محاثه

تستخدم المحاثات - عادة في شكل ملفات - بشكل شائع في العديد من تطبيقات الدوائر. والغرض منها هو تخزين الطاقة المغناطيسية عندما يتدفق تيار الحالة المستقرة.

في حلقة تشكل دائرة مغلقة ، يحفز المجال المغناطيسي المتغير قوة دافعة كهربائية تحرك التيار. هذه الظاهرة تسمى الحث الكهرومغناطيسي. المحرض هو ببساطة ملف من الأسلاك وله خاصية الحث الذاتي ، والذي يربط الجهد عبر أطرافه بالتغير في مجاله المغناطيسي.

سيوضح هذا الفيديو المفاهيم الكامنة وراء الحث ثم يوضح تجربة تحريضية باستخدام قضيب مغناطيسي ولفائف. أخيرا ، سنراجع بعض الطلبات الحالية للمحاثات.

يمكن اعتبار التدفق المغناطيسي على أنه مقدار المجال المغناطيسي الذي يمر عبر منطقة ما. بالنسبة للمجال المغناطيسي المنتظم B العمودي على المنطقة A ، فإن التدفق المغناطيسي phi هو ببساطة نتاج الاثنين. وفقا لقانون فاراداي للحث ، يولد التدفق المغناطيسي المتغير في حلقة من الأسلاك قوة دافعة كهربائية ، أو EMF ، على طول الحلقة. هذا المجالات الكهرومغناطيسية يساوي سالب معدل تغير التدفق المغناطيسي بمرور الوقت.

يحدد معدل تغير التدفق المغناطيسي قطبية القوة الدافعة الكهربائية المستحثة. تعني العلامة السالبة في تعبير قانون فاراداي أنه إذا انخفض المجال المغناطيسي بمرور الوقت ، فإن المجالات الكهرومغناطيسية تكون موجبة. إذا زاد مع مرور الوقت ، فإن EMF يكون سالبا. عندما تكون الحلقة عبارة عن دائرة مغلقة ، فإن المجالات الكهرومغناطيسية المستحثة تدفع التيار الذي يولد بدوره مجاله المغناطيسي الخاص. هذا المجال المغناطيسي له اتجاه تعطى من خلال قاعدة اليد اليمنى. إذا كانت أصابع اليد اليمنى تلتف حول اتجاه التيار في الحلقة ، فإن إبهام اليد اليمنى سيشير في اتجاه المجال المغناطيسي المتولد. يجب أن يتدفق التيار المستحث في الاتجاه الذي يخلق مجالا مغناطيسيا يعارض معدل تغير المجال المغناطيسي الخارجي.

على سبيل المثال ، يشير المجال المغناطيسي من هذا المغناطيس إلى الأعلى من خلال حلقة واحدة من الأسلاك. يؤدي تحريك المغناطيس بعيدا عن الحلقة إلى تقليل شدة المجال المغناطيسي عبر الحلقة. التغيير في التدفق المغناطيسي - الذي يمثله متجه يشير إلى الأسفل - يحفز المجالات الكهرومغناطيسية الموجبة التي تدفع التيار عكس اتجاه عقارب الساعة كما هو موضح. من خلال قاعدة اليد اليمنى ، يخلق التيار مجالا مغناطيسيا يشير إلى أعلى داخل الحلقة لمعارضة تناقص المجال المغناطيسي أو التدفق. في المقابل ، فإن تحريك المغناطيس نحو الحلقة يزيد من المجال المغناطيسي هناك. يتم تمثيل التغير في التدفق المغناطيسي بمتجه يشير إلى الأعلى. في هذه الحالة ، فإنه يحفز EMF سالبا يدفع التيار في اتجاه عقارب الساعة. وفقا لقاعدة اليد اليمنى ، يخلق التيار في هذا الاتجاه مجالا مغناطيسيا يشير إلى أسفل داخل الحلقة لمعارضة المجال المغناطيسي المتزايد أو التدفق.

الآن دعنا ننتقل من حلقة إلى ملف لولبي ، وهو ببساطة حلقات متعددة من الأسلاك ملفوفة حول قلب من الهواء أو المادة المغناطيسية. إنه محث شائع الاستخدام في الدوائر الكهربائية. إذا كان التيار يتدفق عبر ملف لولبي ، فإنه يخلق مجالا مغناطيسيا داخل المحرض. يتم إعطاء اتجاه هذا المجال المغناطيسي من خلال قاعدة اليد اليمنى. ينتج هذا المجال بدوره تدفقا مغناطيسيا في اتجاه نفس اتجاه المجال ، ومقدار هذا التدفق يتناسب مع التيار. لذلك ، إذا تغير التيار بمرور الوقت ، فإن التدفق المغناطيسي يتغير أيضا. باتباع قانون فاراداي ، يؤدي التدفق المتغير إلى جهد يدفع التيار عبر الملف بحيث يعارض المجال المغناطيسي للتيار المستحث التغيير في التدفق الأصلي. تسمى ظاهرة تحريض الجهد عبر محطاتها الخاصة استجابة للتيار المتغير بالحث الذاتي ، والجهد الكلي المستحث عبر الملف اللولبي هو عدد المنعطفات N ، مضروبا في EMF لحلقة واحدة.

والآن بعد أن شرحنا الأساسيات، دعونا نرى كيفية دراسة الحث الكهرومغناطيسي في مختبر الفيزياء.

تستخدم جميع التجارب التالية مقياس التيار الكهربائي ثنائي القطب التناظري ، والذي يحتوي على إبرة تنحرف إلى يمين أو يسار نقطة الصفر ، اعتمادا على اتجاه تدفق التيار.

أولا ، احصل على ملف لولبي ذو نواة مجوفة ، ومغناطيس قضيب مع القطبين الشمالي والجنوبي المسمى بوضوح ، ومقياس التيار الكهربائي ثنائي القطب التناظري. ثم قم بتوصيل الملف اللولبي بمقياس التيار الكهربائي. في التجربة الأولى ، أدخل القطب الشمالي للمغناطيس في نهاية الملف اللولبي المتصل بالطرف السالب لمقياس التيار الكهربائي. راقب مقياس التيار الكهربائي وسجل قطبية انحراف الإبرة وحجمه التقريبي. اسحب المغناطيس من الملف اللولبي وسجل القطبية والحجم التقريبي لانحراف إبرة مقياس التيار الكهربائي.

الآن أدر المغناطيس وأدخل القطب الجنوبي وأزله من نهاية الملف اللولبي المتصل بالطرف السالب لمقياس التيار الكهربائي. كرر هذه التجربة عن طريق إدخال القطب الجنوبي للمغناطيس في الملف ثم إزالته أولا بشكل أبطأ ثم أسرع مما كانت عليه في التجربة الأولى. عندما يقترب القطب الشمالي ويدخل الملف اللولبي ، فإنه يحفز التيار الذي يسبب انحرافا إيجابيا مؤقتا لمقياس التيار الكهربائي. عندما تتم إزالة القطب الشمالي من الملف اللولبي ، يكون الانحراف سالبا. يؤدي عكس اتجاه المغناطيس أيضا إلى عكس استجابة مقياس التيار الكهربائي.

أخيرا ، تؤثر سرعة الحركة على تغير المجال المغناطيسي بمرور الوقت ، والذي يحدد الجهد والتيار المستحثين. تؤدي الحركة البطيئة إلى تيار أقل وقراءة أصغر ، وتؤدي الحركة الأسرع إلى مزيد من التيار وقراءة أكبر.

بالنسبة لتجربة الحث الذاتي ، قم بتوصيل مصباح كهربائي ، وملف محث ، ومصدر جهد مضبوط عند فولت واحد موجب ، ومفتاح ، ومقياس التيار الكهربائي التناظري كما هو موضح. قم بتجميع الدائرة مع فتح المفتاح حتى لا يتدفق التيار.

أغلق المفتاح لتوصيل مصدر الجهد بكل من المصباح الكهربائي وملف المحرض. راقب المصباح الذي يبدو مضاءة بشكل خافت. افتح المفتاح لفصل مصدر الجهد عن الدائرة. راقب المصباح الكهربائي ومقياس التيار الكهربائي في لحظة فتح المفتاح ثم سجل النتيجة. يضيء المصباح الكهربائي لفترة وجيزة ويظهر مقياس التيار الكهربائي قراءة موجبة في نفس الوقت. يحدث هذا بسبب الاستقراء الذاتي وتحدث العديد من الأحداث خلال هذه الفترة القصيرة من الزمن.

في البداية ، عندما يتم إغلاق المفتاح ، يتدفق التيار عبر كل من الملف والمصباح الكهربائي ، ولكن يتدفق المزيد من التيار عبر الملف مقارنة بالمصباح الكهربائي ، نظرا لأن الملف يتمتع بمقاومة أقل مقارنة بالمصباح. يؤدي فتح المفتاح إلى فصل مصدر الجهد. هذا يؤدي إلى انخفاض التيار عبر المحرض.

يتسبب هذا التيار المتغير عبر المحرض في حدوث تغيير في تدفقه المغناطيسي ، والذي بدوره يحفز تيارا عابرا يعارض الانخفاض من خلال التدفق في نفس اتجاه التيار الأصلي. ينتج عن الجمع بين الاثنين - التيار الأصلي والعابر - إجمالي تيار المحرض ، الذي يتدفق الآن عبر المصباح ويضيئه لفترة وجيزة ، وفي نفس الوقت يتسبب في انحراف في مقياس التيار الكهربائي للإشارة إلى تيار موجب.

للحث الكهرومغناطيسي العديد من التطبيقات في الأجهزة الحديثة ، وهو طريقة أساسية لنقل الطاقة والمعلومات دون اتصال جسدي.

الحث هو المبدأ الأساسي وراء عمل الأجهزة التي تسمى المحولات. يحتوي المحول على زوج من أطراف الإدخال المتصلة بملف أولي أو ملف وزوج من أطراف الإخراج المتصلة بملف ثانوي. قلب يتكون من الفولاذ أو الفريت أو حتى الهواء ببساطة ، يجمع مغناطيسيا بين اللفات. يتسبب الجهد عبر ملف واحد في تدفق التيار من خلاله ، مما يخلق مجالا مغناطيسيا. ثم يقترن التدفق المغناطيسي ، أو كثافة المجال المغناطيسي ، باللف الثانوي عبر اللب ، حيث يحفز الجهد. هذا المبدأ يسمى الاستقراء المتبادل.

تطبيق آخر للمحاثات هو محركات الحث AC ، والتي تعد العمود الفقري للصناعة الحديثة نظرا لبساطتها وصلابتها وموثوقيتها. يتكون المحرك التعريفي من جزأين رئيسيين فقط. الأول هو الجزء الثابت ، المسمى الجزء الثابت ، والذي يتكون من ملفات ثابتة حول التجويف. معلق في التجويف هو الدوار ، وهو زوج من الحلقات الطرفية التي تغطي ترتيبا أسطوانيا من القضبان. يستخدم المحرك التعريفي للتيار المتردد ثلاثي الأطوار طاقة ثلاثية الأطوار ، مع توصيل كل مرحلة بمجموعة منفصلة من ملفات الجزء الثابت. يتم ترتيب الملفات في نمط يولد مجالا مغناطيسيا واحدا لكل مرحلة من مراحل الطاقة المزودة. يدور المجال المغناطيسي الصافي الناتج ، المسمى "المجال المغناطيسي للجزء الثابت" بسرعة ثابتة.

يحفز التدفق المغناطيسي الدوار التيار في الدوار ، على غرار الطريقة التي ينقل بها المحول الطاقة من الملف الأساسي إلى الملف الثانوي. يخلق التيار عبر قضبان الدوار بدوره مجاله المغناطيسي الخاص به ، والذي يسمى "المجال المغناطيسي الدوار المستحث". ينتج عن التفاعل بين هذين المجالين قوة على الدوار ، مما يجعله يتبع المجال المغناطيسي للجزء الثابت ، مثل قضيب حديدي يتبع المغناطيس المحيط به.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للحث الكهرومغناطيسي. يجب أن تفهم الآن كيف يحفز المجال المغناطيسي المتغير زمنيا قوة دافعة كهربائية في الموصل ، وكيف ينتج التيار الناتج مجاله المغناطيسي الخاص. شكرا للمشاهدة!