☰ خطة العام · الفيزياء (بالعربية)

فاراداي ولنز والحث المتبادل

الأسبوع 8 · الوحدة الأولى، الفصل الثالث «الحث الكهرومغناطيسي» (١): تجربة فاراداي والقوة الدافعة المستحثة وقانون فاراداي وقاعدة لنز وقاعدة اليد اليمنى لفلمنج، والحث المتبادل بين ملفين · 3 دروس
3

الحث المتبادل بين ملفين

Physics Sec 3 Term 1, Chapter 3: pp. 60–67
الهدفأشرح متى تتولد قوة دافعة في ملف ثانٍ وأحسبها بالعلاقة emf = −M ΔI ÷ Δt.
كلمات جديدة
الملف الابتدائي والملف الثانوي · الابتدائي موصل بالخلية والمفتاح؛ والثانوي موصل بجلفانومتر أو بحمل وليس فيه خليةالحث المتبادل · قوة دافعة تتولد في ملف بسبب تغير التيار في ملف مجاورالهنري (H) · وحدة M: 1 H = 1 V·s/A، أي قوة دافعة 1 V عندما يتغير تيار الابتدائي بمعدل 1 A/s
الشرح

ضع ملفين متقاربين. الابتدائي موصل بخلية عبر مفتاح (وربما ريوستات)؛ والثانوي موصل بجلفانومتر صفره في المنتصف وليس فيه خلية. يولّد التيار في الابتدائي مجالًا يخترق جزء من فيضه الملف الثانوي. فإذا كان تيار الابتدائي ثابتًا كان الفيض ثابتًا ولا يظهر في الثانوي شيء. وينحرف الجلفانومتر فقط أثناء تغير تيار الابتدائي: عند غلق المفتاح أو فتحه، أو عند تحريك زالق الريوستات، أو عند تقريب أحد الملفين من الآخر أو إبعاده. والقوة الدافعة المستحثة emf = −M ΔI ÷ Δt حيث ΔI ÷ Δt معدل تغير تيار الابتدائي وM معامل الحث المتبادل بوحدة هنري (H). وتزداد M بوجود قلب حديد، وبزيادة عدد اللفات وكبر الملفين، وبتقارب الملفين. وتعطي قاعدة لنز الاتجاه: عندما يزداد تيار الابتدائي يسري التيار المستحث في الثانوي عكس اتجاه تيار الابتدائي؛ وعندما يقل يسري في اتجاه تيار الابتدائي نفسه.

الفعل في الابتدائيتيار الابتدائيجلفانومتر الثانوي
غلق المفتاحيزداد من الصفرينحرف؛ والتيار المستحث عكس تيار الابتدائي
المفتاح مغلق باستمرارثابتصفر
فتح المفتاحيقل إلى الصفرينحرف في الاتجاه الآخر؛ والتيار المستحث في اتجاه تيار الابتدائي
أمثلة محلولة
M = 0.40 H ويزداد تيار الابتدائي من 0 إلى 3.0 A في 0.020 s. مقدار القوة الدافعة في الثانوي هو M × ΔI ÷ Δt = 0.40 × 3.0 ÷ 0.020 = 60 V.
تتولد قوة دافعة 24 V في الثانوي بينما يقل تيار الابتدائي من 1.5 A إلى 0 في 0.05 s. M = emf × Δt ÷ |ΔI| = 24 × 0.05 ÷ 1.5 = 0.8 H.
يمر في الابتدائي تيار ثابت 5 A زمنًا طويلًا. ΔI = 0، فالقوة الدافعة في الثانوي 0 V مع أن الفيض في الثانوي كبير. فالفيض المتغير وحده يولّد قوة دافعة.
نشاط الفصل

توقّع ثم فسّر، على الورق، لملف ابتدائي وملف ثانوي: (1) يُغلق المفتاح ويترك مغلقًا دقيقة؛ (2) يُفتح المفتاح؛ (3) يُغلق المفتاح وتُدفع ساق حديد في الملفين بينما التيار ثابت؛ (4) يُحرَّك زالق الريوستات بسرعة إلى مقاومة أكبر. قل في كل حالة هل ينحرف جلفانومتر الثانوي، وإذا انحرف فهل التيار المستحث في اتجاه تيار الابتدائي أم عكسه.

تدرّب
1
M = 0.25 H. يقل تيار الابتدائي من 2.0 A إلى 1.2 A في 0.40 s. أوجد مقدار القوة الدافعة في الثانوي.
2
M = 1.2 H وكانت القوة الدافعة في الثانوي 36 V لمدة 0.01 s. كم يتغير تيار الابتدائي في هذه المدة؟
3
تتولد قوة دافعة 15 V في الثانوي بينما يتغير تيار الابتدائي بمقدار 2.5 A في 0.05 s. أوجد M.
4
يُفتح مفتاح الابتدائي. في أي اتجاه يسري التيار المستحث في الثانوي بالنسبة إلى تيار الابتدائي السابق؟