الصف الثالث الثانوي - فيزياء
الفصل الثاني: التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس
تركيب الجلفانومتر الحساس وتحويله لأميتر تيار مستمر
انقر على أي جملة للاستماع إليها مباشرة 👆
تُمثل أجهزة القياس الكهربية التناظرية التطبيق العملي الأكثر براعة لعزم الازدواج المغناطيسي، ويعتبر الجلفانومتر ذو الملف المتحرك (جلفانومتر دي أرسنفال) الجهاز المرجعي الأساسي الذي يُبنى عليه قياس شدة التيارات وفروق الجهد. يعتمد الجلفانومتر في فكرة عمله على عزم الازدواج المؤثر على ملف قابل للحركة معلق في مجال مغناطيسي منتظم ثابت، وقد تم التغلب على تغير عزم الازدواج بتصميم قطبي المغناطيس على شكل مقعرين ووضع أسطوانة من الحديد المطاوع داخل الملف، مما جعل خطوط الفيض على هيئة أنصاف أقطار فيكون عزم الازدواج المؤثر على الملف ثابتاً دائماً وقيمة عظمى أثناء الدوران ويكون تدريجه منتظماً. وعند الرغبة في قياس تيارات كهربية مستمرة كبيرة، يتم تحويل الجلفانومتر إلى أميتر عن طريق توصيل مقاومة صغيرة جداً على التوازي تُسمى مجزئ التيار.
1. تركيب ووظيفة الجلفانومتر الحساس
- قطبان مقعران لمغناطيس قوي: لجعل خطوط الفيض في الحيز الذي يدور فيه الملف على هيئة أنصاف أقطار، فيكون مستوى الملف دائماً موازياً لخطوط الفيض (θ = 90° ثنائياً) وتكون خطوط الفيض عمودية على الضلعين الطوليين، مما يجعل عزم الازدواج ثابتاً وقيمة عظمى وتدريجه منتظماً (θ ∝ I).
- أسطوانة من الحديد المطاوع: لتركيز وتكثيف خطوط الفيض المغناطيسي لكبر معامل نفاذيتها المغناطيسية.
- زوج من الملفات الزنبركية: تعمل كمدخل ومخرج للتيار، وتولد عزم لي مضاد لعزم الازدواج المغناطيسي يتزايد حتى يتساوى معه فيتوقف المؤشر عند قراءة معينة، كما تعمل على إعادة المؤشر للصفر عند انقطاع التيار.
- حوامل من العقيق: لارتكاز محور الدوران عليها لتقليل الاحتكاك إلى أدنى حد ممكن لزيادة الحساسية.
حساسية الجلفانومتر:
Sensitivity = θ / I (تقاس بـ deg/μA أو deg/mA).
2. تحويل الجلفانومتر إلى أميتر (مجزئ التيار Rs)
مجزئ التيار (Rs): مقاومة صغيرة جداً تُوصل على التوازي مع ملف الجلفانومتر.
وظائف مجزئ التيار الأساسية:
- حماية ملف الجلفانومتر من التلف والانصهار بسبب التيارات الكبيرة.
- زيادة مدى الجهاز لقياس تيارات كهربية أكبر (توسيع المدى).
- تقليل المقاومة الكلية للأميتر حتى لا يؤثر على تيار الدائرة عند توصيله على التوالي.
القانون الرياضي لمجزئ التيار:
بما أن التوصيل توازي: Vs = Vg
Rs = (Ig · Rg) / (I - Ig)
حساسية الأميتر: Ig / I = Rs / (Rs + Rg)
المسألة: جلفانومتر مقاومة ملفه 54 Ω وأقصى تيار يتحمله ملفه 10 mA. احسب قيمة مجزئ التيار اللازم لتعديله ليقيس تياراً أقصاه 1 A، وما المقاومة الكلية للأميتر؟
الحل:
Ig = 10 mA = 0.01 A، Rg = 54 Ω، I = 1 A.
Rs = (Ig · Rg) / (I - Ig) = (0.01 × 54) / (1 - 0.01) = 0.54 / 0.99 ≈ 0.545 Ω.
المقاومة الكلية للأميتر R_amm = (Rg · Rs) / (Rg + Rs) = (54 × 0.545) / (54 + 0.545) ≈ 0.54 Ω.
الحل:
Ig = 10 mA = 0.01 A، Rg = 54 Ω، I = 1 A.
Rs = (Ig · Rg) / (I - Ig) = (0.01 × 54) / (1 - 0.01) = 0.54 / 0.99 ≈ 0.545 Ω.
المقاومة الكلية للأميتر R_amm = (Rg · Rs) / (Rg + Rs) = (54 × 0.545) / (54 + 0.545) ≈ 0.54 Ω.
المسألة: ما قيمة مجزئ التيار بدلالة مقاومة الجلفانومتر Rg التي تُنقص حساسية الجلفانومتر إلى الخمس (1/5)؟
الحل:
Ig / I = 1 / 5 ⟹ I = 5 Ig.
Rs = (Ig · Rg) / (I - Ig) = (Ig · Rg) / (5 Ig - Ig) = Rg / 4.
إذن قيمة المجزئ تساوي ربع مقاومة الجلفانومتر Rs = Rg / 4.
الحل:
Ig / I = 1 / 5 ⟹ I = 5 Ig.
Rs = (Ig · Rg) / (I - Ig) = (Ig · Rg) / (5 Ig - Ig) = Rg / 4.
إذن قيمة المجزئ تساوي ربع مقاومة الجلفانومتر Rs = Rg / 4.
اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:
الجلفانومتر الحساس
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
جهاز كهربي يقيس شدة التيارات المستمرة الضعيفة جداً ويحدد اتجاهها
💡 إضاءة وتوضيح: يعتمد على عزم الازدواج المغناطيسي
مجزئ التيار
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
مقاومة صغيرة جداً توصل على التوازي مع ملف الجلفانومتر لزيادة مداه
💡 إضاءة وتوضيح: Rs = Ig·Rg / (I - Ig)
الأميتر التناظري
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
جهاز لقياس شدات التيار الكهربي الكبيرة في الدائرة ويوصل على التوالي
💡 إضاءة وتوضيح: مقاومته الكلية صغيرة جداً
عزم اللي الزنبركي
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
العزم الميكانيكي المانع المتولد في الملفين اللولبيين بفعل الالتواء
💡 إضاءة وتوضيح: يتزن مع عزم الازدواج المغناطيسي
القطبان المقعران
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
قطبا المغناطيس الدائم في الجلفانومتر المسؤولان عن جعل الفيض أنصاف أقطار
💡 إضاءة وتوضيح: يجعلان التدريج منتظماً
أنصاف الأقطار المغناطيسية
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
توزيع هندسي لخطوط الفيض بحيث يكون مستوى الملف موازياً دائماً للمجال
💡 إضاءة وتوضيح: ثبات عزم الازدواج عند أي موضع
حساسية الجهاز
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
زاوية انحراف مؤشر الجلفانومتر عن وضع الصفر عند مرور وحدة التيار
💡 إضاءة وتوضيح: تقاس بوحدة درجة/ميكروأمبير
صفر التدريج الأوسط
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
خاصية تدريج الجلفانومتر بحيث يقع الصفر في المنتصف تماماً
💡 إضاءة وتوضيح: لتحديد اتجاه انحراف التيار يميناً أو يساراً
مدى القياس
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
أقصى قيمة للكمية الفيزيائية الكهربية التي يستطيع الجهاز قياسها بدقة
💡 إضاءة وتوضيح: يتناسب عكسياً مع حساسية الجهاز
مقاومة الأميتر
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
المقاومة المكافئة لمقاومة الجلفانومتر ومقاومة المجزئ على التوازي
💡 إضاءة وتوضيح: تكون أقل من أصغر مقاومة فيهما
حوامل العقيق
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
مرتكزات حجرية صلبة وناعمة يرتكز عليها محور دوران الجلفانومتر
💡 إضاءة وتوضيح: لتقليل قوى الاحتكاك الميكانيكي
التدريج المنتظم
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
تدريج تكون فيه المسافات بين الأقسام المتساوية متناسبة طردياً مع التيار
💡 إضاءة وتوضيح: θ تتناسب طردياً مع I
اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً:
1
العلّة الفيزيائية وراء جعل قطبي المغناطيس في الجلفانومتر مقعرين هي:
2
توصيل مجزئ التيار (Rs) على التوازي مع ملف الجلفانومتر يؤدي إلى:
3
إذا اتصل مجزئ تيار مقاومته مساوية لمقاومة ملف الجلفانومتر (Rs = Rg)، فإن حساسية الجهاز:
4
تستقر حركة مؤشر الجلفانومتر ويثبت عند قراءة محددة عندما:
5
أميتر تيار مستمر ينحرف مؤشره إلى نهاية تدريجه إذا مَرّ به تيار شدته 200 mA، فإذا كانت مقاومة مجزئه 0.1 Ω ومقاومة ملفه 9.9 Ω، فإن تيار الجلفانومتر الأقصى Ig يساوي:
6
وظيفة الملفين الزنبركيين في الجلفانومتر الحساس تشمل كل ما يلي عدا:
7
كلما كانت مقاومة مجزئ التيار المتصل بالجلفانومتر أصغر:
8
جلفانومتر ذو ملف متحرك تدريجه مقسم إلى 20 قسماً متساوياً، وحساسية القسم الواحد 50 μA/div، فإن أقصى تيار يقيسه الجهاز يساوي:
🎉 تهانينا يا بطل! أتممت جميع محطات الدرس بنجاح باهر وتستحق وسام التميز!