الدرس: 2-11 التيارات الدوّامة

مالمقصود بالتيارات الدوامة؟ وماسبب نشوءها؟

التيارات الدوامة:: هي تيارات محتثة تتخذ مسارات دائرية مقفلة ومتمركزة تقع في مستوي كل صفيحة وبمستويات عمودية على الفيض المغناطيسي ${\mathrm{\Phi }}_B$ المسبب لها.

سبب نشوءها: نتيجة الحركة النسبية بين الصفيحة المعدنية والفيض المغناطيسي تتولد تيارات دوامة في سطح الصفيحة على وفق قانون فارادي في الحث الكهرومغناطيسي.

ماهي مضار التيارت الدوامة؟ وكيف يمكن تقليلها

من مضار التيارات الدوامة انها تتسبب في فقدان طاقة بشكل حرارة في الأجهزة أو في قلب الحديد للملفات التي تتولد فيها على وفق قانون جول. ولغرض تقليل مقدار الطاقة المتبددة بشكل حرارة كما في المحولات مثلًا يصنع القلب بشكل صفائح من الحديد المطاوع، ترتب بموازاة الفيض المغناطيسي ΦB المتغير الذي يخترقها، وتكون هذه الصفائح معزولة عن

بعضها ومكبوسة كبسًا شديدًا، فتزداد بذلك المقاومة الكهربائية الى حد كبير داخل تلك الصفائح ويقل تبعًا لذلك مقدارالتيارات الدوامة.

ما سبب نشوء التيارات الدوامة في الموصلات؟ وما تاثير المجالات المغناطيسية التي تولدها ؟

لتوضيح ذلك لاحظ الشكل الذي يبين صفيحة من النحاس سحبت أفقيًا بين قطبي مغناطيس كهربائي كثافة فيضه B ونتيجة للحركة النسبية بين الصفيحة المعدنية والفيض المغناطيسي تتولد تيارات دوامة في سطح الصفيحة على وفق قانون فراداي في الحث الكهرومغناطيسي. ففي أثناء خروج الجزء الأيمن للصفيحة من المجال المغناطيسي، يتناقص الفيض

المغناطيسي خلالها، لذا يكون اتجاه التيارات الدوامة باتجاه دوران عقارب الساعة، لكي تولد فيضًا مغناطيسيًا محتثا كثافته ${\overrightarrow{B}}_{\text{ind }}$ يعاكس المسبب الذي ولد تلك التيارات على وفق قانون لنز. فيكون اتجاه الفيض المغناطيسي المحتث نحو الاسفل (لكي يعمل على تقوية المجال المغناطيسي

المؤثرالمتناقص أما جزء الصفيحة الايسر، فيكون اتجاه التيارات الدوامة فيه باتجاه معاكسًا لدوران عقارب الساعة للسبب نفسه. وبالنتيجة تظهر قوة مغناطيسية $\left({\overrightarrow{\mathrm{F}}}_{\mathrm{B}}\right)$ تتجه نحو اليساروتكون معاكسة للقوة الساحبة فهي قوة معرقلة لاتجاه الحركة اي تعاكس القوة الساحبة للساق $\cdot \left({\overrightarrow{\mathrm{F}}}_{\text{pull }}\right)$

اشرح نشاط يوضح كيفية تقليل تأثير التيارات الدوامة المتولدة في الموصلات؟ وماذا تستنتج من هذا النشاط؟

أدوات النشاط:

بندولان متماثلان كل منهما بشكل صفيحة مصنوعة من مادة موصلة ضعيفة التمغنط (ليست فيرومغناطيسية من الألمنيوم مثلًا) مثبتة بطرف ساق خفيفة من المادة نفسها. إحدى الصفيحتين مقطعة بشكل شرائح معزولة

عن بعضها مثل أسنان المشط والأخرى كاملة (غير مقطعة). مغناطيس دائم قوي (كثافة فيضه عالية)، حامل.

خطوات النشاط:

نزيح الصفيحتين بإزاحة متساوية إلى أحد جانبي موقع استقرارهما. نترك الصفيحتين في ان واحد لتهتز كل منهما بحرية بين قطبي المغناطيس. ماذا تتوقع؟ أيهتز البندولان بالسعة نفسها؟ أم يختلفان؟ وماسبب ذلك؟ الجواب عن ذلك يتوضح من مشاهدتنا للبندولين: إذ نجد أن البندول الذي يتألف من الصفيحة الكاملة (غير المقطعة) يتوقف عن الحركة في اثناء مروره

خلال الفجوة بين القطبين المغناطيسيين، في حين الصفيحة المقطعة بشكل أسنان المشط تمر بين القطبين المغناطيسيين وتعبر إلى الجانب الآخر وتستمر بالاهتزاز على جانبي منطقة المجال المغناطيسي ذهابًا وايابًا ولكن بتباطؤ قليل. لاحظ الشكل.

نستنتج من النشاط:

تتولد تيارات دوامة كبيرة المقدار في الصفيحة غير المقطعة في أثناء دخولها المجال المغناطيسي بين القطبين فتكون باتجاه معين، نتيجة حصول تزايداً في الفيض المغناطيسي الذي يخترقها لوحدة الزمن $\left(\frac{{\mathrm{\Delta \Phi }}_{\mathrm{B}}}{\mathrm{\Delta }t}\right)$ (على وفق قانون فراداي)، وتكون باتجاه معاكس في اثناء خروجها من المجال، نتيجة حصول تناقصًا في الفيض المغناطيسي $\left(\frac{{\mathrm{\Delta \Phi }}_{\mathrm{B}}}{\mathrm{\Delta }t}\right)$ فتتولد

في الحالتين قوة مغناطيسية ${\overrightarrow{\mathrm{F}}}_{\mathrm{B}}$ تعرقل حركة الصفيحة (على وفق قانون لنز) وبالنتيجة تتلاشى سعة اهتزاز الصفيحة وتتوقف عن الاهتزاز، لاحظ الشكل. في حين ان التيارات الدوامة المتولدة في الصفيحة المقطعة بشكل شرائح تكون صغيرة المقدار جدًا فيكون ت أثيرها في اهتزاز الصفيحة ضعيفًا جدًا.

اذكر بعض المجالات التي تستثمر فيها التيارات الدوامة؟

1. تستثمر التيارات الدوامة في مكابح بعض القطارات الحديثة.

2. تستثمر التيارات الدوامة في كاشفات المعادن المستعملة حديثًا في نقاط التفتيش الامنية وخاصة في المطارات.

اذكر بعض المجالات التي تستثمر فيها التيارات الدوامة؟ ووضح كل منها؟

1. تستثمر التيارات الدوامة في مكابح بعض القطارات الحديثة إذ توضع ملفات سلكية (كل منها يعمل كمغناطيس كهربائي) مقابل قضبان السكة، ففي الحركة الاعتيادية لا ينساب تيار كهربائي في تلك الملفات، ولايقاف القطار عن الحركة تغلق الدائرة الكهربائية لتلك الملفات فينساب تيار كهربائي في تلك الملفات وهذا التيار يولد مجالًا مغناطيسيًا قويًا يمر خلال

قضبان الحديد للسكة، ونتيجة للحركة النسبية بين المجال المغناطيسي والقضبان تتولد تيارات دوامة فيها. وعلى وفق قانون لنز تولد هذه التيارات مجالًا مغناطيسيًا يعرقل تلك الحركة وهو السبب الذي ولدها. فيتوقف القطار عن الحركة.

2. تستثمر التيارات الدوامة في كاشفات المعادن المستعملة حديثًا في نقاط التفتيش الامنية وخاصة في المطارات. يعتمد عمل كاشفات المعادن على ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي والتي تسمى غالبًا الحث النبضي يحتوي جهاز كاشف المعادن على ملفين سلكيين أحدهما يستعمل كمرسل والاخر مستقبل، يسلط فرق جهد متناوب على طرفي ملف الارسال فينساب في

الملف تيار متناوب والذي بدوره يولد فيضًا مغناطيسيًا فعند مرور اي جسم معدني بين المسقبل والمرسل سوف تتولد تيارات دوامة في الجسم المعدني تعمل على عرقلة التغير الحاصل في الفيض المغناطيسي المتولد في ملف الاستقبال وهذا يتسبب في تقليل التيار الابتدائي المقاس بالمستقبل في حال وجود الهواء بين الملفين، وبهذه الطريقة يمكن الكشف عن وجود

القطع المعدنية.

علام يعتمد عمل كاشفات المعدن؟

على ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي والتي تسمى الحث النبضي.

فكر؟ ما مصير طاقة اهتزاز الصفيحة الكاملة (غير المقطعة) داخل مجال مغناطيسي بعد توقفها عن الاهتزاز؟

تتحول طاقة اهتزاز الصفيحة الى طاقة حرارية في الصفيحة بسبب التيارات الدوامة المتولدة فيها (وفقًا لقانون جول) والتي تكون كبيرة المقدار.

كيف تعمل التيارات الدوامية على كبح اهتزاز الصفيحة المعدنية المهتزة عموديًا في مجال مغناطيسي منتظم؟

بسبب تولد التيارات المحتثة الدامية التي تعمل على على توليد مجال مغناطيسي محتث $\left({\overrightarrow{\mathrm{B}}}_{\text{ind }}\right)$ معاكس لاتجاه المجال المغناطيسي المؤثر $\text{ (B) }$ ونتيجة لذلك تتولد قوة تنافر مغناطيسية معرقلة لاتجاه حركة الصفيحة داخل المجال المغناطيسي فتعمل على كبح اهتزازها.

في معظم الملفات يصنع القلب بشكل سيقان متوازية من الحديد المطاوع معزولة عن بعضها البعض عزلًا كهربائيًا ومكبوسة كبسًا شديدًا، بدل من قلب الحديد المصنوع من قطعة واحدة مالفائدة العملية من ذلك؟

لتقليل تأثير التيارت الدوامة فتقل خسارة القدرة الناتجة عنها بذلك تقل الطاقة الحرارة الناتجة عنها وهذا يزيد من كفاءة المحولة ولا يؤدي الى تلفها..