القائمة الرئيسية

الصفحات

درس الدارة المغناطيسية: تطبيق على المرحل الحقل المغناطيسي

درس الدارة المغناطيسية: تطبيق على المرحل الحقل المغناطيسي

المـــادة
الهندسة الكهربائية
المستوى
السنة الثانية ثانوي
الشعبة
تقني رياضي
نوع الملف
doc
صاحب الملف

تحميــــل


يمكنك تحميل الموضوع كاملا من الرابط أعلاه أو قراءة نسخة معدلة منه مما يلي
" وثيقة الأستاذ "








عناصر الدرس :

- الحقل المنتج بمغناطيس دائم: خطوط المجال  والطيف
- الحقل المنتج بالتيار المستمر في سلك، وشيعة مسطحة، و حلازونية
التحريض المغناطيسي في:  -  سلك
-  وشيعة مسطحة
-  وشيعة حلازونية
التدفق المغناطيسي
قانون لابلاس: تطبيقه على المحرك
قانون فارادي: تطبيقه لإنتاج الكهرباء
قانون لنز
التحريض الذاتي الحديدي المغناطيسي




الدارات المغناطيسية و آلة التيار المستمر


1- الحقل المغناطيسي :
11- – تعريف : يمكن تحديد مكان الحقل المغناطيسي في نقطة P من  الفضاء  بشعاع   B(P)  له الخصائص التالية :
  • الحامل : هو حامل إبرة ممغنطة موضوعة في نقطة P  .
  • الاتجاه : هو الاتجاه من الجنوب (S) إلى الشمال (N)  لهذه الإبرة .
  • الشدة : هي طويلة شعاع الحقل المغناطيسي وحدتها تسلا tesla (T)  .
1-2 – قياس الحقل المغناطيسي :
تقاس شدة الحقل المغناطيسي بواسطة جهاز التيسلامترTeslamètre
الوحدة العالمية لشدة الحقل المغناطيسي B  هي التسلا و يرمز لها بالحرف (T)  .
مثال : أمام مغناطيس دائم نحصل على حقول بعشرات الميلي تسلا .
1 -3 – خطوط الحقل و الطيف المغناطيسي :



نسمي خط الحقل المغناطيسي المنحنى المماسي عند كل نقطة للشعاع B  و في نفس الاتجاه .



الطيف المغناطيسي هو مجموعة خطوط الحقل لحقل مغناطيسي .


عند كل نقطة من الحقل المغناطيسي ، يوجد شعاع B  واحد فقط بحيث :
  • لايتقاطع خطا حقل أبدا .
  • يوجد في الحقل ، عدد لامتناهي من خطوط الحقل 
2-1 تجربة آرستد ŒRSTED (1820):
ناقل من النحاس AB مربوط بمولد  و مشدود فوق إبرة ممغنطة   SN موازية للناقل. تكون عندما القاطعة k مفتوحة  ( حالة شكل a ) .
- عند غلق القاطعة k : التيار يمر من A  نحو B فتنحرف الإبرة ( حالة شكل b ) .
- عند قلب أقطاب المولد يمر التيار من B  نحو A فتنحرف الإبرة في الاتجاه المعاكس ( حالة شكل c ).
النتيجة : التيار الكهربائي هو عبارة عن منبع للحقل المغناطيسي .

2- الحقل المغناطيسي الناتج عن تيار كهربائي :

-22  ناقل مستقيم :
- تكون خطوط الحقل بجوار الناقل

عبارة عن دوائر مركزها النقطة o.
- تكون الإبرة الممغنطة مماسيةلخطوط الحقل .يتعلق اتجاه الحقل المغناطيسي
باتجاه التيار الكهربائي.


2-2-1 تعيين اتجاه خطوط الحقل : تدل الإبرة الممغنطة على جهة خطوط الحقل ، و هناك عدة قواعد عملية لمعرفة هذه الجهة .
أ- قاعدة مراقب آمبير :  المراقب المستلقي على طول الناقل بحيث يدخل التيار من قدميه و يخـرج من رأسه ، يرى خطوط الحقل موجهة نحو يساره .
ب- قاعدة ساحبة الفلين لماكسويل :
tire-bouchon de Maxwell
جهة الخطوط هي الجهة التي يجب أن ندير إليها ساحبة الفلين بحيث يتقدم في جهة التيار .
ج- قاعدة اليد اليمنى : اليد اليمنى تحيط بالناقل بحيث يشير الإبهام إلى جهة التيار ، فتعطينا
جهة الأصابع الأخرى جهة خطوط الحقل


2-2-2- شدة الحقل المغناطيسي :
شدة الحقل المغناطيسي في نقطة M تبعد بمسافة
OM=d عن ناقل مستقيم يجتازه تيار شدته I  هي:



حيث :
μ0 :هو ثابت و يمثل النفاذية المطلقة في الخلاء في النظام الدولي للوحدات μ0=4π10-7 SI
I  : شدة التيار المار في الناقل وحدته آمبير A
d : المسافة مابين الناقل و نقطة M وحدتها المتر .
B : شدة الحقل وحدته التسلا T.
2-3 ناقل دائري ( وشيعة مسطحة ) :
ناقل على شكل لفة دائرية يسمى بحلقة والحقلالمغناطيسي الناتج حوله يكون ممركزا داخل الحلقة و تكون خطوط الحقل مستقيمة .
2-3-1 اتجاه خطوط الحقل:
* يمكن تعيين اتجاه خطوط الحقل باستعمال لإبرة الممغنطة .
* يمكننا استعمال القواعد السابقة (رجل آمبيرواليد اليمنى ).
* جهة خطوط الحقل هي جهة تقدُّم ساحبة الفلين عندما نديرها في جهة التيار .
* يمكننا استعمال طريقـة خاصة بالوشائع لمعرفة وجهي الوشيعة الشمالي NORD   و الجنوبي SUD وهذا حسب اتجاه التيار (انظر الشكل الآتي) .



2-3-2 شدة الحقل المغناطيسي : شدة الحقل المغناطيسي في مركز وشيعة مسطحة تحتوي على N  لفة دائرية قطرها D  ويعبرها  تيار شدته I  هي :


2-4 وشيعة  طويلة (حلزونية) : solénoïde
هي وشيعة يكون طولها L  كبيرا أمام نصف قطرها R  



خطوط الحقل في الداخل موازية لمحور الحلزونية ( الحقل المغناطيسي منتظم ) .
2-4-1 اتجاه خطوط الحقل : نحصل عليه بتطبيق نفس قواعد وشيعة مسطحة .
2-4-2 شدة الحقل المغناطيسي : شدة الحقل المغناطيسي بجوار مركز حلزونية مكونة من N  لفة متلاصقة و مرتبة على طول L  و يجتازها تيار شدته I  هي :
مع n= N/L   و يمثل كثافة الحلقات أي عدد الحلقات في المتر .


ملاحظات :
  • تكون العلاقة صحيحة في كل نقطة داخل الوشيعة إذا كان طولها غير متناهي .
  • داخل وشيعة حقيقية تكون القيمة صحيحة بالقرب من المركز و ذلك إذا كان طول الوشيعة  L أكبر نسبيا من قطر اللفات .
 3- التدفق المغناطيسي : نضع داخل حقل
مغناطيسي منتظم شعاعه B ، سطحا مساحته S.
لتوضيح وضعية السطح بالنسبة للحقل المغناطيسي :
  • نختار شعاع الوحدة n  الناظم على السطح  S
  • نعتبر الزاوية : ( n,B )= α .
عبارة التدفق المغناطيسي عبر سطح هي :
         


3-1 خصائص التدفق المغناطيسي :




* التدفق المغناطيسي هو مقدار جبري .
* العبارة Φ= B.S cosα تبين أن إشارة Φ تتعلق بإشارة  cosα


  • يشير التدفق المغناطيسي إلى عدد خطوط الحقل التي تعبر الدارة .
  • ترتبط إشارة التدفق بالاتجاه الذي تعبُره خطوط الحقل.
  • يكون التدفق موجبا إذا عبرت خطوط الحقل الدارة في نفس اتجاه الناظم n .
3-2 وحدة التدفق المغناطيسي في النظام الدولي (SI) .
وحدة التدفق هي " الويبر " Weber (Wb)  و هو التدفق الذي يعبر سطحا مستويا مساحته واحد متر مربع عندما يكون عموديا على خطوط حقل منتظم قيمته واحد تسلا .
4قانون لابلاس :Laplace       
4-1 تأثير حقل مغناطيسي على ناقل يعبره تيار كهربائي :
أ- تجربة سكتي لابلاس :
عند  الضغط على الزر K ، وبوجود حقل مغناطيسي
منتظم B  ومرور التيار شدته I  على الناقل الموضوع
فوق السكتين ينتقل الناقلCD  من جهة .
  • عند عكس أقطاب المولد ينعكس اتجاه الناقل .
  • عند عكس أقطاب المغناطيس ينعكس أيضا اتجاه التاقل .
استنتاج :
كل ناقل يجـتازه تيار كهربائي وهو موجـود داخل حقل مغناطيسي ، فإنه يخضـع لقوة   F  تسـمى القـوة الكهرومغناطيسية ( قوة لابلاس ) .


5-2 مميزات القوة الكهرومغناطيسية :
* نقطة التأثير : هي من منتصف الناقل CD  
* الحامل : عمودي على الناقل وعلى شعاع الحقل المغناطيسي، أي أنه عمودي على المستوي المتكون منهما.
* الجهة : تتعلق بجهة التيار و جهة الحقل المغناطيسي وتُعيَّن بقاعدة رجل آمبير أو قاعدة اليد اليمنى.
قاعدة رجل آمبير :  تكون جهة القوة F وفق يسار رجل آمبير المستلقي على الناقل بحيث يدخل التيار من رجليه و يخرج من رأسه وهو ينظر في جهة شعاع الحقل المغناطيسي  B .
قاعدة اليد اليمنى : تكون جهة القوة وفق الإبهام العمودي على كل من السبابة  التي تشير إلى جهة التيار الكهربائي I  والوسطى التي تشير إلى جهة الحقل المغناطيسي B.


* الشدة : تتناسب مع :
- شدة الحقل المغناطيسي B .
- شدة التيار المار في الناقل I .
- طول الناقل  L .
- sin α حيث  α : الزاوية المحصورة بين الشعاع  B و الناقل .
 وحدة القوة الكهرومغناطيسية  نيوتن .


ملاحظة : يمكن تمثيل شعاع عمودي على مستوي الشكل بالطرقة التالية :


                                                                                              


6- تطبيقات قانون لابلاس :
6-1 محرك كهربائي صغير :(تجربة عجلة بارلو)      
عند غلق القاطعة k  يجتاز التيار نصف قطر
العجلة ، وهي موضوعة داخل حقل مغناطيسي
منتظم ، فتصبح خاضعة لقوة كهرومغناطيسية F
تكون نقطة تأثير هذه القوة هي منتصف الجزء
المغمور في الحقل المغناطيسي .
قوة لابلاس الناتجة تمد عزم بالنسبة لمحور العجلة وبالتالي تدور .
تمثل هذه الظاهرة المبدأ الأساسي لمحركات التيار المستمر
إذا محرك تيار مستمر يحتوي على عنصرين أساسيين :
  • الساكن stator ويمثل المحرض أي مولد للحقل المغناطيسي ( عبارة عن وشيعة مغذية بتيار مستمر).
  • الدوار rotor ويمثل المتحرض أي العنصر الخاضع للحقل والذي يحمل نواقل لدورانه نتيجة خضوعها لقوى كهرومغناطيسية .
7- التحريض الكهرومغناطيسي :
التجربة 1:









التفسير:
  • إنحراف إبرة المقياس الغلفاني تدل على أنه خاضع لفرق كمون ،ويجتازه تيار مصدره الوشيعةB2 .
  • أصبحت الوشيعةB1 مقرا لقوة محركة كهربائية متحرضة .
  • عندما نقرب الوشيعةB1 من الوشيعةB2 ، تجتازها كمية متزايدة من خطوط الحقل و تصبح منقولة نحو جهة يكون فيها الحقل أكبر ، تزداد القيمة المطلقة للتدفق المحتضن من طرف الوشيعة خلال هذا الإنتقال ، و بالعكس عندما نبعد الوشيعةB1 عن الوشيعة B2 ، تنقص القيمة المطلقة للتدفق المحتضن .
  • تدعى هذه الظاهرة بـ : ظاهرة التحريض الكهرومغناطيسي  و يسمى التيار الناشـىء بالتيـار المتحرض ، كما تسمى الوشيعةB1 بالمحرض  و الوشيعة B2 بالمتحرض .
8- قانون فرادي :
      يولد كل تغير في التدفق من خلال دارة كهربائية قوة محركة كهربائية متحرضة   e.
تجربة 2 : مبدأ تشغيل محول  مع   Bيتغير على مدى الزمن .
الو شيعة المحرضة B2 يجتازها تيار دائم شدته I  ،
المتحرض الو شيعة B1 موصولة بجهاز آمبير متر
أنظر شكل . ندخل نواة حديدية داخل وشيعة B2 ،
نلاحظ ظهور تيار متحرض على جهاز آمتير متر .
إن النواة الحديدية توجه خطوط الحقل داخل الوشيعة
وبتالي تقوي نفاذية μ  ، الحقل و التدفق يزداد .
تغيير في التدفق ينتج قوة محركة كهربائية f.é.m متحرضة  e و تيار متحرض .
تجربة 3 :- نقرب القطب الجنوبي للمغناطيس الدائم
نحو الوشيعة ثم نبعده .
- نقرب القطب الشمالي للمغناطيس الدائم نحو الوشيعة
ثم نبعده
التفسير : حركة المغناطيس تولد في دارة الوشيعة تيار
متحرض هذا الأخير ينتج في الوشيعة تدفق مغناطيسي
يسمى تدفق متحرض ، يكون إتجاهه بحيث يعاكس
تحركات المغناطيس أي تغيرات التدفق المحرض .

قانون لانز : إن جهة التيار المتحرض تكون بحيث تعاكس الأفعال التي ينتجها السبب الذي أحدثها .
القوة المحركة الكهربائية المتحرضة : بينت التجارب السابقة أن :
القوة المحركة الكهربائية المتحرضة  e :
- تتناسب طردا مع التغير في التدفق المغناطيسي المحرض   ΔΦ عبر الدارة .
- تتناسب عكسيا مع المدة Δt التي يحدث فيها هذا التغير .
تعطى القوة المحركة الكهربائية المتحرضة المتوسطة بالعلاقة :


خلاصة :
  • قوة ←( عزم أي دوران )  + حقل مغناطيسي ← قوة محركة كهربائية  (تيار)← مبدأ مولدة
  • تيار كهربائي + حقل مغناطيسي ←  قوة ( عزم أي دوران ) ←مبدأ محرك  


10- الدارات المغناطيسية بالتيار المستمر:
10-1 تعريف و هدف من الدارات المغناطسية :
تحتاج آلات تيار الكهربائي إلى حقل مغناطيسي مرتفع ( عامة أكبر من 1 T) للحصول على :
  • إستطاعة كتلية W/kg) ) أكبر ما يمكن في المحركات .
  • قوة جذب شديدة في كهرومغناطيسي (مغناطيس كهربائي ) .
للحصول على ذلك الحقل B لابد من إضافة للوشائع المولدة للحقل دارة عبارة عن نواة من الفولاذ حديدية التمغنط بحيث تكون الأحسن مغلقة .
الدارة المغناطيسية عبارة عن مجموعة أوساط تحتوي أساسا على مواد حديدية التمغنط تشكل دارة مغلقة ويمكن أن يعبرها تدفق مغناطيسي .
أمثلة لدارات مغناطيسية :






المغانط الكهربائية  : مغناطيس كهربائي هوعبارة عن مغناطيس كهربائي مؤقت لاينتج تأثيرات مغناطيسية ملحوظة إلا إذا كانت الوشيعة مجتازة بالتيار . يحتوي على الأقل على نواة ممغنطة من الحديد أو الفلاذ اللين وحولها وشيعة أوعدة وشائع ممغنطة .يمكنه جذب قطع حديدية التمغنط تسمى لابوس armature .

11- مبدأ مرحل كهرومغناطيسي :
المرحل هو عبارة عن مركب كهرومغناطيسي يسمح بفتح وغلق قاطعة كهربائية بإشارة تحكم . يحتوي على جزئين مستقلا كهربائيا ، لكن مقرونة كهروميكانيكيا :
  • جزء التحكم يحتوي على وشيعة .
  • قاطعة أو عدة قواطع متحكم فيها .

ع