مختبر الفيزياء

مختبر الفيزياء

الحث والمحولات

المحول جهاز ليس فيه أجزاء متحركة، حيث يتركب من دائرتين كهربائيتين ترتبطان بواسطة مجال مغناطيسي. ويستخدم المحول لرفع أو خفض فرق الجهد المتناوب (AC)، والذي يسمى عادة فولتية.

وتوجد المحولات في كل مكان؛ فجميع الأجهزة الإلكترونية في المنزل تحتوي على محولات، تعمل غالبًا على خفض الفولتية التي تدخل إليها. إلا أن لأجهزة التلفاز التي تحتوي على أنبوب أشعة مهبطية لتكوين الصور محولات تنتج فولتية كبيرة؛ إذ تعمل هذه المحولات على رفع الفولتية إلى عشرات الآلاف من الفولتات، مما يؤدي إلى مسارعة الإلكترونات من مؤخرة الأنبوب في اتجاه الشاشة.

ستستخدم في هذه التجربة ملفين مع قلب حديدي قابل للحركة. يسمى أحد الملفين الملف الابتدائي، والآخر الملف الثانوي. وعند تطبيق جهد متناوب (AC) على الملف الابتدائي يعمل المجال المغناطيسي المتغير على توليد تيار وجهد كهربائيين حثيين في الملف الثانوي.

ويعبر عن هذه الفولتية الحثية بالعلاقة:

[
\frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p}
]

حيث ترمز (N) إلى عدد اللفات في الملف.

سؤال التجربة

ما العلاقة بين جهدي ملفي المحول؟

الأهداف

• تصف كيف يعمل المحول الكهربائي.
• تلاحظ أثر الفولتية المستمرة (DC) في المحول.
• تلاحظ أثر الفولتية المتناوبة (AC) في المحول.

احتياطات السلامة

توجد رموز احتياطات السلامة في الصفحة دون نص تفصيلي إضافي.

المواد والأدوات

• ملف ثانوي، وملف ابتدائي بأعداد لفات مختلفة.
• مصدر جهد متناوب (AC) صغير.
• فولتمتر خاص بالتيار المتناوب (AC).
• مصدر جهد مستمر (DC):

[
(0-6V,\ 0-5A)
]

• أسلاك توصيل مزودة بمشابك.
• مصباح كهربائي صغير متصل بأسلاك.

الخطوات

• قدر عدد لفات كل من الملفين الابتدائي والثانوي، وذلك عن طريق عد اللفات في كل (1cm)، ثم ضرب ذلك في طول الملف بالسنتمترات. يتكون الملف الابتدائي من طبقة واحدة، أما الملف الثانوي فيتكون من طبقتين من الأسلاك، لذا عليك مضاعفة عدد لفاته. دون نتائجك في جدول البيانات 1.

• صل طرفي التوصيل للمصباح الكهربائي بالملف الثانوي، ثم ضع الملف الثانوي داخل الملف الابتدائي بعناية، ثم أدخل قلب الحديد داخل الملف الثانوي بعناية.

• صل سلكين بمخرج مصدر قدرة (DC). وصل السلك الموجب لمصدر الجهد بأحد طرفي التوصيل في الملف الابتدائي. والآن شغل مصدر الجهد بقيمته العظمى تقريبًا، ثم أمسك الطرف الحر للسلك الموصول بالطرف السالب للمصدر واجعله يلامس الطرف الثاني لسلك الملف الابتدائي. لاحظ المنطقة التي لامست بها السلك بالتوصيلة. دون ملاحظاتك في جدول البيانات 2.

• راقب المصباح الكهربائي في أثناء ملامسة التوصيلة بلطف. ماذا يحدث عند ملامسة السلك للتوصيلة وعند فصله عنها؟ دون ملاحظاتك في جدول البيانات 2.

• لامس السلك السالب بتوصيلة الملف الابتدائي مدة 5 ثوان، وراقب المصباح، ودون ملاحظاتك في جدول البيانات 2.

• افصل مصدر القدرة (DC)، وضعه جانبًا مع الإبقاء على المصباح موصولًا بالملف الثانوي، ثم صل مصدر القدرة (AC) بطرفي التوصيل في الملف الابتدائي، ثم شغل مصدر القدرة (AC)، وراقب المصباح. ودون ملاحظاتك في جدول البيانات 2.

• اختر تدريج (AC) للفولتمتر الذي تستخدمه، وأدخل مجسيه في نقطتي الفولتمتر، ثم لامس طرفي المجسين الحرين لطرفي الملف الابتدائي برفق، وقس الجهد المطبق. ثم أبعد المجسين عن الملف الابتدائي، ولامسهما لطرفي الملف الثانوي، وقس الجهد. دون قراءتي الفولتمتر في جدول البيانات 1.

• أعد الخطوة 7 لكن مع سحب القلب الحديدي تدريجيًا من الملف الثانوي. ماذا يحدث لإضاءة المصباح؟ قس الجهد في الملفين الابتدائي والثانوي عند سحب القلب. دون قياساتك في جدول البيانات 2.

• تحسس القلب الحديدي بلطف، ماذا تلاحظ؟ دون ملاحظاتك في جدول البيانات 2.

جدول البيانات 1

| عدد لفات الملف الابتدائي (N_p) | عدد لفات الملف الثانوي (N_s) | جهد الملف الابتدائي (V_p) | جهد الملف الثانوي (V_s) |
| ------------------------------ | ---------------------------- | ------------------------- | ----------------------- |
| | | | |

جدول البيانات 2

| الملاحظة |
| --------------- |
| ملاحظة الخطوة 3 |
| ملاحظة الخطوة 4 |
| ملاحظة الخطوة 5 |
| ملاحظة الخطوة 6 |
| ملاحظة الخطوة 8 |
| ملاحظة الخطوة 9 |

التحليل

• احسب النسبة:

[
\frac{N_s}{N_p}
]

من بياناتك المدونة في الجدول 1.

• احسب النسبة:

[
\frac{V_s}{V_p}
]

من بياناتك المدونة في الجدول 1.

• تفسير البيانات: كيف تقارن بين:

[
\frac{N_s}{N_p}
]

و:

[
\frac{V_s}{V_p}
]

• تعرف السبب والنتيجة: استنادًا إلى البيانات الخاصة بالخطوة 7، هل هذا المحول رافع أم خافض؟ ما دليلك على ذلك؟

الاستنتاج والتطبيق

• استنتج: كيف تفسر ملاحظاتك على المصباح في الخطوة 4؟

• استنتج: كيف تفسر الظاهرة التي لاحظتها على التوصيل السالب للملف الابتدائي في الخطوة 3؟

• استنتج: كيف تفسر ملاحظاتك حول جهدي الملفين الابتدائي والثانوي عند سحب القلب الحديدي في الخطوة 8؟

• فسر درجة حرارة القلب الحديدي التي لاحظتها في الخطوة 9.

التوسع في البحث

لماذا يعمل المحول بتيار متناوب فقط، ولا يعمل بتيار مستمر؟

الفيزياء في الحياة

ناقش استخدام المحولات في المساعدة على نقل الكهرباء من محطات توليد الكهرباء إلى منزلك.

كيف يعمل؟

قارئ بطاقات الائتمان

How a Credit-Card Reader Works?

أحدثت بطاقات الائتمان ثورة اقتصادية في العالم عن طريق جعل عملية تحويل النقود سريعة وسهلة. يعد قارئ بطاقات الائتمان، الذي يأخذ البيانات من شريط مغناطيسي موجود على ظهر البطاقة، من أهم الروابط في العملية الإلكترونية لتحويل النقود.

توضيح عمل قارئ البطاقة

• المغناطيس الدائم الذي يلامس شريطًا بلاستيكيًا مطليًا بأكسيد الحديد يجعل المنطقة ممغنطة.

• يمكن أن يدار المغناطيس لإنتاج مناطق ذات قطبية معكوسة، وتمثل هذه المناطق الترقيم الثنائي المتمثل في (1) و (0)، والمعلومات المشفرة مثل اسم حامل البطاقة ورقم البطاقة.

• يحتوي قارئ البطاقة على رأس التقاط، وهو عبارة عن سلك صغير جدًا ملفوف على حلقة حديدية ذات فتحة.

• عند إمرار البطاقة عبر القارئ بسرعة، يسحب الشريط الممغنط خلال فتحة رأس الالتقاط، مولدًا جهدًا متغيرًا خلال الملف.

• تترجم الشفرة الثنائية الموجودة على الشريط إلى فولتية في صورة موجة، وتخزن صورة الموجة الناتجة في ذاكرة الحاسوب، ثم ترسل إلى مكتب التحقق في البنك.

تسميات الشكل

• الجهة الخلفية للبطاقة.
• قارئ البطاقة.
• رموز البطاقة.
• (0)
• (1)
• (+V)
• (-V)

التفكير الناقد

• لاحظ: لماذا تتحول الأرقام الثنائية في الخطوة 5 من الشريط المغناطيسي إلى جهد في صورة موجة؟

• حلل: ماذا يحدث إذا لم يكن لحلقة الحديد الصغيرة فتحة؟