تعريف الحث الذاتي وأنواعة وأمثلة عليه

ما هو الحث

الحث هو تكون مجال مغناطيسي حول الموصل نفسه أو الملف يعتمد على معدل تغير المجال المغناطيسي فيه، وهذا التعريف يطبق فقط على الموصلات، ويمكن أيضا تسميته بعملية التحريض ويرمز له بالرمز L، ويقاس بوحدة الهنري وهي وحدة المحاثة.

يمكن تعريف وحدة المحاثة بأنها القيمة اللازمة لإنتاج قوة دافعة كهربائية emf بمقدار 1 فولت داخل الموصل عند تغير التيار المار به بمعدل 1 أمبير في الثانية الواحدة.

الحث وفقًا لقانون فاراداي

قام العالم فاراداي بإقرار قانون للحث الكهرومغناطيسي، وينص هذا القانون على أن تتم إحداث الحث المغناطيسي في الدائرة الكهربائية عندما يتغير معامل التدفق المغناطيسي ويتغير قيمة القوة الدافعة الكهربائية emf. وقد تم تعريف واشتقاق مفهوم الحث باستخدام قانون فاراداي، ويتم تعريف الحث وفقا لقانون فاراداي على أنه القوة الدافعة الكهربائية التي تنتج من أجل مقاومة معدل التغير في التيار الكهربائي المار في الموصل خلال فترة زمنية محددة.

في حال زيادة قيمة التيار المار في الموصل، تقاوم القوة الدافعة الكهربائية المستحثة ذاتيًا التي تنتج في الملف هذا الارتفاع، ويشير ذلك إلى أنها تكون في اتجاه عكسي للجهد المطبق على الملف.

عندما ينخفض تيار الملف، فإن القوة الكهربائية المستحثة ستكون معاكسة لاتجاه تيار السقوط وفي نفس اتجاه الجهد المطبق على الملف.

وفقا لقانون لنز، يتم تأخير التغير في قيمة التيار المار في الملف بسبب الحث الذاتي الناتج. وعندما يعمل الملف بالتيار المتردد، يتولد هذا الحث لمقاومة التغير. ومع ذلك، فإنه لا يؤثر على التيار المستمر الذي يتدفق في الملف.

وفقًا لقانون فاراداي فإن القوة الدافعة الكهربية تساوي:

• Emf = -L (∆I / ∆t)
• تكون وحدة الحث في هذا القانون هي فولت.ثانية / أمبير
• هذه الوحدة تساوي الهنري ويرمز لها بالرمز H

العوامل المؤثرة في الحث

تتأثر الحث الناتج في الملف بعدة عوامل، منها ما يلي:

• يشير عدد لفات سلك الموصل المستخدمة لنقل التيار في الملف.
• المادة التي يتم منها صنع قلب الملف أو استخدامه.
• شكل قلب الملف.

أنواع الحث 

تم تقسيم الحث المغناطيسي إلى نوعين وهما:

• الحث الذاتي ويعرف بالإنجليزية (Self Induction).
• التأثير المتبادل وباللغة الإنجليزية (Mutual Induction)، ولكل منهما خصائصه وصفاته الفريدة.

مفهوم الحث الذاتي Self Induction

الحث هو توليد تيار كهربائي في الملف الذي يتعرض لتغيير في التيار الكهربائي الذي يمر به، وذلك لمقاومة هذا التغيير في التيار المار، وينشأ هذا الحث بفعل القوة الدافعة الكهربائية الذاتية التي تنتج في الملف نتيجةتغيير التيار الكهربائي الذي يمر به.

حيثُ أنّه في حالة حدوث أي تغير في معدل التيار المار بالموصل أو المجال المغناطيسي في الملف، ينتج عنه قوة دافعة كهربية مستحثة ومعاكسة لاتجاه التيار من أجل معارضة هذا التغيير، ويطلق على هذه الظاهرة اسم الحث الذاتي، ويتناسب التيار المار في الدائرة تناسب طردي مع التدفق المغناطيسي، وذلك وفقًا للعلاقة التالية:

ϕ= I ϕ = L I

والرمز L يعني معامل الحث الذاتي الناتج عن الملف أو معامل الحث الذاتي.

يعتمد الحث الذاتي على عدة عوامل، بما في ذلك النفاذية النسبية للمادة وعدد دورات الملف ومنطقة مقطعه العرضي، ويمكن التعبير عن معدل التغير في التدفق المغناطيسي داخل الملف بواسطة إحدى العلاقات الآتية:

• e = – dϕ / dt = – d(LI) / dt
• e = – L dI / dt
• ومعادلة الحث الذاتي أو معامل الحث الذاتي هي: L=N (ϕ / I)

ويدل كل رمز من الرموز المذكورة في العلاقات السابقة بما يأتي:

• قياس معامل الحث الذاتي في الملف بالوحدة Henry ويعبر عنه بالرمز L
• N هو عدد دورات الملف.
• Φ يدل على التدفق المغناطيسي للملف.
• I هو التيار المار في الدائرة ووحدته القياسية هي الأمبير.

أساسيات الحث الذاتي

عندما يمُر التيار الكهربائي في الملف، ينتج مجال مغناطيسي على طول الموصِّل ويستمر حتى يخرج منه ويرتبط بدائرةٍ أخرى، كما أنّ هذا المجال يتأثر بالدائرة التي ينشأ منها أيضاً.

ويكون المجال المغناطيسي على شكل حلقات لها مركز واحد من التدفقات المغناطيسية المحيطة بالسلك، وأكبر حلقة من الحلقات هي التي تنضم مع الحلقات الأخرى ويتيح ذلك الارتباط الذاتي في الملف. ويؤدي التغير في معدل التيار المار بالأسلاك يؤدي إلى إنتاج جهد في جميع الحلقات ويرجع ذلك إلى الحث الذاتي الموجود بالملف.

خصائص الحث الذاتي

يتميز الحث الذاتي بمجموعة من الخصائص، حيث يكون قيمته عالية عندما يكون التدفق المغناطيسي أقوى من قيمة التيار المار بالدائرة، وتعتمد قيمته على عدد دورات الملف والمادة المستخدمة في القالب، وذلك بتطبيق قانون لنز، وكلما زادت قيمة القوة الدافعة الكهربائية المستحثة، كان معدل تغير التيار أقل، ويساوي معامل الحث الذاتي Henry (Weber / Ampere) أيضا.

تكون قيمة الحث الذاتي في الملف اللولبي كبيرة بسبب وجود عدد كبير من اللفات، عندما يمر التيار في الملف ينشأ حث ذاتي حول كل لفة مما يزيد من القيمة الإجمالية للحث الذاتي.

الفرق بين الحث الذاتي والحث المتبادل

يختلف الحث الذاتي عن الحث المتبادل في العديد من الأشياء، ويمكن لمقارنة بينهما التوضيح على النحو التالي:

• الحث الذاتي

تُعدُّ هذه الخاصية واحدةً من خصائص الملف ذاته، فعندما ينخفض تيارُ التيار الرئيسي الذي يمر في الملف، يتولّدُ تيارٌ مستحثٌ لمقاومة هذا النقص الناشئ في الملف، وعندما يزداد تيارُ التيار الرئيسي الذي يمر في الملف، يتولّدُ تيارٌ مستحثٌ لمقاومة هذا الزيادة.

• الحث المتبادل

هو أحد سمات زوج من الملفات وليس ملف واحد فقط، وينشأ في الملف اللولبي أيضًا، عندما ينخفض التيار الرئيسي في الملف ينشأ تيار مستحث في الملف الذي يجاوره لتحليل التيار الذي تم تغييره، في حالة زيادة التيار الرئيسي في أحد الملفات ينشأ في الملف الآخر تيار مستحث ليعارض هذه الزيادة ويقوم بتحليله.

أمثلة على الحث الذاتي والحث المتبادل

المثال الأول

إذا كان لديك ملف لولبي يتكون من 500 لفة تم لفه على قالب حديدي، وكانت النفاذية النسبية للقالب تساوي 800، وطول الملف هو 40 سم، ونصف قطره 3 سم، وتم تغيير التيار من صفر إلى 3 أمبير لمدة 0.4 ثانية، فما هي المتوسطة للقوة الدافعة الكهربائية المستحثة نتيجة هذا التغيير

المعطيات

• بمعلومات معينة مثل عدد اللفات ال٥٠٠، النفاذية النسبية ٨٠٠، نصف القطر ٣ سم، طول الملف ٤٠ سم أو ٠.٤ م، وتغير التيار ٣-٠=٣ أمبير وتغير الزمن ٠.٤ ثانية.
• الحل:- نقوم بحساب معامل الحث الذاتي  باستخدام القانون التالي: L = μN2Al = μ0 μr N2 𝜋 r2 / l
• من خلال التعويض بالقيم المعطاة، يتم تحديد قيمة الحث الذاتي للملف عند 1.77 هنري.
• يمكن حساب متوسط القوة الدافعة الكهربائية المستحدثة باستخدام العلاقة التالية: ε = L di/dt
• وعند التعويض، قيمة هذه القوة ستكون 13.275 فولت