انتقل إلى المحتوى

المحوّل تحت الحمل

المناهج: GCSE, Sek I/II

فتح المختبر الكامل ↗

الهدف

مقارنة التيارات والقدرات في الدائرتين الابتدائية والثانوية للمحوّل وتقدير كفاءته.

التجهيز

مصدر جهد متردد (موجة جيبية، السعة 12 V، القيمة الفعالة 8.5 V)، 50 Hz، موصول عبر أميتر بالملف الابتدائي للمحوّل (500 لفة). وفي الدائرة الثانوية (250 لفة) أميتر ومصباح 3.5 V / 1 W. الفولتميتران فوق المحوّل يُظهران الجهد على الملف الابتدائي وعلى الملف الثانوي؛ وجميع أجهزة القياس في وضع AC. الواتميتر فوق أميتر الدائرة الابتدائية يُظهر القدرة التي يستهلكها الملف الابتدائي.

خطوات العمل

  1. سجّل قراءات أجهزة القياس الأربعة: \(U_1\)، \(I_1\)، \(U_2\)، \(I_2\).
  2. احسب النسبة \(U_2 / U_1\) والنسبة \(I_1 / I_2\) وقارنهما بنسبة اللفات \(N_2 / N_1\).
  3. سجّل قدرة الدائرة الابتدائية \(P_1\) من الواتميتر، واحسب القدرة في الدائرة الثانوية \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) (المصباح حمل مقاومي). أوجد الكفاءة \(\eta = P_2 / P_1\). قارن \(P_1\) بحاصل الضرب \(U_1 \cdot I_1\).
  4. اضبط لفات الملف الثانوي على 150. كيف تغيّر سطوع المصباح والتيار \(I_1\)؟
النتيجة المتوقعة

القراءات نحو \(U_1\) = 8.38 V، \(I_1\) = 146 mA، \(U_2\) = 3.55 V، \(I_2\) = 286 mA، \(P_1\) = 1.12 W. التيار في الدائرة الابتدائية أصغر من التيار في الثانوية بالنسبة نفسها تقريبًا التي يكون بها الجهد على الملف الابتدائي أكبر: \(I_1 / I_2\) ≈ 0.51 ≈ \(N_2 / N_1\). القدرة في الدائرة الثانوية نحو 1.01 W والكفاءة نحو 90%؛ والفقد هو تسخين الملفات. حاصل الضرب \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1.23 V·A أكبر من \(P_1\): هذه هي القدرة الظاهرية، وجزء من التيار الابتدائي هو تيار المغنطة، الذي لا يستهلك طاقة بل يضخها ذهابًا وإيابًا فقط. تحت الحمل \(U_2 / U_1\) = 0.42، أي أقل بوضوح مما هي بلا حمل: جزء من الجهد يضيع في مقاومة الملفات وبسبب تسرب التدفق المغناطيسي. ومع لفات أقل على الملف الثانوي يضيء المصباح بخفوت أكبر، ويقل تيار الدائرة الابتدائية أيضًا.

الأسئلة

  1. لماذا يكون تيار الملف الابتدائي أصغر إذا كان المحوّل خافضًا؟
  2. من أين تأتي القدرة التي يستهلكها المصباح؟
  3. لماذا تكون كفاءة المحوّل أقل من 100%؟
الإجابات
  1. ينقل المحوّل الطاقة من الدائرة الابتدائية إلى الثانوية بفقد قليل، لذلك تكون القدرة في الدائرتين متساوية تقريبًا. وعند تساوي القدرة يمر التيار الأصغر في الجانب ذي الجهد الأعلى: 146 mA في الابتدائية مقابل 286 mA في الثانوية، أي نسبة نحو 0.51، قريبة من \(N_2 / N_1\) = 0.5.
  2. من المصدر المتردد. يولّد التيار الابتدائي تدفقًا مغناطيسيًا مترددًا في القلب، وهذا التدفق يحث الجهد الذي يدفع التيار عبر المصباح، فتنتقل الطاقة إلى الثانوية عبر المجال المغناطيسي. ومن 1.12 W التي يأخذها الملف الابتدائي من المصدر، يتلقى المصباح نحو 1.01 W.
  3. جزء من الطاقة يسخّن الملفات. يعطيها المحاكي مقاومة 2.5 Ω (500 لفة) و0.625 Ω (250 لفة)؛ ويعطي \(I^2 \cdot R\) نحو 0.05 W في كل منهما، وهذا يفسر فرق 0.11 W بين \(P_1\) و\(P_2\). أما المحوّل الحقيقي فيفقد الطاقة أيضًا في قلبه الفولاذي بسبب التيارات الدوامية والتخلف المغناطيسي؛ وقلب المحاكي خالٍ من هذا الفقد.