الأسبوع 11 · الفصل الثالث (٤): المحولات في نقل الطاقة الكهربية وفقد الطاقة وكفاءة المحول وأمثلة محلولة، والمحرك الكهربي (الموتور) وفكرة عمله ودورة كاملة له · 3 دروس
2
المحرك الكهربي: تركيبه وفكرة عمله
Physics Sec 3 Term 1, Chapter 3: pp. 80–85
الهدفأسمّي أجزاء المحرك الكهربي البسيط للتيار المستمر وأذكر وظيفة كل جزء، وأحسب القوة على ضلعي الملف والعزم عندما يوازي مستوى الملف المجال.
كلمات جديدة
المحرك الكهربي · آلة تحول الطاقة الكهربية إلى طاقة ميكانيكية (دوران)مقوّم التيار · حلقة مشقوقة من نصفين تعكس التيار في الملف مرتين في كل دورةفرشاة · ملامس ثابت يلامس المقوّم الدوّار ويدخل التيار أو يخرجه
الشرح
المحرك الكهربي يحول الطاقة الكهربية إلى طاقة ميكانيكية. وجزؤه الرئيسي ملف مستطيل من لفات كثيرة من سلك معزول، ملفوف على قلب مصفح من الحديد المطاوع وحر الدوران بين قطبي مغناطيس قوي. ويتصل طرفا الملف بنصفي حلقة مشقوقة هي مقوّم التيار، ويدور معه. وتضغط فرشاتان ثابتتان على النصفين وتدخلان التيار من مصدر تيار مستمر، وغالبًا عبر ريوستات. والفكرة هي نفسها التي رأيناها في الجلفانومتر. فالتيار في الضلعين الطويلين للملف يسير في اتجاهين متعاكسين، فتكون القوتان عليهما متعاكستين بقاعدة اليد اليسرى لفلمنج، وتكونان ازدواجًا. ويتأثر كل ضلع طوله ℓ داخل المجال بقوة F = N·B·I·ℓ، وعندما يوازي مستوى الملف المجال يكون العزم F × (عرض الملف) = BIAN، حيث A مساحة الملف. والجلفانومتر يمسكه نابض، أما المحرك فيجب أن يظل يدور في اتجاه واحد. ولهذا يجب أن ينعكس التيار مرتين في كل دورة، ويقوم بذلك المقوّم. نكتفي هنا بالرسم والحساب ولا نصنع محركًا ولا نفتحه.
الجزء
وظيفته
ملف من لفات كثيرة على قلب مصفح من الحديد المطاوع
يحمل التيار؛ والحديد يقوي المجال والصفائح تقلل التيارات الدوامية
مغناطيس قوي
يعطي المجال المغناطيسي B عبر الملف
حلقة مشقوقة (مقوّم التيار)
نصفان متصلان بطرفي الملف، ويدور معه
فرشاتان
ملامسان ثابتان يضغطان على النصفين ويدخلان التيار المستمر
ريوستات
يغيّر التيار وبالتالي العزم
أمثلة محلولة
الكمية
القيمة
عدد اللفات N
25
ℓ (الضلع داخل المجال)
0.08 m
العرض
0.06 m
B
0.3 T
I
4 A
F على ضلع واحد
2.4 N
العزم
0.144 N·m
ملف فيه N = 25 لفة. طول كل ضلع طويل داخل المجال ℓ = 0.08 m، وعرض الملف 0.06 m، وB = 0.3 T وI = 4 A. القوة على ضلع واحد F = N·B·I·ℓ = 25 × 0.3 × 4 × 0.08 = 2.4 N. وعندما يوازي المستوى المجال يكون العزم F × العرض = 2.4 × 0.06 = 0.144 N·m. تحقق بـ BIAN: A = 0.08 × 0.06 = 4.8 × 10⁻³ m²، فـ 0.3 × 4 × 4.8 × 10⁻³ × 25 = 0.144 N·m.
الضلع
المجال
التيار
القوة
ab
شرقًا
شمالًا
إلى أسفل
cd
شرقًا
جنوبًا
إلى أعلى
المجال نحو الشرق (من القطب الشمالي في الغرب إلى القطب الجنوبي في الشرق). في الضلع ab يسير التيار نحو الشمال، وفي الضلع cd نحو الجنوب. قاعدة اليد اليسرى لفلمنج للضلع ab: السبابة شرقًا والوسطى شمالًا فيشير الإبهام إلى أسفل. فالقوة على ab إلى أسفل. وفي cd ينعكس التيار فتكون القوة إلى أعلى. فيُدفع الضلعان في اتجاهين متعاكسين ويدور الملف.
العزم يتناسب مع B وI وA وN. وفي ملف المثال الأول يرفع رفعُ التيار من 4 A إلى 6 A العزمَ بنسبة 6 ÷ 4: 0.144 × 6 ÷ 4 = 0.216 N·m. وتنصيف المجال ينصّف العزم. وعكس التيار (بتبديل طرفي البطارية) يعكس العزم فيدور المحرك في الاتجاه الآخر.
نشاط الفصل
على الورق فقط؛ لا تفتح محركًا ولا تصنعه. ارسم منظرًا علويًّا لملف مستطيل بين قطب شمالي على اليسار وقطب جنوبي على اليمين. سمِّ الضلعين ab وcd، وارسم اتجاهي التيار بسهمين، واستعمل قاعدة اليد اليسرى لرسم القوة على كل ضلع. ثم ارسم الحلقة المشقوقة وفرشاتيها. أعد الرسم بعد قلب طرفي البطارية، وقل ما الذي تغيّر.
تدرّب
1
ملف فيه N = 20 لفة وطول ضلعيه داخل المجال ℓ = 0.1 m، وB = 0.5 T ويمر فيه I = 3 A. أوجد القوة على ضلع واحد.
F = N·B·I·ℓ = 20 × 0.5 × 3 × 0.1 = 3 N.
2
الملف نفسه عرضه 0.04 m ومستواه يوازي المجال. أوجد العزم.
τ = F × العرض = 3 × 0.04 = 0.12 N·m.
3
المجال نحو الشمال والتيار في ضلع يسير نحو الغرب. إلى أين تتجه القوة على هذا الضلع؟
السبابة شمالًا والوسطى غربًا: يشير إبهام اليد اليسرى إلى أسفل. ولو كان التيار شرقًا لكانت القوة إلى أعلى، فالغرب يعطي أسفل.
4
لماذا يُصنع القلب الحديدي للمحرك من صفائح رقيقة معزولة لا من قطعة واحدة مصمتة؟
في القلب المصمت يولد الفيض المتغير تيارات دوامية كبيرة لا تفعل إلا تسخين الحديد وإضاعة الطاقة. والصفائح الرقيقة المعزولة تُبقي هذه التيارات صغيرة.