تغير المجالات المغناطيسية يولد قوة دافعة كهربائية حثية (٢)

يقوم هذا الدرس على فكرة أساسية مفادها أن التغير في المجالات المغناطيسية يولد قوة دافعة كهربائية حثية وتياراً حثياً. ينص قانون لز على أن اتجاه التيار الحثي يكون بحيث يعاكس التغير في المجال المغناطيسي الذي سببه. يوضح الدرس أيضاً ظاهرة الحث الذاتي، حيث يتولد في السلك أو الملف نفسه جهد عكسي مقاوم للتغير في التيار. وأما المحول الكهربائي فيتكون من ملف ابتدائي وملف ثانوي يمر فيهما تيار متناوب لينتج جهداً حثياً يمكن رفعه أو خفضه بناءً على عدد اللفات عبر العلاقة $\frac{I_p}{I_s} = \frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p}$. فلو كان لديك محول بملف ابتدائي له $\text{7500}$ لفة وملف ثانوي له $\text{125}$ لفة وجهد ابتدائي $\text{7.2 kV}$، فهذا محول خفض يولد جهداً أصغر في الملف الثانوي.

الفكرة الأساسية

التغير في المجالات المغناطيسية يولد قوة دافعة كهربائية حثية وتياراً حثياً، وتعمل القوانين هنا على ضبط اتجاه هذا التيار ومقدار الجهد الناتج عبر المحولات والملفات.

الشرح

ينص قانون لز على أن اتجاه التيار الحثي يكون بحيث يعاكس التغير في المجال المغناطيسي الذي سببه. تتولد قوة دافعة عكسية بتحريك سلك داخل مجال مغناطيسي وتكون معاكسة للتيار. وأما الحث الذاتي فهو خاصية للسلك الذي يسري فيه تيار متغير، وكلما كان تغير التيار في السلك أسرع زادت القوة الدافعة الكهربائية الحثية العكسية التي تقاوم هذا التغير. يحتوي المحول على ملفين ملفوفين على القلب نفسه. يولد مرور التيار المتناوب AC في الملف الابتدائي قوة دافعة كهربائية متناوبة EMF في الملف الثانوي. والجهود الناتجة عن دوائر التيار المتناوب قد تزداد أو تقل بواسطة المحولات. وتُعطى العلاقة بين الجهود والتيارات وعدد اللفات بالصيغة $\frac{I_p}{I_s} = \frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p}$، حيث يرمز $N$ إلى عدد اللفات في الملف، و$V$ إلى الجهد، و$I$ إلى التيار، والحرفان $p$ و$s$ يشيران إلى الملف الابتدائي والملف الثانوي على التوالي.

مثال محلول خطوة بخطوة

محول مثالي خافض عدد لفات ملفه الابتدائي $\text{7500}$ لفة، وعدد لفات ملفه الثانوي $\text{125}$ لفة، فإذا كان الجهد في دائرة الملف الابتدائي $\text{7.2 kV}$، فما مقدار الجهد في دائرة الملف الثانوي؟ الخطوة الأولى: حدد المعطيات من النص: $N_p = \text{7500}$ $N_s = \text{125}$ $V_p = \text{7.2 kV} = \text{7200 V}$ الخطوة الثانية: اكتب القانون الذي يربط بين الجهود وعدد اللفات: $\frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p}$ الخطوة الثالثة: عوّض بالأرقام لإيجاد جهد الملف الثانوي $V_s$: $\frac{V_s}{\text{7200}} = \frac{\text{125}}{\text{7500}}$ $V_s = \text{7200} \times \frac{\text{125}}{\text{7500}}$ $V_s = \text{120 V}$

أخطاء شائعة

• الخلط بين دور المحول الرافع والخافض وعدم الانتباه لمواقع عدد اللفات في بسط ومقام القانون.
• إهمال توحيد الوحدات عند التعامل مع الكيلوفولت مثل $\text{7.2 kV}$ وتحويلها إلى الفولت قبل التعويض.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: يتكون الملف الابتدائي في محول مثالي رافع من $\text{300}$ لفة، ويتكون الملف الثانوي من $\text{90000}$ لفة، فإذا كانت القوة الدافعة الكهربائية الحثية الناتجة عن المولد المتصل بالملف الابتدائي مقدارها $\text{60.0 V}$، فما مقدار القوة الدافعة الكهربائية الحثية الناتجة عن الملف الثانوي؟ الإجابة: باستخدام القانون $\frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p}$، نعوض بالأرقام: $\frac{V_s}{\text{60.0}} = \frac{\text{90000}}{\text{300}}$، إذن $V_s = \text{18000 V}$ أو $\text{18 kV}$.

السؤال الثاني: لماذا يعمل المحول بيار متناوب فقط، ولا يعمل بيار مستمر؟ الإجابة: لأن التيار المستمر يولد مجالاً مغناطيسياً ثابتاً لا يتغير مع الزمن، بينما يشترط لتوليد قوة دافعة كهربائية حثية وجود تغير في المجال المغناطيسي، وهو ما يوفره التيار المتناوب الذي يتغير باستمرار.