المناهج الدراسية
تسجيل الدخول

المناهج الدراسية

الفيزياء — الصف الثالث الثانوي

الوحدة الأولى: الكهربية التيارية

0/17

الوحدة الثانية: مقدمة في الفيزياء الحديثة

0/8
نص الدرس

الحث الكهرومغناطيسي

الفيزياء — الصف الثالث الثانوي

الحث الكهرومغناطيسي

1. قانون فاراداي وقاعدة لنز

1. قانون فاراداي وقاعدة لنز

  • ينص قانون فاراداي على أن القوة الدافعة الكهربية المستحثة المتولدة في موصل تتناسب طردياً مع المعدل الزمني الذي يقطع به الموصل خطوط الفيض المغناطيسي، ومع عدد اللفات: emf = -N (ΔΦ_m / Δt)، وتحدد الإشارة السالبة وفق قاعدة لنز بحيث يعاكس التيار المستحث التغير المسبب له.
  • لا يكفي وجود مجال مغناطيسي لتوليد تيار.
  • فإذا ثُبّت المغناطيس داخل الملف يعود مؤشر الجلفانومتر إلى الصفر رغم قوة الفيض، لأن المطلوب هو تغير الفيض الذي تقطعه اللفات مع الزمن.
  • ولهذا تكبر القوة الدافعة كلما زاد معدل التغير وعدد اللفات.
  • تفسر قاعدة لينز الإشارة السالبة التيار المستحث يعاكس التغير الذي سببه. فعند تقريب القطب الشمالي للملف يتولد في وجهه القريب قطب شمالي فيحدث تنافر، وعند إبعاده يتولد قطب جنوبي فيحدث تجاذب. وهي تطبيق لقانون حفظ الطاقة، إذ يتحول الشغل المبذول للتغلب على هذه القوى إلى طاقة كهربية.
  • السلك المستقيم المتحرك عمودياً على مجال منتظم تتولد فيه emf = B L v sin θ، حيث θ الزاوية بين اتجاه الحركة والمجال.
  • ويحدد اتجاه التيار بقاعدة فليمنج لليد اليمنى: إذا أشارت السبابة للمجال والإبهام لحركة السلك، تشير الوسطى إلى اتجاه التيار المستحث.
  • ويسري التيار داخل السلك من الجهد الأقل إلى الأعلى لأن السلك يعمل كمصدر.
  • مثال ملف من 500 لفة مساحة اللفة 100 cm2 (أي 0.01 m2) موضوع عمودياً على مجال 0.2 T. إذا انعدم المجال خلال 0.05 s فإن ΔΦ = -0.002 Wb والقوة الدافعة = 500 × 0.002 / 0.05 = 20 V. أما إذا قُلب الملف 180° خلال 0.1 s فإن ΔΦ = -2BA = -0.004 Wb والقوة الدافعة 20 V أيضاً. فعبارة قلب الملف أو عكس اتجاه المجال تعني ΔΦ = -2BA.
الشكل (1): تجربة فاراداي لتوليد التيار المستحث وقاعدة لنز في حالتي اقتراب وابتعاد القطب المغناطيسي
الشكل (1): تجربة فاراداي لتوليد التيار المستحث وقاعدة لنز في حالتي اقتراب وابتعاد القطب المغناطيسي
الشكل (1)←تجربة فاراداي لتوليد التيار المستحث وقاعدة لنز في حالتي اقتراب وابتعاد القطب المغناطيسي: 1. قانون فاراداي وقاعدة لنز
الحث الكهرومغناطيسي · 1 / 4
2. الحث المتبادل بين ملفين والحث الذاتي

2. الحث المتبادل بين ملفين والحث الذاتي

  • في الحث المتبادل يؤثر تغير التيار في الملف الابتدائي على الملف الثانوي المجاور فيولد فيه قوة دافعة مستحثة: emf₂ = -M (ΔI₁ / Δt).
  • أما الحث الذاتي فهو تولد emf مستحثة في نفس الملف عند تغير شدة التيار المار فيه: emf = -L (ΔI / Δt)، ويقاس كلا المعاملين بوحدة الهنري (Henry).
  • يتولد في الملف الثانوي تيار عكسي عند زيادة فيضه، كلحظة غلق المفتاح أو تقريب الملفين أو إدخال قلب حديدي، وتياراً طردياً في نفس اتجاه تيار الابتدائي عند نقصان الفيض، كلحظة فتح المفتاح أو إبعاد الملفين.
  • الحث الذاتي ينشئ في الملف نفسه قوة دافعة عند تغير تياره.
  • ومعامل الحث الذاتي يحسب من L × I = N × Φ؛ فلملف 400 لفة يولد فيضاً 10-3 Wb عند تيار 5 A يكون L = 0.08 H.
  • والهنري يساوي 1 V·s/A.
الشكل (2): ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي المتبادل بين ملفين والحث الذاتي لملف لولبي
الشكل (2): ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي المتبادل بين ملفين والحث الذاتي لملف لولبي
  • الملف الكبير ذو القلب الحديدي ينمو فيه التيار ببطء عند غلق الدائرة لأن القوة المستحثة العكسية تقاوم نموه، بينما يتلاشى التيار بسرعة عند فتح المفتاح، فتتولد قوة دافعة طردية كبيرة جداً تسبب شرارة بين طرفي المفتاح.
  • مثال إذا انعدم التيار 5 A خلال 0.02 s في الملف السابق، فإن القوة الدافعة الطردية = 0.08 × 5 / 0.02 = 20 V.
  • التيارات الدوامية تنشأ داخل القطع المعدنية المصمتة عند تعرضها لفيض متغير، وتسبب تسخيناً ضاراً في الأجهزة.
  • ويقلل منها تقسيم القلب الحديدي إلى شرائح رقيقة معزولة عن بعضها.
  • وفي المقابل تُستخدم في أفران الحث لصهر المعادن.
الحث الكهرومغناطيسي · 2 / 4
3. المولد الكهربي (الدينامو)

3. المولد الكهربي (الدينامو)

  • يحول المولد الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربية عن طريق دوران ملف بين قطبي مغناطيس.
  • وتكون القوة الدافعة اللحظية جيبية: emf = emf_max sin(ωt)، والقيمة الفعالة: emf_eff = 0.707 emf_max.
  • عندما يكون مستوى الملف عمودياً على المجال يكون الفيض أقصى والقوة الدافعة صفراً، وعند توازيه مع المجال يكون الفيض صفراً والقوة الدافعة أكبر ما يمكن emfmax = N A B ω.
  • وتزداد القيمة العظمى بزيادة السرعة الزاوية.
  • متوسط القوة الدافعة خلال ربع دورة أو نصف دورة من الوضع العمودي يساوي (2/π) emfmax = 4NABf، أما متوسطها خلال دورة كاملة فيساوي صفراً لأن النصف الموجب يلغي السالب.
  • وأجهزة قياس التيار المتردد تقرأ القيمة الفعالة.
  • لتحويل التيار إلى موحد الاتجاه نستبدل حلقتي الانزلاق بأسطوانة معدنية مشقوقة لنصفين معزولين (المقوم المعدني)، فيصبح التيار في الدائرة الخارجية نبضياً موحد الاتجاه.
  • ولجعله ثابت الشدة تقريباً نستخدم عدة ملفات بينها زوايا متساوية، وتُقسم الأسطوانة إلى ضعف عدد الملفات.
الشكل (3): التركيب الداخلي للدينامو ومنحنى القوة الدافعة الكهربية المترددة الجيبية
الشكل (3): التركيب الداخلي للدينامو ومنحنى القوة الدافعة الكهربية المترددة الجيبية
مثال←ملف من 200 لفة مساحة اللفة 0.02 m2 في مجال 0.1 T، يدور 3000 لفة في الدقيقة: f = 50 Hz و emfmax = 40π ≈ 125.7 V. بعد 1/600 s من الوضع العمودي تكون زاوية الدوران 30° فتكون القوة الدافعة اللحظية 62.8 V، ومتوسطها خلال ربع دورة 80 V.
الحث الكهرومغناطيسي · 3 / 4
4. المحول الكهربي والمحرك (الموتور)

4. المحول الكهربي والمحرك (الموتور)

  • يعمل المحول الكهربي على رفع أو خفض الجهد المتردد بالحث المتبادل دون تغيير التردد وفق العلاقة: V_s / V_p = N_s / N_p = I_p / I_s في المحول المثالي، بينما يحول المحرك الكهربي الطاقة الكهربية إلى طاقة حركية بالاستفادة من عزم الازدواج المغناطيسي وتوحيد اتجاه الحركة بنصفي الأسطوانة المعدنية.
  • المحول المثالي تتساوى فيه القدرة الداخلة والخارجة (Vp Ip = Vs Is).
  • وتعرف كفاءته بأنها نسبة القدرة الخارجة إلى الداخلة: η = (Vs Is) / (Vp Ip) × 100%.
  • مثال: كفاءة 80%، وVp = 220 V، وVs = 11 V، وIs = 2 A، فتكون القدرة الخارجة 22 W والداخلة 27.5 W، وتيار الابتدائي 0.125 A.
  • تنشأ خسائر المحول من حرارة الأسلاك (فتعالج بنحاس عالي النقاء وأسلاك سميكة للتيار العالي)، ومن التيارات الدوامية في القلب (فتعالج بشرائح معزولة)، ومن الطاقة اللازمة لترتيب الجزيئات المغناطيسية (فتعالج بالحديد المطاوع السيليكوني سهل التمغنط وسهل فقد مغناطيسيته)، ومن تسرب الفيض (فيعالج بلف الثانوي فوق الابتدائي).
الشكل (4): تركيب المحول الكهربي ذي القلب الحديدي المطاوع السيليكوني المصفح
الشكل (4): تركيب المحول الكهربي ذي القلب الحديدي المطاوع السيليكوني المصفح
  • في نقل الكهرباء تكون القدرة المفقودة في خط النقل مساوية لـ I2 R، لذلك تستخدم محولات رافعة للجهد عند المحطة فيقل تيار الخط (I = P / V)، فتقل القدرة المفقودة بدرجة كبيرة.
  • المحرك الكهربي يحول الطاقة الكهربية إلى حركية بعزم الازدواج.
  • ويستمر الملف في الدوران في اتجاه واحد لأن المقوم المعدني يعكس اتجاه التيار عند مروره بالوضع العمودي حيث ينعدم العزم، ويتجاوزه الملف بالقصور الذاتي.
  • وتضمن القوة الدافعة المستحثة العكسية ألا تزيد السرعة زيادة مفرطة.
الحث الكهرومغناطيسي · 4 / 4