الملف الكهربائي هو أبسط أشكال المكونات الكهربائية، يصمم بعناية وفق عدة افتراضات ليلائم التطبيقات المستخدم فيها. فهي شائعة في الصناعات والمعدات الطبية ومعدات الكهرباء. نقدم في هذا المقال ماهيّة الملف الكهربائي وأنواعه.
تعريف الملف الكهربائي
الملف الكهربائي أو الملف الكهرومغناطيسي هو موصل كهربائي يوفر الحث في الدائرة الكهربائية بما يعارض تدفق التيار. يحتوي الملف على سلسلة من الأسلاك الموصلة للكهرباء ملفوفة حول قلب مغناطيسي حديدي أسطواني أو حلقي. تستخدم الملفات في المولدات والمحركات الكهربائية، لإيصال التيار بكفاءة. يمكن تصنيف الأسلاك على اعتبار عدة افتراضات، فتصنف وفق مقياس السلك أو قطره أو طوله أو عدد حلقاته أو نوع المادة المستخدمة.
كيف تصنع ملف كهربائي
السلك المستخدم في الملف هو سلك من مادة موصلة معزولة يبدل الطاقة الكهربائية بطاقة مغناطيسية. فيكون السلك مصنوع من النحاس غالباً أو الألمنيوم، يتم اختيار درجة عالية من نقاء النحاس عند استخدام الملفات في تطبيقات ذات درجة حرارة عالية أو بعض المحركات التي تستخدم غاز الهيدروجين.
تدعى نسبة منطقة الأسلاك ومساحة اللف بعامل التعبئة والتي غالباً تتراوح بين 0.01 و 0.05، التعبئة الكثيفة للأسلاك المستديرة تقلل من مساحة الهواء فيزيد عامل التعبئة وهذا بدوره يزيد من كفاءة الجهاز الكهربائي ويحسّن توصيله.
يتم طلي الأسلاك بالذهب والفضة والنيكل ويغطى بمادة عازلة في البيئات التي تتدهور فيها الظروف أو تتلف الأسلاك فتزيد خصائص الملف في التوصيل. ويتم عزل مواد الملفات الكهربائية بمجموعة متنوعة من المواد وفقاً لدرجة حرارة تطبيقها. يتم استخدام البولميد مع PVC البولفينيل في التطبيقات التي تصل درجة الحرارة فيها إلى 250 درجة مئوية حيث تعزز مادة العزل التحمل الحراري وتحمي السلك. يستخدم كلوريد البوليفنيل PVC في عزل الملفات في تطبيقات تتراوح درجة حرارتها بين (-20) و (+60) درجة مئوية.
في حين يتم استخدام البولي يوريثين في البيئات القاسية والخطرة بسبب مقاومتها الكيميائية العالية ولكن عادةً لا تستخدم الملفات المعزولة بهذه المادة في التطبيقات الكهربائية. ويستخدم العازل البوليستر أيضاً بسبب مقاومته الشديدة للتآكل فيواجه الرياح والمذيبات ومقاوم للحرارة.
يتم تصميم القلب الكهربائي للملف الكهربائي وأنواعه كلها لينتج الحقل الكهربائي من عدة مواد يحددها قوة الحقل المغناطيسي وحث الملف. قد يكون القلب من الحديد أو صفائح الحديد المعزولة أو المعادن الزجاجية أو السيراميك وحتّى من السيليكون وعدة مواد أخرى.
انواع الملفات الكهربائية
يتم اختيار نوع الملف الكهربائي بحسب استخدامه فيختلف الملف المستخدم في محركات التيار المستمر عن الملف المستخدم في محركات التيار المتناوب. بحيث يتفاعل الملف الكهربائي مع المجال المغناطيسي وإليك أهم أنواع الملفات الكهربائية:
ملفات المحولات transformer coils
تحول هذه الملفات الجهد من دارة كهربائية إلى دارة أخرى فترفع الجهد أو تخفضه من خلال الحث الكهرومغناطيسي.
ملفات حلقية Toroidal coils
يلف السلك حول قلب دائري مفتوح المركز بما يساعد على خفض التسرب المغناطيسي خارج الملف واحتوائه. يستخدم هذا النوع في تطبيقات النقل والصوت.
ملفات مغطاة بشريط Tape wrapped coils
يتم تغطية الملف بشريط مانع للتسرب لحمايته من العوامل الخارجية والأوساخ في البيئات التي لا تحتوي على مواد كيميائية ومذيبات. يتميز هذا النوع بأنه أقل تكلفة مقارنة بالأنواع الأخرى.
ملفات الوشيعة Bobbin Wound Coils
يلف سلك الملف الكهرومغناطيسي حول قلب بلاستيكي، يستخدم هذا الملف في الأجهزة الطبية المختلفة وأجهزة الاستشعار والتتابع.
ملف الجهد العالي high voltage coil
تستخدم ملفات الجهد العالي حيث الجهد أعلى من المستوى الآمن أي 100 فولت وما فوق بالنسبة لدارات التيار المتناوب و500 فولت بالنسبة لدارات التيار المستمر حيث يشكل التيار هنا خطراً بسبب الشرر والصدمة والكهربائية. يوجد من هذه الملفات نوعان هما:
- ملف تسلا Tesla coil: هو عبارة عن وشيعتان من الأسلاك النحاسية أي دائرتان كهربائيتان متصلتان بفجوة. فإذاً يعتبر ملف تسلا مذبذب تردد لا سلكي يستخدم في محولات الطنين لجعل الجهد بقيم أخفض.
- ملف الاشتعال lgnition coil : على خلاف تسلا يساعد ملف الاشتعال بتحويل قيمة الجهد في الدارة الكهربائية إلى قيمة أعلى. لذلك شاع استخدام الملف في صناعة السيارات.
ملفات مشبعة Impregnated coils
يتم ملئ الفراغ الموجود في الملف بالراتينج أو مادة أخرى لتقليل حركة الموصلات. يتميز هذا الملف بعمر طويل وعازلية جيدة ويمكن أن يعمل في درجات حرارة عالية جداً.
الملفات اللوبية selenoid coils
يكون قلب الملف اللولبي معدني موصول مع مركز مجوف وسلك ملفوف حول هذا المركز. يساعد هذا التصميم في مساعدة تيار الملف على توليد حقل مغناطيسي ينتج عنه جهد مغناطيسي. يؤدي ذلك إلى توليد قوة مغناطيسية أي حركة ميكانيكية.
ملفات الصوت Voice coils
يتكون ملف الصوت من سلك وبكرة يتم تحديد حجمها من خلال قطر فجوة الملف. استخدم الملف في البداية تحريك مخروط السماعة. بينما اليوم يقوم بتحويل الإشارات الكهربائية على طاقة مغناطيسية عالية.
كيفية عمل الملف الكهربائي
الهدف من استخدام الملف الكهربائي وأنواعه هو توليد حقل مغناطيسي تتناسب قوته طرداً مع التيار المتدفق في الحقل. حيث بمجرد زيادة التيار تزداد قوة الحقل المغناطيسي والعكس صحيح. والأسلاك الموصلة تنتج الحقل المغناطيسي عند مرور التيار فيها بعدما تكون ملفوفة بطريقة ما لتشكل حلقات هي المسؤولة عن التوليد. تختلف قدرة الملف على القيام بوظائفه تبعاً لمحاثة الملف والتي تتأثر بالعوامل التالية:
- عدد الملفات.
- القلب.
- المقطع العرضي.
- طول الملف.
إذا افترضنا دائرة كهربائية تحتوي على ملف وتم تغذيتها بالطاقة الكهربائية. يمر التيار عبر المقامة إلى الملف الكهربائي. يحافظ الملف على الاستقرار ويقاوم التيار في البداية ثم يسمح له بالمرور. عند انقطاع التيار يحافظ الملف على تدفق التيار ويقاوم التغيير، فتستمر الكهرباء بالمرور. هذه العملية تكاد لا تلاحظ بسبب سرعتها.
