الحث الذاتي

الحث الذاتي (Self Induction)

🧲 مقدمة:

يُعد الحث الذاتي من الظواهر الفيزيائية المهمة في علم الكهرباء والمغناطيسية، وهو من المواضيع الأساسية في مادة الفيزياء للصف السادس الإعدادي. يدخل في تركيب الكثير من الأجهزة الكهربائية مثل المحولات، الملفات، والمحركات. لفهم الحث الذاتي، يجب أولًا معرفة العلاقة بين التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي، حيث إن أي تغير في التيار ينتج عنه تغير في المجال المغناطيسي، والعكس.

✅ تعريف الحث الذاتي:

الحث الذاتي هو ظاهرة تولّد قوة دافعة كهربائية مستحثة في نفس الدائرة الكهربائية نتيجة لتغيّر التيار المار فيها.

بمعنى آخر، عندما يمر تيار كهربائي في ملف، فإنه يُنتج مجالًا مغناطيسيًا حوله. وإذا تغيّر هذا التيار، فإن المجال المغناطيسي سيتغير أيضًا، ما يؤدي إلى توليد قوة دافعة كهربائية في الملف نفسه، هذه القوة تعاكس التغير في التيار، وفقًا لقانون لنز.

🔄 فكرة عمل الحث الذاتي:

تخيل ملفًا من الأسلاك (مثل ملف نحاسي) يمر فيه تيار كهربائي. كلما زاد أو نقص التيار، يتغير المجال المغناطيسي حول الملف. هذا التغير يؤدي إلى توليد تدفق مغناطيسي متغير، ونتيجة لهذا التغير، تتولد قوة دافعة كهربائية مستحثة داخل نفس الملف، تُقاوم التغير في التيار.

هذا التأثير يُعرف باسم الحث الذاتي، ويُعبّر عنه رياضيًا بقانون فاراداي مع إضافة معامل الحث الذاتي.

🧮 القانون الرياضي للحث الذاتي:

$$\varepsilon_L = -L \frac{dI}{dt}$$

حيث:

• $\varepsilon_L$: القوة الدافعة الكهربائية المستحثة (بوحدة الفولت).
• $L$: معامل الحث الذاتي (بوحدة هنري H).
• $\frac{dI}{dt}$: معدل تغير التيار الكهربائي مع الزمن.
• الإشارة السالبة تبين أن التيار المستحث يعاكس التغير في التيار الأصلي (قانون لنز).

📐 معامل الحث الذاتي (L):

هو ثابت فيزيائي يُمثل مدى مقاومة الملف لتغيّر التيار فيه. ويعتمد على:

1. عدد لفات الملف (N).
2. طول الملف ومساحة مقطعه العرضي.
3. نوع المادة داخل الملف (مثل الهواء أو الحديد).
4. شكل الملف وتركيبه الهندسي.

وحدة القياس:

$$L \text{ بوحدة هنري (H)} = \frac{\text{فولت}}{\text{أمبير/ثانية}} = \text{Ω·s}$$

القيمة العملية:

إذا تغيّر التيار بمعدل 1 أمبير لكل ثانية وأنتج قوة دافعة مستحثة مقدارها 1 فولت، فإن قيمة الحث الذاتي تساوي 1 هنري.

✅ اشتقاق قانون الحث الذاتي من قانون فاراداي:

من قانون فاراداي:

$$\varepsilon = -N \frac{d\Phi}{dt}$$

لكن في حالة الحث الذاتي، يكون التدفق المغناطيسي:

$$\Phi = L \cdot I \Rightarrow \frac{d\Phi}{dt} = L \cdot \frac{dI}{dt}$$

إذن:

$$\varepsilon = -L \cdot \frac{dI}{dt}$$

🧠 أمثلة على الحث الذاتي:

1. عند غلق أو فتح دائرة كهربائية تحتوي على ملف:
   • يتولد تيار لحظي مستحث يعاكس التغير.
   • في البداية يعارض زيادة التيار، وعند الانخفاض يعارض النقص.
2. في المحركات الكهربائية:
   • عند بدء التشغيل، يظهر تيار معاكس بسبب الحث الذاتي.
   • يقل هذا التأثير تدريجيًا مع استقرار التيار.

🔌 تطبيقات الحث الذاتي:

1. المحاثات (Inductors):

• تُستخدم في الدوائر الكهربائية لتنظيم التيار.
• تمنع تغير التيار المفاجئ وتحمي الأجهزة من التلف.

2. المحولات الكهربائية:

• تعتمد على الحث المتبادل، لكن الحث الذاتي موجود في كل ملف منها.
• يُستخدم في رفع أو خفض الجهد الكهربائي.

3. أنظمة الإشعال في السيارات:

• تعتمد على الحث الذاتي في إنتاج شرارة كهربائية قوية لإشعال الوقود.

4. مكبح التيار المتردد (AC choke):

• يستخدم ملفات حثية لعزل الترددات العالية.

❗ قانون لنز في الحث الذاتي:

ينص على أن:

“التيار المستحث يكون دائمًا في اتجاه يعاكس التغير الذي سببه”.

بمعنى أن الحث الذاتي يقاوم أي زيادة أو نقصان مفاجئ في التيار المار في الملف. هذه المقاومة ليست ناتجة عن مقاومة أومية، بل عن خاصية فيزيائية للملف نفسه.

💡 الفروقات بين الحث الذاتي والمقاومة:

🔍 أسئلة وزارية شائعة على الحث الذاتي:

1. علل: يتولد تيار مستحث في الملف عند فتح الدائرة؟
   ➤ لأن التيار يتغير فجأة مما يولد قوة دافعة مستحثة (بسبب الحث الذاتي).
2. ما وحدة قياس الحث الذاتي؟
   ➤ هنري (H).
3. ما العلاقة بين القوة الدافعة المستحثة وتغير التيار؟
   ➤ علاقة طردية، كلما زاد التغير في التيار زادت القوة المستحثة.

✍️ خاتمة:

ظاهرة الحث الذاتي من الظواهر الأساسية التي تُظهر التفاعل بين الكهرباء والمغناطيسية، وتشكل حجر أساس في فهم عمل كثير من الأجهزة الإلكترونية والكهربائية. فبدون الحث الذاتي لن تكون هناك محركات، ولا محولات، ولا نظم تحكم دقيقة في التيار. ودراستها تُعزز فهم الطالب لسلوك التيار في الدوائر الكهربية الديناميكية، وكيفية توليد الطاقة والتحكم بها.

🔬 س: اشرح تجربة توضح فيها تولّد القوة الدافعة الكهربائية المستحثة الذاتية في الملف؟

✅ الأدوات:

1. بطارية مقدارها (9V)
2. مفتاح كهربائي
3. ملف (مكون من أسلاك معزولة على قلب حديدي)
4. مصباح نيون (جهده 80V)
5. أسلاك توصيل

✅ الترتيب العملي للتوصيل:

1. نربط البطارية مع الملف (دائرة تيار مستمر)، بحيث يُربط المصباح النيون على التوازي مع الملف.
2. نغلق المفتاح ← لا يُلاحظ توهج المصباح.
3. عند فتح المفتاح نلاحظ توهج المصباح للحظة قصيرة جدًا.

✅ التفسير العلمي (التحليل):

• عند غلق المفتاح:
  يبدأ التيار بالمرور تدريجيًا في الملف، لكن بسبب ظاهرة الحث الذاتي، يظهر تيار مستحث يعاكس التغير في التيار، فيتولد جهد ذاتي معاكس يمنع أي تغير مفاجئ في التيار، لذا لا يتوهج المصباح.
• عند فتح المفتاح:
  يحدث انخفاض مفاجئ في التيار في الملف، وبالتالي تغير سريع جدًا في التدفق المغناطيسي، فيتولد جهد مستحث لحظي كبير (جهد انهياري) عبر طرفي الملف، فيشغل مصباح النيون للحظة قصيرة جدًا قبل أن ينطفئ.

✅ الملاحظات المهمة:

1. المصباح النيون لا يتوهج عند غلق المفتاح لأن التيار يتغير تدريجيًا بفعل الحث الذاتي.
2. عند فتح المفتاح، يتولد فرق جهد كبير لحظي نتيجة انهيار التدفق المغناطيسي، مما يُضيء المصباح.
3. التيار المستحث يعاكس التغير في التيار الأصلي (طبقًا لقانون لنز).

✅ الرسم البياني (أسفل الصورة):

• يمثل العلاقة بين الزمن وجهد الحث الذاتي (𝐸ind)، والتيار (𝐼ind)، وجهد البطارية.
• عند لحظة الغلق:
  • يظهر تيار معاكس لحظي (𝐼ind) وجهد مستحث 𝐸ind يعاكس 𝐸app.
• بعد فترة التثبيت:
  • يستقر التيار ولا يوجد تأثير للحث.
• عند الفتح:
  • ينهار التيار فجأة → تولّد جهد كبير مستحث (𝐸ind) يجعل المصباح يضيء لحظيًا.

✅ الاستنتاج:

الحث الذاتي ظاهرة تؤدي إلى توليد قوة دافعة كهربائية مستحثة في نفس الدائرة عند تغير التيار، وتُستخدم هذه الظاهرة في الحماية من التغيرات المفاجئة في التيار وفي تشغيل الأجهزة الحساسة مثل مصابيح النيون.