تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: الحث الكهرومغناطيسي في المولِّدات الفيزياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف الحث الكهرومغناطيسي في أجهزة مثل المولِّدات والدينامو.

مصطلح الحث الكهرومغناطيسي يعني توليد تيار كهربي في موصل عندما يتحرَّك الموصل بالقرب من مغناطيس.

يوضِّح الشكل الآتي قضيبًا مغناطيسيًّا في حالة سكون بالقرب من ملف مصنوع من سلك موصل.

يظهر خط واحد فقط من المجال المغناطيسي للقضيب المغناطيسي. في الواقع، تنتقل خطوط المجال من القطب الشمالي للمغناطيس إلى القطب الجنوبي انتقالًا متماثلًا في جميع الاتجاهات.

لن يُوجَد تيار مستحث في الملف إذا لم يتحرَّك أيٌّ من المغناطيس أو الملف.

يوضِّح الشكل الآتي تحرُّك القطب الشمالي للقضيب المغناطيسي ميكانيكيًّا، إما نحو الملف وإما بعيدًا عنه.

يتولَّد تيار في الملف بواسطة الحث الكهرومغناطيسي.

نلاحظ أن اتجاه التيار الناتج في الملف يعتمد على اتجاه حركة المغناطيس، وإذا ما كانت في اتجاه الملف أو بعيدًا عنه، ولكن في كلتا الحالتين، يتولَّد تيار.

أيضًا، يتولَّد تيار إذا ظل المغناطيس في حالة سكون وتحرَّك الملف في اتجاه المغناطيس أو بعيدًا عنه. وسيكون مقدار شدة التيار نفس مقدار شدة التيار المتولِّد إذا تحرَّك المغناطيس.

إذا تحرَّك مغناطيس خلال ملف موصل، من أحد طرفَيْه إلى طرفه الآخر، فهذا يعني أن المغناطيس يتحرَّك أولًا في اتجاه الملف ثم يتحرَّك بعيدًا عن الملف. ومن ثَمَّ، ينعكس اتجاه التيار في الملف عند حدوث ذلك.

المولِّد جهاز يَستخدم الحث الكهرومغناطيسي لتوليد تيار كهربي.

يوضِّح الشكل الآتي المكوِّنات الأساسية للمولِّد.

لا توضِّح مخططات المولِّدات عادةً إلا قطبَي المغناطيس المستخدَم.

لا بد أن يكون ملف المولِّد متصلًا بدائرة كهربية، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

يمكن أن تحتوي الدائرة على أي جهاز كهربي نريد توليد تيار فيه باستخدام المولِّد.

ولتوليد تيار، لا بد من التأثير بقوى ليدور الملف، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

تؤثِّر قوتان لجعل الملف يدور.

من المهم جدًّا فهم النقاط الآتية عن القوتين اللتين تتسبَّبان في دوران الملف:

  • القوتان اللتان تتسبَّبان في دوران الملف قوتان ميكانيكيَّتان مؤثِّرتان.
  • القوتان اللتان تتسبَّبان في الدوران ليستا قوتين كهربيَّتين ولا مغناطيسيَّتين.
  • لا تعتمد القوتان اللتان تتسبَّبان في الدوران على وجود مجال مغناطيسي.
  • دوران الملف بسبب هاتين القوتين يماثل الدوران الميكانيكي لأي جسم حول محورٍ ما، ولا يُعَد ظاهرة كهرومغناطيسية.

عندما يدور الملف، يتولَّد تيارٌ في الملف عن طريق الحث الكهرومغناطيسي. ولأن الدائرة موصلة بالملف، فسيكون هناك تيارٌ أيضًا في الدائرة.

من المهم أن نلاحظ أن الدائرة لم تُدرَج في الشكل الذي يوضِّح القوتين المتسبِّبتين في دوران الملف. يُمكن توصيل ملف دوَّار بدائرة باستخدام طرق مختلفة.

إحدى هذه الطرق هي استخدام حلقتَي انزلاق. وذلك موضَّح في الشكل الآتي.

سيكون مفيدًا أن نُمعِن النظر في تفاصيل الحلقتين الموضَّحتين في الشكل الآتي.

نلاحظ هُنا أن طرفَي الملف متصلان بالحلقتين.

تدور الحلقتان، وتدوران بالسرعة نفسها التي يدور بها الملف.

تتصل الحلقتان بطرفَي الدائرة بواسطة فُرشتَيْن تلامسان الحلقتين الدوَّارتين. وهذا يَصِل الملف بالدائرة.

بافتراض أن الملف له سرعة دوران ثابتة، يوضِّح الشكل الآتي التغيُّر في شدة التيار مقابل الزمن في دائرة متصلة بمولِّد من خلال حلقتَي انزلاق.

يوضِّح التمثيل البياني التغيُّر في شدة التيار أثناء دورة واحدة كاملة للملف.

نلاحظ أن التيار يعكس اتجاهه خلال دوران الملف. ويكون التيار في اتجاه واحد عبر الدائرة خلال نصف دورة الدوران، ثم يصبح التيار في الاتجاه المعاكس خلال النصف الآخر من دورة الدوران. وهذا تيار متردِّد.

هناك طريقة أخرى لتوصيل المولِّد بدائرة، وهي استخدام مقوِّم التيار. وذلك موضَّح في الشكل الآتي.

يظهر مقوم التيار بالتفصيل في الشكل الآتي.

نلاحظ أنه عند دوران الملف، يدور نصفا مقوم التيار أيضًا. وتكون سرعة الدوران هي نفسها بالنسبة إلى الملف ومقوم التيار.

يتصل كل نصفٍ من نصفَي مقوم التيار بفُرشة تتصل بطرف مختلف من طرفَي الدائرة.

بعدما يدور مقوم التيار نصف دورة كاملة، يتغيَّر طرف الدائرة الذي يتصل به كل نصف من نصفَي مقوم التيار. وهذا يعني أن طرف الملف الذي يتصل به كل نصف من نصفَي الدائرة يتغيَّر أيضًا.

بافتراض أن الملف له سرعة دوران ثابتة، يوضِّح التمثيل البياني الآتي التغيُّر في شدة التيار مقابل الزمن في دائرة متصلة بمولِّد بواسطة مقوم تيار.

يوضِّح التمثيل البياني التغيُّر في شدة التيار لدورة كاملة واحدة للملف.

نلاحظ أن اتجاه التيار هو نفسه خلال الدوران، لكن نلاحظ أن مقدار شدة التيار يتغيَّر. وهذا تيار متردِّد مُقوَّم.

يقارن التمثيل البياني الآتي تغيُّر شدة التيار مقابل الزمن أثناء دورة كاملة في ملفين؛ أحدهما موصَّل باستخدام حلقتَي انزلاق، والآخر موصَّل باستخدام مقوم تيار.

نُلقي نظرةً الآن على مثال يتعلَّق بالتيار الناتج عن مولِّدات بتصميم حلقتَي الانزلاق وتصميم مقوم التيار.

مثال ١: فهم المولِّدات

يوضِّح الشكل تصميمَين لمولِّديْنِ بسيطين. يَستخدم التصميم الأول حلقتَي انزلاق لتوصيل التيار المُستحَث إلى دائرة كهربية خارجية. أما التصميم الثاني فيَستخدم مُقوِّم تيار لتوصيل التيار المُستحَث إلى دائرة كهربية خارجية.

يوضِّح التمثيل البياني الآتي فرق الجهد مُقابِل الزمن لأربعة مصادر جهد مختلفة.

  1. أيُّ خط على التمثيل البياني يُمثِّل فرق الجهد الناتج عن مولِّد يُستخدَم في تصميمه مُقوِّم التيار؟
  2. أيُّ خط على التمثيل البياني يُمثِّل فرق الجهد الناتج عن مولِّد تُستخدم في تصميمه حلقتا الانزلاق؟

الحل

الجزء الأول

يتناسب فرق الجهد الناتج عن المولِّد طرديًّا مع شدة التيار الناتج عن المولِّد. وما يسري على التغيُّر في شدة التيار مقابل الزمن بالنسبة إلى المولِّد، يسري أيضًا على التغيُّر في فرق الجهد مقابل الزمن بالنسبة إلى المولِّد نفسه.

التيار الناتج عن المولِّد الذي يَستخدم مقوم التيار ليتصل بدائرة، يكون له اتجاه واحد دائمًا. وهذا لا ينطبق على الخط 𝑆؛ ومن ثَمَّ يمكن استبعاد الخط 𝑆.

التيار الناتج عن مولِّد يستخدم مقوم التيار ليتصل بدائرة، تتغيَّر شدَّته مقابل الزمن. وهذا لا ينطبق على الخط 𝑄؛ ومن ثَمَّ يمكن استبعاد الخط 𝑄.

التيار الناتج عن مولِّد يستخدم مقوم التيار ليتصل بدائرة، تبلغ شدَّته صفرًا في موضعين خلال دورة كاملة للملف. وهذا لا ينطبق على الخط 𝑃؛ ومن ثَمَّ يمكن استبعاد الخط 𝑃.

يوضِّح الخط 𝑅 تيارًا له الاتجاه نفسه دائمًا، ويتغيَّر مقابل الزمن، وتكون قيمته صفرًا عند لحظات معيَّنة على فترات زمنية منتظمة. إذن الخط 𝑅 هو الخيار الصحيح.

الجزء الثاني

يتناسب فرق الجهد الناتج عن المولِّد طرديًّا مع شدة التيار الناتج عن المولِّد. وما يسري على التغيُّر في شدة التيار مقابل الزمن بالنسبة إلى المولِّد، يسري أيضًا على التغيُّر في فرق الجهد مقابل الزمن بالنسبة إلى المولِّد نفسه.

التيار الناتج عن مولِّد يَستخدم حلقتَي انزلاق ليتصل بدائرة، تتغيَّر شدَّته مقابل الزمن. وهذا لا ينطبق على الخط 𝑄؛ ومن ثَمَّ يمكن استبعاد الخط 𝑄.

التيار الناتج عن مولِّد يستخدم حلقتَي انزلاق ليتصل بدائرة، يعكس اتجاهه أثناء كل دورة للملف. وهذا لا ينطبق على الخطين 𝑃 و𝑅.

يوضِّح الخط 𝑆 تيارًا يعكس اتجاهه دوريًّا. إذن الخط 𝑆 هو الخيار الصحيح.

تتغيَّر شدة التيار الناتج عن المولِّدات مع الزمن، وتساوي صفرًا عند موضعين أثناء دورة دوران كاملة للملف. ومن المهم أن نفهم سبب تغيُّر شدة التيار بهذه الطريقة.

التيار الذي يتولَّد بواسطة الحث الكهرومغناطيسي في سلك متحرِّك، يتناسب مع القوة المؤثِّرة على السلك عموديًّا على المجال المغناطيسي الذي يتحرَّك خلاله السلك.

يوضِّح الشكل الآتي اتجاه التيار المتولِّد بواسطة الحث الكهرومغناطيسي في ملف المولِّد عندما يكون الملف في موضعين.

نلاحظ أنه عندما تكون القوة عمودية على المجال المغناطيسي للمولِّد، يتولَّد تيار عمودي على كلٍّ من حركة السلك والمجال المغناطيسي.

ونلاحظ أنه عندما تكون القوة موازية للمجال المغناطيسي للمولِّد، لا تُوجَد قوة عمودية على المجال المغناطيسي، ولا يتولَّد أي تيار.

نُلقي نظرةً على مثال يتناول التيار الناتج عن مولِّد بتصميم حلقتَي الانزلاق عند مواضع مختلفة من دوران ملف المولِّد.

مثال ٢: فهم المولِّد ذي حلقتَي الانزلاق

توضِّح الأجزاء (أ)، (ب)، (ج)، (د) بالشكل (أ) تركيب مولِّد تيار متردِّد بسيط. يدور ملف واحد من سلك نحاسي في مجال مغناطيسي منتظم ناتج عن مغناطيسين دائمين أثناء دورانه. توضِّح الأجزاء الأربعة للشكل الملف في أربعة مواضع مختلفة أثناء دورانه.

التمثيل البياني (ب) هو منحنى التيار الناتج عن المولِّد مقابل الزمن.

  1. ما موضع الملف في الشكل (أ) المناظر للنقطة 𝑃 في التمثيل البياني (ب)؟
  2. ما موضع الملف في الشكل (أ) المناظر للنقطة 𝑅 في التمثيل البياني (ب)؟

الحل

الجزء الأول

النقطة 𝑃 هي النقطة التي يساوي عندها مقدار شدة التيار في الملف أكبر قيمة له.

يناظر الموضع (ج) في الملف شدة تيار تساوي صفرًا؛ فالقوة المؤثِّرة على الملف موازية للمجال المغناطيسي للمولِّد. إذن يمكن استبعاد الموضع (ج).

عندما تكون القوة المؤثِّرة على الملف موازية للمجال المغناطيسي، فإن شدة التيار الناتج تساوي صفرًا. وعندما تكون القوة المؤثِّرة على الملف عمودية على المجال المغناطيسي، يتولَّد التيار ذو المقدار الأكبر. وهذا عند الموضع (أ).

الجزء الثاني

النقطة 𝑅 هي النقطة التي تساوي عندها شدة التيار في الملف صفرًا. وشدة التيار في الملف تساوي صفرًا عندما تكون القوة المؤثِّرة على الملف موازية للمجال المغناطيسي. وهذا عند الموضع (ج).

يمكن أن يكون للملف المستخدَم في المولِّد لفة واحدة أو أكثر، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

على الرغم من أن لفات الملف قد تبدو كملفات سلك مغلقة ومنفصلة، فإن اللفات في الحقيقة سلك واحد طويل. وطرفا الملف هما طرفا سلك واحد. وهذا يعني أنه يوجد مسار واحد فقط للتيار عبر الملف. ومن ثَمَّ، يمكن اعتبار لفات الملف موصلة على التوالي.

عند دوران ملف المولِّد، يَنتج فرق الجهد نفسه في كل لفة من لفات الملف. وتُجمَّع فروق الجهد عبر كل ملف على التوالي، كما هو الحال مع القوى الدافعة الكهربية لمجموعة من البطاريات الموصلة على التوالي.

نتناول الآن مثالًا يتعلَّق بعدد اللفات في ملف المولِّد.

مثال ٣: فهم المولِّد ذي حلقتَي الانزلاق

يوضِّح الشكل تصميمين للمولِّدات. يَستخدم التصميمان مغناطيسات دائمة مُثبَّتة لصنع مجال مغناطيسي وحلقات انزلاق لتوصيل التيار المُستحَث إلى دائرة خارجية. التصميم (أ) فيه ملف مُكوَّن من لفة واحدة في المجال المغناطيسي، في حين أن التصميم (ب) فيه ملف مُكوَّن من 5 لفات. ما ميزة التصميم (ب) على التصميم (أ)؟

  1. التصميم (ب) يُنتِج جهد خرج أعلى من التصميم (أ).
  2. التصميم (ب) يُنتِج جهد خرج تردُّده أعلى من التصميم (أ).
  3. التصميم (ب) يُنتِج جهد خرج أقل من التصميم (أ).
  4. التصميم (ب) يُنتِج جهد خرج تردُّده أقل من التصميم (أ).
  5. التصميم (ب) أقل سعرًا من التصميم (أ).

الحل

الفرق الوحيد بين التصميمين هو عدد اللفات في ملف المولِّد.

التصميم (ب) يَستخدم عددًا أكبر من اللفات. وهذا لا يمكن أن يكون أقل سعرًا من استخدام عدد أقل من اللفات؛ أي إن الخيار (هـ) غير صحيح.

تردُّد جهد الخرج يعتمد فقط على تردُّد دوران الملف. إذن الخياران (ب) و(د) غير صحيحين.

يوجد فرق الجهد نفسه عبر كل لفة في ملف المولِّد، ولفات الملف متصلة على التوالي؛ لذلك يوجد مسار واحد فقط للتيار عبر الملف.

تُجمَع فروق الجهد على التوالي. إذن يجب أن يناظر المزيد من اللفات فرق جهد أكبر.

التصميم (ب) يستخدم لفات أكثر؛ ومن ثَمَّ يجب أن ينتج عنه جهد خرج أعلى. وينص الخيار (أ) على ذلك؛ لذا فهو الخيار الصحيح.

ثمة مسألة أخرى تتعلَّق بتصميم المولِّد، وهي أن الفُرَش المستخدَمة في المولِّدات تتآكل نتيجة الاحتكاك؛ حيث تحتك بالأسطح المتحرِّكة لحلقات الانزلاق أو مقوم التيار. وبالفعل، تُوجَد مولِّدات تتجنَّب الحاجة إلى استخدام الفُرَش عن طريق تدوير مغناطيس المولِّد، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

يُثبَّت المغناطيسان على قرص دوار. ولا يدور الملف؛ لذا لا يتطلب فُرَشًا تلامس دائرة خارجية. لكن العيب في هذا التصميم هو أن كتلة المغناطيس في المولِّد أكبر بكثير من ملف المولِّد؛ ومن ثَمَّ، فإننا بحاجة إلى قوة أكبر لجعل المغناطيس يدور.

نلخِّص الآن ما تعلَّمناه في هذا الشارح.

النقاط الرئيسية

  • يستخدم المولِّد الحث الكهرومغناطيسي لتوليد تيار في ملف موصل.
  • يدور ملف المولِّد داخل مجال مغناطيسي.
  • يمكن توصيل المولِّد بدائرة كهربية باستخدام حلقتَي الانزلاق لتوليد تيار متردِّد.
  • يمكن توصيل المولِّد بدائرة كهربية باستخدام مقوم التيار لتوليد تيار متردِّد مُقوَّم.
  • تكون شدة التيار في ملف المولِّد هي الأكبر عندما تكون القوة المؤثِّرة على الملف عمودية على المجال المغناطيسي للمولِّد.
  • شدة التيار في ملف المولِّد تساوي صفرًا عندما تكون القوة المؤثِّرة على الملف موازية للمجال المغناطيسي للمولِّد.
  • كلما زاد عدد اللفات في ملف المولِّد، زادت شدة التيار الناتج في الملف.
  • تتآكل الفُرَش التي تحتك بالمولِّد بسبب استهلاكها مع الوقت.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.