المحوّل والتيار المستمر

المناهج: GCSE, Sek I/II

فتح المختبر الكامل ↗

الهدف

التحقق مما إذا كان المحوّل يعمل على التيار المستمر، وملاحظة أن الجهد في الملف الثانوي لا يظهر إلا حين يتغير التيار في الملف الابتدائي.

التجهيز

مصدر جهد مستمر 6 V موصول عبر مفتاح وأميتر بالملف الابتدائي للمحوّل (2000 لفة، المقاومة 40 Ω). ومصباح 3.5 V / 0.5 W وفولتميتر للجهد المستمر موصولان بالملف الثانوي (1400 لفة). المفتاح مفتوح.

خطوات العمل

1. أغلق المفتاح. راقب المصباح والأميتر.
2. انتظر بضع ثوانٍ. سجّل قراءتي الأميتر والفولتميتر.
3. افتح المفتاح. راقب المصباح.
4. كرّر التجربة بسرعة محاكاة أقل لترى الومضات بوضوح أكبر.

النتيجة المتوقعة

عند إغلاق المفتاح يرتفع التيار في الملف الابتدائي تدريجيًا، خلال جزء من الثانية، ويستقر عند نحو 0.15 A: إذ تحدّه مقاومة الملف. يتغير التدفق ببطء، والجهد المستحث صغير، والمصباح بالكاد يضيء: يحمرّ الفتيل احمرارًا خفيفًا لا يُلاحظ إلا في الظلام. وما دام التيار ثابتًا يقرأ الفولتميتر على الملف الثانوي 0 ويكون المصباح منطفئًا. عند فتح المفتاح ينقطع التيار فجأة ويومض المصباح بشدة، بضعف سطوعه عند قيمه الاسمية، ثم ينطفئ في غضون ربع ثانية: يبلغ التيار المستحث نحو 0.2 A، أي 1.4 ضعف تياره المقنن. لا يُستحث الجهد في الملف الثانوي إلا بتدفق مغناطيسي متغير، ولذلك لا يعمل المحوّل على التيار المستمر.

تحديد التيار في الملف الابتدائي ليس مصادفة. فقلب المحوّل الحقيقي قد يتشبع بالتيار المستمر، كما أن تيارًا قويًا عند الفتح كان سينتقل إلى الدائرة الثانوية بنسبة عدد اللفات نفسها، فيحرق المصباح.

الأسئلة

1. لماذا يومض المصباح عند فتح المفتاح أشد مما يومض عند إغلاقه؟
2. لماذا لا يرتفع التيار في الملف الابتدائي فورًا بعد الإغلاق؟
3. لماذا لا تُستخدم المحوّلات إلا في دوائر التيار المتردد؟

الإجابات

1. عند إغلاق المفتاح يزداد التيار والتدفق المغناطيسي تدريجيًا، والتغير البطيء للتدفق لا يستحث إلا جهدًا صغيرًا. وعند فتحه يتوقف التيار الابتدائي البالغ 0.15 A في الحال تقريبًا، وتنتقل الطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي للقلب إلى الدائرة الثانوية: يُبقي التدفق تيارًا مقداره نحو 0.15 A · 2000 / 1400 ≈ 0.2 A مارًّا في المصباح، أي 1.4 ضعف تياره المقنن.
2. للملف 2000 لفة على قلب فولاذي، ولذلك له حث كبير. يُنشئ التيار المتزايد تدفقًا مغناطيسيًا متزايدًا، ويستحث هذا التدفق في الملف جهدًا يعاكس تزايد التيار (الحث الذاتي)، فيقترب التيار من 6 V / 40 Ω ≈ 0.15 A تدريجيًا.
3. لا ينقل المحوّل الطاقة إلا عبر تدفق مغناطيسي متغير؛ والتيار المستمر يُنشئ تدفقًا ثابتًا، فلا يعطي الملف الثانوي أي جهد. كما أن التيار الابتدائي على التيار المستمر لا تحده إلا مقاومة الملف: فمع الملف الابتدائي الافتراضي ذي 500 لفة (2.5 Ω) سيدفع المصدر 6 V فيه نحو 1.9 A، وسيسخن الملف الحقيقي أكثر من اللازم.