نتاج التعلم ج: دراسة المغناطيسية والحث الكهرومغناطيسي في الهندسة

المجال المغناطيسي: التدفق والكثافة والنفاذية

• تُمثل المجالات المغناطيسية بخطوط التدفق المغناطيسي التي يبدو أنها تتدفق حول مصادر المغناطيسية، مثل قضيب مغناطيسي بسيط.

• في ما يأتي بعض المعلمات المهمة التي تُستخدم لوصف المجالات المغناطيسية:

• القوة الدافعة المغناطيسية (m.m.f.) ($F_m$) هي القوة التي تسبب تكوين التدفق المغناطيسي في مادة مغناطيسية حديدية موضوعة داخل ملف لولبي أو موصل ملفوف.
• وتُنشأ عن طريق تدفق التيار ($I$) عبر الملف اللولبي. الوحدة: أمبير ⁦(A)⁩

• شدة المجال المغناطيسي ($H$) مقياس لشدة المجال المغناطيسي الناتج عن ملف لولبي بمتوسط الطول ($L$) تحمل حلقاته تيارًا ($I$).
• الوحدة: أمبير لكل متر ($\text{A m}^{-1}$)

• نفاذية الفراغ الحر ($\mu_0$): في الفراغ لا توجد مادة تؤثر في المجال المغناطيسي، فيجب عمليًا استخدام القيمة التالية.
• $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\ \text{H m}^{-1}$

• النفاذية النسبية ($\mu_r$) - تقارن النفاذية ($\mu$) المحسوبة لمادة معينة بنفاذية الفراغ الحر ($\mu_0$).

ما التدفق المغناطيسي ووحدته؟

المواد الفيرومغناطيسية ومنحنى ⁦B/H⁩ والتخلفية

• تنجذب المواد الفيرومغناطيسية بشدة إلى المجال المغناطيسي، وتصبح ممغنطة بسهولة وقادرة على الاحتفاظ بخواصها المغناطيسية حتى بعد إزالة المجال الخارجي.
• منحنى $B/H$ هو تمثيل رسومي للعلاقة بين كثافة التدفق المغناطيسي ($B$) في مادة معينة وشدة المجال المغناطيسي ($H$).
• منحنيات $B/H$ ليست خطوطًا مستقيمة، لأن نفاذية المواد الفيرومغناطيسية تختلف كثيرًا باختلاف شدة المجال المطبق ($H$).
• مع زيادة شدة المجال المغناطيسي تحدث في البداية زيادة سريعة في كثافة التدفق، ثم يتباطأ معدل الزيادة في $B$ مع تسطح المنحنى.
• تصل المادة التشبع المغناطيسي عندما تؤدي أي زيادة أخرى في $H$ إلى زيادة طفيفة في $B$.
• عند تقليل المجال المغناطيسي ($H$) إلى الصفر تنخفض كثافة التدفق، لكن يبقى بعض التدفق الذي تحتفظ به المادة.
• وعند عكس المجال المطبق ينخفض هذا التدفق المحتفظ به إلى الصفر.

• عندما تزيد تراكم المجال المعكوس يتم الوصول إلى التشبع المغناطيسي في الاتجاه المعاكس.
• تقليل المجال ثم عكسه مرة أخرى له تأثير مماثل، وبالتالي تُشكل دارة مغلقة.

متى تصل المادة التشبع المغناطيسي؟

• عمليات إعادة التنظيم الداخلية في أثناء دورة المغنطة مسؤولة عن فقدان الطاقة كحرارة، وهذا هو فقدان التخلفية.
• يتناسب فقدان الطاقة مع المنطقة داخل دارة التخلفية، ويختلف اختلافًا كبيرًا مع اختلاف المواد.
• في المحولات التي تخضع موادها لدورة المغنطة عدة مرات في الثانية، يعد اختيار مادة ذات دارة تخلفية ضيقة أمرًا حيويًا لمنع الفقدان المفرط وارتفاع درجة الحرارة.

الممانعة والحجب المغناطيسي

• تُظهر بعض المعادن مقاومة لوجود مجال مغناطيسي.
• تُستخدم الممانعة المغناطيسية ($S$) كمقياس لهذه المقاومة، وتساوي نسبة القوة الدافعة المغناطيسية إلى التدفق المغناطيسي، ووحدتها هنري عكسي.

• يمكن التعبير عنها أيضًا من حيث متوسط طول مسار التدفق ($l$) والمنطقة ($A$) ونفاذية الفراغ الحر ($\mu_0$) والنفاذية النسبية ($\mu_r$):

• غالبًا ما يلزم حجب المجالات المغناطيسية عن المكونات أو الأجهزة لمنع أي تأثيرات غير مرغوب فيها، وهذا شائع مع الأجهزة الإلكترونية الحساسة.
• يمكن تحقيق الحجب الفعال باستخدام المواد المغناطيسية ذات الممانعة المغناطيسية المنخفضة، لتوفير مسار لخطوط التدفق حول الأجسام المحمية.

كيف يتحقق الحجب المغناطيسي الفعال؟

الحث الكهرومغناطيسي: قوة دافعة من مجال متغير

• ستُولَّد قوة دافعة كهربائية في الملف عندما يُحرَّك المغناطيس داخل الملف أو خارجه وتقطع خطوط التدفق عبر الموصل.
• حجم القوة الدافعة الكهربائية المستحثة ($E$) يعتمد على عدد الحلقات في الملف ومعدل تغير التدفق المغناطيسي:

• توجد طريقة بديلة تراعي المعدل الذي تُقطع به خطوط التدفق بواسطة موصل بطول ($L$) يتحرك بسرعة ($v$) عبر مجال ذي كثافة تدفق ($B$).

• هذه العلاقة تفترض أن الموصل يتحرك بزوايا قائمة على خطوط التدفق.

ما معنى العلامة السالبة في قانون فاراداي؟

• تُنشأ أيضًا تيارات موضعية أخرى (التيارات الدوامية) داخل الموصل، وتخضع لقانون لينز بالتدفق في اتجاه معاكس للمجال المتغير الذي أنشأها.
• ونتيجةً لذلك تُفقد نسبة من الطاقة المفيدة في شكل حرارة.
• يجب تصميم الأجهزة التي تحدث فيها التيارات الدوامية، مثل المحولات، بعناية لمنع فقدان الطاقة المفرط وارتفاع درجة الحرارة.
• تُصنّع المحولات باستخدام ألواح رقيقة من الحديد المطاوع معزولة كهربائيًا عن بعضها بطبقة رقيقة من الطلاء لتقييد حجم التيارات الدوامية.

المولد والمحرك الكهربائي

• تعتمد المولدات الكهربائية عادة على مبدأ تدوير موصل ذي ملف داخل مجال مغناطيسي ثابت.
• يُوصل طرفا الملف بحلقات منزلقة نحاسية تبقى ملامسة لفرش الكربون الثابتة التي يتدفق من خلالها التيار المستحث.
• يتناسب حجم القوة الدافعة المستحثة مع عدد حلقات الملف، وتعتمد على سرعة الدوران وشدة المجال المغناطيسي.
• يكون الجهد الناتج عن الملف الدوار جيبيًا لأن الزاوية بين الملف وخطوط التدفق تختلف وفقًا لزاوية الدوران.
• تتحقق ذروة الجهد عندما تكون حركة الملف متعامدة مع خطوط التدفق.
• وينخفض الجهد إلى الصفر عندما يدور الملف بزاوية 90 درجة، لأن حركته تصبح متوازية لخطوط التدفق فلا يقطعها على الإطلاق.

• يعمل المحرك الكهربائي وفق مبادئ مشابهة للمولد، لكنه يُنتج حركة عندما يمر تيار عبر ملف حر الدوران داخل مجال مغناطيسي.
• عندما يمر تيار عبر الملف فإن المجال المرتبط به يعارض الحقل المتولد عن المغناطيس الدائم ويدوّر الملف حتى يُحاذى المجالان.
• بعد الدوران بزاوية 180 درجة تعكس الحلقة المنزلقة المنقسمة (المبدل) تدفق التيار في الملف وبالتالي اتجاه مجاله المغناطيسي.
• مرة أخرى يعارض مجال الملف مجال المغناطيس الدائم، ويستمر الدوران.
• يُثبت العنصر الدوار على الحامل للسماح بالدوران الحر وتقليل الفاقد من الاحتكاك.
• ينقسم المبدل إلى عدة أجزاء، يوفر كل منها ملفات مختلفة بالتناوب، لضمان الدوران السلس.
• المحركات الكبيرة لا تستخدم مغناطيسات دائمة في الجزء الثابت، بل ملفات مجال تُرتب لتوفير المجال المغناطيسي الثابت اللازم عندما يتدفق التيار.

ماذا يفعل المبدل بعد الدوران بزاوية 180 درجة؟

الحث الذاتي والمتبادل وتخزين الطاقة

• وفقًا لقانون لينز أي تغيير في التيار المتدفق في الدائرة يولد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا يؤدي إلى قوة دافعة كهربائية خلفية تعارض تغير التيار.

• يُقاس الحث الذاتي ($L$) بالهنري ⁦(H)⁩، حيث 1 هنري هو الحث في دائرة يحث فيها تيار متغير مقداره 1 $\text{A s}^{-1}$ قوة دافعة كهربية مقدارها 1 فولت.
• ترتبط القوة الدافعة ($E$) بالمعدل الذي يتغير به التيار ومحاثة الدائرة ($L$):

• القوة الدافعة المستحثة في الملف يمكن أيضًا حسابها من معدل تغير التدفق المغناطيسي:

• تسمح لك هاتان العلاقتان بحساب الحث الذاتي ($L$) باستخدام عدد الحلقات السلكية في الملف والتيار ($I$) والتدفق المغناطيسي المولّد:

• عند أول تدفق للتيار في دائرة استقرائية تُحفَّز قوة كهربية خلفية لمعارضة تدفق التيار المتزايد، فيلزم طاقة إضافية.
• تُخزن هذه الطاقة داخل المجال المغناطيسي الناتج عن التيار وتُسترد عندما يتوقف التيار ويهبط المجال المغناطيسي.
• الطاقة المخزنة في المحث ($W$) تعتمد على محاثة الدائرة ($L$) والتيار ($I$)، ووحدتها جول ⁦(J)⁩.

ما الطاقة المخزنة في المحث؟

• يُقاس بالهنري ⁦(H)⁩، وهو الحث المتبادل الموجود حيث يحث تيار متغير من 1 $\text{A s}^{-1}$ في دائرة واحدة قوة دافعة مقدارها 1 فولت.

المحول: نسبة الجهد ونسبة التيار

• الاستخدام الأكثر شيوعًا وأهمية للمحاثة المتبادلة هو في المحولات.

• يتكون المحول من ملفين منفصلين أو لفات ملفوفة على قلب مغناطيسي مشترك، عادةً من الفولاذ الرقائقي لتقليل الفقدان الذي تسببه التيارات الدوامية.
• يُوصَّل الملف الأساسي بمصدر تيار متناوب، ويُوصَّل الملف الثانوي بحمل كهربائي.
• يولد التيار المتغير في الملف الأساسي تدفقًا مغناطيسيًا في قلب المحول، فيحدث قوة كهربائية في كل من الملفين.
• في المحول المثالي معدل تغير التدفق هو نفسه لكل ملف، فتعتمد القوة الدافعة المستحثة على عدد الحلقات السلكية في كل ملف.
• يحتوي الملف الأساسي على عدد حلقات ($N_1$) وجهد ($V_1$)، والثانوي على عدد حلقات ($N_2$) وجهد ($V_2$)، فنحصل على نسبة جهد المحول:

• في محول الرفع، نسبة الجهد $\dfrac{V_1}{V_2} < 1$، أي أن الجهد الثانوي أكبر من الجهد الأساسي.
• في محو الخفض، نسبة الجهد $\dfrac{V_1}{V_2} > 1$، أي أن الجهد الثانوي أقل من الجهد الأساسي.
• في المحول المثالي، تعني قوانين الحفاظ على الطاقة أن القدرة في الملف الأساسي مماثلة للقدرة في الملف الثانوي:

• نحصل بعد ذلك على نسبة تيار المحول بالطريقة الآتية:

ما الفرق بين محول الرفع ومحول الخفض؟

تمرين: محول شاحن الهاتف والمحث

• C.P6, C.P7, C.M3, BCD.D2

• أ. احسب عدد الحلقات السلكية المطلوبة في الملف الثانوي.
• ب. يجب تحويل تيار متناوب 5 فولت إلى 5 فولت تيار مستمر قبل استخدامه لشحن الهاتف. اشرح (المقصود بتقويم الموجة الكاملة.)
• ج. ارسم مخطط الدائرة لدائرة مقوم الموجة الكاملة.

• احسب الطاقة المخزنة في محث بقدرة حث 0.8 هنري يمرر تيار 2.6 أمبير.
• لكل مسألة في التمرين التقييمي استخدم المراحل الآتية كاسترشادية لتقدمك خلال المهمة.
• هل استخلصت ولخّصت جميع المعلومات المتاحة في السؤال؟
• ما مدى ثقتي بأن لدي المعرفة المطلوبة للتعامل مع هذه المهمة؟
• لقد قضيت وقتًا كافيًا في التخطيط لنهجي. يمكنني أن أشرح بوضوح الخطوات المتخذة والترتيب الذي ينبغي القيام به.
• يمكنني معرفة متى تكون طريقتي غير مجدية ويجب التوقف وإعادة التفكير في نهجي المتبع.