كيف يعمل الملف الكهربائي؟ وكيف تستفيد منه عمليا؟

الملف الكهربائي عبارة عن عنصر خامل وهو ثالث أكثر العناصر الإلكترونية أهمية بعد كل من المكثف والمقاومة، وهو عبارة عن سلك ملفوف بإحكام حول نواة ليس أكثر.

سنتعرف من خلال الأسطر التالية لهذه المقالة على كيفية عمل الملف الكهربائي وكيفية استعماله والإستفادة منه في التطبيقات العملية، حيث بعد قراءتك لهذا الشرح إن شاء الله على معرفة دور الملف في الدوائر الكهربائية ووظيفته وستكون قادرًا كذلك على استعماله في دوائرك الخاصة.

ما هو الملف الكهربائي؟

كما أسلفنا الذكر في المقدمة وكما يظهر في الصورة أعلاه فإن الملف الكهربائي والذي يُعرف كذلك بالمحث ليس سوى مجرد سلك ملفوف بإحكام حول نواة، قد تكون هذه الأخيرة من طبيعة مغناطيسية حديدية (Ferromagnetic material) أو بلاستيكية أو في بعض الأحيان قد يكون السلك الملفوف أجوفا (أو إن صحَّ التعبير ملفوفا حول الهواء)، تتسبب الوشيعة في انسياب تدفق مغناطيسي يزداد بزيادة التيار المار.

إذا كانت معلوماتك حول المكثفات الكهربائية لا بأس بها فأنت حتما تعرف بأن هذه الأخيرة تقوم بتخزين الطاقة وهذا بتخزين نفس الكمية من الشحنات الكهربائية المتعاكسة في الشحنة عبر طرفيها، بطريقة مماثلة يقوم الملف الكهربائي بتخزين الطاقة على شكل حقل مغناطيسي من حوله.

يتصرف المحث بطريقتين مختلفتين وهذا حسب طبيعة التيار المار فيه إذا ما كان مستمرًا أو متناوبًا، ولكن قبل الغوص في تفاصيل عمل الملف الكهربائي دعونا نتعرف أولا على بنيته وخصائصه.

بنية الملف الكهربائي

إن المحث هو أبسط العناصر الإلكترونية من حيث البنية، فكل ما يتطلبه الأمر من أجل صناعة واحد هو سلك ونواة، هذه الأخيرة قد تأخذ أشكال مختلفة فقد تكون على شكل أسطوانة أو قضيب أو حلقة أو صفيحة، في المقابل هناك بعض الملفات الكهربائية التي لا تتكون من نواة وهي تُعرف باسم الملفات الكهربائية الجوفاء.

كيف يعمل الملف الكهربائي؟

عند تطبيق تيار كهربائي بين طرفي الملف سيتولد تدفق مغناطيسي من حوله، أو بتعبير آخر فإن الطاقة الكهربائية التي يتم تطبيقها على الملف سيقوم بتخزينها على شكل تدفق مغناطيسي، حيث أنَّ إتجاه هذا التدفق المغناطيسي سيكون معاكسا لاتجاه سريان التيار، وبالتالي فإن الملفات الكهربائية تتحمل التغيرات المفاجئة للتيار المار عبرها، تُعرف هذه الخاصية باسم الحث ويُرمز لها بالرمز L ووحدتها هي الهنري نسبة إلى عالم الفيزياء الأمريكي جوزيف هنري.

يختلف الحث من ملف كهربائي إلى آخر وهذا حسب شكل المحث، وعدد اللفات حول النواة، ومساحتها، وعامل ناقليتها (permeability factor)، ويمكن حساب قيمة الحث وِفق العلاقة التالية:

L = μN²A / l

حيث أن:

• الرمز L: قيمة الحث.
• الرمز µ: عامل ناقلية المادة التي تتكون منها النواة.
• الرمز A: مساحة النواة بالمتر مربع.
• الرمز N: عدد لفات السلك.
• الرمز I: طول السلك بالمتر.

الملف الكهربائي في دوائر التيار المتناوب

كما أسلفنا الذكر فإن تصرف الملف الكهربائي يختلف حسب طبيعة التيار المار به، عند تطبيق تيّر متناوب بين طرفي محث فإن الحقل المغناطيسي المتولد يتفاوت حسب الزمن لأن التّيار الذي المتسبب في توليده هو كذلك متفاوت حسب الزمن. هذه الظاهرة وحسب قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي تقوم بتوليد تيار مستحث حول الملف الكهربائي، يُرمز له الرمز V_L.

يتم حساب قيمة التيار المستحث المتولد وفق العلاقة التالية:

VL = L di / dt

حيث أنَّ:

• الرمز di/dt: تفاوت (تغير) التيَّار وفق الزمن.

خصائص الملف الكهربائي

حتى نفهم مبدأ عمل الملف الكهربائي أكثر دعونا نلقي نظرة على منحنى مميزة تيار-توتر (VI characteristics curve) الخاص بالمحث، عندما يكون التيار المتناوب المار عبر الملف موجبا يزداد تدفق التيَّار، ونعلم كذلك أن الملف الكهربائي يكره تغيرات التيار وهذا ما يُجبره على توليد تيار مستحث من أجل مقاومة التيار المار عبره. يمكنك ملاحظة هذا في المنحنى أعلاه حيث أن التيار المستحث يبلغ قيمته الأعظمية عندما تبدأ قيمة التيار في التصاعد، وبمجرد أن يصل التيار إلى قيمته الأعظمية يتحول التيار المستحث من موجب إلى سالبوهذا من أجل محاولة حماية تدفق التيار من الإنخفاض.

كما نلاحظ كذلك من خلال المنحنى أعلاه أن هذه الدورة تكرر نفسها دائما، ونلاحظ كذلك أن التيار المستحث دائما ما يتصرف عكس التيار المار في الملف، كما أنَّ الطور بين الفولطية والتيار دائما ما يكون 90°. وبالتالي فإن المحث عند تطبيق تيار متناوب بين طرفيه سيقوم بتخزين الطاقة وتحريرها في صورة حقل مغناطيسي وهذا بصفة مستمرة.

الملف في دوائر التيار المستمر

الآن وبعد أن تعرفنا على كيفية تصرف الملف الكهربائي في حالة التيار المتناوب، لنلقي نظرة على كيفية عمله في دوائر التيار المستمر، لكن قبل هذا دعونا نستذكر العلاقة الخاصة بحساب التيار المستحث:

VL = L di / dt

بما أن الرمز di/dt يُمثل تفاوت التيَّار وفق الزمن وفي حالتنا هذه لا يتغير التيار وفق الزمن لأننا نستعمل تيارًا مستمرًا وهذا ما يعني أن التيار المستحث عبر الملف الكهربائي دائمًا ما سيكون صفرًا. من أجل تبسيط الأمور أكثر يمكننا نظريًا اعتبار الملف الكهربائي في دوائر التيار المستمر عبارة عن سلك توصيل لا يتميز سوى بمقاومته الداخلية البسيطة. لكن في التطبيقات العملية هناك المزيد حيث أن التيار يحتاج فترة صغيرة جدًا حتى يبلغ قيمته الأعظمية، وخلال هذه الفترة سيتولد تيار مستحث بقيمة أعظمية سالبة لكن بمجرد أن يستقر التيار المستمر تبدأ قيمة التيار المستحث بالتناقص بشكل سريع جدا إلى أن تنعدم.

المفاعلة الكهربائية للملف الكهربائي

إنَّ المفاعلة الكهربائية شيء مهم آخر يجب معرفته حول الملف الكهربائي، وهي قيمة تخيلية وحدتها الأوم وتمثل معاكسة الملف وللتيار الذي يمر به، علما بأن قيمتها تتغير بتغير تردد التيار كما أنها تختلف عن المقاومة الكهربائية. ويتم حساب قيمتها وفق العلاقة الرياضية التالية:

X_L = 2πFL

من خلال المعادلة السابقة يمكننا أن نستنتج بأن المفاعلة تزداد بازدياد تردد التيار المتناوب، نعلم بأن الملف يكره تغيرات التيار وبالتالي فإنه يُبدي مفاعلة أكبر للترددات العالية بينما في الترددات المنخفضة أو التيار المستمر تكون المفاعلة صفرا وبالتالي يتصرف الملف كسلك ناقل.

تطبيقات الملف الكهربائي

الآن وبعد أن شرحنا الجانب النظري الممل لعمل الملف الكهربائي دعونا ننتقل إلى شيء جذاب أكثر، ألا وهو التطبيقات العملية للمحث، حيث سنقوم بشرح الدوائر الشائعة التي يدخل في تركيبها هذا العنصر الكهربائي.

المذبذبات

المذبذبات هي الدوائر المستعملة في توليد إشارات المذياع والتلفاز، حيث يعمل الملف الكهربائي هنا إلى جانب المكثفة الكهربائية، حيث كما سبق وأسلفنا الذكر فإن المحث يقوم بتوليد مفاعلة كهربائية عند الترددات العالية على عكس المكثف الذي يقوم بتوليد هذه المفاعلة عند الترددات المنخفضة. في دائرة المذبذب يجب اختيار قيمتي المكثف والملف بحيث يعطيان قيمة مفاعلة متساوية عند تردد معين يُعرب بتردد الرنين.

في هذه الدائرة، عندما يتم شحن المكثف، يقوم هذا الأخير بتخزين الشحنات الكهربائية بين صفيحتيه وبمجرد قطع التغذية عنه ينتقل التيار من المكثف إلى الملف مما يُؤدي إلى توليد تيار كهربائي من حوله، وبمجرد نفاذ الشحنات الكهربائية المخزنة في المكثف حتى يتوقف التيار عن المرور عبر الملف، وكما نعلم فإن الملف يكره تغيرات التيار وهذا ما سيدفعه إلى اضعاف حقله المغناطيسي من أجل الابقاء على تدفق التيار ثابتًا وهذا ما سيسمح للتيار بأن يعود إلى المتسعة والتي ستُشحن كُليًا مرة أخرى، وهذا ما سينجم عنه انتقال التيار ذهابًا وجيئةً بين المكثف والملف، وسيكون تردد الإشارة الناتجة ثابتًا وهو نفسه تردد الرنين والذي يمكن حسابه وفق العلاقة التالية:

f = 1 / 2π√(LC)

محددات تيار الاندفاع

تيار الاندفاع عبار عن تبار لحظي يقوم بسحبه الحمل الكهربائي بمجرد تشغيله وهو قادر على تدمير الدوائر الكهربائية بسهولة، وهو أكبر بعشرات الأضعاف من التيار المستقر الذي يستطيع الحمل تحمله وهذا ما يفسر قدرته على تدمير الأجهزة. يحدث تيار الاندفاع بسبب متطلبات التيار الخاصة بالمكثفات ذات السعة الكبيرة.

يُعتبر استعمال الملف الكهربائي طريقة متفقًا عليه من أجل الحد من تيار الاندفاع وحماية الدائرة الكهربائية، فبمجرد تشغيلها يسري عبرها تيار كبير جدًا يتغير وفق الزمن وهذا ما يُؤدي بالمحث إلى مقاومة تغيرات التيار هذه عبر تشكيل حقل مغناطيسي مما يؤدي بدوره إلى توليد تيار مستحث يعترض التيار العالي القادم من مصدر التغذية، بعد لحظات وبمجرد أن ينتقل التيار إلى حالته المستقرة يتناقص الحقل المغناطيسي تدريجيا ويقوم الملف بتحرير الطاقة المخزنة إلى الدائرة الكهربائية على شكل تيار، وعندما يستقر التيار تمامًا لن يقوم الملف بعدها الملف باعتراضه وسيتصرف كمجرد سلك كهربائي.

المرشحات

تُعتبر المرشحات أنواعا خاصة من الدوائر الكهربائية تقوم بحذف الترددات الغير مرغوب فيها من الإشارة الكهربائية، حيث أن استخدام الملف الكهربائي مع عنصر كهربائي خامل آخر مثل الملف أو المتسعة يسمح لنا بالحصول على ثلاثة أنواع من المرشحات التي تسمح لنا بمعالجة الاشارة.

مرشح ترددات منخفضة

مرشح الترددات المنخفضة ومثلما يدل عليه اسمه هو مرشح يُستعمل في الدوائر التي نحتاج فيها إلى حذف الترددات الأعلى من تردد القطع، حيث يُشير مصطلح تردد القطع إلى التردد الأقصى الذي تسمح الدائرة بعبوره.

مرشح ترددات عالية

على عكس مرشح الترددات المنخفضة لا يسمح مرشح الترددات العالية سوى بمرور الترددات الأعلى من تردد القطع بينما يقوم بحذف جميع الترددات الأخرى (الأقل من تردد القطع).

مرشح تمرير النطاق

لا يسمح مرشح تمرير النطاق سوى لنطاق معين من الترددات بالمرور بينما يتم حذف جميع الترددات الأخرى التي تقع خارج هذا النطاق، وهو يتميز بترددين اثنين للقطع: تردد القطع الأعلى وتردد القطع الأدنى، حيث لا يسمح سوى للترددات التي تقع قيمتها بين هذين الترددين بالمرور

المبدلات رافعة الجهد

المبدلات رافعة الجهد (Voltage Boosters) عبارة عن دوائر كهربائية تُستعمل من أجل رفع الجهد الكهربائي إلى غاية مستوى معين، ويُعتبر الملف هو العنصر الأكثر أهمية في هذه الدائرة نظرا لقدرته على توليد تيار مستحث عند مرور تيار متناوب عبره. تُمثل الدائرة أعلاه الدائرة النموذجية الخاصة برافع الجهد حيث أن مصدر الطاقة عبار عن مصدر للتيار المستمر والمفتاح عبارة عن موسفت، حيث أن هذا الأخير ستتغير حالته بين ON وOFF بصورة مستمرة وفق دورات زمنية ثابتة.

وبهذا نصل إلى ختام موضوعنا هذا حول الملف الكهربائي حيث تعرفنا في على طريقة عمل هذا العنصر الكهربائي بالتفصيل في دوائر التيار المستمر DC وكذلك في دوائر التيار المتناوب AC وتعرفنا كذلك على خصائصه والدوائر الشائعة التي يدخل في تركيبها، إذا كانت هناك تفاصيل لم تفهمها جيدا أو نقاط تعتقد بأننا لم نقم بتغطيتها فلا تتردد بإخبارنا عبر خانة التعليقات في الأسفل.