التيار الكهربائي الناتج عن تغير المجالات المغناطيسية

التيار الكهربائي الناتج عن تغير المجالات المغناطيسية

Electric Current from Changing Magnetic Fields

تجربة استهلالية

ماذا يحدث في المجال المغناطيسي المتغير؟

سؤال التجربة

كيف يؤثر المجال المغناطيسي المتغير في ملف سلكي موضوع فيه؟

الخطوات

• ضع قضيبين مغناطيسيين بحيث يبعد أحدهما عن الآخر (8cm)، على أن تكون أقطابهما المتجاورة مختلفة.

• صل جلفانومترًا حساسًا بطرفي السلك النحاسي لملف.

• حرك الملف ببطء بين المغناطيسين، ولاحظ قراءة الجلفانومتر.

• غير زاوية حركة الملف، وسرعة حركته. ماذا تلاحظ؟ دون ملاحظتك.

التحليل

ما الذي يسبب انحراف مؤشر الجلفانومتر؟

ما الحالة التي تجعل قراءة الجلفانومتر أكبر ما يمكن؟

التفكير الناقد

ما الذي يحدث في السلك عندما يتحرك الملف السلكي بين المغناطيسين؟

---

4-1 التيار الكهربائي الناتج عن تغير المجالات المغناطيسية

Electric Current from Changing Magnetic Fields

رابط الدرس الرقمي

[www.ien.edu.sa](http://www.ien.edu.sa)

الأهداف

• توضح كيف يعمل التغير في المجال المغناطيسي على توليد تيار كهربائي حثي.
• تعرف القوة الدافعة الكهربائية.
• تحل مسائل تتضمن حركة أسلاك في مجالات مغناطيسية.

المفردات

• التيار الكهربائي الحثي
• الحث الكهرومغناطيسي
• القاعدة الرابعة لليد اليمنى
• القوة الدافعة الكهربائية الحثية
• المولد الكهربائي
• متوسط القدرة

---

درست كيف اكتشف أورستد أن التيار الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيًا. ووجد العالم مايكل فاراداي أن العكس يجب أن يكون صحيحًا أيضًا؛ فالمجال المغناطيسي يولد تيارًا كهربائيًا.

وفي عام (1822m) سجل فاراداي هدفًا في دفتر ملاحظاته، وهو تحويل المغناطيسية إلى كهرباء.

جرب فاراداي عدة تركيبات للمجال المغناطيسي مع الأسلاك فلم ينجح. وبعد عشر سنوات تقريبًا من التجارب غير الناجحة وجد فاراداي أنه يمكن توليد تيار كهربائي عن طريق تحريك سلك داخل مجال مغناطيسي.

وفي السنة نفسها وجد جوزيف هنري المدرس الأمريكي في المدارس الثانوية أن تغير المجال المغناطيسي يمكن أن يولد تيارًا كهربائيًا. أخذ هنري فكرة طورها عالم آخر، ووسع هذا التطبيق على أدوات تعليمية، لجعلها أكثر حساسية أو أكثر فاعلية.

ولم تكن رؤية هنري لهذه الأدوات اكتشافًا جديدًا، إلا أنه جعل هذه الأدوات أكثر فاعلية، كأدوات تعليمية مساعدة. ولم يقرر هنري نشر اكتشافاته.

---

الحث الكهرومغناطيسي

Electromagnetic Induction

يوضح الشكل (4-1) إحدى تجارب فاراداي التي وضع فيها جزءًا من سلك حلقة لدائرة كهربائية مغلقة داخل مجال مغناطيسي؛ حيث لاحظ عدم تولد تيار كهربائي في السلك عندما كان السلك ساكنًا، أو متحركًا بموازاة المجال المغناطيسي، بينما تولد التيار الكهربائي في اتجاه معين عندما تحرك السلك إلى أعلى داخل المجال المغناطيسي، وكذلك عند تحريك السلك إلى أسفل تولد فيه تيار كهربائي، لكن في الاتجاه المعاكس.

إن تولد هذا التيار الكهربائي الحثي يحدث فقط عندما يقطع السلك خطوط المجال المغناطيسي في أثناء حركته.

وجد فاراداي أنه لتوليد التيار الكهربائي الحثي فإما أن يتحرك السلك في المجال المغناطيسي، أو يتحرك مصدر المجال المغناطيسي في منطقة السلك، أي أن الحركة النسبية بين السلك والمجال المغناطيسي هي التي تولد تيارًا كهربائيًا حثيًا.

وتسمى عملية توليد التيار الكهربائي الحثي في دائرة كهربائية مغلقة بهذه الطريقة الحث الكهرومغناطيسي.

كيف يمكنك تحديد اتجاه التيار الكهربائي الحثي المتولد؟ لتحديد اتجاه القوة المؤثرة في الشحنات والتي تحدد اتجاه التيار نستخدم القاعدة الرابعة لليد اليمنى.

ابسط يدك اليمنى بحيث يشير الإبهام إلى اتجاه حركة السلك، وتشير الأصابع إلى اتجاه المجال المغناطيسي، وعندئذ سيشير العمودي على باطن الكف نحو الخارج إلى اتجاه التيار الاصطلاحي، كما هو موضح في الشكل (4-2).

الشكل 4-1

عند تحريك سلك في مجال مغناطيسي يتولد فيه تيار كهربائي في أثناء حركته فقط. ويعتمد اتجاه هذا التيار على اتجاه حركة السلك داخل المجال. وتشير الأسهم إلى اتجاه التيار الاصطلاحي المتولد.

الشكل 4-2

يمكن استخدام القاعدة الرابعة لليد اليمنى لتحديد اتجاه التيار الحثي في سلك موضوع داخل مجال مغناطيسي.

---

القوة الدافعة الكهربائية الحثية

Electromotive Force

تعلمت من خلال دراستك للدوائر الكهربائية أن مصادر الطاقة الكهربائية كالبطارية مثلًا تستخدم في توليد تيار مستمر.

وفرق الجهد المبذول في البطارية يسمى القوة الدافعة الكهربائية، أو (EMF)، إلا أن القوة الدافعة الكهربائية في الواقع ليست قوة، وإنما هي فرق جهد، وتقاس بوحدة الفولت.

لذلك قد يكون مصطلح القوة الدافعة الكهربائية مضللًا، مثل العديد من المصطلحات القديمة الأخرى التي لا تزال تستخدم حتى وقتنا الحاضر. ولقد ظهر هذا المصطلح قبل تبلور المبادئ العامة المتعلقة بالكهرباء وفهمها.

وتعمل (EMF) على سريان التيار من الجهد الأقل إلى الجهد الأعلى، تمامًا كما في مضخة الماء التي تعمل على رفع الماء من المستوى المنخفض إلى المستوى المرتفع، كما هو موضح في الشكل (4-3).

ما الذي يولد فرق الجهد الذي يسبب التيار الكهربائي الحثي في تجربة فاراداي؟ عندما تحرك سلكًا داخل مجال مغناطيسي يؤثر المجال المغناطيسي بقوة في الشحنات داخل السلك فيحركها في اتجاه القوة، أي أنه قد بذل شغل على تلك الشحنات، فزاد مقدار طاقة وضعها الكهربائية أو جهدها.

ويسمى الفرق في جهدها القوة الدافعة الكهربائية الحثية (EMF)، والتي تعتمد على كل من المجال المغناطيسي (B)، وطول السلك في المجال المغناطيسي (L)، والمركبة العمودية لسرعة السلك على المجال ((v \sin \theta)).

القوة الدافعة الكهربائية الحثية

[
EMF = BLv(\sin \theta)
]

القوة الدافعة الكهربائية الحثية تساوي حاصل ضرب مقدار المجال المغناطيسي، في كل من طول السلك المتأثر بالمجال، ومركبة سرعة السلك العمودية على المجال المغناطيسي.

إذا تحرك سلك داخل مجال مغناطيسي بحيث يصنع زاوية معه فإن مركبة السرعة العمودية على المجال المغناطيسي هي فقط التي تولد (EMF).

أما إذا تحرك السلك بسرعة عمودية على المجال المغناطيسي فإن المعادلة السابقة تصبح كما يأتي:

[
EMF = BLv
]

لأن:

[
\sin 90^\circ = 1
]

ويساعدك التحقق من الوحدات المستخدمة في معادلة (EMF) على الحصول على الحسابات الجبرية الدقيقة في المسائل المتعلقة بها. إن وحدة قياس (EMF) هي الفولت (V).

وقد عرفت الكمية (B) في الفصل السابق على أنها:

[
B = \frac{F}{IL}
]

لذلك تكون وحدات (B) هي:

[
\frac{N}{A.m}
]

ووحدة قياس السرعة هي:

[
\frac{m}{s}
]

باستخدام تحليل الوحدات نستنتج أن وحدة القوة الدافعة الكهربائية الحثية هي:

[
\left(\frac{N}{A.m}\right)(m)\left(\frac{m}{s}\right)
]

[
= \frac{N.m}{A.s}
]

[
= \frac{J}{C}
]

[
= V
]

تذكر مما تعلمته سابقًا أن:

[
N.m = J
]

و:

[
A = \frac{C}{s}
]

و:

[
V = \frac{J}{C}
]

الشكل 4-3

تعمل مضخة الماء على رفع الماء من المستوى المنخفض إلى المستوى المرتفع، وبالمثل تعمل القوة الدافعة الكهربائية الحثية على سريان التيار من الجهد الأقل إلى الجهد الأعلى.

تجربة عملية

ما الذي يسبب التأرجح؟

ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

---

تطبيق على القوة الدافعة الكهربائية الحثية

يعد الميكروفون تطبيقًا بسيطًا على القوة الدافعة الكهربائية الحثية (EMF).

فالميكروفون يشبه السماعة من حيث التركيب؛ حيث يحتوي الميكروفون الموضح في الشكل (4-4) على غشاء رقيق يتصل بملف حر الحركة موضوع داخل مجال مغناطيسي.

تعمل الموجات الصوتية على اهتزاز الغشاء الرقيق الذي يحرك بدوره الملف داخل المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى توليد (EMF) بين طرفي الملف.

وتتغير (EMF) الحثية وفق تغير ترددات الصوت؛ إذ تتحول موجات الصوت في هذه العملية إلى نبضات كهربائية، ويكون فرق الجهد المتولد صغيرًا، من رتبة:

[
10^{-3} V
]

إلا أنه يمكن زيادة فرق الجهد هذا أو تضخيمه باستخدام أدوات إلكترونية.

الشكل 4-4

يبين الرسم حركة ملف الميكروفون؛ حيث يتصل غشاء رقيق من الألومنيوم بملف موضوع داخل مجال مغناطيسي. وعندما يهتز الغشاء بفعل موجات الصوت يتحرك الملف في المجال المغناطيسي مولدًا تيارًا كهربائيًا يتناسب مع موجات الصوت.

---

مثال 1

القوة الدافعة الكهربائية الحثية

يتحرك سلك مستقيم طوله (0.20m) بسرعة ثابتة مقدارها (7.0m/s) عموديًا على مجال مغناطيسي شدته:

[
8.0 \times 10^{-2}T
]

a. ما مقدار القوة الدافعة الكهربائية الحثية المتولدة في السلك؟

b. إذا كان السلك جزءًا من دائرة مقاومتها (0.50\Omega) فما مقدار التيار المار في السلك؟

c. إذا استخدم سلك مصنوع من فلز آخر مقاومته (0.78\Omega) فما مقدار التيار الجديد المتولد؟

1 تحليل المسألة ورسمها

• أنشئ نظام محاور.
• ارسم خطًا مستقيمًا يمثل سلكًا طوله (L)، وصل معه أميتر لقياس التيار.
• اختر اتجاهًا للمجال المغناطيسي بحيث يكون عموديًا على طول السلك.
• اختر اتجاهًا للسرعة بحيث يكون عموديًا على كل من طول السلك والمجال المغناطيسي.

المعلوم

[
L = 0.20m
]

[
v = 7.0m/s
]

[
B = 8.0 \times 10^{-2}T
]

[
R_1 = 0.50\Omega
]

[
R_2 = 0.78\Omega
]

المجهول

[
EMF = ?
]

[
I = ?
]

2 إيجاد الكمية المجهولة

a. بالتعويض

[
EMF = BLv
]

بالتعويض عن:

[
B = 8.0 \times 10^{-2}T
]

[
L = 0.20m
]

[
v = 7.0m/s
]

[
EMF = (8.0 \times 10^{-2}T)(0.20m)(7.0m/s)
]

[
EMF = 0.11 \frac{T.m^2}{s}
]

[
EMF = 0.11V
]

b. بالتعويض

[
EMF = V
]

[
I = \frac{V}{R}
]

[
I = \frac{EMF}{R_1}
]

بالتعويض عن:

[
EMF = 0.11V
]

[
R_1 = 0.50\Omega
]

[
I = \frac{0.11V}{0.50\Omega}
]

[
I = 0.22A
]

باستخدام القاعدة الرابعة لليد اليمنى يكون التيار في عكس اتجاه حركة عقارب الساعة.

c. بالتعويض

[
I = \frac{EMF}{R_2}
]

بالتعويض عن:

[
EMF = 0.11V
]

[
R_2 = 0.78\Omega
]

[
I = \frac{0.11V}{0.78\Omega}
]

[
I = 0.14A
]

اتجاه التيار في عكس اتجاه حركة عقارب الساعة.

3 تقويم الجواب

هل الوحدات صحيحة؟

يعد الفولت الوحدة الصحيحة للمقدار (EMF). ويقاس التيار بوحدة الأمبير.

هل الاتجاه صحيح؟

يحدد الاتجاه وفق القاعدة الرابعة لليد اليمنى؛ حيث تكون (v) في اتجاه الإبهام، و (B) في اتجاه الأصابع و (F) في اتجاه العمودي على باطن الكف نحو الخارج، واتجاه التيار هو اتجاه القوة نفسه.

هل الجواب منطقي؟

الإجابات قريبة من (10^{-1})، وهذا يتفق مع القيم المعطاة والعمليات الحسابية.

---

مسائل تدريبية

• يتحرك سلك مستقيم طوله (0.5m) إلى أعلى بسرعة (20cm/s) عموديًا على مجال مغناطيسي أفقي مقداره (0.4T).

a. ما مقدار القوة الدافعة الكهربائية الحثية المتولدة في السلك؟

b. إذا كان السلك جزءًا من دائرة مقاومتها (6.0\Omega) فما مقدار التيار المار في الدائرة؟

• سلك مستقيم طوله (25m) مثبت على طائرة تتحرك بسرعة (125m/s) عموديًا على المجال المغناطيسي الأرضي:

[
B = 5.0 \times 10^{-5}T
]

ما مقدار القوة الدافعة الكهربائية الحثية المتولدة في السلك؟

• يتحرك سلك طوله (30.0m) بسرعة (2.0m/s) عموديًا على مجال مغناطيسي شدته (1.0T).

a. ما مقدار القوة الدافعة الكهربائية الحثية (EMF) المتولدة فيه؟

b. إذا كانت مقاومة الدائرة تساوي (15.0\Omega) فما مقدار التيار المار فيها؟

• وضع مغناطيس دائم على شكل حذوة فرس بحيث تكون خطوط مجاله المغناطيسي رأسية. مرر طالب سلكًا مستقيمًا بين قطبيه ثم سحبه نحوه خلال المجال المغناطيسي، فتولد فيه تيار من اليمين إلى اليسار. حدد القطب الشمالي للمغناطيس.

---

المولدات الكهربائية

Electric Generators

يحول المولد الكهربائي، الدينامو، الذي اخترعه مايكل فاراداي، الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

ويركب المولد الكهربائي من عدد من الحلقات السلكية التي توضع داخل مجال مغناطيسي قوي. والسلك ملفوف حول قلب من الحديد؛ لزيادة شدة المجال المغناطيسي، وهو مماثل للملف المستخدم في المحرك الكهربائي.

يثبت الملف ذو القلب الحديدي الخاص بالمولد بحيث يكون حر الحركة داخل المجال المغناطيسي، وخلال دورانه تقطع حلقاته خطوط المجال المغناطيسي، فتتولد فيه قوة دافعة كهربائية حثية، تعتمد على طول السلك الذي يدور في المجال.

وبزيادة عدد لفات الملف يزداد طول السلك، فتزداد (EMF) الحثية المتولدة.

لاحظ أنه قد يكون جزء فقط من طول السلك موجودًا داخل المجال المغناطيسي. لذا فإن حركة ذلك الجزء فقط هي التي تولد القوة الدافعة الكهربائية الحثية (EMF).

التيار الناتج عن مولد كهربائي

عند وصل المولد الكهربائي بدائرة مغلقة تنتج القوة الدافعة الكهربائية الحثية تيارًا كهربائيًا.

ويوضح الشكل (4-5) مولدًا كهربائيًا يتكون من حلقة سلكية مفردة من دون قلب حديد. حيث يمكن تحديد اتجاه التيار الحثي باستخدام القاعدة الرابعة لليد اليمنى.

ومع دوران الحلقة يتغير مقدار التيار الكهربائي واتجاهه.

نحصل على أكبر قيمة للتيار عندما تكون حركة الحلقة عمودية على اتجاه المجال المغناطيسي؛ أي عندما تكون الحلقة في وضع أفقي، كما هو موضح في الشكل (4-6a)، وفي هذا الوضع تكون مركبة سرعة الحلقة العمودية على المجال المغناطيسي أكبر ما يمكن.

ومع استمرار دوران الحلقة من الوضع الأفقي إلى الوضع الرأسي، كما هو موضح في الشكل (4-6b)، تزداد الزاوية التي تصنعها مع خطوط المجال المغناطيسي، فتقطع عددًا أقل من خطوط المجال المغناطيسي لكل وحدة زمن، لذا يقل التيار الكهربائي المتولد.

وعندما تصبح الحلقة في وضع رأسي تتحرك قطع السلك بصورة موازية لخطوط المجال، مما يؤدي إلى تناقص التيار الكهربائي المتولد حتى يصبح صفرًا.

ومع استمرار دوران الحلقة فإن الجزء الذي كان يتحرك إلى أعلى سيتحرك إلى أسفل، فينعكس اتجاه التيار المتولد في الحلقة، وهذا التغير في الاتجاه يحدث كلما دارت الحلقة بزاوية مقدارها (180^\circ)، أي كلما أكملت نصف دورة.

ويتغير التيار باستمرار على نحو سلس من صفر إلى قيمة عظمى كل نصف دورة، ثم ينعكس اتجاهه. ويوضح الشكل (4-6c) منحنى العلاقة بين التيار والزمن.

الشكل 4-5

يتولد تيار كهربائي في حلقة سلكية في أثناء دورانها في مجال مغناطيسي.

الشكل 4-6

صورة للمقطع العرضي لحلقة سلكية دوارة تبين موقع الحلقة عندما يتولد أقصى تيار (a). عندما تكون الحلقة في وضع رأسي يكون التيار صفرًا (b). يتغير التيار مع الزمن عند دوران الحلقة (c). ويمكن توضيح تغير (EMF) مع الزمن برسم بياني مماثل.

---

هل تسهم الحلقة كاملة في توليد قوة دافعة كهربائية حثية؟ انظر الشكل (4-7)، حيث الجوانب الأربعة للحلقة موجودة داخل المجال المغناطيسي. يتولد تيار حثي في الضلعين (ad) و (bc)، في حين لا يتولد تيار في الضلعين (ab) و (cd).

ويمكن تفسير ذلك بتطبيق القاعدة الرابعة لليد اليمنى على الأضلاع الأربعة كما يلي: يكون اتجاه التيار الحثي في الضلعين (ab) و (cd) في اتجاه نصف قطر كل منهما، أي عموديًا على طوليهما، لذا لا يكون هناك تيار في اتجاه طوليهما.

لكن يتولد تيار حثي في كل من (ad) و (bc) في اتجاه طوليهما، أي من (b) إلى (c)، ومن (d) إلى (a)، وهذا يجعل التيار الحثي يسري في الدائرة.

ولأن الحلقة تتحرك حركة دائرية فسوف يتغير مقدار الزاوية النسبية بين أي نقطة على الحلقة والمجال المغناطيسي باستمرار. لذلك تستخدم العلاقة:

[
EMF = BLv(\sin \theta)
]

لحساب القوة الدافعة الكهربائية؛ حيث تمثل (L) طول الضلع (bc)، فيكون أقصى جهد، (EMF) العظمى، عندما يتحرك الموصل عموديًا على المجال المغناطيسي، أي تكون:

[
\theta = 90^\circ
]

الشكل 4-7

القطعتان (ad) و (bc) هما فقط القطعتان اللتان يتولد فيهما تيار حثي يسري خلالهما. ويمكن ملاحظة ذلك باستخدام القاعدة الرابعة لليد اليمنى.

---

تعمل المولدات الكهربائية بطريقة مشابهة؛ حيث تحول طاقة وضع الماء المحجوز خلف السد إلى طاقة حركية تعمل على إدارة التوربينات، التي تعمل بدورها على تدوير الملفات السلكية داخل مجال مغناطيسي، فتتولد قوة دافعة كهربائية حثية.

مولدات التيار المتناوب

Alternating-Current Generators

يعمل مصدر الطاقة على تدوير ملف المولد داخل المجال المغناطيسي بعدد ثابت من الدورات في الثانية.

ومعظم الأدوات والأجهزة الكهربائية في الدول العربية تعمل بتيار تردده (60Hz)، حيث ينعكس اتجاه التيار (60) مرة في الثانية الواحدة.

ويبين الشكل (4-8a) كيف ينتقل التيار المتناوب (AC) في الملف إلى بقية أجزاء الدائرة. ويسمح ترتيب مجموعة الفرشاتين والحلقتين الفلزيتين الزلقتين للملف بالدوران بحرية، مع الاستمرار في السماح بمرور التيار الكهربائي إلى الدائرة الخارجية.

ويتغير هذا التيار المتناوب بين صفر وقيمة عظمى في أثناء دوران ملف المولد، كما هو موضح في الشكل (4-8b).

متوسط القدرة

القدرة الناتجة عن مولد كهربائي تساوي حاصل ضرب التيار الكهربائي في الجهد. ولأن كلًا من التيار والجهد متغير فستكون القدرة المرافقة للتيار المتناوب متغيرة أيضًا.

يوضح الشكل (4-8c) التمثيل البياني للقدرة الناتجة عن مولد تيار متناوب (AC). لاحظ أن القدرة تكون دائمًا موجبة؛ لأن (I) و (V) يكونان إما موجبين أو سالبين معًا.

ومتوسط القدرة (P_{AC}) يمثل نصف القدرة العظمى، لذا فإن:

[
P_{AC} = \frac{1}{2} P_{AC\ عظمى}
]

الشكل 4-8

ينقل مولد التيار المتناوب التيار إلى دائرة خارجية عن طريق فرشاتين تلامسان الحلقتين (a). التيار المتناوب الناتج يتغير مع الزمن (b)، تكون القدرة الناتجة دائمًا موجبة، كما تكون أيضًا دالة جيبية (c).

---

التيار الفعال والجهد الفعال

يوصف التيار المتناوب والجهد المتناوب غالبًا بدلالة التيار الفعال والجهد الفعال، بدلًا من الإشارة إلى القيم العظمى لهما.

ولعلك تذكر مما تعلمته سابقًا أن:

[
P = I^2R
]

لذلك يمكنك التعبير عن التيار الفعال (I_{فعال}) بدلالة متوسط القدرة (P_{AC}) كما يأتي:

[
P_{AC} = I^2_{فعال}R
]

ولإيجاد التيار الفعال (I_{فعال}) بدلالة القيمة العظمى للتيار (I_{عظمى})، ابدأ بعلاقة القدرة:

[
P_{AC\ عظمى} = I^2_{عظمى}R
]

ثم عوض في:

[
P_{AC} = \frac{1}{2}P_{AC\ عظمى}
]

وحل المعادلة لإيجاد (I_{فعال}).

التيار الفعال

[
I_{فعال} = \frac{\sqrt{2}}{2} I_{عظمى}
]

التيار الفعال يساوي:

[
\frac{\sqrt{2}}{2}
]

مضروبًا في القيمة العظمى للتيار.

وبالطريقة نفسها يمكن استعمال المعادلة الآتية للتعبير عن الجهد الفعال:

الجهد الفعال

[
V_{فعال} = \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)V_{عظمى} = 0.707 V_{عظمى}
]

الجهد الفعال يساوي:

[
\frac{\sqrt{2}}{2}
]

مضروبًا في القيمة العظمى للجهد.

ويشار أيضًا إلى الجهد الفعال بمتوسط الجذر التربيعي للجهد (RMS). والجهد الذي يتم تزويد المنازل به قد يكون جهدًا مزدوجًا؛ إذ تزود بعض المقابس بجهد مقداره (120V)، وتزود مقابس أخرى بجهد مقداره (220V).

وتمثل هذه المقادير الجهد الفعال، وليس القيمة العظمى للجهد. وقد يختلف كل من التردد والجهد الفعال المستخدم من بلد إلى آخر.

---

الشكل 4-9

الاكتشافات التي أسهمت في تطور الكهرومغناطيسية

في القرن السادس قبل الميلاد

لاحظ الإغريق القدماء آثار جذب للمسطرة المدلوكة، الكهرمان.

سنة 1747

عمل وليام واتسون تجربته باستخدام قارورة ليدن، اكتشف أن تفريغ الكهرباء الساكنة يعادل التيار الكهربائي. واستخدمها فرانكلين لتخزين الشحنة.

سنة 1784

وضع كولوم، والذي سميت باسمه وحدة كمية الكهرباء، قانون كولوم من خلال تجربته الشهيرة.

سنة 1820

اكتشف أورستد تأثير تيار كهربائي على انحراف بوصلة مغناطيسية إذا مرر فوقها سلك يمر به تيار كهربائي. مما يعني أن التيار الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيًا.

سنة 1831

دشن فاراداي عهدًا جديدًا للأبحاث فيما يتعلق بالتأثير الكهربائي والحث الكهرومغناطيسي، وساند ذلك ما توصل إليه هنري، حيث تم توليد التيار الكهربائي الحثي من تغير المجال المغناطيسي.

ماكسويل

قام ماكسويل بوضع قوانين الكهرومغناطيسية والتي جمعت بين الكهرباء والمغناطيسية.

البث الإذاعي وصناعة الراديو

البث الإذاعي وصناعة الراديو.

---

عرفت في هذا البند كيف يمكن لأسلاك متحركة داخل مجالات مغناطيسية أن تحث وتولد تيارًا كهربائيًا خلال الأسلاك. ولكن كما اكتشف فاراداي، فإنه يمكن توليد تيار حثي يسري في موصل بواسطة تغير المجال المغناطيسي حول الموصل.

في البند التالي تستكشف تغير المجالات المغناطيسية، وتطبيقات على الحث بواسطة تغيير المجالات المغناطيسية.

يبين الشكل (4-9) في الصفحتين السابقتين خطًا زمنيًا يظهر بعض الاكتشافات العلمية التي سبقت فاراداي والتي بنى عليها علمه.

---

مسائل تدريبية

• مولد تيار متناوب يولد جهدًا ذا قيمة عظمى مقدارها (170V)، أجب عما يلي:

a. ما مقدار الجهد الفعال؟

b. إذا وصل مصباح قدرته (60W) بمولد، وكانت القيمة العظمى للتيار (0.70A) فما مقدار التيار الفعال في المصباح؟

• إذا كانت القيمة الفعالة للجهد المتناوب في مقبس منزلي (117V) فما مقدار القيمة العظمى للجهد خلال مصباح موصول مع هذا المقبس؟ وإذا كانت قيمة التيار الفعال المار في المصباح (5.5A) فما مقدار القيمة العظمى للتيار المار في المصباح؟

• مولد تيار متناوب يولد جهدًا قيمته العظمى (425V).

a. ما مقدار الجهد الفعال في دائرة كهربائية موصولة مع المولد؟

b. إذا كانت مقاومة الدائرة الكهربائية:

[
5.0 \times 10^2 \Omega
]

فما مقدار التيار الفعال؟

• إذا كان متوسط القدرة المستنفدة في مصباح كهربائي (75W) فما مقدار القيمة العظمى للقدرة؟

---

4-1 مراجعة

• المولد الكهربائي: هل يمكنك عمل مولد كهربائي بوضع مغناطيس دائم على محور قابل للدوران مع الإبقاء على الملف ساكنًا؟ وضح إجابتك.

• مولد الدراجة الهوائية: يعمل مولد الكهرباء في الدراجة الهوائية على إضاءة المصباح. ما مصدر طاقة المصباح عندما يقود راكب دراجته على طريق أفقية مستوية؟

• الميكروفون: ارجع إلى الميكروفون الموضح في الشكل (4-4). ما اتجاه التيار في الملف عندما يدفع الغشاء الرقيق إلى الداخل؟

• التردد: ما التغيرات اللازم إجراؤها على مولد كهربائي لزيادة التردد؟

• الجهد الناتج: وضح لماذا يزداد الجهد الناتج عن مولد عند زيادة المجال المغناطيسي؟ وما الذي يتأثر أيضًا بزيادة مقدار المجال المغناطيسي؟

• المولد الكهربائي: وضح مبدأ العمل الأساسي للمولد الكهربائي.

• التفكير الناقد: تساءل طالب: لماذا يستهلك التيار المتناوب قدرة، ما دامت الطاقة التي تحول في المصباح عندما يكون التيار موجبًا تلغى عندما يكون التيار سالبًا، ويكون الناتج صفرًا؟ وضح لماذا يكون هذا الاستدلال غير صحيح؟