الحث الذاتي والتيارات الدوامية ومولد التيار المتردد
الأسبوع 9 · الفصل الثالث (٢): الحث الذاتي ومعامل الحث الذاتي والهنري والتيارات الدوامية، والقوة الدافعة المستحثة في سلك متحرك، ومكونات الدينامو (مولد التيار المتردد) وقوته الدافعة · 3 دروس
3
القوة الدافعة المستحثة في سلك متحرك والدينامو (مولد التيار المتردد)
Physics Sec 3 Term 1, Chapter 3: pp. 67–72
الهدفأحسب القوة الدافعة في سلك يتحرك عبر مجال وفي ملف مولد بالعلاقة emf = NBAω sin θ.
كلمات جديدة
القوة الدافعة الحركية · القوة الدافعة في سلك طوله ℓ يتحرك بسرعة v عبر مجال B: emf = Bℓv sin θ حيث θ الزاوية بين v وBالحلقتان والفرشاتان · حلقتان مثبتتان في طرفي الملف الدوار وملامسان ثابتان من الكربون يلمسانهما ويخرجان التيارالسرعة الزاوية (ω) · الزاوية التي يقطعها الملف كل ثانية بالراديان: ω = 2πf، وتؤخذ π = 3.14 هنا
الشرح
سلك طوله ℓ يتحرك بسرعة v عموديًا على مجال B يمسح مساحة ℓvΔt في زمن Δt، فيتغير الفيض خلال الدائرة بمقدار BℓvΔt وتكون القوة الدافعة Bℓv. وإذا صنعت السرعة زاوية θ مع المجال فإن المركبة v sin θ فقط هي التي تقطع خطوط المجال: emf = Bℓv sin θ. ويدير مولد التيار المتردد ملفًا عدد لفاته N ومساحته A بسرعة ثابتة في مجال B. ويتصل طرفا الملف بحلقتين، وتلامس فرشاتان الحلقتين وتخرجان التيار إلى الخارج. وبوضع ω = 2πf تكون القوة الدافعة emf = NBAω sin θ حيث θ الزاوية بين العمودي على الملف والمجال. تكون القوة الدافعة صفرًا عندما يكون مستوى الملف عموديًا على المجال (العمودي على امتداد المجال، θ = 0)، وتكون أكبر ما يمكن NBAω عندما يكون المستوى موازيًا للمجال (θ = 90°). ومع دوران الملف تكون θ = 2πft (والزمن محسوب من اللحظة التي يكون فيها المستوى عموديًا على المجال) وتتبع القوة الدافعة العلاقة emf = emf(max) sin 2πft.
أمثلة محلولة
سلك طوله 0.8 m يتحرك بسرعة 3 m/s عموديًا على مجال 0.25 T. emf = Bℓv = 0.25 × 0.8 × 3 = 0.6 V. وإذا صنعت السرعة 30° مع المجال: emf = 0.6 × sin 30° = 0.3 V.
ملف مولد عدد لفاته N = 120 ومساحته A = 0.015 m² والمجال B = 0.04 T ويدور بتردد f = 50 Hz (π = 3.14). ω = 2πf = 2 × 3.14 × 50 = 314 rad/s. emf(max) = NBAω = 120 × 0.04 × 0.015 × 314 = 22.6 V. وعندما يصنع العمودي 30° مع المجال: emf = 22.6 × sin 30° = 11.3 V.
يُدار المولد نفسه بسرعة أكبر بمرتين، f = 100 Hz. تتضاعف ω إلى 628 rad/s فتتضاعف emf(max): 120 × 0.04 × 0.015 × 628 = 45.2 V، ويكون تردد القوة الدافعة 100 Hz.
نشاط الفصل
استخدم منحنى الجيب أعلاه حيث emf(max) = 22.6 V. اقرأ القوة الدافعة عند θ = π/2 وعند θ = π وعند θ = 3π/2، وقل في أي وضع يكون الملف عند كل منها (المستوى موازٍ للمجال أم عمودي عليه). ثم قل ماذا يفعل المنحنى بعد θ = 2π.
تدرّب
1
سلك طوله 0.5 m يتحرك بسرعة 6 m/s عموديًا على مجال 0.35 T. أوجد القوة الدافعة.
emf = Bℓv = 0.35 × 0.5 × 6 = 1.05 V.
2
يتحرك السلك نفسه بالسرعة نفسها لكن سرعته تصنع 30° مع المجال. أوجد القوة الدافعة.
emf = 1.05 × sin 30° = 0.525 V.
3
ملف مولد N = 250 وA = 0.012 m² وB = 0.06 T ويدور بتردد 50 Hz (π = 3.14). أوجد emf(max) والقوة الدافعة عندما يصنع العمودي 30° مع المجال.
ω = 314 rad/s. emf(max) = 250 × 0.06 × 0.012 × 314 = 56.5 V. وعند 30°: 56.5 × 0.5 = 28.3 V.
4
في أي وضع لملف المولد تكون القوة الدافعة صفرًا وفي أي وضع تكون أكبر ما يمكن؟ أجب بالنسبة إلى مستوى الملف والمجال.
صفر عندما يكون المستوى عموديًا على المجال (العمودي على امتداد المجال، θ = 0)؛ وأكبر ما يمكن عندما يكون المستوى موازيًا للمجال (θ = 90°).