أسئلة: الحث الكهرومغناطيسي

الإجابة الصحيحة: $\Phi = B A \cos\theta$

هذا هو تعريف التدفق المغناطيسي بدلالة المجال والمساحة والزاوية.

الإجابة الصحيحة: $0^\circ$

عند $\theta = 0$ فإن $\cos\theta = 1$ وهي القيمة العظمى.

الإجابة الصحيحة: موازيًا لمستوى المساحة

عند $\theta = 90^\circ$ فإن $\cos\theta = 0$ فينعدم التدفق.

الإجابة الصحيحة: $\varepsilon = -N\,\Delta\Phi/\Delta t$

هذه هي صيغة قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي.

الإجابة الصحيحة: معدل تغيّر التدفق المغناطيسي خلاله لا على قيمته المطلقة

تدفق ثابت مهما كانت شدته لا يُحدث أي قوة دافعة كهربية.

الإجابة الصحيحة: يعارض التغيّر الذي أحدثه في التدفق المغناطيسي المسبب له

هذا هو نص قانون لنز.

الإجابة الصحيحة: مبدأ حفظ الطاقة

لو عزز التيار المستحث التغيّر بدلًا من معارضته لتولّدت طاقة من العدم.

الإجابة الصحيحة: اتجاه القوة الدافعة الكهربية المستحثة وفق قانون لنز

الإشارة السالبة تربط قانون فاراداي بقانون لنز.

الإجابة الصحيحة: $\varepsilon = \varepsilon_0 \sin(\omega t)$

هذا هو الشكل الجيبي للقوة الدافعة الكهربية المستحثة في المولد.

الإجابة الصحيحة: $\varepsilon_0 = N B A \omega$

هذه هي صيغة القيمة العظمى للقوة الدافعة الكهربية المستحثة في المولد.

الإجابة الصحيحة: موازيًا لاتجاه المجال المغناطيسي

عندها يكون معدل تغيّر التدفق أقصى ما يمكن.

الإجابة الصحيحة: عموديًا على المجال المغناطيسي (التدفق أعظمي)

عندما يكون التدفق أعظميًا يكون معدل تغيّره صفرًا فتنعدم القوة الدافعة الكهربية لحظيًا.

الإجابة الصحيحة: الحث الذاتي

هذا هو تعريف الحث الذاتي.

الإجابة الصحيحة: $\varepsilon = -L\,\Delta I/\Delta t$

هذه هي صيغة القوة الدافعة الكهربية للحث الذاتي.

الإجابة الصحيحة: الهنري

الهنري هو وحدة قياس معامل الحث الذاتي.

الإجابة الصحيحة: أفران الحث لصهر الفلزات

فتتولد التيارات عند تغير الفيض الذي يخترق القطعة المعدنية.

الإجابة الصحيحة: يقل فقد الطاقة بسبب التيارات الدوامية

وهو يركز الفيض ليقطع الملف الثانوي.

الإجابة الصحيحة: 0.4 فولت

$\text{emf} = B\ell v = 0.2 \times 0.5 \times 4$.

الإجابة الصحيحة: 36 فولت

$0.6 \times 3/0.05 = 36$.

الإجابة الصحيحة: 9 فولت

$|\varepsilon| = N\Delta\Phi/\Delta t = 150\times(3\times10^{-3})/0.05 = 150\times0.06 = 9$ فولت.

الإجابة الصحيحة: عدد خطوط الفيض التي تقطع الملف يتغير

والقوة الدافعة تتناسب مع المعدل الزمني لقطع خطوط الفيض وعدد لفات الملف.

الإجابة الصحيحة: 10 فولت

$V_s = 220 \times 50/1100 = 10$ فولت (خافض).

الإجابة الصحيحة: 1/3

لأن القدرة ثابتة فيقل التيار بنفس نسبة زيادة الجهد.

الإجابة الصحيحة: يقلل التيار في أسلاك النقل فيقل الفقد الحراري

فالفقد يتناسب مع $I^2R$.

الإجابة الصحيحة: 90.9%

$\eta = 60/66 \approx 90.9\%$.

الإجابة الصحيحة: 311 فولت

$V_{max} = 220/0.707$.

الإجابة الصحيحة: ينعكس التيار في الملف فيستمر الدوران في الاتجاه نفسه

ويستمر الملف بالقصور الذاتي عند انعدام العزم.

التدفق المغناطيسي هو حاصل ضرب شدة المجال المغناطيسي في المساحة العمودية على اتجاهه: $\Phi = B A \cos\theta$ حيث $\Phi$ التدفق المغناطيسي (بالويبر)، $B$ شدة المجال (بالتسلا)، $A$ مساحة السطح، و$\theta$ الزاوية بين اتجاه المجال والعمود المقام على المساحة. يكون التدفق أعظميًا عند $\theta = 0$ (المجال عمودي على المساحة)، وينعدم عند $\theta = 90^\circ$ (المجال موازٍ لمستوى المساحة).

ينص قانون فاراداي على أن القوة الدافعة الكهربية المستحثة في ملف مكوَّن من $N$ لفة تتناسب طرديًا مع معدل تغيّر التدفق المغناطيسي خلاله: $\varepsilon = -N\,\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$ وتعتمد هذه القوة الدافعة الكهربية على معدل تغيّر التدفق (أي سرعة تغيّره بالنسبة للزمن) لا على قيمة التدفق المطلقة؛ فتدفق ثابت مهما كانت شدته الكبيرة لا يُحدث أي قوة دافعة كهربية مستحثة.

يمكن إحداث التغيّر بتحريك مغناطيس بالقرب من الملف أو بإبعاده عنه، أو بتغيير شدة التيار المار في ملف مجاور له (فيتغيّر المجال المغناطيسي الناتج عنه)، أو بتدوير الملف نفسه داخل مجال مغناطيسي منتظم (كما في المولد الكهربي).

ينص قانون لنز على أن اتجاه التيار المستحث الناتج عن الحث الكهرومغناطيسي يكون دائمًا بحيث يعارض (يقاوم) التغيّر الذي أحدثه في التدفق المغناطيسي المسبب له. يُعَد هذا القانون صورة تطبيقية لمبدأ حفظ الطاقة: فلو كان التيار المستحث يعزّز التغيّر بدلًا من معارضته، لتولّدت طاقة من العدم داخل الدائرة، وهو ما يخالف قوانين الفيزياء الأساسية.

يعتمد المولد الكهربي في مبدأ عمله على قانون فاراداي: عند تدوير ملف موصل بسرعة زاوية منتظمة $\omega$ داخل مجال مغناطيسي منتظم $B$، يتغيّر التدفق المغناطيسي المار خلاله بصورة جيبية مع الزمن، فتُستحث فيه قوة دافعة كهربية متغيرة جيبيًا أيضًا: $\varepsilon = \varepsilon_0 \sin(\omega t)$ حيث القيمة العظمى $\varepsilon_0 = N B A \omega$.

تكون القوة الدافعة الكهربية عظمى عندما يكون مستوى الملف موازيًا لاتجاه المجال المغناطيسي، لأن معدل تغيّر التدفق عندئذٍ يكون أقصى ما يمكن. وتنعدم القوة الدافعة الكهربية لحظيًا عندما يكون مستوى الملف عموديًا على المجال، لأن التدفق نفسه يكون عندئذٍ أقصى ما يمكن (أعظميًا)، فيكون معدل تغيّره عند هذه اللحظة بالذات صفرًا.

الحث الذاتي تولد قوة دافعة مستحثة في الملف نفسه عند تغير التيار المار فيه، $\text{emf} = -L\Delta I/\Delta t$. تدل الإشارة السالبة على أن القوة الدافعة تعاكس التغير المسبب لها (قاعدة لنز). ويعتمد $L$ على الشكل الهندسي للملف وعدد لفاته والمسافة بين لفاته ونفاذية القلب.

يعتمد على الحث المتبادل بين ملفين حول قلب من الحديد المطاوع: يولد التيار المتردد في الابتدائي فيضًا متغيرًا يقطع الثانوي فتتولد فيه قوة دافعة. $V_s/V_p = N_s/N_p$ ومن حفظ الطاقة $I_s/I_p = N_p/N_s$. يكون رافعًا إذا زادت لفات الثانوي وخافضًا إذا قلت.

باستخدام قانون التدفق المغناطيسي: $\Phi = BA\cos\theta = 0.6 \times 0.03 \times 0.5 = 0.009\ \text{ويبر}$

$V_s = 110 \times 2000/500 = 440$ فولت. $I_s = 8 \times 500/2000 = 2$ أمبير. وهو محول رافع للجهد.

الكفاءة نسبة الطاقة من الثانوي إلى الطاقة المعطاة للابتدائي. الفقد: حرارة في الأسلاك (أسلاك قليلة المقاومة)، تيارات دوامية في القلب (شرائح معزولة من الحديد المطاوع)، وتحريك جزيئات القلب (حديد مطاوع سليكوني).

$|\text{emf}| = N\Delta\Phi/\Delta t = 200 \times 0.004/0.02 = 40$ فولت.

$\text{emf}_{max} = NBA\cdot 2\pi f = 200 \times 0.25 \times 0.02 \times 314.2 \approx 314$ فولت. وعند 30°: $314 \times 0.5 = 157$ فولت.

المولد يحول الطاقة الميكانيكية إلى كهربية بدوران ملف في مجال مغناطيسي فتتولد قوة دافعة مستحثة. المحرك يحول الكهربية إلى ميكانيكية: ملف يمر به تيار في مجال يتأثر بازدواج يديره، ويعكس المقوم التيار كل نصف دورة لاستمرار الدوران.

المتبادل: تولد قوة دافعة في ملف بتغير تيار ملف مجاور $\text{emf} = -M\Delta I_1/\Delta t$. الذاتي: تولدها في الملف نفسه بتغير تياره $\text{emf} = -L\Delta I/\Delta t$. والوحدة في كليهما الهنري $= \text{V·s/A}$.