تغير شدة المجال وحده يحث قوة دافعة، لا تغير المساحة.
- تغير المساحة يحث قوة دافعة، لكن بآلية مختلفة تمامًا عن تغير المجال.
2 · التجهيز
- افتح مسبق تغير التدفق بالمساحة واضغط إعادة الضبط. المجال ثابت عند 0.5 T؛ تتراوح مساحة الحلقة وفق A(t) = 0.025 m² × (1 + 0.35 cos(2π × 0.35Hz × t)).
- فعّل قراءة القوة الدافعة المستحثة.
- اقرأ القوة الدافعة المستحثة عند كل زمن مدرج.
3 · اجمع البيانات
| الزمن t (s) | القوة الدافعة المستحثة (mV) |
|---|---|
| 0.50 | |
| 1.00 | |
| 1.50 |
ارسم القوة الدافعة المستحثة (المحور y) مقابل الزمن t (المحور x) لقراءاتك الثلاث، وارسم تخطيطًا لتذبذبها عبر دورة كاملة (≈2.86 s).
4 · حلّل
- لمحاولة واحدة، احسب EMF = −B·dA/dt = B₀·A₀·0.35·ω·sin(ωt) باستخدام B₀ = 0.5 T و A₀ = 0.025 m² و ω = 2π×0.35 rad/s. قارن بالجدول.
- قارن بنية هذه الصيغة بصيغة تجربة تغير المجال. اشرح لماذا تعطي كلتاهما قوة دافعة تتناسب مع جداء الكمية الثابتة (هنا B، وهناك A) في معدل تغير الكمية المتغيرة.
5 · وسّع
- مولد «القضيب المنزلق» الكلاسيكي يغير المساحة المحصورة للدائرة بتحريك أحد جوانبها فيزيائيًا، محرضًا EMF = BLv (المجال × طول القضيب × سرعة الانزلاق) — نسخة ميكانيكية من هذا التأثير بتغير المساحة بالضبط. اشرح لماذا انزلاق القضيب أسرع يزيد القوة الدافعة المستحثة.
- بعض الميكروفونات تعمل باهتزاز مغناطيس قرب مجال ثابت (أو تغير مساحة ملف الفعالة نسبة إليه)، محولة اهتزازات الصوت إلى فيض متغير ومن ثم إلى إشارة جهد. لماذا ينتج صوت أعلى (سعة اهتزاز أكبر) إشارة قوة دافعة أكبر؟
الفيزياء خلف هذه التجربة
قانون فارادي (مساحة متغيرة)
التدفق المغناطيسي عبر حلقة هو Φ = BA. عندما تتغير A مع الزمن (وB ثابتة)، يظل قانون فارادي ساريًا: EMF = −dΦ/dt = −B·dA/dt — القانون نفسه، مع تبديل دوري B وA.