المفاعلة الكهربائية

في الدوائر الكهربائية، تُعرف المفاعلة بأنها المعاوقة التي تُبديها المحاثة والسعة للتيار المتردد . ^{[ 1 ]} تُقاس المفاعلة بالأوم . ^{[ 1 ]} وهي ، إلى جانب المقاومة، أحد عنصري المعاوقة ؛ ومع ذلك، فبينما ينطوي كلا العنصرين على نقل الطاقة الكهربائية، لا يحدث تبديد للطاقة الكهربائية على شكل حرارة في المفاعلة؛ بل تخزن المفاعلة الطاقة حتى ربع دورة لاحقة، حيث تُعاد الطاقة إلى الدائرة. وتؤدي المفاعلة الأكبر إلى تيار أصغر عند تطبيق نفس الجهد .

تُستخدم المفاعلة لحساب تغيرات السعة والطور للتيار المتردد الجيبي المار عبر عنصر دائرة كهربائية. ومثل المقاومة، تُقاس المفاعلة بالأوم ، حيث تشير القيم الموجبة إلى المفاعلة الحثية ، بينما تشير القيم السالبة إلى المفاعلة السعوية . ويُرمز لها بالرمز ⁠${\displaystyle X}$المقاومة المثالية لها مفاعلة صفرية، بينما المفاعلات المثالية ليس لها موصلية تفرعية ولا مقاومة توالي. مع زيادة التردد ، تزداد المفاعلة الحثية وتقل المفاعلة السعوية.

تتشابه المفاعلة مع المقاومة في أن زيادة المفاعلة تؤدي إلى انخفاض التيار عند تطبيق نفس الجهد. علاوة على ذلك، يمكن التعامل مع دائرة كهربائية مكونة بالكامل من عناصر ذات مفاعلة فقط (بدون مقاومة) بنفس طريقة التعامل مع دائرة كهربائية مكونة بالكامل من مقاومات. ويمكن استخدام هذه التقنيات نفسها لدمج عناصر ذات مفاعلة مع عناصر ذات مقاومة، ولكن عادةً ما يتطلب ذلك استخدام الأعداد المركبة . سيتم تناول هذا الموضوع لاحقًا في قسم المعاوقة .

مع ذلك، توجد عدة اختلافات جوهرية بين المفاعلة والمقاومة. أولًا، تُغير المفاعلة طور التيار المار في العنصر بمقدار ربع دورة بالنسبة لطور الجهد المطبق عليه. ثانيًا، لا تُبدد الطاقة في عنصر تفاعلي بحت، بل تُخزن. ثالثًا، قد تكون المفاعلات سالبة، ما يسمح لها بإلغاء بعضها البعض. أخيرًا، تتميز عناصر الدائرة الرئيسية التي تمتلك مفاعلة (المكثفات والمحاثات) بمفاعلة تعتمد على التردد، على عكس المقاومات التي لها نفس المقاومة لجميع الترددات، على الأقل في الحالة المثالية.

تم اقتراح مصطلح المفاعلة لأول مرة من قبل المهندس الفرنسي إدوارد هوسبيتالييه في مجلة الصناعة الكهربائية في 10 مايو 1893. وتم اعتماده رسميًا من قبل المعهد الأمريكي للمهندسين الكهربائيين في مايو 1894. ^{[ 2 ]}

يتكون المكثف من موصلين يفصل بينهما عازل ، يُعرف أيضًا باسم مادة عازلة .

المفاعلة السعوية هي مقاومة لتغير الجهد عبر عنصر ما.${\displaystyle X_{C}}$يتناسب عكسيًا مع تردد الإشارة${\displaystyle f}$(أو التردد الزاوي)${\displaystyle \omega }$) والسعة ⁠${\displaystyle C}$[ ³ ]^​​

يوجد خياران في الأدبيات لتعريف المفاعلة للمكثف. أحدهما هو استخدام مفهوم موحد للمفاعلة باعتبارها الجزء التخيلي من المعاوقة، وفي هذه الحالة تكون مفاعلة المكثف هي العدد السالب، ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}$${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\أوميغا C}}=-{\frac {1}{2\pi fC}}.}$$

وثمة خيار آخر يتمثل في تعريف المفاعلة السعوية على أنها رقم موجب، ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}$${\displaystyle X_{C}={\frac {1}{\أوميغا C}}={\frac {1}{2\pi fC}}.}$$

لكن في هذه الحالة، يجب تذكر إضافة إشارة سالبة لممانعة المكثف، أي${\displaystyle Z_{c}=-jX_{c}}$⁠ .

في​${\displaystyle f=0}$تكون قيمة مفاعلة المكثف لانهائية، مما يجعله يتصرف كدائرة مفتوحة (يمنع مرور أي تيار عبر العازل). ومع زيادة التردد، تقل قيمة المفاعلة، مما يسمح بمرور تيار أكبر.${\displaystyle f}$الأساليب​${\displaystyle \infty }$، تقترب مفاعلة المكثف من${\displaystyle 0}$، يتصرف مثل دائرة قصر .

يؤدي تطبيق جهد مستمر على مكثف إلى تراكم شحنة موجبة على أحد طرفيه وشحنة سالبة على الطرف الآخر؛ ويُعدّ المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة المتراكمة مصدرًا لممانعة التيار. وعندما يتعادل الجهد الناتج عن الشحنة تمامًا مع الجهد المطبق، ينعدم التيار.

عند تشغيل المكثف بمصدر تيار متردد ( مصدر تيار متردد مثالي )، فإنه لا يخزن سوى كمية محدودة من الشحنة قبل أن ينعكس فرق الجهد وتعود الشحنة إلى المصدر. وكلما زاد التردد، قلّت الشحنة المتراكمة وقلّت مقاومة التيار.

المفاعلة الحثية خاصيةٌ يتميز بها المحث، وتنشأ هذه المفاعلة نتيجةً لتوليد التيار الكهربائي مجالًا مغناطيسيًا حوله. في سياق دائرة التيار المتردد (مع أن هذا المفهوم ينطبق على أي تيار متغير)، يتغير هذا المجال المغناطيسي باستمرار نتيجةً لتذبذب التيار ذهابًا وإيابًا. هذا التغير في المجال المغناطيسي هو ما يحث تيارًا كهربائيًا آخر على التدفق في السلك نفسه - يُسمى القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة - في اتجاه يُعاكس تدفق التيار المسؤول أصلًا عن توليد المجال المغناطيسي ( قانون لينز ). لذا، فإن المفاعلة الحثية هي مقاومة لتغير التيار المار عبر عنصر ما.  

في دائرة التيار المتردد، يؤدي تأثير المحث المثالي على تغير تدفق التيار إلى تأخير، أو إزاحة طورية، للتيار المتردد بالنسبة للجهد المتردد. وبالتحديد، يتسبب المحث المثالي (بدون مقاومة) في تأخر التيار عن الجهد بمقدار ربع دورة، أو 90 درجة.

في أنظمة الطاقة الكهربائية، يمكن للمفاعلة الحثية (والمفاعلة السعوية، مع أن المفاعلة الحثية أكثر شيوعًا) أن تحد من قدرة خط نقل التيار المتردد، لأن الطاقة لا تُنقل بالكامل عندما يكون الجهد والتيار خارج الطور (كما هو موضح أعلاه). أي أن التيار سيتدفق في نظام خارج الطور، لكن الطاقة الفعلية لن تُنقل في أوقات معينة، لوجود نقاط يكون فيها التيار اللحظي موجبًا بينما يكون الجهد اللحظي سالبًا، أو العكس، مما يعني نقل طاقة سالب. وبالتالي، لا يُبذل شغل فعلي عندما يكون نقل الطاقة "سالبًا". مع ذلك، يستمر التيار في التدفق حتى عندما يكون النظام خارج الطور، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة خطوط النقل نتيجة لتدفق التيار. ونتيجة لذلك، لا يمكن لخطوط النقل أن ترتفع درجة حرارتها إلى حد معين (وإلا ستترهل بشكل كبير بسبب تمددها الحراري)، لذا فإن مشغلي خطوط النقل لديهم "سقف" لكمية التيار التي يمكن أن تتدفق عبر خط معين، ويمكن للمفاعلة الحثية المفرطة أن تحد من قدرة الخط. يستخدم مزودو الطاقة المكثفات لتغيير الطور وتقليل الفاقد، بناءً على أنماط الاستخدام.

المفاعلة الحثية${\displaystyle X_{L}}$يتناسب مع تردد الإشارة الجيبية${\displaystyle f}$والحث​​${\displaystyle L}$، وهو ما يعتمد على الشكل الفيزيائي للمحث: $${\displaystyle X_{L}=\أوميغا L=2\pi fL.}$$

متوسط ​​التيار المتدفق عبر ملف حثي${\displaystyle L}$متصل على التوالي بمصدر جهد متردد جيبي ذي سعة فعالة${\displaystyle A}$والتكرار${\displaystyle f}$يساوي: $${\displaystyle I_{L}={A \over \omega L}={A \over 2\pi fL}.}$$

لأن الموجة المربعة لها سعات متعددة عند التوافقيات الجيبية ، فإن متوسط ​​التيار المتدفق عبر محاثة${\displaystyle L}$متصل على التوالي بمصدر جهد تيار متردد ذي موجة مربعة بسعة RMS${\displaystyle A}$والتكرار${\displaystyle f}$يساوي: $${\displaystyle I_{L}={A\pi ^{2} \over 8\omega L}={A\pi \over 16fL},}$$ مما يجعل الأمر يبدو كما لو أن المفاعلة الحثية لموجة مربعة كانت أصغر بنحو 19%${\displaystyle X_{L}={16 \over \pi }fL}$ من المفاعلة لموجة التيار المتردد الجيبية.

أي موصل ذي أبعاد محدودة يمتلك حثًا كهربائيًا؛ ويزداد هذا الحث بتعدد لفات الملف الكهرومغناطيسي . وينص قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي على القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة.${\displaystyle {\mathcal {E}}}$(الجهد المعاكس للتيار) نتيجة لمعدل تغير كثافة التدفق المغناطيسي${\displaystyle \scriptstyle {B}}$من خلال حلقة التيار: $${\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{B}} \over dt}.}$$

بالنسبة للمحث الذي يتكون من ملف مع${\displaystyle N}$ينتج عن ذلك ما يلي: $${\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{d\Phi _{B} \over dt}.}$$

القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة هي مصدر مقاومة تدفق التيار. التيار المستمر الثابت له معدل تغير صفري، ويعتبر المحث بمثابة دائرة قصر (عادةً ما يُصنع من مادة ذات مقاومة منخفضة ). أما التيار المتردد فله معدل تغير متوسط ​​زمني يتناسب مع التردد، وهذا ما يسبب زيادة المفاعلة الحثية مع ازدياد التردد.

كلا المفاعلة${\displaystyle X}$والمقاومة​${\displaystyle R}$هي مكونات المعاوقة${\displaystyle \mathbf {Z} }$⁠ : $${\displaystyle \mathbf {Z} =R+\mathbf {j} X,}$$ أين:

• ${\displaystyle \mathbf {Z} }$هي المعاوقة المركبة ، وتقاس بالأوم ؛
• ${\displaystyle R}$المقاومة ، مقاسة بالأوم – هي الجزء الحقيقي من المعاوقة${\displaystyle {R={\text{Re}}{(\mathbf {Z} )}}}$;
• ${\displaystyle X}$هي المفاعلة، وتقاس بالأوم - وهي الجزء التخيلي من المعاوقة${\displaystyle {X={\text{Im}}{(\mathbf {Z} )}}}$؛ و
• ${\displaystyle \mathbf {j} }$هو الجذر التربيعي للعدد سالب واحد ، ويُرمز إليه عادةً بـ${\displaystyle \mathbf {i} }$في الصيغ غير الكهربائية.${\displaystyle \mathbf {j} }$يُستخدم هذا الرمز حتى لا يتم الخلط بين الوحدة التخيلية والتيار الكهربائي، والذي يُرمز إليه عادةً بـ${\displaystyle \mathbf {i} }$⁠ .

عندما يتم توصيل مكثف وملف حث على التوالي في دائرة كهربائية، فإن مساهمتهما في معاوقة الدائرة الكلية تكون متعاكسة. المفاعلة السعوية${\displaystyle X_{C}}$والمفاعلة الحثية${\displaystyle X_{L}}$تساهم في المفاعلة الكلية${\displaystyle X}$على النحو التالي: $${\displaystyle {X=X_{L}+X_{C}=\omega L-{\frac {1}{\omega C}}},}$$ أين:

• ${\displaystyle X_{L}}$هي المفاعلة الحثية ، وتقاس بالأوم؛
• ${\displaystyle X_{C}}$هي المفاعلة السعوية ، وتقاس بالأوم؛ و
• ${\displaystyle \omega }$التردد الزاوي،${\displaystyle 2\pi }$مضروبة في التردد بالهرتز .

وبالتالي: ^{[ 5 ]}

• إذا​${\displaystyle \scriptstyle X>0}$، يقال إن المفاعلة الكلية حثية؛
• إذا​${\displaystyle \scriptstyle X=0}$، عندئذٍ تكون المعاوقة مقاومة بحتة؛
• إذا​${\displaystyle \scriptstyle X<0}$، يقال إن المفاعلة الكلية سعوية.

لاحظ مع ذلك أنه إذا${\displaystyle X_{L}}$و${\displaystyle X_{C}}$إذا افترضنا أن كليهما موجب بحكم التعريف، فإن الصيغة الوسيطة تتغير إلى الفرق: ^{[ 7 ]}$${\displaystyle {X=X_{L}-X_{C}=\omega L-{\frac {1}{\omega C}}},}$$ لكن القيمة النهائية هي نفسها.

• المفاعلة المغناطيسية
• التقبل

• ميد، ر. (2002). أسس الإلكترونيات . سينجايج ليرنينج.
• شاميه، سي.؛ ماكومب، جي. (2011). الإلكترونيات للمبتدئين . جون وايلي وأولاده.
• يونغ، هيو د.؛ فريدمان، روجر أ.؛ فورد، أ. لويس (2004) [1949]. فيزياء جامعة سيرز وزيمانسكي (  الطبعة الحادية عشرة). سان فرانسيسكو: أديسون ويسلي . ISBN 0-8053-9179-7.

• المختبر الوطني للمغناطيس، المفاعلة الحثية