فيديو السؤال: فهم تصميم المقاومات الأومية الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

ما سبب صنع مقاومات أومية من أسلاك مزدوجة اللف؟ أ: تقليل مقاومة السلك. ب: زيادة مقاومة السلك. ج: تفادي الحث الذاتي. د: الأسلاك المزدوجة اللف أسهل في التصنيع.

لنبدأ بالحديث قليلًا عن كيفية صنع المقاومات الأومية. المقاومة الأومية هي المقاومة التي تخضع لقانون أوم. هذا يعني أن فرق الجهد ‪𝑉‬‏ عبر المقاومة الأومية يساوي شدة التيار المار عبر المقاومة ‪𝐼‬‏ في قيمة المقاومة ‪𝑅‬‏. نظرًا لأن العديد من المعادن يخضع لقانون أوم إلى حد كبير، فيمكننا صنع مقاومات أومية من الأسلاك المعدنية.

ما قد ننساه عادة عند النظر إلى مخططات الدوائر الكهربية هو أن كل الأسلاك العادية لها مقاومة. لذلك، فإن أي سلك عادي يمكن اعتباره مقاومة. ويمكننا زيادة قيمة مقاومة السلك ببساطة عن طريق تقليل قطره أو زيادة طوله. هذا يعني أن المقاومة السلكية تصنع عادة من قطعة طويلة من السلك.

ثمة طريقة جيدة لوضع مقاومة سلكية طويلة في مساحة صغيرة، وهي عن طريق لفها. وفي الواقع، عادة ما نلف السلك حول قلب مصنوع من مادة غير موصلة للكهرباء أيضًا، وهو ما يعطينا شيئًا يشبه هذا إلى حد ما. ما لدينا هنا يؤدي دور المقاومة بالفعل. ولكن عند تصنيع المقاومات السلكية، غالبًا ما يكون ذلك عن طريق لف السلك في اتجاه واحد هكذا، ثم ثنيه ولفه مرة أخرى في الاتجاه العكسي بحيث يصبح السلك ملفوفًا في كلا الاتجاهين حول الملف. يمكن وصف هذه المقاومة بأنها مزدوجة السلك أو مزدوجة اللف.

يسألنا هذا السؤال ببساطة: لماذا نفعل ذلك؟ يشير الخياران أ وب إلى أن لف السلك بهذه الطريقة يغير المقاومة. فيذكر الخيار أ أننا نلف السلك لفًّا مزدوجًا لتقليل مقاومته، بينما يشير الخيار ب إلى أننا نفعل ذلك لزيادة المقاومة. ولكن الشكل الذي يتخذه السلك لا يؤثر على مقاومته.

يمكننا أن نتذكر أن المقاومة ‪𝑅‬‏ لسلك ذي مقطع منتظم تعطى بالعلاقة: ‪𝑅‬‏ يساوي ‪𝜌𝐿‬‏ على ‪𝐴‬‏، حيث ‪𝜌‬‏ المقاومة النوعية للمعدن، و‪𝐿‬‏ طول السلك، و‪𝐴‬‏ مساحة المقطع. في ظل الظروف العادية، تكون المقاومة النوعية للمادة ثابتة. ولا يتأثر طول السلك ولا مساحته بعملية اللف. هذا يعني أن طريقة لف السلك لا تؤثر على مقاومته. يمكننا إذن استبعاد الخيارين أ، ب.

بالنظر إلى الخيارين الآخرين، يمكننا أيضًا ملاحظة أن ثمة مشكلة في الخيار د. ينص الخيار على أن الأسلاك الملفوفة لفًّا مزدوجًا أسهل في التصنيع. ولكن كما رأينا، لف السلك لفًّا مزدوجًا يتضمن لفه في كلا الاتجاهين، بدلًا من لفه في اتجاه واحد فقط. من الناحية العملية، يمكن إنتاج كل من الأسلاك الملفوفة لفًّا مفردًا والأسلاك الملفوفة لفًّا مزدوجًا بواسطة آلات. لذلك، قد لا يكون هذا بالضرورة أصعب بكثير. ولكن من المؤكد أن لف السلك لفًّا مزدوجًا ليس أسهل من لفه لفًّا مفردًا. لذلك، يمكننا استبعاد الخيار د أيضًا.

يتبقى لدينا بذلك الخيار ج الذي ينص على أننا نصنع المقاومات من أسلاك ملفوفة لفًّا مزدوجًا؛ لتجنب الحث الذاتي. لكي نفهم ما يعنيه هذا، علينا أن نفهم ما هو الحث الذاتي.

لنبدأ بالتفكير في ملف واحد من السلك، والذي يعرف أيضًا بالملف اللولبي، ويمر به التيار ‪𝐼‬‏. نظرًا لأن السلك الذي يمر به تيار ينتج مجالًا مغناطيسيًّا حول نفسه، يمكننا استخدام قاعدة اليد اليمنى لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي الناتج. في هذه الحالة، تكون النتيجة النهائية هي المجال المغناطيسي ‪𝐵‬‏ الذي يتجه من اليمين إلى اليسار داخل الملف.

بدلًا من ذلك، يمكننا القول: إن مقدارًا معينًا من الفيض المغناطيسي، والذي يمثله الرمز ‪𝜙m‬‏، يتكون داخل الملف. وكمية الفيض المغناطيسي التي ينتجها الملف لكل وحدة تيار تعرف باسم معامل حث الملف. يعبر عن ذلك بالمعادلة: ‪𝐿‬‏ يساوي ‪𝜙m‬‏ على ‪𝐼‬‏، حيث ‪𝐿‬‏ معامل حث الملف اللولبي.

تبدو الأمور جيدة حتى الآن، ولكن دعونا نفكر فيما يحدث عندما يتغير المجال المغناطيسي داخل الملف اللولبي، كما يحدث عند تشغيل التيار المار عبر الملف اللولبي أو إيقافه. نعلم أن المجال المغناطيسي المتغير سيولد قوة دافعة كهربية في الموصل. يعبر عن ذلك قانون فاراداي الذي ينص على أن: القوة الدافعة الكهربية المستحثة في الملف تتناسب طرديًّا مع التغير في الفيض المغناطيسي مع الزمن. هذا يعني إذن أننا إذا بدأنا تمرير تيار في ملف لولبي، فإن التغير الناتج في المجال المغناطيسي سيولد قوة دافعة كهربية مستحثة في الملف اللولبي. تعرف هذه الظاهرة بالحث الذاتي. يستحث الملف قوة دافعة كهربية في نفسه.

يتضح هنا أن القوة الدافعة الكهربية المستحثة في الملف اللولبي ستعاكس التيار الموجود بالفعل. يلخص قانون لنز هذه القاعدة المهمة، والذي ينص على أن: اتجاه القوة الدافعة الكهربية المستحثة في الموصل يعاكس التغير الذي نتجت عنه هذه القوة. ما يعنيه هذا بالنسبة إلى الملف اللولبي هو أنه عندما نبدأ في تمرير تيار خلاله، فإن الإنتاج المفاجئ للمجال المغناطيسي سيولد تيارًا معاكسًا داخل الملف. ومن ثم، فإن الملف الملفوف لفًّا مفردًا سيقاوم التغيرات في التيار نتيجة للحث الذاتي. ونحن لا نريد هذا السلوك من المقاومات. لذلك، فإن الملفات الملفوفة لفًّا مفردًا ليست جيدة لصنع المقاومات.

الطريقة الأفضل لصنع مقاومة هي لف السلك لفًّا مزدوجًا كما تحدثنا سابقًا. نظرًا لأن الحلقات المتناوبة في المقاومة الملفوفة لفًّا مزدوجًا تحمل تيارًا في اتجاهين متعاكسين، فهذا يعني أن المجالات المغناطيسية التي تنتجها الحلقات يؤثر أحدها على الآخر، وفي معظم الأحيان يلغي كل منها الآخر. ومن ثم، يكون المجال المغناطيسي الكلي الناتج عن سلك ملفوف لفًّا مزدوجًا أصغر بكثير جدًّا من المجال المغناطيسي الناتج عن سلك ملفوف لفًّا مفردًا. هذا يعني أن آثار الحث الذاتي تزول عمليًّا. ومن ثم، فإن السلك الملفوف لفًّا مزدوجًا لا يظهر نفس المقاومة للتغيرات في التيار التي يظهرها السلك الملفوف لفًّا مفردًا.

نعرف بذلك سبب كون الخيار ج الإجابة الصحيحة. تصنع المقاومات الأومية من أسلاك ملفوفة لفًّا مزدوجًا لتفادي الحث الذاتي.