فيديو الدرس: أميتر التيار المتردد الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنتناول أميتر التيار المتردد. يمكننا استخدام هذه النوعية من الأجهزة لقياس شدة التيار في دوائر التيار المتردد. وبالتحديد، سنتعامل مع نوع من أميترات قياس التيار المتردد يسمى الأميتر الحراري. سنتناول جميع الأجزاء التي تكون الأميتر الحراري. وسنرى كيف تعمل هذه الأجزاء معًا لقياس التيار. إن قياس شدة تيار متردد، وهو تيار يغير اتجاهه باستمرار، هو أمر أكثر تعقيدًا قليلًا من قياس تيار مستمر، وهو تيار يمر في اتجاه واحد. إذن، في البداية، دعونا نذكر أنفسنا بكيفية عمل أميتر التيار المستمر، ونتحدث عن سبب عدم ملاءمته لقياس التيار المتردد.

لدينا هنا دائرة بسيطة موصلة على التوالي تحتوي على بطارية، وهي مصدر تيار مباشر، ومقاومة. ويمكننا ملاحظة أن أميتر التيار المستمر موصل على التوالي لقياس شدة التيار في الدائرة. والآن، إذا أردنا فتح هذا الأميتر ونظرنا إلى الداخل، فسنرى أنه نوع من أنواع الأميترات، يعرف باسم الأميتر ذي الملف المتحرك، ويتكون من جلفانومتر ومقاومة مجزئة موصلين على التوازي. الجلفانومتر هو جهاز يستخدم الظواهر الكهرومغناطيسية، وخاصة ظاهرة حركة الملف في مجال مغناطيسي، لتحريك مؤشر على قرص متدرج، والإشارة إلى شدة التيار واتجاهه. الآن هذا النوع من الأميترات مفيد جدًّا في قياس التيارات المستمرة الثابتة، مثل التيار الموجود في هذه الدائرة. لكن، إذا حل مصدر تيار متردد محل مصدر التيار المستمر، فسرعان ما سنلاحظ أن هذا النوع من الأميترات غير مفيد.

والآن، على الرغم من أن الجلفانومتر يمكن أن يقيس التيار في أي من الاتجاهين - على سبيل المثال، مرور التيار عكس اتجاه عقارب الساعة في الدائرة قد يتسبب في انحراف الإبرة في اتجاه اليسار، وهذا يعني أن مرور التيار في اتجاه عقارب الساعة من شأنه أن يؤدي إلى انحراف الإبرة إلى اليمين – فإن هذا النوع من الأميترات لا يزال غير مفيد كثيرًا في قياس التيارات المترددة. والسبب في ذلك أن كلًّا من مقدار التيار المتردد واتجاهه يتغير باستمرار. هذا يعني أن الإبرة في الجلفانومتر ستتذبذب ذهابًا وإيابًا، وهو ما يصعب القراءة. علاوة على ذلك، وبسبب القصور الذاتي للإبرة والأجزاء التي تتحرك داخل الجلفانومتر، لن تتمكن الإبرة إلا من مواكبة التيارات المترددة ذات التردد المنخفض جدًّا. ومن ثم، فإن للأميتر ذي الملف المتحرك استخدامًا محدودًا جدًّا لقياس التيارات المترددة.

للقيام بذلك، نحتاج إلى استخدام أميتر ذي تصميم مختلف تمامًا. وأحد هذه التصميمات يعرف بالأميتر الحراري. إذن هذه هي نفس الدائرة، لكن هذه المرة نوصل أميترًا حراريًّا، بدلًا من الأميتر ذي الملف المتحرك. دعونا الآن نغير مخطط الدائرة لنوضح مكونات هذا الأميتر. هناك أشياء كثيرة هنا. وهذا الشكل غير عادي لأن كل شيء على يسار هذا الخط المتقطع هو مخطط دائرة كهربية تقليدي. لكن كل ما يوجد على يمين هذا الخط المتقطع ليس مخطط دائرة كهربية. بدلًا من ذلك، لدينا أشياء مثل زنبرك، وبكرة، وقطعة خيط. وسنلقي نظرة على هذه الأجزاء بعد قليل. لكن الآن، لنركز على هذا الجزء من الشكل.

هنا، على الأقل، نلاحظ أن تصميم هذا الأميتر يتشابه بدرجة ما مع الأميتر ذي الملف المتحرك؛ حيث إن السلك الخارج من مصدر التيار المتردد ينقسم إلى فرعين متوازيين. وكما هو الحال مع تصميم الأميتر ذي الملف المتحرك، فإن أحد هذين الفرعين يحتوي على مقاومة مجزئة للتيار. وكما هو الحال دائمًا مع المقاومة المجزئة للتيار، فإن وظيفتها هي ضمان مرور كمية محددة من التيار في هذا الجزء من الدائرة، ومن ثم ضمان مرور نسبة معينة فقط من التيار الكلي الناتج عن مصدر التيار المتردد عبر الفرع الموازي الآخر. أحد الاختلافات الواضحة التي نلاحظها عن الأميتر ذي الملف المتحرك هو أنه في الأميتر الحراري لا يوجد جلفانومتر.

لكننا بدلًا من ذلك لدينا طول محدد من سلك مصنوع من مادة تم اختيارها بعناية. عادة ما يكون مصنوعًا من سبيكة البلاتين والإيريديوم، وهو ما يعني ببساطة أنه خليط من فلزين؛ وهما البلاتين والإيريديوم. هذا السلك عبارة عن موصل كهربي. ومن المهم أن نتذكر أن له مقاومة معينة، حتى وإن لم نرسم رمز المقاومة في الدائرة. هذا السلك يمثل جزءًا مهمًّا من الدائرة، لكن كل ما على يمين هذا السلك في الشكل ليس جزءًا من الدائرة. هذا يعني أنه لا يوجد أي شحنة تتدفق عبر أي من هذه الأجزاء. بدلًا من ذلك، يكون لهذه الأجزاء وظيفة ميكانيكية.

تظهر باللون الأحمر قطعة من الخيط الحريري. أحد طرفي الخيط متصل بسلك مصنوع من البلاتين والإيريديوم، ثم يمر فوق بكرة. والطرف الآخر متصل بزنبرك. الطرف الآخر من الزنبرك مثبت. والزنبرك دائمًا مشدود بحيث يؤثر بقوة شد على الخيط، ومن ثم على سلك البلاتين والإيريديوم. وأخيرًا، لدينا مؤشر متصل بالبكرة، وهو الذي يتحرك على القرص المدرج مع دوران البكرة. وهذا هو كل ما يخص تركيب الأميتر الحراري.

إذن، ماذا تفعل كل هذه العناصر بالضبط؟ أولًا، مصدر التيار المتردد يصدر تيارًا مترددًا في الدائرة. هذا يعني أن الشحنة تتدفق في اتجاه ما ثم في الاتجاه الآخر. في الفروع المتوازية للدائرة، تتدفق الشحنة في هذا الاتجاه، مارة لأسفل عبر المقاومة المجزئة وسلك البلاتين والإيريديوم، ثم تتدفق في الاتجاه المعاكس. والآن، عندما تتدفق الشحنة عبر مقاومة، تتحول بعض الطاقة الكهربية إلى طاقة حرارية. إذن هذا يعني أن درجة حرارة المقاومة المجزئة للتيار تزداد. وكذلك، بالتأكيد، سلك البلاتين والإيريديوم لأنه أيضًا لديه مقاومة.

هذا الفقد في الطاقة بسبب المقاومة في سلك البلاتين والإيريديوم يعني أن درجة حرارته تزداد. وعندما تزداد درجة حرارته، فإنه يتمدد حراريًّا ويصبح أطول. ونظرًا لأن هذا السلك مشدود بواسطة الخيط الحريري والزنبرك، عند تمدده، يتم سحب الخيط على سطح البكرة، وهو ما يؤدي إلى دوران البكرة، وتحريك المؤشر على القرص. إذن، عند وجود تيار في الدائرة، تنحرف الإبرة. في الواقع، كلما زادت شدة التيار في السلك، زاد انحراف المؤشر. هذا لأن كمية الحرارة التي تتولد في سلك البلاتين والإيريديوم في فترة زمنية معينة تتناسب مع مربع شدة التيار، كما هو موضح في هذا التعبير؛ حيث ‪𝑄‬‏ هي الحرارة المتولدة، و‪𝐼‬‏ هي شدة التيار.

هذا يعني أنه إذا قمنا بزيادة شدة التيار الناتج عن مصدر التيار المتردد، فإن معدل تولد الحرارة بواسطة السلك المصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم سيزيد أيضًا. كلما زادت درجة حرارة هذا السلك، زادت أيضًا كمية الحرارة التي يفقدها لمحيطه. هذا يعني أنه لشدة تيار محددة ‪𝐼‬‏ للتيار المتردد، سيصل السلك سريعًا إلى درجة حرارة تكون عندها كمية الطاقة الحرارية المتولدة فيه مساوية لكمية الحرارة المفقودة منه. يمكننا القول إن السلك يصل إلى حالة اتزان حراري مع محيطه، وعند هذه النقطة تظل درجة الحرارة ثابتة. إذا ظلت درجة حرارة سلك البلاتين والإيريديوم ثابتة، فإن المقدار الذي تمدد به يكون ثابتًا أيضًا، مما يعني أن لدينا انحرافًا ثابتًا للمؤشر على القرص.

إذا قمنا الآن بزيادة شدة التيار المتردد في الدائرة، فستزيد كمية الحرارة التي تتولد في السلك بدرجة أكبر، وهو ما يؤدي إلى وصول السلك إلى الاتزان الحراري عند درجة حرارة أعلى ويتمدد أكثر قليلًا ويزيد من انحراف المؤشر. وهذه هي الطريقة التي يعمل بها الأميتر الحراري. أحد الأشياء المهمة التي يجب ملاحظتها بشأن هذا النوع من الأميترات هو أن التدريج على القرص ليس منتظمًا. يرجع ذلك إلى حقيقة أن كمية الحرارة المتولدة في السلك تتناسب طرديًّا مع مربع شدة التيار. وهذا يعني أنه إذا أردنا زيادة شدة التيار المتردد بمعدل ثابت، فإن كمية الحرارة المتولدة في السلك سترتفع بمعدل متزايد.

هذا يعني أنه عند التيارات المنخفضة، من شأن زيادة شدة التيار بمقدار واحد أمبير، أن تؤدي إلى حركة صغيرة نسبيًّا للمؤشر. لكن إذا قمنا بزيادة شدة التيار بمقدار واحد أمبير مرة أخرى، فسيكون لهذا تأثير أكبر على كمية الحرارة المتولدة في السلك، ومن ثم يتسبب في حركة أكبر للمؤشر. والنتيجة هي أن زيادة شدة التيار بقيم متساوية سيقابلها مسافات متزايدة على تدريج القرص. بعد أن تعرفنا على كيفية عمل الأميتر الحراري، لنحاول الإجابة عن سؤال تدريبي.

يتمدد سلك مصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم في أميتر حراري عندما تزداد درجة حرارته، وينكمش عندما تقل درجة حرارته. تعتمد درجة حرارة السلك على شدة التيار المار في السلك. سوف يعطي أميتر حراري يستخدم سلكًا مثل هذا قراءة ثابتة لتيار متردد له قيمة عظمى معينة. أي من الآتي يشرح بشكل صحيح كيف يمكن أن تنتج عن تيار متردد تردده 50 هرتز يمر في سلك قراءة ثابتة على الأميتر الحراري؟ (أ) يسخن السلك المكونات الميكانيكية الأخرى في الأميتر الحراري. تمدد هذه المكونات وانكماشها يكونان مختلفين في الطور؛ ولذلك تظل القراءة على الأميتر ثابتة. (ب) يتمدد السلك عندما تزداد درجة حرارته بشكل أسرع من انكماشه عندما تقل درجة حرارته؛ ولذلك لا تنخفض درجة حرارة السلك أبدًا لمدة كافية تجعل السلك ينكمش بشكل ملحوظ. (ج) التردد الذي يتعرض عنده السلك لدورات من التمدد والانكماش أصغر بكثير من تردد التيار المتردد؛ ولذلك تمدد السلك يناظر القيمة الفعالة للتيار.

المطلوب في هذا السؤال هو تحديد السبب الصحيح في أن الأميتر الحراري يعرض قراءة ثابتة استجابة للتيار المتردد. هيا نمسح خيارات الإجابة من على الشاشة الآن لنتمكن من النظر عن قرب إلى طريقة حل السؤال. في البداية، لنتذكر أن التيار المتردد هو تيار يتغير اتجاهه ومقداره باستمرار. يمكننا رسم تمثيل بياني تكون فيه شدة التيار على المحور الرأسي والزمن على المحور الأفقي يوضح كيفية تغير التيار المتردد بمرور الزمن.

في البداية، عند الزمن صفر، تكون قيمة التيار صفرًا. بعد ذلك، يمكننا ملاحظة أن التيار يزيد لأعلى قيمة عظمى قبل أن ينخفض مرة أخرى إلى الصفر. وبعد ذلك، يزداد التيار في الاتجاه السالب حتى أعلى قيمة سالبة. وهذا يعني أن التيار يمر في الاتجاه المعاكس. ثم يقل مقدار هذا التيار ليصبح صفرًا مرة أخرى. ثم تتكرر هذه الدورة مرارًا وتكرارًا، مع زيادة التيار في اتجاه ثم تناقصه مرة أخرى، ثم زيادته في الاتجاه العكسي وتناقصه مرة أخرى، وهكذا.

في هذا السؤال، نتعامل مع تيار متردد تردده 50 هرتز. وهذا يعني أن التيار يتم 50 دورة كاملة مثل هذه كل ثانية، وهذا يعني أن التيار يغير اتجاهه 100 مرة في كل ثانية. والآن، فإن محاولة قياس شدة هذا التيار أصعب بكثير من قياس شدة التيار المستمر الذي يبقى عند مستوى ثابت في اتجاه واحد. لقياس شدة التيار المستمر، من الشائع استخدام جهاز يعرف باسم أميتر الملف المتحرك، يعتمد على الجلفانومتر. في الجلفانومتر، يتسبب المجال المغناطيسي الذي ينتجه التيار في انحراف مؤشر على قرص مدرج، بمقدار يتناسب مع شدة التيار. هذا مناسب تمامًا للتيار المستمر. لكنه لا يفيد كثيرًا في حالة التيار المتردد. ويرجع ذلك إلى أن الجلفانومتر يقيس بكفاءة المجال المغناطيسي الناتج عن تيار ما.

وإذا كان التيار يتردد بسرعة، فإن المجال المغناطيسي سيتردد بنفس التردد. هذا يعني أنه إذا وصلنا الجلفانومتر بمصدر تيار متردد، فسنجد أن المؤشر يتحرك بسرعة من جانب إلى آخر، وهو ما يجعل الحصول على قراءة دقيقة أمرًا مستحيلًا. في المقابل، الأميتر الحراري، مثل ذلك المذكور في هذا السؤال، هو أميتر صمم على وجه التحديد لقياس شدة التيار المتردد. ولا يقوم بذلك باستخدام التأثيرات الكهرومغناطيسية للتيار مثل الجلفانومتر. وإنما يقيس التأثيرات الحرارية للشحنة المتدفقة في سلك.

يمكن للأميتر الحراري أن يقيس التيار المتردد في دائرة كهربية من خلال إتاحة تدفق جزء من هذا التيار عبر سلك مصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم. ويتصل بهذا السلك خيط حريري يمر على بكرة متصلة بعد ذلك بزنبرك يجعله مشدودًا. البكرة متصلة بمؤشر، وهو يتحرك على قرص مدرج. وطريقة العمل هي أن السلك المصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم تتولد فيه حرارة عندما تتدفق الشحنة عبره بسبب فقد الطاقة في المقاومة. بالرغم من أن بعضًا من هذه الحرارة تفقد لمحيطها من خلال التوصيل والإشعاع، تزيد درجة حرارة السلك نفسه، وهو ما يجعله يتمدد حراريًّا. ومع زيادة درجة حرارة السلك، يزداد أيضًا معدل انتقال الحرارة إلى محيطه، حتى يتساوى في النهاية مع معدل تبديد السلك للطاقة الكهربية. عند هذه النقطة، تتوقف درجة حرارة السلك عن الارتفاع.

وهنا تصبح الأمور مثيرة للاهتمام. كما ذكرنا في السؤال، فإن درجة حرارة السلك تعتمد على شدة التيار المار في السلك. لكننا نعلم أن التيار المار في السلك يتردد بسرعة. لماذا إذن لا تتذبذب درجة حرارة هذا السلك أيضًا؟ ببساطة، التمدد والانكماش الحراري في هذا السلك أبطأ كثيرًا من تردد التيار. في فترة زمنية معينة، تتناسب الحرارة المتولدة في السلك ‪𝑄‬‏ تناسبًا طرديًّا مع مربع شدة التيار. لذا فمن الناحية الفنية، يتولد في السلك المزيد من الحرارة عندما يكون مقدار التيار عند أقصى قيمة له، وهو ما يناظر هذه المواضع على التمثيل البياني.

لكن درجة الحرارة الكلية للسلك، بالإضافة إلى تأثير الانكماش الحراري والتمدد، تتغير ببطء شديد بحيث لا يكفي الوقت لكي يبرد السلك وينكمش بين هاتين النقطتين اللتين تساويان أقصى مقدار للتيار. وهذا يعني أنه في حالة تيار له قيمة قصوى معينة، سيعطينا الأميتر الحراري قراءة ثابتة. والآن، إذا نظرنا مرة أخرى إلى خيارات الإجابة، يمكننا رؤية أن أفضل وصف لها هو في الخيار (ج). يمكن لتيار متردد تردده 50 هرتز أن ينتج قراءة ثابتة للأميتر الحراري؛ لأن التردد الذي يتعرض عنده السلك لدورات من التمدد والانكماش أصغر بكثير من تردد التيار المتردد. ولذلك، تمدد السلك يناظر القيمة الفعالة للتيار.

لنراجع الآن بعض النقاط الأساسية التي تعلمناها في هذا الدرس. عرفنا أن الأميتر الحراري يستخدم فقد الطاقة في مقاومة سلك مصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم لقياس التيار المتردد. يوصل السلك المصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم بمقاومة مجزئة للتيار على التوازي، ويتسبب التيار المتردد في السلك في زيادة درجة حرارته. يقاس التمدد الحراري للسلك المصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم باستخدام زنبرك وخيط حريري وبكرة ومؤشر يتحرك على قرص مدرج. ومقدار التمدد الحراري يناظر القيمة الفعالة للتيار. هذا هو ملخص أميتر التيار المتردد.