درس الدارة المغناطيسية للسنة الثانية ثانوي هندسة كهربائية

درس الدارة المغناطيسية: تطبيق على المرحل الحقل المغناطيسي

المـــادة	الهندسة الكهربائية
المستوى	السنة الثانية ثانوي
الشعبة	تقني رياضي
نوع الملف	doc
صاحب الملف
تحميــــل	درس الدارة المغناطيسية: تطبيق على المرحل الحقل المغناطيسي

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 .

تعديل المقال