🎯 نواتج التعلم
🎯 Learning Outcomes
بعد هذه التجربة ستكون قادرًا على أن:
After this experiment you will be able to:
- تشرح كيف يحوّل مولد التيار المستمر الطاقة الميكانيكية إلى كهربية بملف يدور في مجال مغناطيسي.Explain how a DC generator converts mechanical energy into electrical energy with a coil rotating in a magnetic field.
- تفسّر دور العاكس (الحلقة المشقوقة) في جعل التيار الخارجي في اتجاه واحد.Explain the role of the commutator (split ring) in keeping the external current in one direction.
- تبيّن أن زيادة عدد الملفات تقلل النبضات، وتحسب القيمة العظمى والمتوسطة للقوة المحركة.Show that increasing the number of coils reduces the ripple, and calculate the maximum and average emf.
🎬 شاهد الفيديو
🎬 Watch the Video
🔋 مولد التيار المستمر
🔋 The DC Generator
يشبه مولد التيار المستمر مولد التيار المتردد؛ فالملف يدور في مجال مغناطيسي وتتولد فيه قوة محركة متناوبة \(e=NBA\omega\sin\theta\). الفرق أن الملف يتصل بالدائرة الخارجية عن طريق عاكس التيار (حلقة مشقوقة نصفين) يدور مع الملف وتلامسه فرشتان ثابتتان. ينعكس اتصال الفرشتين بالنصفين كل نصف دورة، فيبقى اتجاه التيار في الدائرة الخارجية واحدًا ويتغير مقداره نابضًا بين الصفر والقيمة العظمى.
The DC generator is similar to the AC generator: the coil rotates in a magnetic field and an alternating emf \(e=NBA\omega\sin\theta\) is produced in it. The difference is that the coil is connected to the external circuit through a commutator (a ring split into two halves) that rotates with the coil and touches two fixed brushes. The connection of the brushes to the halves reverses every half turn so the current in the external circuit keeps one direction and its size pulsates between zero and the maximum.
📘 القوانين
📘 The laws
\[e=NBA\omega\,|\sin\theta|\qquad e_{max}=NBA\omega=2\pi f\,NBA\]
\[e_{avg}=\dfrac{2}{\pi}\,e_{max}\approx0.637\,e_{max}\ \ (\text{ملف واحد})\]
💡 ملاحظات
💡 Notes
- القوة المحركة داخل الملف متناوبة، والعاكس هو الذي يجعلها في الخارج في اتجاه واحد.The emf inside the coil is alternating and it is the commutator that makes it unidirectional outside.
- استعمال عدة ملفات مزاحة عن بعضها يجعل الخرج أكثر انتظامًا.Using several coils displaced from each other makes the output smoother.
- تستعمل الفرشتان من الكربون ليبقى التلامس منزلقًا بلا التصاق.The brushes are made of carbon so the contact slides without sticking.
🧪 تجربة 1: دوّر الملف وراقب العاكس
🧪 Experiment 1: Rotate the coil and watch the commutator
اسحب رأس السهم الأحمر لتدوير الملف أو حرّك مؤشر \(\theta\) أو اضغط «▶ دوّر» (دوران بطيء ×0.2 للعرض). لاحظ أن الحلقة المشقوقة تدور مع الملف وتنعكس صلتها بالفرشتين عند \(\theta=0^\circ\) و\(180^\circ\)، فيبقى السهم في الدائرة الخارجية في اتجاه واحد، ويبقى المنحنى فوق الصفر. زِد عدد الملفات وقارن بالمتردد. (لا يدور شيء إلا بطلبك.)
Drag the red arrow head to rotate the coil, move the \(\theta\) slider or press “▶ Rotate” (slow display ×0.2). Notice that the split ring rotates with the coil and its connection to the brushes reverses at \(\theta=0^\circ\) and \(180^\circ\), so the arrow in the external circuit keeps one direction and the curve stays above zero. Increase the number of coils and compare with AC. (Nothing rotates unless you ask.)
🧪 تجربة 2: حاسبة: مولد التيار المستمر
🧪 Experiment 2: Calculator: the DC generator
مسألة جديدة في كل مرة. أدخل الجواب.
A new problem every time. Enter the answer.
✍️ أمثلة محلولة
✍️ Worked Examples
ملف \(N=200\) مساحته \(250\ \mathrm{cm^2}\) يدور في مجال \(0.4\ \mathrm{T}\) بتردد \(10\ \mathrm{Hz}\). احسب \(e_{max}\).
A coil with \(N=200\) and area \(250\ \mathrm{cm^2}\) rotates in a \(0.4\ \mathrm{T}\) field at \(10\ \mathrm{Hz}\). Find \(e_{max}\).
احسب المتوسط \(e_{avg}\) لملف واحد في المثال السابق.
Find the average \(e_{avg}\) for a single coil in the previous example.
\(e_{max}=50\ \mathrm{V}\). احسب \(e\) في مولد تيار مستمر عندما \(\theta=210^\circ\).
\(e_{max}=50\ \mathrm{V}\). Find \(e\) in a DC generator when \(\theta=210^\circ\).
ما فائدة زيادة عدد الملفات في مولد تيار مستمر؟
What is the benefit of increasing the number of coils in a DC generator?
وظيفة العاكس في المولد:
The function of the commutator in the generator:
خرج مولد التيار المستمر بملف واحد:
The output of a DC generator with one coil:
متوسط القوة المحركة لملف واحد:
The average emf of a single coil:
الفرق الأساسي بين المولدين المتردد والمستمر:
The main difference between the AC and DC generators:
📚 ملخص
📚 Summary
| الكميةQuantity | القانونLaw |
|---|---|
| القوة المحركةemf | \(e=NBA\omega|\sin\theta|\)\(e=NBA\omega|\sin\theta|\) |
| العظمىMaximum | \(e_{max}=NBA\omega\)\(e_{max}=NBA\omega\) |
| المتوسط (ملف واحد)Average (one coil) | \(e_{avg}=2e_{max}/\pi\)\(e_{avg}=2e_{max}/\pi\) |
⚠️ أخطاء شائعة
⚠️ Common mistakes
- الظن أن القوة المحركة داخل الملف تصبح مستمرة؛ إنما التيار الخارجي فقط.Thinking the emf inside the coil becomes direct; only the external current does.
- الظن أن الخرج ثابت المقدار؛ هو نابض ما لم تتعدد الملفات.Thinking the output has a constant size; it pulsates unless several coils are used.
- نسيان تحويل المساحة إلى \(\mathrm{m^2}\).Forgetting to convert the area to \(\mathrm{m^2}\).
🔗 محاكيات GeoGebra للاستعانة بها عند اللزوم
🔗 GeoGebra Simulations to Use When Needed
اضغط «تشغيل» لتعمل المحاكاة هنا داخل الدرس؛ ويمكن للطالب الرجوع إليها لتجربة الفكرة بطريقة أخرى.
Press “Run” to run the simulation right here inside the lesson; the student can use it to try the idea in another way.
