شارح الدرس: الحثُّ الكهرومغناطيسي في المحوِّلات الكهربية الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحسب التغيُّر في فرق الجهد، وشدَّة التيار الناتِج عن المحوِّل الكهربي.

لعلَّنا نتذكَّر أن الحث الكهرومغناطيسي مصطلح يعني إنتاج تيار كهربي في موصِّل عندما يتحرَّك الموصِّل بالقرب من مغناطيس.

يوضِّح الشكل الآتي مثالًا على الحث الكهرومغناطيسي باستخدام قضيب مغناطيسي وملف من سلك مصنوع من مادة موصِّلة.

يَظهَر خطٌّ واحد فقط من المجال المغناطيسي للقضيب المغناطيسي. وفي الواقع، تتحرَّك خطوط المجال من القطب الشمالي للمغناطيس إلى القطب الجنوبي تحرُّكًا متماثلًا في جميع الاتجاهات.

يَنتُج عن تحرُّك القضيب المغناطيسي، في اتجاه الملف أو بعيدًا عنه، تغيُّر في شدَّة المجال المغناطيسي في الملف. ثم يَنتُج تيار بسبب تغيُّر شدَّة المجال المغناطيسي.

لا يتضمَّن الحث الكهرومغناطيسي توليد تيار باستخدام مجال مغناطيسي متغيِّر فحسب، بل يتضمَّن أيضًا توليد مجال مغناطيسي باستخدام تيار متغيِّر. على سبيل المثال: عندما تتغيَّر شدَّة التيار في ملف، يُولِّد هذا مجالًا مغناطيسيًّا في الملف.

عندما تتغيَّر شدَّة التيار في ملف يحتوي على عدد من اللفات الدائرية، يتولَّد مجال مغناطيسي يُشبِه إلى حدٍّ كبير المجال المغناطيسي لقضيب مغناطيسي. ويُمكننا ملاحَظة ذلك في الشكل الآتي.

عادةً ما يُسمَّى ملف بهذا الشكل ملفًّا لولبيًّا.

هيَّا نتناول اثنين من الملفات اللولبية أحدهما موضوع بجانب الآخَر. لا يحتوي أيٌّ من الملفين على تيار في البداية.

بعد ذلك، نزيد شدَّة التيار من الصفر في أحد الملفين، وسنُطلِق عليه الملف الابتدائي. يوضِّح الشكل الآتي تأثير ذلك.

نلاحِظ أن تغيير شدَّة التيار في الملف الابتدائي أدَّى إلى توليد مجال مغناطيسي. ويتضمَّن هذا المجال المنطقة التي فيها الملف الثانوي.

يَنتُج عن المجال المغناطيسي المتغيِّر عبر الملف الثانوي تيار في الملف الثانوي.

ويعتمد مقدار شدَّة التيار على معدَّل تغيُّر المجال المغناطيسي في الملف الثانوي.

يوضِّح الشكل الآتي مقارنة بين شدَّة المجال المغناطيسي داخل الملف الابتدائي، وشدَّته داخل الملف الثانوي.

نلاحِظ أن المجال المغناطيسي داخل الملف الثانوي أقلُّ قوةً بكثير من المجال المغناطيسي داخل الملف الابتدائي. وهذا يعني أن شدَّة التيار الناتِجة في الملف الثانوي سيكون مقدارها أقلَّ بكثير من شدَّة التيار في الملف الابتدائي.

ونرى هنا أن كلا الملفين اللولبيَّين لا ينقلان الطاقة الكهربية بكفاءة. ويرجع ذلك إلى شكل المجال المغناطيسي للملف الابتدائي. إذا تغيَّر شكل المجال، فستزيد كفاءة نقل الطاقة من الملف الابتدائي إلى الملف الثانوي.

يُمكن إعادة توجيه المجال المغناطيسي بين الملفين اللولبيَّين بربط الملفين اللولبيَّين بقلب مُشترَك مصنوع من مادة قابلة للمغنطة مثل الحديد. وهذا موضَّح في الشكل الآتي.

يُطلَق على الملفين اللولبيَّين اللذين يربط بينهما قلب من مادة ما المحوِّل.

مقدار المجال المغناطيسي الذي يُنتِجه الملف الابتدائي داخل القلب أكبر بكثير من مقدار المجال الذي يكون موجودًا في الهواء.

يُقارِن الشكل الآتي بين كثافة خطوط المجال المغناطيسي داخل قلب المحوِّل وخارجه.

يوضِّح الشكل بعض خطوط المجال المغناطيسي كاملة داخل القلب. ونلاحِظ أن هذه الخطوط أقرب بعضهما إلى بعض من الخطوط التي تقع خارج القلب؛ وبذلك تكون شدَّة المجال المغناطيسي في القلب أكبر بكثير من شدَّة المجال خارجه.

يُمكن للمحول إذن أن ينقل الطاقة بين الملفين اللولبيَّين بكفاءة كبيرة. وسيكون معقولًا تمثيل المحوِّل باعتباره ينقل الطاقة بين ملفين لولبيَّين بكفاءة قدرها .

يُمكن نقْل الطاقة بين ملفين لولبيَّين دون استخدام الحثِّ الكهرومغناطيسي، وذلك ببساطة عن طريق توصيل الملفين اللولبيَّين بدائرة كهربية.

يُستخدَم الحثُّ الكهرومغناطيسي لنقْل الطاقة بين ملفين لولبيَّين؛ لأن هذا يسمح بوجود قِيَم مختلفة لشدَّة التيار وفرق الجهد في الملف الذي تنتقل إليه الطاقة والملف الذي تنتقل منه الطاقة.

إنَّ وجود قِيَم غير متساوية لشدَّة التيار وفرق الجهد لكلٍّ من الملفين اللولبيَّين الابتدائي والثانوي في محوِّل يتطلَّب أن يكون الملفان الابتدائي والثانوي غير متساويين في الطول، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

في محوِّل مثالي ذي كفاءة تامَّة، لا بدَّ أن يكون مقدار الطاقة الكهربية التي تنتقل من الملف الابتدائي مساويًا لمقدار الطاقة الكهربية المنقولة إلى الملف الثانوي.

تنتقل الطاقة بين الملفين في فترة زمنية ما. ومقدار الطاقة التي تنتقل في هذه الفترة الزمنية يساوي القدرة الكهربية للدَّخْل إلى الملف الابتدائي، ويساوي أيضًا القدرة الكهربية للخرج من الملف الثانوي.

يُمكن إيجاد القدرة الكهربية، ، من خلال الصيغة: حيث هو فرق الجهد عبر الملف، هو شدَّة التيار في الملف.

ويجب أن يكون: ومن ثَمَّ:

يوضِّح الشكل الآتي فرق الجهد والتيار للدَّخْل وللخَرْج في محوِّل.

يُمكننا أن نرى أن:

يُمكن اعتبار أن لفات الملف اللولبي متَّصِلة على التوالي بعضها مع بعض. ويمرُّ فرق الجهد نفسه عبر كلِّ لفة. وإجمالي فرق الجهد عبر اللفات يساوي فرق الجهد عبر الملف اللولبي.

في المحوِّل الآتي، يتضمَّن الملف الابتدائي 6 لفات، ويحتوي الملف الثانوي على لفتين، كما هو موضَّح بالشكل الآتي.

ومن ثَمَّ نجد أن:

يُمكننا إعادة ترتيب ذلك لإيجاد :

وبما أن: إذن:

يُمكننا إعادة ترتيب ذلك لإيجاد :

خَرْج هذا المحوِّل يزيد من تيار الدَّخْل ويقلِّل فرق الجهد للخَرْج.

تُسمَّى المحوِّلات طبقًا لتأثيرها على فرق جهد الدَّخْل، ومن ثَمَّ يُسمَّى محوِّل الطاقة من هذا النوع بالمحوِّل الخافض للجهد.

أمَّا المحوِّل الذي يزيد من فرق جهد الخَرْج فيُسمَّى بالمحوِّل الرافع للجهد، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

ما يجعل المحوِّل خافضًا أو رافعًا للجهد هي نسبة عدد لفات الملف الابتدائي إلى عدد لفات الملف الثانوي. وإذا افترضنا أن كلَّ اللفات متساوية في الطول، فإن نسبة عدد اللفات للملفين تساوي نسبة فرق الجهد عبر الملفين. ويُمكن كتابة هذا بالصورة:

تُستخدَم المحوِّلات في نقْل القدرة الكهربية عبر مسافات طويلة.

عندما يحمل سلك تيارًا، تُبدِّد مقاومة السلك طاقة التيار. وكلما زادت شدَّة التيار، زادت الطاقة المُبدَّدة بواسطة السلك.

باستخدام المحوِّل الرافع للجهد، يُمكن أن تُنقَل القدرة الكهربية عبر أسلاك تحمل تيارًا شدَّته صغيرة جدًّا وبفروق جهد كبيرة. ومن ثَمَّ تقلُّ القدرة المُبدَّدة في هذه الأسلاك.

يُمكن للمحوِّل الخافض للجهد زيادة قيمة شدَّة التيار الكهربي للكهرباء المنقولة عندما تَصِل في الأخير إلى الدوائر التي ستَستخدِم الكهرباء.

هيَّا نتناول الآن بعض الأمثلة التي تتضمَّن محوِّلات.

هيَّا نلخِّص الآن ما تعلَّمناه في هذا الشارح.