الحث المتبادل - Mutual Inductance

أنواع الحث – Types of Inductions:

هناك نوعان من عمليات الحث:

1- الحث المتبادل (Mutual Inductance).

2- الحث الذاتي (Self-induction).

تعريف الحث المتبادل:

يتم تعريف الحث المتبادل بين الملفين على أنّه خاصية الملف الذي يعارض بسببه تغيير التيار في الملف الآخر، أو يمكنك القول في الملف المجاور. عندما يتغير التيار في الملف المجاور، يتم إنشاء التدفق في الملف وبسبب هذا، يتم إحداث تغيير تدفق (emf) في الملف المسمّى (emf) المستحث بشكل متبادل وتعرف هذه الظاهرة باسم “الحث المتبادل”. لتحديد الحث المتبادل بين الملفين، يتم استخدام التعبير التالي:

عندما يتم إحضار ملفين ووضعهما بالقرب من بعضهما البعض، فإنّ المجال المغناطيسي في أحد الملفات يميل إلى الارتباط بالآخر. هذا يؤدي كذلك إلى توليد الجهد في الملف الثاني. هذه الخاصية للملف التي تؤثر أو تغير التيار والجهد في ملف ثانوي تسمّى “الحث المتبادل”. ينتج عن تغيير (I1) تدفق مغناطيسي متغير في الملف (2). في الملف الأول يكون لدينا (N1) من المنعطفات، عندما يمر تيار (I1) من خلاله، يتم إنتاج المجال المغناطيسي (B). نظراً لأنّ الملفين أقرب إلى بعضهما البعض، فإنّ عدداً قليلاً من خطوط المجال المغناطيسي ستمر أيضاً عبر الملف (2).

شرح الحث المتبادل رياضيا:

دعونا نفهم ظاهرة “الحث المتبادل” من خلال النظر في هذا المثال:

تمّ وضع ملفين هما الملف (A) والملف (B) بالقرب من بعضهما البعض. عندما يكون المفتاح (S) مغلقاً، ويتدفق التيار في الملف، فإنّه يقوم بإعداد التدفق (φ) في الملف (A) ويتم إحداث (emf) في الملف وإذا تم تغيير قيمة التيار بتغيير قيمة المقاومة (R)، يتغير التدفق المرتبط بالملف (B) أيضاً بسبب هذا التيار المتغير. وبالتالي فإنّ ظاهرة ربط تدفق الملف (A) بالملف الآخر (B) تسمى “الحث المتبادل”. لتحديد الحث المتبادل بين الملفين، يتم استخدام التعبير التالي:

e_m = M (dI₁ / dt)

or

M = e_m / (dI₁ / dt) ……. (1) 

يستخدم هذا التعبير عندما يكون حجم (emf) المستحث بشكل متبادل في الملف ومعدل تغير التيار في الملف المجاور معروفاً. إذا كانت (e_m = 1 volt) وكانت (dI₁/dt = 1 ampere) عندئذٍ نضع هذه القيمة في المعادلة (1) نحصل على قيمة الحث المتبادل كـ (M=1 Henry).

ومن ثم، يمكنك تعريف الحث المتبادل على أنّه “يقال إنّ الملفين لهما محاثة متبادلة من هنري واحد (one Henry) إذا تم إحداث (emf) من (1) فولت (1 volt) في ملف واحد أو ملف أولي عندما يتدفق التيار عبر الآخر المجاور للملف أو الملف الثانوي يتغير بمعدل 1 أمبير / ثانية (1 ampere / second)”. يمكن أيضاً التعبير عن الحث المتبادل بطريقة أخرى كما هو موضح في المعادلات أدناه:

e_m = M (dI₁ / dt) = d / dt (MI₁) …….(2) also

e_m = N₂ (dΦ₁₂ / dt) = d / dt (N₂ Φ₁₂)……(3) 

وعند ضم المعادلة (2) و (3) مع بعضهما البعض:

MI₁ = N₂ Φ₁₂   or   M = (N₂ Φ₁₂ / I₁) Henry  

يتم استخدام التعبير أعلاه عندما يعرف ارتباط التدفق (N₂φ₁₂) لملف واحد بسبب التيار (I₁) المتدفق عبر الملف الآخر.

العوامل التي تعتمد عليها قيمة الحث المتبادل:

قيمة الحث المتبادل (M) تعتمد على العوامل التالية:

• عدد الدورات في الملف الثانوي أو المجاور.

• مساحة المقطع العرضي.

• قرب الملفين من بعضهما البعض.

التمثيل العملي للحث المتبادل:

إذا قمنا بلف سلك نحاسي معزول حول أحد طرفي نواة حديدية ناعمة وكانت نهايات الملف موصولة ببطارية من خلال مفتاح وسلك نحاسي معزول آخر ملفوف حول الطرف الآخر من قلب الحديد، وربط أطراف هذا الملف بجلفانومتر. من بين هؤلاء، تسمى الدائرة المتصلة بالبطارية الدائرة الأوليّة وتسمى الدائرة المتصلة بالجلفانومتر بالدائرة الثانوية. لاحظ الانحرافات في الجلفانومتر عند تشغيل الدائرة الأولية أو إيقاف تشغيلها، هذا بسبب إنتاج (emf) في المرحلة الثانوية.

عندما يكون هناك ملفان قريبان، فإنّ تغير التيار في أحدهما ينتج عنه تغيير في التدفق المغناطيسي حوله. يقع الملف الثاني في هذه المنطقة ذات التدفق المغناطيسي المتغير. لذلك عن طريق الحث الكهرومغناطيسي يتم إحداث (emf) في الملف الثانوي. هذه الظاهرة تسمى “الحث المتبادل”.

الاقتران المتبادل في الدائرة المغناطيسية – Mutual Coupling In the Magnetic Circuit:

عندما يتم لف ملفين أو أكثر على قلب مغناطيسي، يُقال أنّ الملفات مرتبطة ببعضها البعض. عند تمرير التيار في أي ملف ملفوف حول النواة المغناطيسية، ينتج تدفقاً يربط جميع الملفات معاً وأيضاً الذي يمر فيه التيار. ومن ثم، سيكون هناك كل من (emf) مستحث ذاتياً و(emf) مستحثاً متبادلاً في كل ملف من الملفات. أفضل مثال على الحث المتبادل هو المحول، الذي يعمل وفقاً لمبدأ قانون “فاراداي” للحث الكهرومغناطيسي. ينص قانون “فاراداي” للحث الكهرومغناطيسي على أنّ “حجم الجهد يتناسب طردياً مع معدل تغير التدفق”.

تطبيقات الحث المتبادل:

الحث المتبادل هو مبدأ التشغيل الرئيسي للمولدات والمحركات والمحولات. أي جهاز كهربائي يحتوي على مكونات تميل إلى التفاعل مع مجال مغناطيسي آخر يتبع نفس المبدأ. يحدث التفاعل عادةً عن طريق الحث المتبادل حيث يولد التيار المتدفق في ملف واحد جهداً في ملف ثانوي. يتم اتباع مبدأ الحث المتبادل في مختلف الأجهزة الإلكترونية. بعض منها على النحو التالي:

• المحركات – Motors: لاحظ المحاثات (Lf وLa) في دائرة محرك التيار المستمر التي يتم تحريضها بشكل متبادل.

• المحول – Transformer: يعد ال (Transformer) أحد أكثر التطبيقات المعروفة لكل إنسان تقريباً. عندما يتدفق المزيد من التيار في المرحلة الثانوية للمحول لأنّه يوفر المزيد من الطاقة، يجب أن يتدفق المزيد من التيار في المرحلة الأولية وكذلك لأنّه يوفر الطاقة. هذا الاقتران بين الابتدائي والثانوي هو الأكثر ملاءمة من حيث الحث المتبادل. يظهر الحث المتبادل في معادلات الدائرة لكل من الدوائر الأوليّة والثانوية للمحول.

• مولدات الكهرباء – Generators: يظهر (EMG) المستحث في مولد عن طريق الحث الكهرومغناطيسي. يتم إعطاء اتجاه (emf) المستحث بواسطة قانون (Lenz). عندما يتفاعل مكون كهربائي (ملف) أو يتأثر بالمجال المغناطيسي في المكون المجاور، ينشأ “الحث المتبادل”. يحث التيار المتدفق في ملف واحد على قوة (emf) في الملف المجاور.

• يتم استخدامه في الغيتار الكهربائي.

• يتم استخدامه في الجرس الكهربائي.

• يتم استخدامه في أغراض التدفئة الكهربائية.