الحث الكهرومغناطيسي

الحث الكهرومغناطيسي

تمهيد
أهداف الدرس :
1 - وصف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي وتفسير منشأ التيار الحثي.
2 - تعريف مفهوم التدفق المغناطيسي خلال سطح ما.
3- تعريف القوة الدافعة الحثية واشتقاق قانون فارادي.

مقدمة الدرس
إن الشحنات الكهربائية الساكنة على سطوح الموصلات تولد مجالاً كهربائياً ، وإذا سمح لهذه الشحنات بالحركة بفعل مؤثر ما فإنها تولد تياراً كهربائياً ، والتيار الكهربائي المار عبر هذه الموصلات يولد مجالاً مغناطيساً على هيئة حلقات مقفلة حول هذه الموصلات ، وما دامت التيارات الكهربائية تولد مجالات مغناطيسية ، فهل من الممكن للمجال المغناطيسي أن يولد تياراً كهربائياً ؟

مشاهدات
1 - إن الشكل المرسوم على اليسار يمثل مغناطيس طبيعي على هيئة حذوة الفرس، وسلك من مادة موصلة موضوع بين قطبي المغناطيس وموصول طرفاه بجهاز حساس لقياس التيار الكهربائي يسمى الجلفانوميتر يرمز له بالرمز (G) .

أ - إذا بقي السلك ( أ ب ) ساكناً هل تلاحظ سريان التيار الكهربائي من خلال توهج المصباح .
ب - إذا تحرك الموصل لأعلى او لأسفل ماذا تلاحظ ؟
جـ - إذا حُرك الموصل مع اتجاه خطوط المجال المغناطيسي إلى اليمين او اليسار فهل يتوهج المصباح ?

2 - إذا تحرك ملف موصول بغلفانومتر حول مغناطيس مستقيم (لاحظ الشكل) أو تحرك المغناطيس ذهاباً وإياباً أمام مقطع الملف . ماذا تلاحظ ؟ فسر سبب حدوث هذه المشاهدات .

وصف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي وتفسير منشأ التيار الحثي

إذا تحرك موصل داخل مجال مغناطيسي بحيث تعمل حركته على تقطيع هذه الخطوط فإنه سوف يتولد عبر الموصل تيار كهربائي لحظي سرعان ما يزول عند توقف الحركة ويسمى هذا التيار ( التيار الحثي : هو ذلك التيار المتولد بفعل حركة موصل في مجال مغناطيسي ) وحركة الموصل في مجال مغناطيسي ليست الطريقة الوحيدة لتوليد تيار حثي . فهناك طريقة أخرى وهي حركة ملف حول مغناطيس او (حركة مغناطيس داخل ملف) ، وهنا أيضاً سبب توليد التيار هو تقطيع خطوط المجال او ما يسمى تغير في التدفق المغناطيسي. ومن هنا نستخلص أن التيار الحثي تولد بفعل تغير في عدد خطوط المجال المغناطيسي الذي قطع موصلاً ( سواء كان سلكاً أم ملفاً ) .

مثال (1) :
لماذا لا يتولد تيار حثي عندما تكون حركة الموصل مع او ضد خطوط المجال المغناطيسي؟
الحل :
إذا كانت الزاوية بين اتجاه الحركة والمجال (  =ه 0 ، 180) فإن القوى المغناطيسية على الشحنات الحرة داخل الموصل تساوي صفراً اعتماداً على العلاقة التالية :
ق = س ع غ جا  ،  بين ع ، غ = 0 ، 180 اذن ق = 0

¬وما دامت القوى على الشحنات تساوي صفر لكونها لا تتحرك مما تؤدي إلى عدم توليد تيار .
إذا كان الموصل ساكناً أو الملف ساكناً في مجال مغناطيسي لا يتولد تيار .
الملف أو الموصل ساكناً يعني بأن ع= 0 واعتماداً على العلاقة :
ق = س ع غ جا q ، ع = 0 ق = 0
لا يتولد تيار لنفس السبب في مثال (1) .

مثال (3) :
اعتماداً على الشكل المرسوم فسّر سبب تولد تيار حثي لحظي في الملف الثانوي .

الحل :
عند إغلاق الدارة يسري تيار كهربائي في الملف الابتدائي ، مما يولد مجال مغناطيسي عبر الملف ، يعبر خلال الحلقة الحديدية فيُقّطع خلال الملف الثانوي الموصول مع الغلفانومتر (G) فيتولد فيه تيار حثي لحظي . وإذا فتحت الدارة يسري تيار لحظي عبر الملف الثانوي، هل تستطيع تفسير ذلك ؟

¬ ملحوظة :
هل يمكن توليد تيار حثي دائم ؟ هذا ما سنتعرض اليه في البند التالي .
من خلال ما سبق ورد معنا مفهوم التدفق المغناطيسي ويقصد به قطع خطوط المجال المغناطيسي لمساحة ما ، والعلاقة التي تربط بين التدفق المغناطيسي خلال سطح مساحته ( أ ) والمجال المغناطيسي هي :
ئ = أ غ جتا 

حيث :
ئ : التدفق المغناطيسي
أ : المساحة
غ : شدة المجال
 : الزاوية المحصورة بين المجال المغناطيسي والعمودي على المساحة
وبناءاً على هذا الفهم للتدفق المغناطيسي ، يمكنك تعديل التعميم السابق ليصبح على النحو الآتي :
يتولد تيار حثي في موصل (سلك او ملف) إذا حدث تغير في التدفق المغناطيسي عليه.

ومن هنا نلاحظ بأننا نستطيع أن نولد تياراً حثياً بعدة طرق تعتمد على إحداث تغير في التدفق المغناطيسي . وحتى يتولد تيار حثي دائم يجب أن نحافظ على استمرارية التغير في التدفق ، ولتوضيح هذه الملحوظة نسوق مجموعة الأمثلة الآتية :
لماذا توقف التيار الحثي بعد فترة من إغلاق دارة الملف الابتدائي في مثال (1) سابقاً وعاد التيار ليسري عند فتح دارة الملف الابتدائي ؟؟
الحل :
بعد فترة من إغلاق دارة الملف الابتدائي تصل خطوط المجال التي تعبر الملف الثانوي إلى القيمة العظمى حيث تصبح :
ئ  =ا صفر اذن ت = 0 عبر الملف الثانوي .
عند فتح الدارة تبدأ خطوط المجال بالتناقص التدريجي أي :
ئ  ه¹ صفر اذن ت ¹ صفر
ولكن بعد فترة قصيرة تتلاشى خطوط المجال ليصبح ت =0 لأن  ه ئ = ا0
ومن هنا قلنا بأن هذه الطريقة تولد تياراً حثياً لحظياً وحتى يستمر التيار يجب أن نستمر بتغيير ئ . كيف ؟

مثال (2) :
ما هي الطرق التي يمكن بواسطتها توليد تيار حثي أو دائم ؟
ملحوظة : اعتمد للإجابة على هذا التساؤل على الطرق التي يمكن بواسطتها تغيير قيمة ئ على موصل ( سلك أو ملف
ئ = أ غ جتا 
بالنظر إلى العلاقة يمكن تغيير ئ بتغيير كل من أ ، غ ، q ولكن غ عبر ملف حلزوني تعطى بالعلاقة :
غ = m ت نَ
وهذا يعني يمكن تغيير غ من خلال تغيير شدة التيارعبر الملف ، وشدة التيار يمكن أن تغير من خلال تغيير قيمة المقاومة عبر دارة الملف الابتدائي .

لنأخذ هذه العوامل ونفصلها من خلال التمثيل على هذه العوامل :
أ - المساحة :
إذا وضعت حلقة على هيئة زنبرك بين فكي مغناطيس طبيعي، وقمنا بضغطها إلى الداخل أو الخارج ، فإن مقدار المساحة التي تخترقها خطوط المجال في كل حالة سوف تتغير مما يؤدي إلى تغير ئ فيتولد تيار حثي دائم ما دام هناك تغير في المساحة .

ب - شدة المجال المغناطيسي :
إذا كان مصدر المجال المغناطيسي صناعي يمكن تغيير شدته وذلك بتغيير شدة التيار خلال ملفه( اعتماداً على العلاقة : غ = m ت نَ ) أو عدد لفاته أو نوع مادة القلب بهدف تغيير النفاذية المغناطيسية (m). ومن أسهل الطرق من ناحية عملية لتغيير غ هو تغيير (ت) من خلال تغير قيمة المقاومة م . الموصولة بدارة الملف الابتدائي .

جـ - الزاوية  :
إذا دار ملف على هيئة مستطيل بين فكي مغناطيس طبيعي فإن الزاوية بين العمودي على المساحة واتجاه خطوط المجال المغناطيسي ( الثابتة في الاتجاه ) سوف تتغير مما يؤدي إلى تغير جتا q وبالتالي إلى تغير ئ مما يولد تياراً حثياً مستمراً ما دام الملف في حالة دوران . وهذا المبدأ هو مبدأ عمل الدينامو الذي سوف نتعرض إليه لاحقاً .
أما إذا كان مصدر المجال المغناطيسي طبيعياً فإن تغيير شدة المجال المغناطيسي تتم من خلال تقريب أو إبعاد المغناطيس من المقطع العرضي للملف كما هو مبيّن :

قارن بين عدد الخطوط التي تعبر المقطع العرضي للملف في الحالتين أ و ب. ماذا تلاحظ ؟
هئ =ه2 ، ت ¹ 0 ، عبر G ، أي يسري تياراً حثياً ما دامَ المغناطيس متحركاً لغراض استمرار تغيير ئ . حتى يبقى التيار مستمراً .
إذا كانت شدة المجال المغناطيسي التي تخترق ملف على هيئة حلقة نصف قطرها 10سم ، 4 تسلا والزاوية بين المجال ومستوى الحلقة 30 ْ احسب مقدار التدفق المغناطيسي الذي يعبر هذه الحلقة .
الإجابة :
الزاوية بين المستوى والمجال 30 ْ لكن الزاوية q المقصودة بقانون التدفق هي الزاوية بين العمودي على المساحة والمجال غ ، لذا q =ه 60 ْ

ئ = أ غ جتا 
أ =  نق2
=  ه× 10-2 م2
ئ =ه  ه× 10-2 م2 × 4 × جتا 60 ْ
ئ =ه  ه× 10-2 ويبر أو م2 تسلا
تعريف القوة الدافعة الحثية واشتقاق قانون فارادي
عرفت بأن التغير في التدفق يولد تياراً حثياً ، فإذا تحرك الموصل أ ب بسرعة ثابتة ع في مجال مغناطيسي غ تحت تأثير قوة خارجية ق كما هو مبين في الشكل ، فإن حركة هذا الموصل سوف تؤدي إلى توليد تيار حثي عبر الموصل ، ومر معك سابقاً بأن الموصل الذي يحمل تياراَ وموضوع في مجال مغناطيسي يتأثر بقوى مغناطيسية تعطى بالعلاقة :

قع0= ت ل غ جا q ، علماً بأن قع0: القوة المغناطيسية على موصل يحمل تيار.
وحتى يتحرك الموصل أ ب إلى اليمين بسرعة ثابتة لا بد أن تكون قع0 معاكسة لـ ق خارجيـة ومسـاوية لها بالمقدار. وباستخدام قاعدة التدوير من ع ¬ غ نلاحظ بأن ت عبر الموصل من ب ¬ أ ( عكس عقارب الساعة )
ق دَ = ع غ ل جا 
لكن ئ  = غ  أ
= غ ل ع  ز
 أ = ل  ف = ل ع  ز
قدَ = ـ
ق دَ : القوة الدافعة الحثية.
القوة الدافعة الحثية ( قدَ ) تساوي عددياً معدل التغير في التدفق المغناطيسي بالنسبة للزمن وتعرف هذه العلاقة باسم قانون فارادي في الحث الكهرومغناطيسي. إذا كان الموصل يتألف من عدد من اللفات ( ن ) فإن :

وإذا كان ( D ز 0¬ ) فإن القوة الدافعة الكهربائية الحثية اللحظية تعطى بالعلاقة:

ق دَ : القوة الدافعة الكهربائية الحثية اللحظية .
والإشارة السالبة في قانون فارادي تعني بأن القوة الدافعة الكهربائية الحثية تكون بحيث تقاوم التغير في التدفق المغناطيسي الذي كان سبباً في توليدها .
اعتماداً على الشكل المرسوم أجب عما يأتي:
1 - اتجاه قَ الخارجية .
2 - التيار عبر الموصل أ ب .
3 - اتجاه قغ .
4 - ماذا يحدث للتدفق خلال الانتقال من أ ب ¬ أ َبَ وما هي إشارة هئ وقدَ
الحل :
1 - اتجاه قَ الخارجية باتجاه الحركة أي باتجاه سَ .
2- باعتماد قاعدة التدوير من ع ¬ غ تلاحظ أن التيار أ ¬ ب باتجاه ص+ .
3- قغ تسـاوي وتعاكس قَ وما دامت قَ باتجاه سَ . ز . قع . باتجاه ص+ إلى اليمين .

4- خلال انتقال الموصل من أ ب¬ أ َبَ تقل مساحة الحلقة مما يؤدي إلى نقصان ئ إذن هئ إشـارتها سالبة وبما أن قدَ تعاكسها بالإشارة.

إذا أُخرج ملف دائري عدد لفاته 100 لفة ونصف قطره 10سم من منطقة مجال مغناطيسي شدته 4 تسلا عمودي على مستواه خلال زمن 0.02 ثانية احسب مقدار القوة الدافعة الكهربائية الحثية المتولدة خلال هذا الملف .

الإجابة :
ه1 = غ1 أ جتا 
= 4 × ه × 10-2 × 1
= 4 ه × 10-2 ويبر
ه1 = صفر لأن غ2 = صفر
ه = ـ ه1