فيديو السؤال: تحديد ما إذا كان الأميتر الحراري يمكن أن يقيس تيارًا مترددًا الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

هل يمكن أن يقيس الأميتر الحراري تيارًا مترددًا؟

لكي نعرف الإجابة، لنتناول دائرة تحتوي على أميتر حراري ويمر بها تيار متردد. أبسط دائرة كهربية يمكننا تكوينها بهذا الشكل تتضمن مصدر تيار متردد، وأميترًا حراريًّا، ومقاومة للتأكد من وجود تيار. لكي يتمكن الأميتر الحراري من قياس التيار بشكل صحيح، يجب أن يسخن السلك بداخله. لكي نعرف سبب ذلك، دعونا نفتح هذا الأميتر وننظر إلى المكونات الفردية.

تحدث الكثير من الأشياء داخل الأميتر. عندما يمر تيار عبر الأميتر، فإنه ينقسم على طول مسار متواز، فيؤدي أحد المسارين إلى مقاومة مجزئة للتيار، ويؤدي المسار الآخر إلى بعض أسلاك البلاتين والإيريديوم، وهي الأسلاك الساخنة في الأميتر الحراري. الآن قبل أن نتناول التجهيزات الأخرى، لنلق نظرة على هاتين الدائرتين هنا. إنهما تشيران إلى أن كل شيء إلى اليمين منهما لا ينتمي إلى مخطط الدائرة. توضح هذه المخططات أشياء لا تجدها عادة في الدائرة الكهربية، مثل زنبرك، وخيط حريري، وبكرة. كل هذه المكونات غير المعتادة التي تعمل معًا تتيح لنا قياس التيار في هذه الدائرة.

تعتمد عملية القياس الكاملة على نسب معروفة سابقًا بين المكونات كلها. لكننا في الواقع لسنا بحاجة إلى معرفة هذه النسب؛ فالشركة المصنعة للأميتر فقط تحتاج إلى ذلك. لنرى كيف تعمل هذه النسب معًا، سنتناول عملية القياس، التي ستعطينا فكرة عما إذا كان من الممكن بالفعل أن يقيس الأميتر الحراري التيار المتردد أم أنه يمكن أن يقيس التيار المستمر فقط. في كلتا الحالتين لا بد أن يكون هناك تيار؛ لأن الخطوة الأولى هي التأكد من وجود تيار عبر الأسلاك الساخنة.

أسلاك البلاتين والإيريديوم هذه ليست الأسلاك التي لدينا في مخططات الدوائر، والتي يفترض أن ليس لها مقاومة. بدلًا من ذلك، نفترض أن هذه الأسلاك الساخنة لها مقاومة ما، وهو ما يعني أنها تخضع لتأثير يسمى تبديد المقاومة، ويعني أنه في أي وقت يمر تيار عبر وسط له مقاومة ما، يتحول جزء من الطاقة الكهربية إلى طاقة حرارية مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته. إذن توجد طريقة أبسط للتعبير عن ذلك، وهي أن التيار المار عبر الأسلاك الساخنة يؤدي إلى تسخينها. وعندما يسخن المعدن، فإنه يتمدد قليلًا.

لذا فعندما يتدفق تيار عبر السلك الساخن، فإنه يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته، مما يؤدي إلى تمدده. يؤدي هذا التمدد إلى سحب هذا الخيط الحريري — المتصل بالسلك — تجاه الزنبرك الذي يثبته بقوة الشد، ومن ثم يسحب هذا الخيط باتجاه الزنبرك. وحينما يحدث ذلك، نظرًا لأن الخيط متصل بهذه البكرة، فإنه يتسبب في دورانها، وهو ما يتسبب بدوره في تحريك مؤشر القرص المدرج، مما يعطي قراءة تيار، وهو التيار المار عبر الأسلاك الساخنة.

إذن هذه هي الخطوات العامة التي تحدث داخل الأميتر الحراري لقياس التيار المار عبر الأميتر. عندما نتناول التيار المستمر مقابل التيار المتردد، علينا أن نضع في الاعتبار كيف يمكن أن تتغير هذه الخطوات. بدءًا بالافتراض الأول، وهو أن التيار المار عبر الأسلاك الساخنة تيار مستمر، فإن التيار سيتحرك دائمًا في اتجاه واحد. وإذا لم يتغير شيء آخر في الدائرة، فمن المفترض أن يكون ثابتًا. عندما تنتقل الشحنة الكهربية عبر الأسلاك — التي لها مقاومة — تبدأ درجة حرارتها في الارتفاع، فكلما زادت شدة التيار المستمر زادت درجة الحرارة، وهي الخطوة الثانية في هذه العملية؛ مما يعني أن الخطوتين الثالثة والرابعة ستحدثان على ما يرام. إذن هذا ما يحدث في حالة التيار المستمر. نحن نعلم أن الأمور تسير على ما يرام؛ لأن السلك ترتفع درجة حرارته. من ثم دعونا الآن نتناول التيار المتردد.

في البداية يكون التيار المتردد مثل التيار المستمر، حيث يكون له اتجاه واحد. لكن بمرور الوقت ينعكس اتجاه التيار. وهذا ليس كل شيء؛ فمقدار التيار أيضًا يتغير مع الوقت. لنفرغ بعض المساحة لكي نرى ذلك. موضح أمامنا تمثيل بياني لتيار متردد نموذجي. نلاحظ أنه يبدأ في اتجاه واحد، ويرتفع مقداره إلى قيمته القصوى عند نقطة زمنية معينة، قبل أن ينخفض مقداره ليصل في النهاية إلى الصفر؛ مما يعني أنه عند نقاط ما، لا يوجد تيار في السلك قبل أن ينعكس الاتجاه، ثم يصل إلى أعلى مقدار مرة أخرى، لكن في الاتجاه المعاكس، وهكذا يغير التيار في السلك اتجاهه باستمرار.

إذن كيف يؤثر هذا التغيير المستمر وهذه النقاط القليلة التي لا يمر بها تيار على تسخين السلك؟ من الجيد أن اتجاه التيار في السلك لا علاقة له بتسخينه. فالتأثير الذي يتسبب في رفع درجة حرارة الأسلاك الساخنة — تبديد المقاومة — يعتمد على الشحنة الكلية التي تمر عبر الوسط المقاوم، وليس الاتجاه، وهو ما يبدو منطقيًّا؛ لأن السلك لن يبرد إذا عكست اتجاه التيار فقط.

لكن لا يزال المقدار يتغير، أليس كذلك؟ ألن يتأرجح المؤشر الذي يقيس التيار ذهابًا وإيابًا؟ لكن هذه ليست مشكلة أيضًا؛ لأن الأسلاك الساخنة تستغرق وقتًا لتتغير درجة حرارتها ارتفاعًا وانخفاضًا، مما يعني أن مقدار التيار المتغير باستمرار سيتساوى في النهاية من حيث مدى تسخينه للأسلاك الساخنة. لذا فإن الأميتر الحراري، بعد أن يسخن، سيعطي قياسًا ثابت القيمة للتيار حتى مع التيار المتردد.

إذن الإجابة عما إذا كان الأميتر الحراري يمكن أن يقيس تيارًا مترددًا هي: نعم، يمكن أن يقيس تيارًا مترددًا.