اختبار بنك الأسئلة: الحث الكهرومغناطيسي والمولد والمحول والموتور (50 سؤالاً مصوراً)

في الشكل المقابل، يُسحب مغناطيس مبتعداً عن ملف لولبي بحيث يبتعد قطبه الجنوبي (S) عن الطرف A للملف. ما نوع القطب المتولد عند الطرف A واتجاه التيار المستحث في الوجه المقابل؟

ملف عدد لفاته 500 لفة يخترقه فيض مغناطيسي مقداره 4 × 10⁻⁴ Wb. إذا تلاشى هذا الفيض تماماً بمعدل منتظم خلال زمن 0.02 s، فإن القوة الدافعة الكهربية الحثية المتوسطة المتولدة في الملف تساوي:

يوضح الشكل المقابل التغير الزمني للفيض المغناطيسي (Φ_m) الذي يقطع ملفاً مع الزمن (t). في أي مرحلة من المراحل الموضحة (A, B, C) تكون القوة الدافعة الكهربية المستحثة منعدمة (emf = 0)؟

سلك مستقيم طوله 80 cm يتحرك بسرعة منتظمة 5 m/s عمودياً على مجال مغناطيسي منتظم كثافة فيضه 0.5 T كما بالشكل. مقدار القوة الدافعة الكهربية المستحثة المتولدة بين طرفي السلك تساوي:

سلك مستقيم AB يتحرك أفقياً لليمين عمودياً على مجال مغناطيسي منتظم عمودي على الصفحة للداخل كما بالشكل. اتجاه التيار المستحث المار في السلك يكون:

سلك مستقيم كتلته مهملة ينزلق بدون احتكاك على مسارين متوازيين في مجال مغناطيسي عمودي، والدائرة مغلقة بمقاومة R. لتوليد تيار مستحث واستمرار حركة السلك بسرعة ثابتة v، يلزم التأثير بقوة خارجية F_ext تساوي:

في دائرة الحث المتبادل الموضحة بالشكل، لحظة غلق مفتاح الدائرة الابتدائية (K)، يتولد في الملف الثانوي تيار كهربي مستحث وقوة دافعة كهربية حثية نوعها:

ملفان متجاوران ابتدائي وثانوي، إذا تغيرت شدة التيار في الملف الابتدائي بمعدل 50 A/s فتولدت في الملف الثانوي قوة دافعة حثية مقدارها 5 V، فإن معامل الحث المتبادل بين الملفين (M) يساوي:

في تجربة الحث الذاتي لملف كبير متصل ببطارية 6 V ومصباح نيون يحتاج 180 V ليضيء ومفتاح، يلاحظ أن مصباح النيون يضيء وتحدث شرارة كهربية عند المفتاح فقط عند:

ملف لولبي معامل حثه الذاتي L، إذا وُضع بداخله قلب من الحديد المطاوع بدلاً من الهواء مع ثبوت أبعاده وعدد لفاته كما بالشكل. ماذا يحدث لقيمة معامل الحث الذاتي ولزمن نمو وتلاشي التيار؟

التيارات الكهربية المستحثة التي تدور في مسارات دائرية مغلقة داخل كتلة معدنية مصمتة عند تعرضها لفيض مغناطيسي متغير تسمى التيارات الدوامية، وتستخدم عملياً وفائدة رئيسية في:

في المحولات والمولدات الكهربية، يُصنع القلب الحديدي من شرائح رقيقة من الحديد المطاوع السيليكوني معزولة عن بعضها وموازية لخطوط الفيض كما بالشكل بهدف:

سلك مستقيم طوله L يتحرك بسرعة v في مجال مغناطيسي منتظم B بحيث يصنع اتجاه حركته زاوية 30° مع اتجاه خطوط الفيض المغناطيسي كما بالشكل. القوة الدافعة الكهربية المستحثة بين طرفيه تساوي:

يوضح الشكل المقابل ملفاً مستطيل الشكل يدخل منطقة مجال مغناطيسي منتظم عمودي على الصفحة للداخل بسرعة منتظمة v. أثناء عملية دخول الملف بالكامل في المجال، تكون القوة الدافعة المستحثة (emf) المتولدة فيه:

عند خروج نفس الملف المستطيل من منطقة المجال المغناطيسي المنتظم كما بالشكل، يكون اتجاه التيار المستحث المتولد فيه:

ساقان معدنيتان متماثلتان طول كل منهما L تنزلقان على مسارين متوازيين في مجال مغناطيسي عمودي للداخل B، الساق الأولى تتحرك لليمين بسرعة v والثانية لليسار بسرعة v كما بالشكل. القوة الدافعة الكهربية المستحثة الكلية في الدائرة تساوي:

حلقة معدنية موضوعة في نفس مستوى ملف دائري متحد معها في المركز يمر به تيار كهربي يتزايد بانتظام مع الزمن كما بالشكل. اتجاه التيار المستحث في الحلقة ونوع القوة الميكانيكية المتبادلة بينهما هما:

تسقط حلقة من النحاس سقوطاً حراً رأسياً نحو القطب الشمالي لمغناطيس مثبت كما بالشكل. أثناء اقتراب الحلقة من المغناطيس، تكون عجلة سقوط الحلقة (a):

إذا كُررت التجربة السابقة باستخدام حلقة نحاسية بها قطع (دائرة مفتوحة) كما بالشكل المقابل. تكون عجلة سقوط الحلقة أثناء اقترابها من المغناطيس مساوية لـ:

عندما يكون مستوى ملف المولد الكهربي (الدينامو) عمودياً على خطوط الفيض المغناطيسي (الوضع الرأسي كما بالشكل)، فإن قيمة الفيض المغناطيسي الذي يخترق الملف (Φ_m) والقوة الدافعة اللحظية المستحثة (emf) تكونان:

عندما يدور ملف الدينامو بحيث يصبح مستواه موازياً لخطوط الفيض المغناطيسي (الوضع الأفقي كما بالشكل)، فإن:

دينامو تيار متردد يولد قوة دافعة عظمى مقدارها emf_max = 200 V. ما هي القيمة اللحظية للقوة الدافعة المستحثة بعد دوران الملف بزاوية 30° من الوضع العمودي (وضع الصفر)؟

إذا كان الزمن الدوري لدوران ملف الدينامو هو T، فإن القوة الدافعة المستحثة تصل إلى نصف قيمتها العظمى الموجبة لأول مرة بعد زمن من بدء الدوران من الوضع العمودي مقداره:

دينامو تيار متردد ينتج تياراً أقصاه I_max = 10 A. القيمة الفعالة لشدة هذا التيار المتردد (I_eff) التي تولد نفس التأثير الحراري لتيار مستمر في نفس المقاومة وخلال نفس الزمن تساوي:

مصدر تيار متردد قوته الدافعة العظمى 100 V يتصل بمصباح كهربي مقاومته 50 Ω. ما هي القدرة الكهربية المستنفدة في المصباح؟

متوسط القوة الدافعة الكهربية المستحثة في ملف الدينامو خلال ربع دورة من الوضع العمودي بالمقارنة مع متوسطها خلال نصف دورة من نفس الوضع يكون:

متوسط القوة الدافعة الكهربية المستحثة في ملف الدينامو خلال دورة كاملة (360°) يساوي:

القوة الدافعة الحثية المتوسطة المتولدة في ملف الدينامو خلال ثلاثة أرباع دورة (3/4 دورة) بدءاً من الوضع العمودي تساوي:

لتحويل المولد الكهربي من مولد تيار متردد إلى مولد تيار موحد الاتجاه (مقوم)، يتم استبدال الحلقتين المعدنيتين المنزلقتين بـ:

للحصول على تيار كهربي مستمر موحد الاتجاه وثابت الشدة تقريباً من الدينامو، يتم:

عند توصيل دايود (وصلة ثنائية) على التوالي في دائرة دينامو تيار متردد كما بالشكل، فإن شكل التيار الناتج في الدائرة يكون:

إذا وُصل الملف الابتدائي لمحول كهربي ببطارية تيار مستمر (DC) قوتها 12 V، فإن فرق الجهد المتولد بين طرفي الملف الثانوي في الحالة المستقرة يساوي:

في المحول الكهربي الرافع للجهد، تكون العلاقة بين عدد لفات الملفين وجهديهما وتياريهما هي:

محول كهربي خافض للجهد يستخدم لتشغيل جهاز يعمل على 12 V من مصدر 240 V. إذا كان عدد لفات ملفه الابتدائي 1000 لفة، فإن عدد لفات ملفه الثانوي (بفرض أنه مثالي) يساوي:

محول كهربي مثالي خافض للجهد النسبة بين عدد لفات ملفيه 1 : 4. إذا كانت شدة تيار الملف الابتدائي 2 A، فإن شدة تيار الملف الثانوي تساوي:

محول كهربي كفاءته 80% يعمل على مصدر جهده 200 V ويعطي تياراً في الملف الثانوي شدته 4 A عند جهد 50 V. شدة تيار الملف الابتدائي تساوي:

أي من الإجراءات الهندسية الآتية غير صحيح للحد من فقد الطاقة في المحول الكهربي؟

تُنقل الطاقة الكهربية من محطات التوليد إلى أماكن الاستهلاك باستخدام محولات رافعة للجهد عند محطة التوليد، وذلك بهدف:

محطة توليد كهرباء تنتج قدرة 100 kW عند جهد 1000 V، ونُقلت هذه القدرة عبر خط نقل مقاومته 2 Ω. القدرة الكهربية المفقودة في خط النقل تساوي:

محول كهربي مثالي له ملف ابتدائي متصل بمصدر 220 V وملفان ثانويان: الأول يشغل جهازاً (6 V, 0.5 A) والثاني يشغل جهازاً (12 V, 0.25 A) ويعملان معاً. شدة تيار الملف الابتدائي تساوي:

الأساس العلمي والفيزيائي الذي تبنى عليه فكرة عمل المحرك الكهربي (الموتور) هو:

في المحرك الكهربي (الموتور)، تكمن الوظيفة الأساسية لنصفي الأسطوانة المعدنية المعزولين في:

عندما يمر ملف المحرك الكهربي بالوضع العمودي على خطوط المجال المغناطيسي، ينعدم عزم الازدواج المغناطيسي وتلامس الفرشتان المادة العازلة بين نصفي الأسطوانة، ومع ذلك يستمر الملف في الدوران بسبب:

أثناء دوران ملف المحرك الكهربي في المجال المغناطيسي، يقطع خطوط الفيض فتتولد فيه قوة دافعة كهربية مستحثة عكسية (Back EMF). الوظيفة الهامة لهذه القوة العكسية هي:

تكون شدة التيار المار في ملف المحرك الكهربي لحظة بدء تشغيله (لحظة الغلق وقبل دورانه) أكبر ما يمكن بالمقارنة مع شدته أثناء سرعة الدوران المنتظمة، وذلك بسبب:

لزيادة كفاءة وقدرة المحرك الكهربي على الدوران والاحتفاظ بعزم ازدواج ثابت وأقصى قدرة ميكانيكية، يفضل استخدام:

الفارق الجوهري بين المولد الكهربي (الدينامو) والمحرك الكهربي (الموتور) من حيث تحولات الطاقة هو:

مولد كهربي يولد تياراً متردداً بجهد 100 V متصل بملف ابتدائي لمحول خافض للجهد كفاءته 100% ونسبة لفاته N_s / N_p = 1 / 5. فرق الجهد الناتج في الملف الثانوي يساوي:

في منظومة كهربية مركبة، يدور ملف دينامو مساحته 0.05 m² ومكون من 200 لفة في مجال منتظم 0.2 T بتردد 50 Hz. تم توصيل هذا الدينامو بمحول كهربي رافع كفاءته 90% ونسبة لفاته N_s / N_p = 5. القوة الدافعة الكهربية العظمى الناتجة من الملف الثانوي للمحول تساوي: