تغير المجالات المغناطيسية يولد قوة دافعة كهربائية حثية (١)

يقوم الدرس على فكرة أساسية مفادها أن تغير المجالات المغناطيسية يولد قوة دافعة كهربائية حثية وتياراً حثياً يعاكس التغير المسبب له وفقاً لقانون لنز. تتطرق الصفحات إلى تطبيقات عملية مثل المحولات الكهربائية، والمحركات، والطباخ الحثي، والتيارات الدوامية التي تخمد حركة المؤشرات في الموازين الحساسة. كما يدرس الحث الذاتي، وهو تولد قوة دافعة كهربائية عكسية في السلك نتيجة تغير التيار فيه وتغير عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تقطعه. مثال سريع على المحولات هو محول رافع لجهد يدخل بجهد ابتدائي وينتج جهداً ثانوياً أكبر بناء على نسبة عدد لفات الملف الثانوي إلى عدد لفات الملف الابتدائي.

الفكرة الأساسية

يتناول الدرس كيفية توليد قوة دافعة كهربائية حثية وتيار حثي نتيجة تغير المجالات المغناطيسية، مع التركيز على قانون لنز لتحديد اتجاه التيار الحثي، ودراسة الحث الذاتي والمحولات الكهربائية.

الشرح

يبدأ الدرس بقانون لنز، الذي ينص على أن المجال المغناطيسي الناشئ عن التيار الحثي يعاكس التغير في المجال المغناطيسي الذي سببسه. لاحظ أن التأثيرات المغناطيسية الحثية تعاكس التغيرات في المجال، وليس المجال نفسه. في المحركات الكهربائية، عندما يتحرك سلك يسري فيه تيار داخل مجال مغناطيسي، تتولد فيه قوة دافعة كهربائية حثية عكسية، يكون اتجاهها معاكساً لاتجاه التيار. وعند لحظة تشغيل المحرك يسري فيه تيار كبير بسبب صغر مقاومته، ومع دوران المحرك تولد هذه القوة العكسية لتقلل التيار الكلي في المحرك. إذا زاد الحمل الميكانيكي، تقل سرعة دوران المحرك، فيسمح ذلك بمرور تيار أكبر لزيادة القدرة. أما التيارات الدوامية، فهي تيارات تتولد في قطع فلزية عندما تتحرك داخل مجال مغناطيسي متغير، وتنتج مجَالاً مغناطيسياً يعاكس الحركة المسببة لها، وتستخدم في إيقاف تذبذب الميزان الحساس. في الحث الذاتي، عندما يتغير التيار المار في السلك، يتولد مجال مغناطيسي تغيره يولد خطوط مجال جديدة تقطع أساك الملف، وتتولد قوة دافعة كهربائية عكسية مولدة تياره حثياً يقاوم تغيرات التيار. يتناسب مقدار هذه القوة مع المعدل الزمني للتغير في عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تقطعها الأسلاك. في المحولات الكهربائية، يُستخدم ملفان معزولان كلياً أحدهما يسمى الملف الابتدائي والآخر الملف الثانوي حول القلب الحديدي نفسه. عندما يصل الملف الابتدائي بجهد متناوب، يتولد تغير في التيار يولّد مجالاً مغناطيسيا متغيراً، وينتقل هذا التغير عبر القلب الحديدي إلى الملف الثانوي لتتولد فيه قوة دافعة كهربائية حثية. العلاقة تربط بين الجهد وعدد اللفات كالتالي: $\frac{N_s}{N_p} = \frac{V_s}{V_p}$. وفي المحول المثالي، القدرة الداخلة تساوي القدرة الخارجة: $P_p = P_s$ أو $V_p I_p = V_s I_s$.

مثال محلول خطوة بخطوة

محول رافع عدد لفات ملفه الابتدائي $N_p = 200\text{ لفة}$، وعدد لفات ملفه الثانوي $N_s = 3000\text{ لفة}$. إذا وصل ملفه الابتدائي بجهد متناوب فعال مقداره $V_p = 90.0\text{ V}$، وكان التيار في دائرة الملف الثانوي $I_s = 2.0\text{ A}$: الخطوة أ: لايجاد مقدار الجهد في دائرة الملف الثانوي $V_s$: نكتب قانون نسبة الجهود واللفات: $\frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p}$ نعوض بالقيم: $V_s = \frac{N_s \times V_p}{N_p}$ $V_s = \frac{3000 \times 90.0}{200} = 1350\text{ V}$ الخطوة ب: لإيجاد مقدار التيار في دائرة الملف الابتدائي $I_p$ بناء على حفظ القدرة ($P_p = P_s$): $V_p I_p = V_s I_s$ نعوض بالأرقام: $90.0 \times I_p = 1350 \times 2.0$ $90.0 I_p = 2700$ $I_p = \frac{2700}{90.0} = 30\text{ A}$.

أخطاء شائعة

• الاعتقاد بأن التيار الحثي يعاكس المجال المغناطيسي نفسه، والصواب أنه يعاكس التغير في المجال المغناطيسي.
• الخلط بين المحول الرافع والخابض في عدد اللفات، ففي المحول الرافع يكون عدد لفات الثانوي أكبر من الابتدائي ($N_s > N_p$) والجهد الثانوي أكبر ($V_s > V_p$).
• نسيان أن المحول يعمل بالجهد المتناوب فقط لأن التغير في التيار هو أساس توليد الحث المتبادل.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: محول كهربائي عدد لفات ملفه الابتدائي $50\text{ لفة}$ وعدد لفات ملفه الثانوي $10\text{ لفات}$، فإذا كان الجهد الداخل للملف الابتدائي $1000\text{ V}$، فما مقدار الجهد الناتج في الملف الثانوي؟ الإجابة: باستخدام العلاقة $\frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p}$، إذن $V_s = V_p \times \frac{N_s}{N_p} = 1000 \times \frac{10}{50} = 200\text{ V}$. السؤال الثاني: لماذا تتولد تيارات دوامية في حلقة فلزية غير مقطوعة تتحرك في مجال مغناطيسي بينما لا تتولد في حلقة مقطوعة؟ الإجابة: لأن الحلقة غير المقطوعة توفر مساراً مكتملاً لمرور التيار الحثي الناشئ عن التغير في المجال المغناطيسي، بينما الحلقة المقطوعة يكون مسار التيار فيها غير مكتمل فلا يتولد تيار ولا تتولد قوة دافعة كهربائية حثية.