الفصل الثاني (كامل)-رزان هاني

مايكل فاراداي (1791-1867)  م كيميائي وفيزيائي انجليزي علم نفسه بنفسه وعمل كبائع للكتب فكرس امسياته لدراسه الفيزياء والكيمياء  واعظم اعماله في مجال الكهربائي والمغناطيسي

العالم اورستد اثبت في عام 1819) )م ان التيار الكهربائي عند مروره في موصل فإنه يولد مجالا مفناطيسيا ولم يكن في حسبان احد قبل عام 1831) ) م ان يحث العكس الا انه في ذلك العام اكتشف فاراداي مصادفه انه يندمكن توليد التيار الكهربائي اعتمادا على المجال المغناطيسي وهذا ماعرف بظتهره الحث الكهرومغناطيسي
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 ؟

       2-1 التيارات الكهربائيه الناتج عن تغير المجالات المغناطيسيه

درست كيف اكتشف اورستد ان التيار الكهربائي يولد مجالا مغناطيسا و وجد العالم مايكل فاراداي ان العكس يجب ان يكون صحيحا ايضا فالمجال المغناطيسي يولد تيارا كهربائيا وفي عام 1822م سجل فارادي هدفا في دفتر ملاحظاته وهو تحويل المغناطيسيه الى كهرباء

جرب فارادي عدة تركيبات للمجال المغناطيسي مع الاسلاك فلم ينجح وبعد عشر سنوات تقريبا من التجارب الغير الناجحه  وجد فارادي انه يمكن توليد كهريائي عن طريق تحريك السلك داخل مجال مغناطيسي وفي السنه نفسها وجد جوزيف هنري المدرس الامريكي في المدارس الثانوية ان تغير المجال المغناطيسي يمكن ان يولد تيار كهربائيا اخد هنري فكرة طورها عالم اخر ووسع هذا التطبيق على ادوات تعليمية لجعلها اكثر حساسيه او اكثر فعاليه ولم تكن رؤيه هنري لهذه الاشياء اكتشافا جديدا الا ان جعل هذه الادوات اكثر فعاليه كأدوات تعليميه مساعده ولم يقرر هنري نشر اكتشافاته

الحث الكهرومغناطيسي

احدى تجارب فارادي التي وضع فيها جزءا من سلك حلقه دائريه كهربائيه مغلقه داخل مجال مغناطيسي حيث لاحظ عدم تولد تيار كهربائي في السلك عندما كان السلك ثابتا او متحركا بموازاه المجال المغناطيسي بينما تولد التيار الكهربائي في اتجاه معين عندما تحرك السلك الى اعلى داخل المجال المغناطيسي وكذلك عند تحريك السلك الى الاسفل تولد فيه تيار كهربائي لكن في الاتجاه المعاكس ان تولد هذا التيار الكهربائي يحدث فقط عندما يقطع السلك خطوط المجال المغناطيسي في اثناء حركته 

وجد فارادي انه لتوليد التيار الكهربائي فإما ان يتحرك السلك في المجال المغناطيسي او يتحرك مصدر المجال المغناطيسي في منطقه السلك أي ان الحركه النسبيه بين السلك والمجال المغناطيسي هي التي تولد تيارا كهربائيا وتسمى عمليه توليد التيار الكهربائي في دائره كهربائيه مغلقه بهذه الطريقه الحث الكهرومغناطيسي

كيف يمكنك تحديد اتجاه التيار الكهربائي المتولد؟

لتحديد اتجاه القوه المؤثرة في الشحنات والتي تحدد اتجاه التيار نستخدم القاعده الرابعه لليد المنى

القوه الدافعه  الكهربائيه

تعلمت من خلال دراستك للدوائر الكهربائيه ان مصادر الطاقه الكهربائيه كالبطاريه مثلا تستخدم في توليد تيار مستمر وفرق الجهد المبذول من البطاريه يسمى القوه الدافعه الكهربائيه او EMF

الا ان القوه الدافعه الكهربائيه في الواقع ليست قوه وانما هي فرق مثل العديد من المصطلحات القديمه الاخرى التي لاتزال تستخدم حتى وقتنا الحاضر

مالذي يولد فرق الجهد الذي يسبب التيار الكهربائي الحثي في تجربه فارادي؟ عندما تحرك سلكا داخل مجال مغناطيسي يؤثر المجال المغناطيسي بقوه في الشحنات داخل السلك فيحركها باتجاه القوه أي انه قد يبذل شغل على تلك الشحنات فزاد مقدار طاقه وضعها الكهربائيه او جهدها

 تطبيق على القوه الدافعه الكهربائيه الحثيه

يعد الميكروفون تطبيقا بسيطا على القوه الدافعه الكهربائيه الحثيه EMF فالميكروفون يشبه السماعه من حيث التركيب حيث يحتوي الميكروفون على غشاء رقيق يتصل بملف حر الحركه موضوع داخل مجال مغناطيسي

تعمل الموجات الصوتيه على اهتزاز الغشاء الرقيق الذي يحرك بدوره الملف داخل المجال المغناطيسي مما يؤدي الى توليد EMF بين طرفي الملف وتتغير EMF  الحثيه وفق تردد تغيرات الصوت

المولدات الكهربائيه

يحول المولد الكهربائي (الدينامو) الذي اخترعه مايكل فاراداي – الطاقه الميكانيكيه الى طاقه كهربائيه ويتركب المولد الكهربائي من عدد من الحلقات السلكيه  التي توضع داخل مجال مغناطيسي قوي

والسلم ملفول حول قلب من الحديد لزياده شده المجال المغناطيسي وهو مماثل للملف المستخدم في المحرك الكهربائي

يثبت الملف ذو القلب الحديدي الخاص بالمولد بحيث يكون حر الحركه داخل المجال المغناطيسي وخلال دورانه تقطع حلقاته خطوط المجال المغناطيسي فتتولد فيه قوه كهربائيه حثيه تعتمد على طول السلك الذي يدور في المجال وبزياده عدد لفات الملف يزداد طول السلك فتزداد EMF الحثيه المتولدة

التيار الناتج  عن مولد كهربائي

عند وصل المولد الكهربائي بدائرة مغلقه  تنتج القوه الدافعه الكهربائيه الحثيه تيارا كهربائيا يوضح الشكل اعلاه مولد كهربائي يتكون من حلقه سلكيه مفرده من دون قلب حديد حيث يمكن تحديد اتجاه التيار الحثي باستخدام القاعده الثالثه لليد اليمنى ومع دوران الحلقه يتغير مقدار التيار الكهربائي واتجاهه

نحصل على اكبر قيمه للتيار عندما تكون حركه الحلقه عموديه على اتجاه المجال المغناطيسي أي عندما تكون الحلقه في وضع افقي

تكون مركبه سرعه الحلقه العموديه على المجال المغنناطيسي اكبر مايمكن ومع استمرار دوران الحلقه من الوضع الافقي الى الوضع الرأسي

تزداد الزاويه التي تصنعها مع خطوط المجال المغناطيسي لكل وحده زمن لذا يقل التيار الكهربائي المتولد وعندما تصبح الحلقه في وضع راسي تتحرك قطع السلك بصورة موازيه لخطوط المجال مما يؤدي الى تناقص التيار الكهربائي المتولد حتى يصبح صفرا

ومع استمرار دوران الحلقه فإن الجزء الذي كان يتحرك الى اعلى سيتحرك الى اسفل  فينعكس اتجاه التيار المتولد في الحلقه وهذا التغير في الاتجاه يحدث كلما دارت الحلقه بزاويه 

180 مقدارها  أي كلما اكملت نصف دورة ويتغير التيار باستمرار على نحو سلس من صفر الى قيمه عظمى كل نصف دورة ثم ينعكس اتجاهه

يتولد تيار حثي في الضلعين ad  و bc  في حين لايتولد تيار في الضلعين ad  و cd  ويمكن تفسير ذلك بتطبيق القاعده الرابعه لليد اليمنى على الاضلاع الاربعه

ولان الحلقه تتحرك حركه دائريه فسوف يتغير مقدار الزاويه النسبيه بين أي نقطه على الحلقه والمجال المغناطيسي باستمرار

تعمل المولدات الكهربائيه بطريقه مشابهه حيث تحول طاقه وضع الماء المحجوز خلف السد لى طاقه حركيه تعمل على ادارة التوربينات التي تعمل بدورها على تدوير الملفات السلكيه داخل مجال مغناطيسي فتتولد قوه دافعه كهربائيه حثيه

 مولدات التيار المتناوب

يعمل مصدر الطاقه على تدوير ملف المولد داخل المجال المغناطيسي بعدد ثابت من الدورات في الثانيه ومعظم الادوات والاجهزه الكهربائيه في الدول العربيه تعمل بتيارات تردده 60 hz مره في الثانيه الواحده

متوسط القدره

القدره الناتجه عن مولد كهربائي تساوي حصل ضرب التيار الكهربائي في الجهد ولان كلا من التيار والجهد متغير فستكون القدرة المرافقه للتيار المتناوب متغيره ايضا

التيار الفعال والجهد الفعال

يوصف التيار المتناوب والجهد المتناوب غالبا بدلاله التيار الفعال والجهد الفعال بدلا من الاشارة الى القيم العظمى لهما

ويشار ايضا الى الجهد الفعال بمتوسط الجذر التربيعي للجهد RMS والجهد الذي يتم تزويد المنازل قد يكون جهدا مزدوجا

اذ تزود بعض المقابس بجهد مقداره 120V  وتزود مقابس اخرى بجهد مقداره 220V وتمثل هذه المقادير الجهد الفعال وليس القيمه العظمى للجهد وقد يختلف لكل من التردد والجهد الفعال المستخدم من بلد لاخر

2-2 تغير المجالات المغناطيسيه يولد قوه دافعه كهربائيه حثيه

قانون لنز

تخيل من سلك احد الحلقات يتحرك عموديا على مجال مغناطيسي

ستتولد في السلك قوه دافعه كهربائيه حثيه تساوي BLV  اذا كان المجال المغناطيسي خارجا من الصفحه واتجاه السرعه نحو اليمين  فستكون القوه الدافعه الكهربائيه الحثيه المتولدة الى االاسفل ولك وفقا للقاعده الرابعه لليد اليمنى لذا سيتولد تيار الى اسفل 

تعلمت ان السلك الذي يسرى فيه التيار والموضوع داخل مجال مغناطيسي سيتأثر بقوة وهذه القوه تكون ناتجه عن التفاعل بين المجال المغناطيسي الموجود والمجال المغناطيسي المتولد حول التيار الكهربائي جميعها

ولتحديد اتجاه هذه القوه نستخدم القاعده الثاله لليد اليمنى

ينص قانون لنز/ ان اتجاه التيار الحثي يعاكس المجال المغناطيسي الناشيء عن التغير في المجال المغناطيسي الذي سببه لاحظ ان التأثيرات المغناطيسيه الحثيه تعاكس التغيرات في المجال وليس المجال نفسه

ممانعة التغير

يمثل الشكل على كيفيه تطبيق قانون لنز حيث قرب القطب الشمالي لمغناطيس من الطرف الايسر لملف لكي تتولد قوه تمانع اقتراب القطب الشمالي للمغناطيس يجب ان يصبح الطرف الايسر للملف قطبا شماليا ايضا أي ان تخرج خطوط المجال المغناطيسي من الطرف الايسر للملف باستخدام القاعده الثانيه لليد اليمنى ستجد انه اذا كان قانون لنز صحيح فإن اتجاه التيار الحثي يجب ان يكون في عكس اتجاه حركة عقارب الساعه عند النظر الى الملف من جهه الطرف الذي قرب اليه المغاطيس  وقد دلت التجارب على صحه ذلك واذا عُكس المغناطيس بحيث يقترب القطب الجنوبي له الى الملف فيستمر التيار الحثي في اتجاه حركه عقارب الساعه 

اذا كان التيار الناتج  عن المولد الكهربائي صغيرا فستكون القوه المعاكسه المؤثره في الملف المولد صغيرة لذا يدور الملف بسهوله اما اذا كان التيار الناتج عناما اذا كان التيار الناتج عن مولد كبير فستكون القوه المؤثره في التيار كبيره لذا يكون تدوير الملف اصعب

المحركات وقانون لنز

ينطبق قانون لنز ايضا على المحركات فعندما يتحرك السلك يسرى فيه تيار كهربائي داخل مجال مغناطيسي تتولد فيه قوه دافعه كهربائيه تسمى القوه الدافعه الكهربائيه الحثيه العكسيه ويكون اتجاهها معاكسا لاتجاه التيار وعند لحظه تشغيل المحرك يسرى فيه تيار تيار كبير بسبب صغر مقاومته ومع دوران المحرك تعمل حركه اسلاك الملف خلال المجال المغناطيسي على توليد قوه دافعه كهربائيه حثيه عكسيه تعاكس التيار

اذا اثر في المحرك حمل ميكانيكي كأن يبذل شغلا لرفع ثقل فإن سرعه دوران المحرك تقل مما يؤدي الى تقليل القوه الدافعه الكهربائيه العكسيه فيسمح ذلك بمرور تيار اكبر خلال ملف المحرك لاحظ ان هذا تفق مع قانون حفظ الطاقه

فإذا ازداد التيار ازدادت القدره الواصله للمحرك وهذه القدرة يزود بها الحمل على شكل قدره ميكانيكيه

تطبيق على قانون لنز

توجد قطعه فلزيه متصله بذراع الميزان موضوعه بين قطبي  مغناطيس على شكل حذاء فرس عندما يتارجح ذراع الميزان تتحرك قطعه الفلز داخل المجال المغناطيسي فتتولد تيارات تسمى تيارات دواميه خلال الفلز فتنتج تلك التيارات مجالا مغناطيسيا يؤثر في عكس الحركه المسببه لها ما يسبب تباطؤ حركه القطعه الفلزيه وعلى الرغم من ان القوه تعاكس حركه قطعه الفلز في الاتجاهين الا انها لا تؤثر اذا كانت القطعه ساكنه لذلك فإنها لاتعمل على تغيير قراءه الميزان ويسمى هذا التاثير " التيار الدوامي المخامد "

تتولد التيارات الدواميه عندما تتحرك قطعه فلزيه داخل مجال مغناطيسي والعكس صحيح ايضا حيث تتولد تيارات حثيه اذا وضعت حلقه فزيه داخل مجال مغناطيسي متغير ووفقا لقانون لنز فإن التيار المتولد يعاكس التغير في المجال المغناطيسي اما في الحلقه الغير مقطوعه فإن القوه الدافعه الكهربائيه الحثيه تولد تيارا ينتج مجالا مغناطيسيا معاكسا للتغير في المجال المغناطيسي الذي ولده وهذا التفاعل بين هذيين المجاليين يؤدي الى دفع الحلقه بعيدا عن الملف تماما كما يبتعد القطبان الشماليان لمغناطيسين احداهما عن الاخر واما الحلقه السفلى التي قطعت خطوط المجال المغناطيسي فيتولد فيها قوه دافعه كهربائيه لكن دون ان يتولد تيار لان مسار التيار غير مكتمل ولذلك لا تولد هذه الحلقه مجالا مغناطيسيا معاكسا

الحث الذاتي

يمكن توضيح القوه الدافعه الكهربائيه العكسيه بطريقه اخرى فقد بين فارادي ان قوه دافعه كهربائيه تتولد عندما يقطع سلك خطوط المجال المغناطيسي

يتناسب مقدار القوه الدافعه الكهربائيه الحثيه مع معدل زمني للتغير في عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تقطعها الاسلاك ولكلما كان التغير في التيار اسرع كانت القوه الدافعه الكهربائيه العكسيه اكبر وعندما يكون التيار ثابتا يصبح المجال المغناطيسي ثابتا ويكون مقدار القوه الدافعه الكهربائيه العكسيه صفرا واذا قل التيار تتولد قوه دافعه كهربائيه تعمل على منع ومقاومه النقصان في المجال المغناطيسي والتيار لذا فإنه  بسبب الحث الذاتي يجب ان يبذل شغل لزياده مقدار التيار المار في الملف فتخزن طاقه في المجال المغناطيسي وهذا يشبه عمليه تخزين الطاقه في المجال الكهربائي بين لوحي مكثف كهربائي مشحون

المحولات ا الكهربائيه

تستخدم المحولات لرفع او خفض الجهد الكهربائي المتناوب AC واستخدام المحولات شائع جدا لانها تغير الجهد مع فقد قليل من الطاقه وتحتوي معظم الاجهزة الكهربائيه في المنزل ومنها انظمه الالعاب والطابعات والمسجلات على محولات تكون داخل صندوق الجهاز او خارجه 

كيف تعمل المحولات ؟

يولد الحث الذاتي قوه دافعه كهربائيه حثيه عندما يتغير التيار المار في ملف وللمحول الكهربائي ملفان معزولان كهربائيا احداهما عن الاخر وملفوفان حول القل الحديدي نفسه ويسمى احدى الملفين الملف الابتدائي والاخر الملف الثانوي وعند وصل الملف الابتدائي بمصدر جهد متناوب يولد تغير التيار مجالا مغناطيسيا متغيرا وينقل هذا التغير عبر القلب الحديدي الى الملف الثانوي حيث تتولد فيه قوه دافعه كهربائيه حثيه متغيرة بسبب هذا التغير في المجال ويسمى هذا الحث المتبادل

تتناسب القوه الدافعه الكهربائيه الحثيه المتولده في ملف ثانوي وتسمى الجهد الثانوي معع الجهد الابتدائي ويعتمد الجهد الثانوي ايضا على النسبه بين عدد لفات الملف الثانوي زعدد لفات الملف الابتدائي 

تعرفت من قبل ان المحول الرافع يزيد الجهد ولان المحول لايمكنه زياده القدرة الناتجه لذا يجب ان يكون هناك نقص في التيار المار خلال الملف الثانوي ويحدث الشيء نفسه في المحلول الخافض اذ يكون التيار المار في الملف الثانوي اكبر من التيار المار في الملف الابتدائي  فانخفاض الجهد يقابله زياده التيار

الاستعمالات اليوميه للمحولات   

    

تكون عمليه نقل الطاقه الكهربائيه لمسافات طويله اقتصاديه اذا استخدمت تيارات صغيرة وفروق جهد كبيره جدا ولذلك تستخدم المحولات الرافعه عند مصادر القدرة للحصول على جهود كهربائيه تصل الى 480000V  وتقلل هذه الجهود الكبيره التيارات المستخدمه في نقل الطاقه عبر الاسلاك مما يقل من الطاقه الضائعه في مقاومتها الكهربائيه وعندما تصل الطاقه الى المستهلك تستخدم محولات خافضه لتزوده بجهود منخفضه تناسب الاجهزة الكهربائيه المنزليه

تضبط المحولات الموجوده في الاجهزة المنزليه الجهود الكهربائيه الى مستويات قابله للاستعمال فإذا اردت شحن لعبه او تشغل اداة كهربائيه فعليك توصليها في مخرج الكهرباء المثبت بالجدار حيث يعمل المحول الموجود داخل هذه الاداة على تحويل التيار الكهربائي من تيار متردد الى تيار مستمر ويقلل الجهد من 220V  ال جهد يتراوح بين 3.0V و 26.0V

ولاتستخدم المحولات لخفض الجهد ورفعه فقط اذ يمكن استخدام المحولات لعزل دائرة عن اخرى وهذا ممكن لان سلك الملف الابتدائي لايتصل بسلك الملف الثانوي ويوجد هذا النوع من المحولات غالبا في الاجهزة الالكترونيه الصغيرة.