Fislab
الرئيسية / التجارب / المحرك الكهربائي

⚙️ المحرك الكهربائي

The Electric Motor
⏱️ 15 دقيقة 📂 الكهرومغناطيسية 🎯 مستوى متقدم
للتواصل: 00971504825082

🎯 نواتج التعلم

🎯 Learning Outcomes

بعد هذه التجربة ستكون قادرًا على أن:

After this experiment you will be able to:

  1. تفسّر لماذا يدور ملف يحمل تيارًا داخل مجال مغناطيسي.Explain why a coil carrying a current rotates in a magnetic field.
  2. تحسب عزم الدوران للملف: \(\tau=NIAB\sin\phi\).Calculate the torque on the coil: \(\tau=NIAB\sin\phi\).
  3. تفسّر دور المبدّل (الكومتيتور) في جعل الدوران مستمرًا.Explain the role of the commutator in keeping the rotation continuous.
  4. تحدد العوامل التي تزيد عزم المحرك.Identify the factors that increase the torque of the motor.

🎬 شاهد الفيديو

🎬 Watch the Video

🔍 الفكرة في صورة

🔍 The Idea in a Picture

ملف مستطيل يدور داخل مجال مغناطيسي، والقوتان على ضلعيه تكوّنان عزم دوران
على ضلعي الملف المتعامدين مع المجال قوتان متساويتان ومتعاكستان في الاتجاه، فتكوّنان عزم دوران يدير الملف. On the two sides of the coil that are perpendicular to the field there are two equal and opposite forces, which form a torque that turns the coil.

⚡ عزم الدوران على الملف

⚡ The torque on the coil

عندما يمر تيار في الملف داخل مجال مغناطيسي تتأثر أضلاعه بقوى مغناطيسية. الضلعان المتقابلان يتأثران بقوتين متساويتين ومتعاكستين، فيتولد عزم يدير الملف. وتعتمد قيمة العزم على الزاوية بين عمود الملف والمجال.

When a current flows in the coil inside a magnetic field, its sides feel magnetic forces. The two opposite sides feel equal and opposite forces, which form a torque that turns the coil. The torque depends on the angle between the normal of the coil and the field.

📘 عزم الدوران

📘 The torque

\[\tau=NIAB\sin\phi\]

حيث \(N\) عدد اللفات، و\(I\) التيار، و\(A\) مساحة الملف، و\(B\) شدة المجال، و\(\phi\) الزاوية بين عمود الملف والمجال. أكبر عزم عندما يكون \(\phi=90^\circ\)، وينعدم عندما يكون \(\phi=0^\circ\) أو \(180^\circ\).

where \(N\) is the number of turns, \(I\) the current, \(A\) the area of the coil, \(B\) the field strength and \(\phi\) the angle between the normal of the coil and the field. The torque is largest at \(\phi=90^\circ\) and vanishes at \(\phi=0^\circ\) or \(180^\circ\).

💡 شرح إضافي: لماذا يتوقف الملف بدون المبدّل؟

💡 Extra explanation: why does the coil stop without the commutator?

عند الوضع \(\phi=0\) يكون عزم الدوران صفرًا، وإذا انحرف الملف قليلًا عنه ظهر عزم يعيده إليه. فالملف يستقر عند الوضع الذي يكون فيه عموده موازيًا للمجال، ويتوقف إن لم يُعكس التيار.

At \(\phi=0\) the torque is zero, and if the coil is turned slightly away from it, a torque pushes it back. So the coil settles where its normal is parallel to the field, and it stops unless the current is reversed.

💡 شرح إضافي: كيف يعمل المبدّل على جعل الدوران مستمرًا؟

💡 Extra explanation: how does the commutator keep the rotation going?

المبدّل يعكس اتجاه التيار في الملف كل نصف دورة. فيبقى العزم في الاتجاه نفسه، ويستمر الملف في الدوران بدل أن يعود إلى وضع التوقف.

The commutator reverses the current in the coil every half turn. The torque keeps the same direction, so the coil keeps turning instead of returning to rest.

🧪 التجربة التفاعلية: الملف في المجال المغناطيسي

🧪 Interactive Experiment: The Coil in a Magnetic Field

شغّل التجربة وراقب الملف في الفضاء ثلاثي الأبعاد. بدون المبدّل يتوقف الملف عند الوضع الموازي للمجال. فعّل المبدّل ليستمر في الدوران، وغيّر التيار والمجال وعدد اللفات لترى تأثيرها في العزم. أدر المشهد بالفأرة لترى القوى من كل زاوية.

Press Start and watch the coil. Without the commutator the coil stops at the position parallel to the field. Turn the commutator on to keep it spinning, and change the current, the field and the number of turns to see their effect on the torque. The curve shows the torque at each angle, and the red dot is the present position.

ملاحظة: القيم بوحدات نسبية، وحركة الملف مُبطّأة لتُرى بوضوح.

Note: the values are in relative units, and the motion is slowed down to be visible.

⚙️ الملف في المجال المغناطيسي (ثلاثي الأبعاد)

⚙️ The coil in a magnetic field (3D)

أدر المشهد بالفأرة أو باللمس. الأسهم الحمراء على ضلعي الملف هي القوى، والسهم الأخضر على المحور هو عزم الدوران.

Rotate the scene with the mouse or touch. The red arrows on the two sides are the forces, and the green arrow on the axis is the torque.

البطارية (يسار الشكل): طرفها الأحمر (+) والأزرق (−). المبدّل (أسفل المحور): نصفان نحاسيان يدوران مع الملف، وفرشتان رماديتان ثابتتان تلامسانهما وتوصلان البطارية بالملف.

Battery (left): its red (+) and blue (−) terminals. Commutator (bottom of the axis): two copper halves that turn with the coil, and two fixed grey brushes touching them, connecting the battery to the coil.

5
5
3
زاوية الملف φ بين عموده والمجال (°)Coil angle φ between its normal and the field (°)—
عزم الدوران τ = NIAB sin φ (وحدات نسبية)Torque τ = NIAB sin φ (relative units)—
السرعة الزاوية ω (rad/s)Angular speed ω (rad/s)—
الحالةState—

✍️ أمثلة محلولة

✍️ Worked Examples

❓ مثال 1Example 1

ملف مستطيل عدد لفاته \(50\)، مساحته \(0.02\ \mathrm{m^2}\)، يمر فيه تيار \(2\ \mathrm{A}\) داخل مجال \(0.4\ \mathrm{T}\)، وعمود الملف عمودي على المجال. احسب عزم الدوران.

A rectangular coil of \(50\) turns and area \(0.02\ \mathrm{m^2}\) carries a current of \(2\ \mathrm{A}\) in a field of \(0.4\ \mathrm{T}\), with its normal perpendicular to the field. Find the torque.

الحل
\(\phi=90^\circ\Rightarrow\sin\phi=1\)
\(\tau=NIAB=50\times2\times0.02\times0.4=0.8\ \mathrm{N\cdot m}\)
✅ \(\tau=0.8\ \mathrm{N\cdot m}\)، وهو أكبر عزم ممكن لهذا الملف
Solution
\(\phi=90^\circ\Rightarrow\sin\phi=1\)
\(\tau=NIAB=50\times2\times0.02\times0.4=0.8\ \mathrm{N\cdot m}\)
✅ \(\tau=0.8\ \mathrm{N\cdot m}\), the largest possible torque for this coil
❓ مثال 2Example 2

في المثال السابق، ما عزم الدوران عندما تصبح الزاوية بين عمود الملف والمجال \(30^\circ\)؟

In the previous example, what is the torque when the angle between the normal and the field is \(30^\circ\)?

الحل
\(\tau=0.8\sin30^\circ=0.8\times0.5=0.4\ \mathrm{N\cdot m}\)
✅ \(\tau=0.4\ \mathrm{N\cdot m}\)، أي نصف العزم الأقصى
Solution
\(\tau=0.8\sin30^\circ=0.8\times0.5=0.4\ \mathrm{N\cdot m}\)
✅ \(\tau=0.4\ \mathrm{N\cdot m}\), half the maximum torque
❓ مثال 3Example 3

لماذا يكون عزم الدوران صفرًا عندما يكون عمود الملف موازيًا للمجال؟

Why is the torque zero when the normal of the coil is parallel to the field?

الحل
عندما يكون العمود موازيًا للمجال تكون \(\phi=0\) فـ\(\sin\phi=0\). وتكون قوى الأضلاع على خط عمل واحد، فتتلاشى أذرعها.
✅ لأن \(\sin 0^\circ=0\)، ولا يوجد ذراع للقوتين
Solution
When the normal is parallel to the field, \(\phi=0\) and \(\sin\phi=0\). The forces on the sides then act along the same line, so their lever arms vanish.
✅ Because \(\sin 0^\circ=0\), and there is no lever arm for the two forces

📚 ملخص

📚 Summary

العاملFactorأثره في العزمEffect on the torque
عدد اللفات \(N\)Turns \(N\)يتناسب طرديًاdirectly proportional
التيار \(I\)Current \(I\)يتناسب طرديًاdirectly proportional
المجال \(B\)Field \(B\)يتناسب طرديًاdirectly proportional
الزاوية \(\phi\)Angle \(\phi\)يتغير كـ \(\sin\phi\)varies as \(\sin\phi\)

⚠️ أخطاء شائعة

⚠️ Common mistakes

🧠 اختبر نفسك

🧠 Test Yourself

⭐ 1

أي وضع للملف يعطي أكبر عزم دوران؟

Which position of the coil gives the largest torque?

Aعمود الملف موازٍ للمجالthe normal parallel to the field
Bعمود الملف عمودي على المجالthe normal perpendicular to the field
Cعمود الملف مائل بـ \(45^\circ\) لا غيرonly at an angle of \(45^\circ\)
Dلا يتأثر العزم بالوضعthe torque does not depend on the position
الحل
\(\tau=NIAB\sin\phi\) أكبر ما يكون عندما \(\phi=90^\circ\).
✅ الإجابة B
Solution
\(\tau=NIAB\sin\phi\) is largest when \(\phi=90^\circ\).
✅ Answer B
⭐ 2

ماذا يفعل المبدّل في المحرك الكهربائي؟

What does the commutator do in an electric motor?

Aيزيد المجال المغناطيسيit increases the magnetic field
Bيعكس اتجاه التيار كل نصف دورة فيستمر الدورانit reverses the current every half turn so the rotation continues
Cيحوّل التيار المستمر إلى متردد داخل الملفit converts the DC into AC inside the coil
Dيقلل عدد اللفاتit reduces the number of turns
الحل
بعكس التيار كل نصف دورة يبقى العزم في الاتجاه نفسه.
✅ الإجابة B
Solution
By reversing the current every half turn, the torque keeps the same direction.
✅ Answer B
لاحظت خطأ؟ أو عندك سؤال عن التجربة؟ اكتبه بالتعليقات وحدد مكانه بالضبط. Noticed an error? Or have a question about the experiment? Write it in the comments and specify exactly where.