المحث وتأثيرات المحاثة على المحث
30 سبتمبر 2018|
المشاهدات: 1579
المحث
المحث هو مكون كهربائي سلبي يتكون من ملف من الأسلاك مصمم للاستفادة من العلاقة بين المغناطيسية والكهرباء نتيجة مرور تيار كهربائي عبر الملف
في دروسنا التعليمية حول الكهرومغناطيسية رأينا أنه عندما يتدفق تيار كهربائي عبر موصل سلكي، يتطور تدفق مغناطيسي حول الموصل. وهذا ينتج علاقة بين اتجاه هذا التدفق المغناطيسي الذي يدور حول الموصل واتجاه التيار المتدفق عبر نفس الموصل مما يؤدي إلى علاقة معروفة جيدًا بين اتجاه التيار واتجاه التدفق المغناطيسي تسمى "قاعدة اليد اليمنى لفليمنج".
ولكن هناك أيضًا خاصية أخرى مهمة تتعلق بالملف الملفوف والتي توجد أيضًا، وهي أن جهدًا ثانويًا يتم تحريضه في نفس الملف عن طريق حركة التدفق المغناطيسي أثناء معارضته أو مقاومته لأي تغييرات في التيار الكهربائي المتدفق فيه.
محث نموذجي
في أبسط صوره،مغوليس أكثر من ملف من الأسلاك ملفوف حول قلب مركزي. بالنسبة لمعظم الملفات، التيار، (أنا) يتدفق عبر الملف وينتج تدفقًا مغناطيسيًا، (نΦ) حوله يتناسب طرديًا مع تدفق التيار الكهربائي.
المغو، ويسمى أيضًا الاختناق، وهو مكون كهربائي آخر من النوع السلبي وهو عبارة عن ملف من الأسلاك مصمم للاستفادة من هذه العلاقة عن طريق تحريض مجال مغناطيسي في حد ذاته أو في القلب نتيجة للتيار المار عبر الملف. وهذا يؤدي إلى مجال مغناطيسي أقوى بكثير من المجال الذي يتم إنتاجه بواسطة ملف بسيط من الأسلاك.
يتم تشكيل المحاثات باستخدام سلك ملفوف بإحكام حول قلب مركزي صلب يمكن أن يكون إما قضيبًا أسطوانيًا مستقيمًا أو حلقة أو حلقة مستمرة لتركيز تدفقها المغناطيسي.
الرمز التخطيطي للمحث هو رمز ملف سلكي، وبالتالي يمكن أيضًا تسمية ملف السلك بـمغو. يتم تصنيف المحاثات عادة وفقًا لنوع القلب الداخلي الذي يتم لفه حوله، على سبيل المثال، القلب المجوف (الهواء الحر)، أو قلب الحديد الصلب أو قلب الفريت الناعم مع التمييز بين أنواع القلب المختلفة عن طريق إضافة خطوط متوازية مستمرة أو منقطة بجوار ملف السلك كما هو موضح أدناه.
رمز المحث
التيارأناإن التيار الذي يتدفق عبر المحث يُنتج تدفقًا مغناطيسيًا يتناسب معه. ولكن على عكس المكثف الذي يعارض تغيير الجهد عبر ألواحه، فإن المحث يعارض معدل تغير التيار المتدفق من خلاله بسبب تراكم الطاقة الذاتية داخل مجاله المغناطيسي.
بعبارة أخرى، تقاوم المحاثات أو تعارض تغيرات التيار ولكنها تمرر بسهولة تيار مستمر في حالة مستقرة. هذه القدرة التي يتمتع بها المحث على مقاومة التغيرات في التيار والتي تتعلق أيضًا بالتيار،أنامع ارتباط التدفق المغناطيسي الخاص به،نΦكما يسمى ثابت التناسبالمحاثةالذي يعطى الرمزلمع وحدات منهنري، (ح) بعد جوزيف هنري.
نظرًا لأن الهنري وحدة كبيرة نسبيًا للمحاثة في حد ذاتها، فإن وحدات الهنري الفرعية للمحاثة الأصغر تُستخدم للإشارة إلى قيمتها. على سبيل المثال:
بادئات المحاثة
| بادئة | رمز | المضاعف | قوة العشرة |
| وطني | م | 1/1000 | 10-3 |
| مايكرو | µ | 1/1,000,000 | 10-6 |
| نانو | ن | 1/1,000,000,000 | 10-9 |
لعرض الوحدات الفرعية للهنري، سنستخدم كمثال:
1 ملي هنري = 1 ملي هنري- وهو ما يعادل واحدًا من الألف (1/1000) من الهنري.
100μh = 100 ميكرو هنري- وهو ما يعادل 100 مليون (1/1,000,000) من هنري.
تعتبر المحاثات أو الملفات شائعة جدًا في الدوائر الكهربائية وهناك العديد من العوامل التي تحدد محاثة الملف مثل شكل الملف وعدد لفات السلك المعزول وعدد طبقات السلك والتباعد بين اللفات ونفاذية مادة القلب وحجم أو مساحة المقطع العرضي للنواة وما إلى ذلك، على سبيل المثال لا الحصر.
يحتوي ملف المحث على منطقة قلب مركزية، (أ) مع عدد ثابت من لفات السلك لكل وحدة طول، (ل). لذا إذا كان ملف مننترتبط الدورات بكمية من التدفق المغناطيسي،فثم يكون للملف ارتباط تدفقنΦوأي تيار، (أنا) الذي يتدفق عبر الملف سوف ينتج تدفقًا مغناطيسيًا مستحثًا في الاتجاه المعاكس لتدفق التيار. ثم وفقًا لقانون فاراداي، فإن أي تغيير في ارتباط التدفق المغناطيسي هذا ينتج جهدًا مستحثًا ذاتيًا في الملف الفردي لـ:
أين:
نهو عدد الدورات
أهي مساحة المقطع العرضي بالمتر2
فهي كمية التدفق في ويبر
مهي نفاذية المادة الأساسية
لهو طول الملف بالمتر
دي/دتهو معدل تغير التيار بالأمبير/الثانية
يحث المجال المغناطيسي المتغير بمرور الوقت جهدًا يتناسب مع معدل تغير التيار الذي ينتجه بقيمة موجبة تشير إلى زيادة في القوة الدافعة الكهربائية وقيمة سالبة تشير إلى انخفاض في القوة الدافعة الكهربائية. يمكن إيجاد المعادلة التي تربط هذا الجهد والتيار والمحاثة المستحثة ذاتيًا عن طريق استبدالميكرون2أ / لمعليدل على ثابت التناسب المسمىالمحاثةمن الملف.
العلاقة بين التدفق في المحث والتيار المتدفق عبر المحث تعطى على النحو التالي:nΦ = ذلك. بما أن المحث يتكون من ملف من سلك موصل، فإن هذا يقلل المعادلة أعلاه لإعطاء القوة الدافعة الكهربائية الذاتية المستحثة، والتي تسمى أحيانًاقوة الدفع الخلفيةمستحث في الملف أيضًا:
القوة الدافعة الكهربائية العكسية التي يولدها المحث
أين:لهو المحاثة الذاتية ودي/دتمعدل التغير الحالي.
ملف محث
ومن هذه المعادلة يمكننا القول أن "القدرة الدافعة الكهربائية المستحثة ذاتيًا = المحاثة × معدل تغير التيار" والدائرة التي لها محاثة هنري واحد سيكون لها قوة دافعة كهربائية مستحثة بمقدار فولت واحد في الدائرة عندما يتغير التيار المتدفق عبر الدائرة بمعدل أمبير واحد في الثانية.
نقطة مهمة يجب ملاحظتها حول المعادلة أعلاه. إنها تتعلق فقط بالقوة الدافعة الكهربائية المنتجة عبر المحث بالتغيرات في التيار لأنه إذا كان تدفق تيار المحث ثابتًا وغير متغير كما هو الحال في تيار التيار المستمر في الحالة المستقرة، فإن جهد القوة الدافعة الكهربائية المستحثة سيكون صفرًا لأن معدل التغير اللحظي للتيار هو صفر،دي/دت = 0.
مع وجود تيار مستمر ثابت يتدفق عبر المحث وبالتالي جهد مستحث صفري عبره، يعمل المحث كدائرة قصيرة تعادل قطعة من السلك، أو على الأقل مقاومة ذات قيمة منخفضة للغاية. بعبارة أخرى، فإن المعارضة لتدفق التيار الذي يقدمه المحث مختلفة جدًا بين دوائر التيار المتردد والتيار المستمر.
ثابت الزمن للمحث
نحن نعلم الآن أن التيار لا يمكن أن يتغير بشكل فوري في المحث لأنه لكي يحدث هذا، يجب أن يتغير التيار بمقدار محدود في زمن صفري مما يؤدي إلى أن يكون معدل تغير التيار لانهائيًا،دي/دت =∞، مما يجعل القوة الدافعة الكهربائية المستحثة لا نهائية أيضًا ولا توجد جهود لا نهائية. ومع ذلك، إذا تغير التيار المتدفق عبر المحث بسرعة كبيرة، كما هو الحال مع تشغيل مفتاح، فيمكن تحريض جهود عالية عبر ملف المحث.
خذ بعين الاعتبار دائرة المحث على اليمين. مع المفتاح، (س1) مفتوح، لا يتدفق أي تيار عبر ملف المحث. نظرًا لعدم تدفق أي تيار عبر المحث، فإن معدل تغير التيار (دي/دت) في الملف سيكون صفرًا. إذا كان معدل تغير التيار صفرًا، فلن يكون هناك قوة دافعة ذاتية الحث، (فيل= 0) داخل ملف المحث.
إذا أغلقنا المفتاح الآن (t = 0)، فسوف يتدفق التيار عبر الدائرة ويرتفع ببطء إلى أقصى قيمة له بمعدل يحدده محاثة المحث. هذا المعدل للتيار المتدفق عبر المحث مضروبًا في محاثة المحث بوحدة هنري، يؤدي إلى إنتاج بعض القوة الدافعة الكهربائية الذاتية ذات القيمة الثابتة عبر الملف كما هو محدد بواسطة معادلة فاراداي أعلاه.فيل= لدي/دت.
هذه القوة الدافعة الكهربائية الذاتية المستحثة عبر ملف المحاثات، (فيل) يقاوم الجهد المطبق حتى يصل التيار إلى أقصى قيمة له ويتم الوصول إلى حالة مستقرة. يتم تحديد التيار الذي يتدفق الآن عبر الملف فقط من خلال المقاومة المستمرة أو "المقاومة النقية" لملفات الملفات حيث انخفضت قيمة مفاعلة الملف إلى الصفر لأن معدل تغير التيار (دي/دت) يساوي صفرًا في الحالة المستقرة. بعبارة أخرى، توجد الآن فقط مقاومة التيار المستمر للملفات لمقاومة تدفق التيار.
وبالمثل، إذا تم فتح المفتاح (s1)، فإن التيار المتدفق عبر الملف سيبدأ في الانخفاض ولكن المحث سيقاوم مرة أخرى هذا التغيير ويحاول الحفاظ على تدفق التيار عند قيمته السابقة عن طريق تحريض جهد في الاتجاه الآخر. سيكون ميل الانخفاض سلبيًا ومرتبطًا بمحاثة الملف كما هو موضح أدناه.
التيار والجهد في المحث
يعتمد مقدار الجهد المستحث الذي سينتج عن المحث على معدل تغير التيار. في برنامجنا التعليمي حول الحث الكهرومغناطيسي،قانون لينزصرح بأن:"إن اتجاه القوة الدافعة الكهربائية المستحثة هو أنها ستعارض دائمًا التغيير الذي يسببها". بعبارة أخرى، فإن القوة الدافعة الكهربائية المستحثة ستعارض دائمًا الحركة أو التغيير الذي بدأ القوة الدافعة الكهربائية المستحثة في المقام الأول.
لذلك، مع تيار متناقص، ستعمل قطبية الجهد كمصدر، ومع تيار متزايد، ستعمل قطبية الجهد كحمل. لذا، بالنسبة لنفس معدل تغير التيار عبر الملف، فإن زيادة أو نقصان مقدار القوة الدافعة الكهربائية المستحثة سيكون هو نفسه.
مثال المحث رقم 1
يمر تيار مستمر ثابت بقوة 4 أمبير عبر ملف لولبي بطول 0.5 ساعة. ما هو جهد القوة الدافعة الكهربائية العكسية المستحث في الملف إذا تم فتح المفتاح في الدائرة أعلاه لمدة 10 مللي ثانية وانخفض التيار المتدفق عبر الملف إلى صفر أمبير.
الطاقة في المحث
نحن نعلم أن المحث في الدائرة يعارض تدفق التيار، (أنا) من خلالها لأن تدفق هذا التيار يحفز قوة دافعة كهربائية تعاكسه، قانون لينز. ثم يتعين على مصدر البطارية الخارجي القيام بعمل من أجل الحفاظ على تدفق التيار ضد هذه القوة الدافعة الكهربائية المستحثة. القدرة اللحظية المستخدمة في إجبار التيار، (أنا) ضد هذا الدافع الكهرومغناطيسي الذاتي، (فيل) يُعطى من الأعلى على النحو التالي:
يتم إعطاء الطاقة في الدائرة على النحو التالي،ص = v*iلذلك:
المحث المثالي لا يحتوي على مقاومة فقط المحاثة وبالتالي r = 0 Ω وبالتالي لا يتم تبديد أي طاقة داخل الملف، لذلك يمكننا القول أن المحث المثالي لديه فقدان طاقة صفري.
الطاقة في المحث
عندما يتدفق التيار إلى المحث، يتم تخزين الطاقة في مجاله المغناطيسي. عندما يتزايد التيار المتدفق عبر المحث،دي/دتعندما تصبح أكبر من الصفر، يجب أن تكون القدرة اللحظية في الدائرة أيضًا أكبر من الصفر، (ص > 0) أي موجب مما يعني أن الطاقة يتم تخزينها في المحث.
وبالمثل، إذا كان التيار المار عبر المحث يتناقص ودي/دتإذا كانت أقل من الصفر، فيجب أن تكون القدرة اللحظية أيضًا أقل من الصفر، (ص< 0) أي سلبي مما يعني أن المحث يعيد الطاقة إلى الدائرة. ثم من خلال دمج معادلة الطاقة أعلاه، فإن الطاقة المغناطيسية الكلية والتي تكون دائمًا موجبة، والتي يتم تخزينها في المحث تُعطى على النحو التالي:
الطاقة المخزنة بواسطة المحث
أين:فيهو بالجول،لفي هنريز وأناهو بالأمبير
يتم تخزين الطاقة في الواقع داخل المجال المغناطيسي الذي يحيط بالمحث بواسطة التيار المتدفق من خلاله. في المحث المثالي الذي ليس له مقاومة أو سعة، مع زيادة التيار تتدفق الطاقة إلى المحث ويتم تخزينها هناك داخل مجاله المغناطيسي دون خسارة، ولا يتم إطلاقها حتى ينخفض التيار وينهار المجال المغناطيسي.
ثم في دائرة التيار المتردد، يقوم المحث بتخزين الطاقة وتوصيلها باستمرار في كل دورة. إذا كان التيار المتدفق عبر المحث ثابتًا كما هو الحال في دائرة التيار المستمر، فلن يكون هناك تغيير في الطاقة المخزنة كما هو الحالص = لي (دي / دي تي) = 0.
يمكن تعريف المحاثات بأنها مكونات سلبية لأنها قادرة على تخزين الطاقة وتوصيلها إلى الدائرة، ولكنها لا تستطيع توليد الطاقة. يتم تصنيف المحاث المثالي على أنه أقل خسارة، مما يعني أنه قادر على تخزين الطاقة إلى أجل غير مسمى حيث لا يتم فقدان أي طاقة.
ومع ذلك، فإن المحاثات الحقيقية ستحمل دائمًا بعض المقاومة المرتبطة بلفائف الملف، وعندما يتدفق التيار عبر المقاومة، تُفقد الطاقة في شكل حرارة بسبب قانون أوم، (ص = ي2ر) بغض النظر عما إذا كان التيار متناوبًا أو ثابتًا.
يمكن استخدام المحث في الدوائر لمنع أو إعادة تشكيل التيار المتناوب أو مجموعة من الترددات الجيبية، وفي هذا الدور يمكن استخدام المحث "لضبط" جهاز استقبال راديو بسيط أو أنواع مختلفة من المذبذبات. كما يمكنه أيضًا حماية المعدات الحساسة من طفرات الجهد التدميرية والتيارات الاندفاعية العالية.
في الدرس القادم عن المحاثات، سنرى أن المقاومة الفعالة للملف تسمى المحاثة، والمحاثة التي نعرفها الآن هي سمة الموصل الكهربائي الذي "يقاوم التغيير في التيار"، يمكن أن تكون إما مستحثة داخليًا، تسمى المحاثة الذاتية أو مستحثة خارجيًا، تسمى المحاثة المتبادلة.
https://www.electronics-tutorials.ws/inductor/inductor.html
