فيديو: شرح كيف ينتج عن التيار المتردد قراءة ثابتة على الأميتر الحراري

نسخة الفيديو النصية

يتمدد سلك مصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم في أميتر حراري عندما تزداد درجة حرارته، وينكمش عندما تقل درجة حرارته. تعتمد درجة حرارة السلك على شدة التيار المار في السلك. سوف يعطي أميتر حراري يستخدم سلكًا مثل هذا قراءة ثابتة لتيار متردد له قيمة عظمى معينة. أي من الآتي يشرح بشكل صحيح كيف يمكن أن تنتج عن تيار متردد تردده 50 هرتز يمر في سلك قراءة ثابتة على الأميتر الحراري؟ (أ) يسخن السلك المكونات الميكانيكية الأخرى في الأميتر الحراري. تمدد هذه المكونات وانكماشها يكونان مختلفين في الطور؛ ولذلك تظل القراءة على الأميتر ثابتة. (ب) يتمدد السلك عندما تزداد درجة حرارته بشكل أسرع من انكماشه عندما تقل درجة حرارته؛ ولذلك لا تنخفض درجة حرارة السلك أبدًا لمدة كافية تجعل السلك ينكمش بشكل ملحوظ. (ج) التردد الذي يتعرض عنده السلك لدورات من التمدد والانكماش أصغر بكثير من تردد التيار المتردد؛ ولذلك تمدد السلك يناظر القيمة الفعالة للتيار.

المطلوب في هذا السؤال هو تحديد السبب الصحيح في أن الأميتر الحراري يعرض قراءة ثابتة استجابة للتيار المتردد. هيا نمسح خيارات الإجابة من على الشاشة الآن لنتمكن من النظر عن قرب إلى طريقة حل السؤال. في البداية، لنتذكر أن التيار المتردد هو تيار يتغير اتجاهه ومقداره باستمرار. يمكننا رسم تمثيل بياني تكون فيه شدة التيار على المحور الرأسي والزمن على المحور الأفقي يوضح كيفية تغير التيار المتردد بمرور الزمن.

في البداية، عند الزمن صفر، تكون قيمة التيار صفرًا. بعد ذلك، يمكننا ملاحظة أن التيار يزيد لأعلى قيمة عظمى قبل أن ينخفض مرة أخرى إلى الصفر. وبعد ذلك، يزداد التيار في الاتجاه السالب حتى أعلى قيمة سالبة. وهذا يعني أن التيار يمر في الاتجاه المعاكس. ثم يقل مقدار هذا التيار ليصبح صفرًا مرة أخرى. ثم تتكرر هذه الدورة مرارًا وتكرارًا، مع زيادة التيار في اتجاه ثم تناقصه مرة أخرى، ثم زيادته في الاتجاه العكسي وتناقصه مرة أخرى، وهكذا.

في هذا السؤال، نتعامل مع تيار متردد تردده 50 هرتز. وهذا يعني أن التيار يتم 50 دورة كاملة مثل هذه كل ثانية، وهذا يعني أن التيار يغير اتجاهه 100 مرة في كل ثانية. والآن، فإن محاولة قياس شدة هذا التيار أصعب بكثير من قياس شدة التيار المستمر الذي يبقى عند مستوى ثابت في اتجاه واحد. لقياس شدة التيار المستمر، من الشائع استخدام جهاز يعرف باسم أميتر الملف المتحرك، يعتمد على الجلفانومتر. في الجلفانومتر، يتسبب المجال المغناطيسي الذي ينتجه التيار في انحراف مؤشر على قرص مدرج، بمقدار يتناسب مع شدة التيار. هذا مناسب تمامًا للتيار المستمر. لكنه لا يفيد كثيرًا في حالة التيار المتردد. ويرجع ذلك إلى أن الجلفانومتر يقيس بكفاءة المجال المغناطيسي الناتج عن تيار ما.

وإذا كان التيار يتردد بسرعة، فإن المجال المغناطيسي سيتردد بنفس التردد. هذا يعني أنه إذا وصلنا الجلفانومتر بمصدر تيار متردد، فسنجد أن المؤشر يتحرك بسرعة من جانب إلى آخر، وهو ما يجعل الحصول على قراءة دقيقة أمرًا مستحيلًا. في المقابل، الأميتر الحراري، مثل ذلك المذكور في هذا السؤال، هو أميتر صمم على وجه التحديد لقياس شدة التيار المتردد. ولا يقوم بذلك باستخدام التأثيرات الكهرومغناطيسية للتيار مثل الجلفانومتر. وإنما يقيس التأثيرات الحرارية للشحنة المتدفقة في سلك.

يمكن للأميتر الحراري أن يقيس التيار المتردد في دائرة كهربية من خلال إتاحة تدفق جزء من هذا التيار عبر سلك مصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم. ويتصل بهذا السلك خيط حريري يمر على بكرة متصلة بعد ذلك بزنبرك يجعله مشدودًا. البكرة متصلة بمؤشر، وهو يتحرك على قرص مدرج. وطريقة العمل هي أن السلك المصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم تتولد فيه حرارة عندما تتدفق الشحنة عبره بسبب فقد الطاقة في المقاومة. بالرغم من أن بعضًا من هذه الحرارة تفقد لمحيطها من خلال التوصيل والإشعاع، تزيد درجة حرارة السلك نفسه، وهو ما يجعله يتمدد حراريًّا. ومع زيادة درجة حرارة السلك، يزداد أيضًا معدل انتقال الحرارة إلى محيطه، حتى يتساوى في النهاية مع معدل تبديد السلك للطاقة الكهربية. عند هذه النقطة، تتوقف درجة حرارة السلك عن الارتفاع.

وهنا تصبح الأمور مثيرة للاهتمام. كما ذكرنا في السؤال، فإن درجة حرارة السلك تعتمد على شدة التيار المار في السلك. لكننا نعلم أن التيار المار في السلك يتردد بسرعة. لماذا إذن لا تتذبذب درجة حرارة هذا السلك أيضًا؟ ببساطة، التمدد والانكماش الحراري في هذا السلك أبطأ كثيرًا من تردد التيار. في فترة زمنية معينة، تتناسب الحرارة المتولدة في السلك ‪𝑄‬‏ تناسبًا طرديًّا مع مربع شدة التيار. لذا فمن الناحية الفنية، يتولد في السلك المزيد من الحرارة عندما يكون مقدار التيار عند أقصى قيمة له، وهو ما يناظر هذه المواضع على التمثيل البياني.

لكن درجة الحرارة الكلية للسلك، بالإضافة إلى تأثير الانكماش الحراري والتمدد، تتغير ببطء شديد بحيث لا يكفي الوقت لكي يبرد السلك وينكمش بين هاتين النقطتين اللتين تساويان أقصى مقدار للتيار. وهذا يعني أنه في حالة تيار له قيمة قصوى معينة، سيعطينا الأميتر الحراري قراءة ثابتة. والآن، إذا نظرنا مرة أخرى إلى خيارات الإجابة، يمكننا رؤية أن أفضل وصف لها هو في الخيار (ج). يمكن لتيار متردد تردده 50 هرتز أن ينتج قراءة ثابتة للأميتر الحراري؛ لأن التردد الذي يتعرض عنده السلك لدورات من التمدد والانكماش أصغر بكثير من تردد التيار المتردد. ولذلك، تمدد السلك يناظر القيمة الفعالة للتيار.