التحريض الكهرومغناطيسي. الاجابة عن أهم الأسئلة

في هذا الدرس، نناقش التحريض الكهرومغناطيسي، وهو ظاهرة فيزيائية تحدث عندما يتولد تيار كهربائي في دائرة موصلة نتيجة لتغير في المجال المغناطيسي المحيط بها. ما هو التحريض الكهرومغناطيسي؟ هو العملية التي يتسبب فيها تغير المجال المغناطيسي في تحفيز التيار الكهربائي في موصل، وتعد هذه الظاهرة أساسًا لعمل العديد من الأجهزة الكهربائية مثل المولدات والمحولات الكهربائية.

ملاحظة: توجد وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF في نهاية المقال.

هذا الدرس خاص بشعبتي الرياضيات والتقني رياضي.

1 ـ ظاهرة التحريض:

1 ـ 1 ـ تأثير قيمة الحقل:

نشاط:

اليك الأوضاع المبينة بالشكل أدناه لمغناطيس أمام وشيعة:

ـ قارن بين تدفق الحقل المغناطيسي عبر وجه الوشيعة في الوضعيتين 1 و2 ؟

تدفق الحقل المغناطيسي عبر وجه الوشيعة في الوضعية 1 أكبر منه في الوضعية 2.

ـ قارن بين تدفق الحقل المغناطيسي عبر وجه الوشيعة في الوضعيات 3 و4 و5 ؟

تدفق الحقل المغناطيسي عبر وجه الوشيعة في:

* الوضعية 3 أكبر. * الوضعية 5 متوسط.* الوضعية 4 ضعيف.

1 ـ 2 ـ تأثير سطح الدارة:

يتم ذلك بتغيير السطح بالتشويه من جهة أو بتدوير السطح الحقيقي أمام الحقل المغناطيسي أي العمل على تغيير الزاوية α حيث يصبح سطح التدفق متغيرا.

كلما زادت مساحة سطح الدارة الكهربائية، زاد عدد خطوط الحقل المغناطيسي التي يمكن أن تعبرها، أي زاد التدفق المغناطيسي عبرها.

2 ـ التدفق المغناطيسي:

2 ـ 1 ـ مفهوم التدفق:

     التدفق المغناطيسي مقدار فيزيائي جبري، يعبر عن خطوط الحقل المغناطيسي التي تعبر سطح موجود في حقل مغناطيسي.

* يشير التدفق المغناطيسي الى عدد خطوط الحقل التي تعبر الدارة.

* ترتبط اشارة التدفق بالاتجاه خطوط الحقل.

* يكون التدفق موجبا اذا عبرت خطوط الحقل الدارة في نفس اتجاه الناظم.

2 ـ 2 ـ العلاقة الرياضية (وحدته):

تعطى عبارته على الشكل الآتي: Φ = B.S.cosα  أي:  (wb) = (T)(m²)

ويقاس بوحدة تسمى الويبر (wb).

ملاحظة:

 إذا كانت الوشيعة تحتوي N لفة فيعطى التدفق الإجمالي بالعلاقـة:  Φ = N. B.S.cosα

2 ـ 3 ـ قانون فرداي وقانون لنز:

أ ـ قانون فرداي:

تجربة 1:

1 ـ حقق التركيب المقابل:

ـ صف ما يحدث عندما يكون المغناطيس ساكنا أمام الوشيعة، وماذا يحدث عند تقريبه من الوشيعة أو ابعاده عنها ؟

لا ينحرف مؤشر الغلفانومتر عندما يكون المغناطيس ساكنا أمام الوشيعة، أما عند تقريبه من الوشيعة ينحرف مؤشر الغلفانومتر الى جهة معينة، وعند ابعاده عنها ينحرف المؤشر الى الجهة المعاكسة.

2 ـ حقق التركيب المقايل:

ـ صف ما يحدث عند غلق الدارة الكهربائية (1) ؟ وما يحدث عند فتحها ؟

عند غلق الدارة الكهربائية (1) ينحرف مؤشر الغلفانومتر الى جهة معينة، ثم يعود الى الصفر.

وعند فتحها ينحرف المؤشر الى الجهة المعاكسة ثم يعود الى الصفر.

ـ اعط ملاحظاتك عند ترك الدارة الكهربائية (1) مغلقة ؟

عند ترك الدارة الكهربائية (1) مغلقة يبقى مؤشر الغلفانومتر عند الصفر (لا ينحرف).

3 ـ عوض المولد السابق بمولد تيار ذو تغذية مستقرة، (يمكن تغيير قوته المحركة الكهربائية)، وغير في شدة التيار المار في الدارة الكهربائية (1).

ـ ماذا يحدث في الدارة الكهربائية (2):

* عند زيادة شدة التيار الكهربائي؟

* عند انقاص شدة التيار الكهربائي؟

* عند ترك شدة التيار الكهربائي ثابتة ؟

عند زيادة شدة التيار الكهربائي المار في الدارة (1) ينحرف مؤشر الغلفانومتر الى جهة معينة، وعند انقاص شدة التيار الكهربائي المار في الدارة (1) ينحرف مؤشر الغلفانومتر الى الجهة المعاكسة. أما عند ترك شدة التيار الكهربائي ثابتة يبقى مؤشر الغلفانومتر عند الصفر (لا ينحرف).

4 ـ ماذا يحدث عند تقريب أو ابعاد المغناطيس ببطء ثم بسرعة ؟

عند تقريب أو ابعاد المغناطيس من وجه الوشيعة ببطء يكون انحراف مؤشر الغلفانومتر ضعيفا، لكن عند تقريبه أو ابعاده بسرعة يكون انحراف مؤشر الغلفانومتر كبيرا.

5 ـ ماذا تستنتج من خلال هذه التجربة ؟

الاستنتاج:

ـ من خلال هذه التجربة، يتبين لنا أن هذه الظاهرة تحدث فقط في حالة وجود تغير في تدفق الحقل المغناطيسي عبر وجه الوشيعة.

ـ تكون هذه الظاهرة شديدة (عنيفة)، عند وجود تغير سريع في تدفق الحقل المغناطيسي عبر وجه الوشيعة، وتكون ضعيفة (لطيفة)، عند وجود تغير بطيء في تدفق الحقل المغناطيسي.

6 ـ تسمى هذه الظاهرة بظاهرة التحريض الكهرطيسي، حاول أن تقدم تعريفا لها ؟

تبرز ظاهرة التحريض الكهرطيسي في دارة، كلما حدث تغير في تدفق الحقل المغناطيسي عبرها، وتتمثل هذه الظاهرة في نشوء (تولد) قوة محركة كهربائية متحرضة (e)، تكون سببا في نشوء تيار كهربائي متحرض (i) في هذه الدارة ان كانت مغلقة، وهذا يتفق مع قانون فاراداي.

نص قانون فاراداي: Faraday (1791-1867)

 كل تغیر في التدفق المغناطیسي عبر دارة مغلقة، یصاحبه  إنتاج تیار متحرض في ھذه الدارة.  |e| = ΔΦ/Δt

ب ـ قانون لنز:

تجربة 2:

1 ـ تعرف بالتجربة على جهة التيار الكهربائي المتحرض المار في الوشيعة، في الحالات التالية:

2 ـ ما هو وجه الوشيعة، خلال مرور التيار المتحرض، في كل حالة من الحالات السابقة ؟ عينه.

أنظر الشكل.

3 ـ ماذا تستنتج فيما يتعلق بجهة التيار الكهربائي المتحرض، المتولد في ظاهرة التحريض الكهرطيسي؟ 

في هذه الظاهرة يكون للتيار الكهربائي المتحرض جهة، يعاكس بأثاره السبب الذي أدى الى وجوده (نشوئه)، وهذا يتفق مع قانون لنز.

نص قانون لنز: Lenz (1804-1865)

للتيار الكهربائي المتحرض جهة، تجعله يسعى دوما لأن يعاكس بأفعاله السبب الذي أدى إلى حدوثه.

3 ـ القوة المحركة الكهربائية التحريضية:

تتولّد القوّة المحركة الكهربائيّة التحريضية، عند تقريب أو ابعاد أحد قطبي قضيب مغناطيسي من وشيعة، في دارة مغلقة (أو تحريك الوشيعة أمام القضيب)، أي عن حركة الدارة (الحلقة) بالنسبة للمجال المغناطيسي، أو عند تحريك مغناطيس دائم بالنسبة لناقل كهربائيّ أو العكس، اذا كانت الحركة بصفة دورية (جيبية)، تؤدي القوة المحركة الكهربائية التحريضية الناشئة الى نشوء تيار متناوب.

نتيجة:

   تظهر القوة المحركة الكهربائية التحريضية، التي تنتج مرورا للتيار الكهربائي المحرض في دارة مغلقة عندما:

ـ يكون انتقال نسبي بين المحرض والمتحرض.

ـ يملك المحرض حقلا مغناطيسيا متغيرا بدلالة الزمن يصل تأثيره الى متحرض ثابت.

تعميم:

تظهر القوة المحركة الكهربائية التحريضية في دارة اذا تغير التدفق المغناطيسي عبرها.

ملاحظة:

     في حالة حركة المتحرض في الحقل المغناطيسي للمحرض، فان نشوء تيار متحرض يفسر بتأثير قوة "لورانز" ، التي يطبقها الحقل المغناطيسي للمحرض على الالكترونات (حاملات الشحنة) لدارة المتحرض.  

4 ـ التحريض الذاتي:

4 ـ 1 ـ الدراسة التجريبية لظاهرة التحريض الذاتي:

تجربة:

نحقق التركيب التجريبي التالي:

ـ ماذا تلاحظ عند غلق الدارة ؟

عند غلق الدارة نلاحظ أن المصباح L₁ يشتعل انيا بينما المصباح L₂ يشتعل بالتدريج.

ـ ما هو السبب في ذلك؟

السبب في ذلك يرجع الى ظاهرة حدثت في الجزء CD من الدارة.

ـ ماذا تستنتج من ذلك؟

نستنتج من ذلك أن الوشيعة في الدارة تعاكس استقرار التيار. 

ـ ماذا تسمى هذه الظاهرة ؟

تسمى هذه الظاهرة التحريض الذاتي.

4 ـ 2 ـ التدفق الذاتي: الذاتية:

يولد التيار حقلا مغناطيسيا في الفضاء الداخلي للوشيعة، أي أنها مغمورة بتدفق مغناطيسي، اذا كانت شدة التيار متغيرة، يتغير التدفق وبالتالي نشوء قوة محركة تحريضية، حيث تطابق قانون لنز طيلة حدوث هذا التغير.

اذن كل تغير للتدفق الذاتي عبر دارة يشمل قوة محركة كهربائية تحريضية ذاتية، تقوم بأفعالها بمعاكسة السبب الذي أدى الى نشوئها. هذه الظاهرة هي ظاهرة التحريض الذاتي.

ان التدفق التحريضي الذاتي عبر دارة يجتازها تيار كهربائي، يتناسب طردا مع شدة هذا التيار، معامل التناسب يعبر عن ذاتية الدارة (L)، ومنه نكتب: Φ = L.i حيث أن وحدة الذاتية هي الهنري (H)

وتعطى ذاتية الوشيعة بالعبارة:

$$L=4\pi \times {10}^{-7}\cdot \frac{N^2{R}^2}{l}$$

حيث:

R: نصف قطر مقطعها (m)

N: عدد لفاتها

ℓ: طولها (m)

قانون فراداي ـ لنز:

لدينا:

$$e = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$$

وعندما تتناهى Δt إلى الصفر (نأخذ النهاية)، نحصل على:

$$e = -\frac{d\Phi}{dt}$$

وحيث أن:

$$\Phi = L \cdot i$$

فإن:

$$e=-L\cdot \frac{di}{dt}$$

التوتر بين طرفي وشيعة:

اذا كانت لدينا وشيعة ذاتيتها L ومقاومتها الداخلية r فان التوتر بين طرفيها عند مرور تيار i عبرها يعطى بالعبارة:

لدينا:

$$u_B = r \cdot i - e$$

وبما أن:

$$e = -L \cdot \frac{di}{dt}$$

فإن:

$$u_B=r\cdot i+L\cdot \frac{di}{dt}$$

4 ـ 3 ـ التفسير الطاقوي للتحريض الذاتي:

لدينا الطاقة الكهربائية التي تستقبلها الوشيعة في كل لحظة:

$$dE = u \cdot i \cdot dt$$

ومنه:

$$dE = (r \cdot i + L \cdot \frac{di}{dt}) \cdot i \cdot dt$$

ومنه:

$$dE = r \cdot i^2 \cdot dt + L \cdot i \cdot dt \cdot \frac{di}{dt}$$

ومنه:

$$dE = r \cdot i^2 \cdot dt + L \cdot i \cdot di$$

ومنه:

$$E = r \cdot i^2 \cdot t + \frac{1}{2} L \cdot i^2$$

حيث:

• $r \cdot i^2 \cdot t$ تتحول إلى طاقة حرارية.

• أما $E_L = \frac{1}{2} L \cdot i^2$ فهي الطاقة الكهربائية المخزنة، أو المقدمة للدارة.

وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF