الفيزياء، البكالوريا، الفرع العلمي

التحريض الذاتيّ والطاقة

الوشيعة تحرّض نفسها: ذاتيّة الوشيعة، والقوّة المحرّكة الذاتيّة، والطاقة الكهرطيسيّة المختزنة

الكهرباءُ والمغناطيسيّة . الوحدة 2 . الدرس 3 (3 من 3)

بسيطة

حين يتغيّر التيّار في وشيعة يتغيّر الحقل الذي تولّده هي نفسها، فيتغيّر التدفّق الذي يجتازها، فتتحرّض. هذا هو التحريض الذاتيّ، وعليه يقوم درس الدارات المهتزّة بعده. نتابع مع الكتاب في الصفحات 111 إلى 114. وجاء التحريض الذاتيّ مسألةً في الدورة الأولى 2024.

التحريض الذاتيّ

في تجربة الكتاب، الصفحة 111، وشيعةٌ على التفرّع مع مصباح، ثمّ قاطعةٌ وبيلٌ ومقاومةٌ متغيّرة. نحرّك الزالقة حتّى يصبح المصباح خافتاً، ثمّ نفتح القاطعة، ثمّ نغلقها من جديد.

القاطعة مغلقة
مصباحٌ خافت

1. القاطعة مغلقة: يمرّ التيّار في الوشيعة والمصباح خافت.

القاطعة مفتوحة
يتوهّج ثمّ ينطفئ

2. نفتح القاطعة: يتوهّج المصباح بشدّةٍ قبل أن ينطفئ، مع أنّ المولّد فُصل.

تجربة الكتاب، الصفحة 111. الرسم من عندنا.

تذكّر: الكتاب، الصفحة 111: فتح القاطعة «يؤدّي إلى تناقصِ شدَّةِ التيّارِ المارِّ في الوشيعة، فيتناقصُ تدفُّقُ الحقلِ المغناطيسيِّ المُتولِّدِ في الوشيعة خلالَ الوشيعةِ ذاتِها، الأمرُ الذي يولِّدُ قوّةً كهربائيّةً مُحرِّكةً مُتحرِّضةً في الوشيعةِ أكبرَ من القوّةِ المُحرِّكةِ الكهربائيّةِ للمولِّد». وعند الإغلاق تنشأ قوّةٌ محرّكةٌ عكسيّة تمانع مرور التيّار، فيزداد تدريجيّاً.

تذكّر: «إنّ الوشيعةَ قامَت بدورٍ مُحرِّضٍ ومُتحرِّضٍ في آنٍ واحدٍ، لذلك ندعو الدّارةَ بالدّارة المُتحرِّضة الذّاتية وندعو الحادثةَ تحريضاً ذاتيّاً.» الكتاب، الصفحة 111.

لماذا يتوهّج المصباح بشدّةٍ لحظة فتح القاطعة في تجربة الكتاب؟

كيف أبدأ؟ ما الذي يتغيّر في الوشيعة لحظة الفتح؟

  • أ)لأنّ المولّد يعطي تيّاراً أكبر لحظة الفصل
  • ب)لأنّ تناقص التيّار السريع يولّد في الوشيعة قوّةً محرّكةً كبيرة
  • ج)لأنّ مقاومة المصباح تنقص

ب. نعم: سرعة تناقص التيّار كبيرةٌ جدّاً لحظة الفتح، فالقيمة المطلقة للقوّة المحرّكة الذاتيّة كبيرة.

ذاتيّة الوشيعة

نتبع الكتاب، الصفحة 112: وشيعةٌ طويلة دون نواةٍ حديديّة من N لفّة، مساحة لفّتها s، وطولها ℓ، يمرّ فيها التيّار i.

Φˉ= ?
  1. 1. الحقل حقل الوشيعة:
    B=4π×10−7 N iℓ
  2. 2. التدفّق الذاتيّ تدفّق هذا الحقل خلال الوشيعة ذاتها:
    Φˉ=N s B=4π×10−7 N2sℓ iˉ

أمثال شدّة التيّار مقدارٌ ثابتٌ يميّز الوشيعة، «يُدعى ذاتيّةَ الوشيعة L، واحدةُ قياسها في الجملة الدّوليّة هي الهنري H» الكتاب، الصفحة 112:

L=4π×10−7 N2sℓΦˉ=L iˉ

ومن قانون فاراداي تصبح القوّة المحرّكة الكهربائيّة المتحرّضة الذاتيّة بدلالة شدّة التيّار المتغيّر:

εˉ=−L diˉdt

انتبه: 🚨 ℓ في علاقة الذاتيّة طول الوشيعة، لا طول سلكها. وإذا أعطاك السؤال طول السلك ℓ′ فعدد اللفّات N=ℓ′2πr.

تتغيّر شدّة التيّار في وشيعةٍ ذاتيّتها 0.2 H بانتظامٍ من 0 إلى 3 A خلال 0.1 s. ما القيمة المطلقة للقوّة المحرّكة الذاتيّة؟

كيف أبدأ؟ ∣ε∣=L ΔiΔt.

  • أ)∣ε∣=6 V
  • ب)∣ε∣=0.06 V
  • ج)∣ε∣=0.6 V

أ. نعم: ∣ε∣=0.2×30.1=6 V.

إذا ضاعفنا عدد لفّات وشيعةٍ مع بقاء طولها ومساحة لفّتها، فإنّ ذاتيّتها:

كيف أبدأ؟ N في العلاقة مربّع.

  • أ)تتضاعف
  • ب)لا تتغيّر
  • ج)تصبح أربعة أمثالها

ج. نعم: N2 يصبح أربعة أمثاله.

الطاقة الكهرطيسيّة المختزنة في وشيعة

في التجربة أضاء المصباح بعد فصل المولّد، فالوشيعة «تختزنُ طاقةً عندَ إغلاقِ القاطِعة، وعندَ فصلِ المولِّد فإنّها تعيدُ الطّاقةَ المُختزَنة إلى المِصباح» الكتاب، الصفحة 112. نربط وشيعةً ذاتيّتها L على التسلسل مع مقاومة R ومولّد E.

نتبع الكتاب، الصفحتان 112 و113، بقانون كيرشوف الثاني.

EL= ?
  1. 1. قانون كيرشوف الوشيعة تضيف قوّتها المحرّكة الذاتيّة:
    Eˉ=R iˉ+L diˉdt
  2. 2. الطاقة خلال dt نضرب الطرفين بـ i dt: طاقة المولّد تنقسم إلى حرارةٍ في المقاومة وطاقةٍ مختزنةٍ في الوشيعة:
    E i dt=R i2 dt+L i di
  3. 3. التكامل حين يزداد التيّار من الصفر إلى I:
    EL=∫0IL i di=12L I2

ومع Φ=L I يمكن أن تُكتب بالشكل، كما في الكتاب، الصفحة 113:

EL=12L I2=12Φ I

وشيعةٌ ذاتيّتها 0.4 H يمرّ فيها تيّارٌ شدّته 2 A. ما الطاقة المختزنة فيها؟

كيف أبدأ؟ EL=12L I2.

  • أ)EL=0.4 J
  • ب)EL=1.6 J
  • ج)EL=0.8 J

ج. نعم: EL=12×0.4×4=0.8 J.

من الكتاب: وشيعةٌ من سلكٍ طوله 40 m

تطبيق الكتاب، الصفحة 113: وشيعةٌ طولها 20 cm، وطول سلكها 40 m، بطبقةٍ واحدة، مقاومتها مهملة، ونصف قطر لفّتها 4 cm. احسب ذاتيّتها وعدد لفّاتها، ثمّ القوّة المحرّكة إذا ازدادت شدّة التيّار بانتظامٍ من الصفر إلى 10 A خلال 0.5 s، ثمّ الطاقة المختزنة.

L, N, ε, EL= ?
  1. 1. الذاتيّة N=ℓ′2πr وs=πr2، فيختصر r:
    L=4π×10−7 ℓ′24π2r2⋅πr2ℓL=10−7 ℓ′2ℓL=10−7×16000.2=8×10−4 H
  2. 2. عدد اللفّات r=4×10−2 m:
    N=402π×0.04≈159
  3. 3. القوّة المحرّكة diˉdt=100.5=20 A.s−1:
    εˉ=−L diˉdt=−8×10−4×20=−1.6×10−2 V
  4. 4. الطاقة عند I=10 A:
    EL=12×8×10−4×100=4×10−2 J

الإشارة السالبة تعني أنّ التيّار المتحرّض يعاكس التيّار المتزايد. ويقرّب الكتاب عدد اللفّات إلى 160، والقيمة الأدقّ 159.2:

L=8×10−4 H

في تطبيق الكتاب، أيّ طولٍ نضعه في المقام في علاقة الذاتيّة L=4π×10−7N2sℓ؟

كيف أبدأ؟ الكتاب يعطي طولين: 20 cm و40 m.

  • أ)طول الوشيعة 0.2 m
  • ب)طول السلك 40 m
  • ج)طول الوشيعة دون تحويلٍ إلى المتر، 20

أ. نعم: ℓ طول الوشيعة، وℓ′ طول السلك يعطي N.

ما إشارة القوّة المحرّكة الذاتيّة حين تتناقص شدّة التيّار في الوشيعة؟

كيف أبدأ؟ εˉ=−L diˉdt، وdiˉdt<0.

  • أ)سالبة، تعاكس التيّار
  • ب)موجبة، تحاول إبقاء التيّار
  • ج)معدومة

ب. نعم: التيّار المتحرّض بجهة التيّار الأصليّ، يعاكس تناقصه، بحسب لنز.