المحثات والملفات الكهربائية

المحثات والملفات الكهربائية Electrical Inductors استخدامها شائع جدا في الدوائر الكهربائية, فما هو المحث أو الملف الكهربائي ؟ وما هي كيفية عمل ملف أو ما هو التركيب الأساسي للملف ؟

ما معنى المحاثة وما وحدة قياسها ؟ وما هي أنواع المحثات والملفات الكهربائية ؟ ماذا عن توصيل المحثات على التوالي أو على التوازي ؟ ما هي تطبيقات واستخدامات المحثات والملفات الكهربائية ؟ هذه الأسئلة وغيرها ستتمكن من الإجابة عليها بعد قراءة هذا المقال.

كيفية عمل ملف أو التركيب الاساسي للملف

في أبسط صورة يمكن تكوين هذا العنصر الكهربي من الأسلاك والموصلات العادية، نحصل عليها عن طريق لف سلك كما بالشكل التالي (أ) ويرمز له في الدوائر الكهربية بالشكل (ب)

إما أن يتم على لف الملف على الهواء ويعرف في هذه الحالة Air Cored Inductor وفي هذه الحالة يكون قلب الملف عبارة عن الهواء، أو أن يتم لف السلك على مادة مغناطيسية مثل الحديد كما بالشكل التالي، عبارة عن مجموعة من أشكال الملفات المختلفة المستخدمة في التطبيقات والدوائر العملية

مفهوم الحث Induction ومعنى المحاثة ووحدة قياسها

مبدأ فارادي للحث الكهرومغناطيسي
هذا المبدأ يمكن ملاحظته عن طريق تغيير المجال المغناطيسي ф على الملف، أو الموصل فعندما نضع ملف أو موصل داخل مجال مغناطيسي متحرك بحيث يقطع الملف خطوط المجال المغناطيسي يتولد جهد كهربي في الملف E_L ويسمى في هذه الحالة بالجهد المستحث. يعتمد مقدار الجهد المتولد علي عدد لفات الملف N ومعدل القطع أو معدل تغير الفيض المغناطيسي بالنسبة للزمن.

هذا المبدأ المستخدم في توليد الكهرباء من المولدات المعروفة إذ تقطع الملفات خطوط المجال المغناطيسي المسلط عليها وبالتالي يتولد الجهد الكهربي.

أيضا إذا كان لدينا سلك يسري فيه تيار كهربي، سيتولد حول هذا السلك مجال مغناطيسي ويمكن ملاحظة هذا الأثر عن طريق القيام بالتجربة التالية:
سنقوم بلف سلك معرى (بدون عازل) حول مسمار ومن ثم نوصله ببطارية كما بالشكل أدناه:

عند تقريب المسمار بشكله الحالي من دبابيس معدنية سنلاحظ أن الدبابيس ستنجذب نحو المسمار، في البداية قد تكون قوة الجذب صغيرة لكن إذا قمنا بزيادة عدد اللفات ستزيد قوة جذب المسمار للدبابيس أي سيزيد المجال المغناطيسي المتولد حول المسمار.

أيضا يمكن زيادة شدة المجال عن طريق استخدام بطاريه بفولتية اعلى من البطارية الحالية مما يؤدي إلي زيادة التيار عبر الملف وبالتالي زيادة الفيض المغناطيسي.

من التجارب السابقة اتضح لنا أن الملف ومفهوم الحث يرتبطان مع بعضهما بشكل كبير. وسنلخص مفهوم الحث الذاتي للملف في الفقرة التالية:
عند مرور التيار عبر الملف يتولد حول وداخل الملف مجال مغناطيسي.

عند تغير التيار المار في الملف ستتغير قيمة الفيض المغناطيسي (ф) حوله. تغير هذا الفيض بالنسبة للفات الملف (N) يولد فيها جهد صغير جدا (E_L) وهو ما يعرف بالقوة الدافعة الكهربية المستحثة ذاتيا للملف.
لكل ملف معدل حث معين للفيض والجهد كما عرفنا، إذ أن شدة المجال المغناطيسي للملف تعتمد على عدد لفاته. ولكل ملف معامل مهم يميزه عن الملفات الأخرى هذا المعامل يعرف بمعامل الحث الذاتي للملف أو محاثة الملف ويرمز له بالرمز L.

L ∝ N

يرمز للتيار في الدوائر الكهربائية بالحرف (I) أو (i) وللزمن بالحرف (t) فان معدل تغير التيار بالنسبة للزمن يرمز له بالرمز (di/dt) ويميز بوحدة الأمبير لكل ثانية (أمبير/الثانية).

عرفنا سابقا أن الجهد المستحث في الملف يعتمد على معدل تغير الفيض المغنطيسي للملف أي معدل تغير التيار في الملف وهذا يعني انه كلما زاد معدل تغير التيار في الملف زاد الفيض المغناطيسي للملف وبالتالي يزيد الجهد المستحث عبر الملف أي أن:

(E_L ∝ (di/dt

ثابت التناسب للعلافة أعلاه هو عبارة عن معامل الحث الذاتي للملف (L) وعليه يمكن كتابة العلاقة أعلاه بالشكل التالي:

من هذه العلاقة يمكننا اشتقاق وحدة الحث الكهربائي بوضعه موضع قانون كما يلي:

الوحدة فولت في الثانية لكل أمبير تعرف بالهنري (Henry (H ويقاس الحث الكهربائي للملف بهذه الوحدة.

بمقارنة المعادلتين التاليتين:

نجد أن المقاومة هي عبارة عن مقياس معاكسة ذرات الموصل لسريان الإلكترونات عبرة من المعادلة الأولى، وأيضا بالمشابهة نلاحظ أن معامل الحث الذاتي هو مقياس يدل على مدى معاكسة الملف لمعدل تغيير التيار عبره.

ولإيجاد التعريف المناسب لمعامل الحث الذاتي فيزيائيا سنلجأ إلى المعادلتين التاليتين:

وبما أن المعادلتين تصفان الجهد المتولد عبر الملف فإن:

بقسمة الطرفين على المقدار (d/dt) ينتج:

إذا يمكننا القول إن الملف بمعامل حث 1 هنري اذا كان مقدار الفيض المتولد في كل لفة من لفات الملف يساوي ويبر واحد عند مرور تيار شدته واحد أمبير عبر ذلك الملف.

الطاقة المختزنة في الملف Stored Energy in the Inductor

عند توصيل الملف مع بطارية أو مصدر للجهد سيمر تيار في الدائرة وسينشأ فيض مغناطيسي عبر الملف يزداد شيئا فشيئا مع الزمن حتى يصل قيمته القصوى وعند انقطاع المصدر أي فصل البطارية من الملف سينخفض المجال المغناطيسي عبره شيئا فشيئا أي أن الملف لن يفقد طاقته بشكل فجائي كما في المقاومات ذلك لان الملف يقوم بخزن الطاقة في مجاله المغناطيسي.

يمكن ملاحظة هذا الأثر في دوائر الراديو أو التلفزيون وذلك عندما نقوم بفصلها من مقبس الكهرباء نلاحظ أن لمبة التلفاز الصغيرة تضئ لمدة قصيرة بعد فصل التيار هذه الظاهرة تحدث في دوائر الملفات والمكثفات ذلك لأنها عناصر خازنة للطاقة ويمكن حساب الطاقة المختزنة في الملف وفق العلاقة التالية:

حيث I يمثل التيار المار عبر الملف بالأمبير و L المحاثة الكهربائية بالهنري.

مثال:

ملفات المجال للمغناطيس الكهربي الموضح بالشكل التالي بها 960 لفة ولها مقاومة مقدارها 50 أوم، عند توصيلها بمصدر جهد 230 فولت، كان الفيض المغناطيسي عبر الملف 0.005 ويبر احسب محاثة هذا الملف وأيضا أوجد مقدار الطاقة المختزنة في مجاله ؟

الحث المتبادل Mutual Inductance

لنتأمل الشكل التالي، الملف A ملفوف علي قلب حديدي وموصل مع مفتاح S, وبطارية ومقاومة متغيرة أما الملف B مقصور عن طريق فولت ميتر.

عند إغلاق المفتاح سيمر تيار في دائرة الملف A وستنشأ خطوط فيض مغناطيسي حول الملف A وبعد فترة يسيرة سيصل قيمته القصوى، على فرض أن هذه الخطوط ستتداخل مع الملف B.

عندما يصل الفيض قيمته القصوى سيكون ثابت ولن يكون هناك أي تغيير في مؤشر الفولت ميتر للملف B.

الآن سنقوم بتغيير قيمة المقاومة المتغيرة بالزيادة والنقصان العشوائي، ستتغير قيمة التيار في دائرة الملف A وبالتالي سيتغير الفيض المغناطيسي بالنسبة للملف A والملف B معا.

هذا التذبذب على الملفين سيولد جهد مستحث في الملف A و B وفقا لمبدأ فاراداي للحث ويسمي الجهد المستحث في الملف A بأنه جهد ناتج عبر الحث الذاتي.

أما الجهد الذي ينشأ في الملف B ينتج من الحث الكهرومغناطيسي المتبادل بين الملفين. وهذا يشبه مبدأ عمل المحولات الكهربائية.

أنواع المحثات والملفات الكهربائية Inductor Types

المحثات والملفات الكهربائية تكون إما ثابتة أو متغيرة أي يمكن ضبطها، يرمز لهما بالرموز التالية:

الملفات الثابتة يكون لها عدد لفات معين وثابت ولها محاثة محددة على غلافها الخارجي، ومثالها الملفات الموجودة في الشكل رقم 2 من بداية هذا الموضوع.

أما الملفات المتغيرة فيرمز لها بالرمز التالي:

الذراع C يكون معها مفتاح متحرك يتحكم في وضع التلامسات بينه وبين لفات الملف الكلية عند تغيير او لف المفتاح يتغير موضعه وبالتالي يمكننا إدخال (زيادة) أو إخراج (إنقاص) عدد من اللفات مما يؤدي إلى تغيير قيمة الحث للملف، هذا التطبيق يظهر استخدامه مباشرة في المحولات Auto Transformers.

كيقية قياس قيمة المحاثة للملف الكهربائي

يمكن قياس قيمة المحاثة للملف عن طريق جهاز قياس المحاثة Inductance meter أو عن طريق جهاز قياس المقاومة والمواسعة والمحاثة LCR meter الموضح بالصورة التالية:

توصيل المحثات على التوالي وعلى التوازي

توصل الملفات على التوالي أو التوازي وكيفية إيجاد المكافئ لها مثل المقاومات الكهربائية

توصيل المحثات والملفات على التوالي Inductors in Series
عند توصيل عدد من الملفات على التوالي فان المحاثة الكلية أو المكافئة تساوي مجموع محاثات المختلفة للملفات:

توصيل المحثات والملفات على التوازي Inductors in Parallel

يتم ذلك حسب ما هو موصح في الصورة التالية:

مثال: أوجد المكافئ L_eq للملفات في بين الطرفين A و B:

استخدامات وتطبيقات الملفات والمحثات الكهربائية

تستخدم الملفات في الدوائر الكهربائية لأغراض مختلفة إذا لا يقتصر عملها فقط على الدوائر الصغيرة بل يمتد حتى شبكات ونظم القدرة الكهربية ومن هذه الاستخدامات:

1. المولدات والمحركات الكهربائية بجميع أنواعها
2. المحولات الكهربائية
3. دوائر التحكم في التردد ودوائر الرنين
4. دوائر المرشحات أو ما يعرف بالفلتر
5. تستخدم بعض أشكال الملفات كمجسات sensors
6. دوائر الشحن والتفريغ
7. وغيرها من التطبيقات المختلفة

هكذا نكون قد انتهينا من كتابة مقالنا عن المحثات والملفات الكهربائية, بكل بساطة وبدون تردد اكتب استفساراتك وأسئلتك بالتعليقات لتتم الإجابة عنها ولا تنس مشاركة رابط المقال مع أصدقائك الكهربائيين.