مولدات التيار المتردد

المولد هو جهاز يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربية. وهو يؤدي هذا عن  طريق تغيير الفيض المغناطيسي خلال ملف. مستحثاً بذلك ق. د. ك بين طرفي الملف ومن الناحية النظرية فإن الفيض يمكن تغييره إما بتحريك مغناطيسي بالنسبة للملف أو تحريك الملف بالنسبة للمغناطيس. وتحقيق العملية الثانية أسهل من الناحية التطبيقية وهي عادة ما تستعمل.

ويوضح الشكل ((1 رسماً تخطيطياً لمولد بسيط ، حيث تدار عروة من السلك بواسطة مصدر خارجي للطاقة ، في وجود المجال المغناطيسي للمغناطيسي. وتستبدل العروة عملياً بملف ملفوف حول قلب حديدي لكي يقوى التأثيرات وبدوران العروة عملياً فإن الفيض الذي يتخللها يتغير بشكل مستمر. ويستحدث هذا الفيض المتغير ق. د. ك في العروة ، وتؤدي هذه إلى تيار يمر في العروة في الاتجاه المشار إليه في الشكل. ويمكن استخدام هذا التيار في شغل مفيد مثل إضاءة بصيلة مصباح كما بالشكل.

نموذج لاستعراض عمل المولد وهو يدار باليد، وهو مكون من ملف دوار ومغناطيس يحيط به (يفدي هذا المغناطيس الكهربي بواسطة الملف المستطيل السفلي) ، وفرشتان حلقتي الانزلاق عل محور الملف (اللتان تتصلان بالطرفين الأحمرين).

ولابد أن يبذل مصدر الطاقة الخارجي الذي يدير الملف الحد الأدنى من الشغل ضد قوى الاحتكاك وذلك في مولد جيد التصميم. على أن لابد أن يبذل شغلاً ما لأن المولد ينتج تياراً يمكنه بذل شغل. ونستطيع إدراك كيفية حدوث التبادل بين الشغل عند المدخل والشغل عند المخرج ، إذ تذكرنا ما يحدث لسلك يحمل تياراً في ملف. وحيث أن السلك يمر خلال مجال مغناطيسي ، فإن التيار يتعرض لقوة بفضل المجال المغناطيسي. إن هذه القوة تكون في اتجاه يعاكس دوران الملف ، وكلما زاد التيار زادت القوة المعاكسة. وهكذا نرى أن المصدر الخارجي للطاقة عليه أن يبذل شغلاً لإدارة الملف ، وأنه كلما زاد التيار المسحوب من المولد للاستفادة منه في شغل مفيد ، كلما زاد الشغل الذي يبذله مصدر الطاقة الخارجي لإدارة الملف. وبهذا فإن مصدر الطاقة الذي يدير المولد هو الذي يوفر الطافة التي يستخدمها تيار المولد ليبذل شغلاً مفيداً. وقد يكون أحد مساقط المياه أو محركات الديزل مثالاً على المصدر الخارجي للطاقة. ولنفحص الآن عمل المولد بشيء من التفصيل حتى نتمكن من معرفة شكل ق. د. ك التي ينتجها. سنبدأ بتخيل ملف يحتوي على N عروة بدلاً من العروة البسيطة في الشكل ((1. يدور الملف حول المحور aa' في مجال مغناطيسي منتظم. ويلاحظ أن أحد طرفي الملف متصل بحلقة R بينما يتصل الطرف الثاني بالحلقة R. وتثبت هاتان الحلقتان ــ حلقنا الانزلاق ــ جيداً بالملف وتدوران معه كوحدة واحدة. ويتم الاتصال بين الحلقتين الدائرتين والطرفين الخارجين الثابتين بواسطة فرشاتين B و B' تنزلقان على الحلقتين. وقد تكون الفرشتان عبارة عن شريطين قصيرين من الصلب الزنبركي في المحركات البسيطة للغاية.

الشكل ((1 : عندما تدور العروة  في مجال مغناطيسي فإن ق. د. ك متردد تولد بين الطرفين B و B'.

وسنحاول التعرف على كيفية تولد ق. د. ك المستحثة بين طرفي الملف ، ولهذا سنرجع إلى الشكل (2 أ) حيث يفترض أن الملف يدور في الاتجاه المبين. وكما ترى فإنه يتحرك من وضع تكون خطوط المجال فيه متعامدة مع مستواه إلى وضع تمر الخطوط وكأنها تنزلق عليه. وبعبارة أخرى فإن الفيض الناتج عن خطوط المجال المتجهة إلى اليمين خلال الملف يتناقص ، وبسبب هذا التغير فإن ق. د. ك تستحث في الملف.

وسندرك عند استعمال قانون لنز أن ق. د. ك المستحثة في الملف بسبب الفيض المتغير ، تستحث هي الأخرى تياراً في الاتجاه المبين ، لكي تحاول المحافظة على الفيض خلال الملف ، أي تحاول معاكسة التغير .

على أنه تجب ملاحظة ما يحدث عندما يدور الملف بزاوية مقدارها 180^o من الوضع المبين. سيظل كل شيء في الشكل ( 2أ) كما هو فيما عدا أن النقطتين M و N سيتبادلان مكانيهما مع النقطتين Q و p. ونتيجة لهذا فإن التيار المستحث سيتجه الآن في اتجاه يعاكس ما كان عليه من قبل. ومن الواضح أن التيار المستحث في الملف سيظل يعكس اتجاهه كلما استمر الملف في الدوران.

الشكل :(2)تتواجد ق. د. ك مستحثة في الملف الدوار ، مما ينشأ عنه تيار مستحث في الملف.

وسنقوم الآن بتحليل الموقف بطريقة كمية حيث نحسب /ΔtΦΔ بالنسبة للملف ثم نستخدم قانون فاراداي لحساب ق. د. ك المستحثة. وتكون هذه الطريقة مناسبة جداً إذا لجأنا إلى حساب التفاضل والتكامل. على أن بإمكاننا اختيار تحليل الموقف بدلالة ق. د. ك الحركية.

سنحسب ق. د. ك المستحثة في الضلع MN الذي يتحرك بسرعة v خلال المجال وذلك بحساب v_┴ أولاً ، وهي مركبة السرعة v ، المتعامدة مع B بالرجوع إلى الشكل (2 ب) نجد أن v_┴ = v sin θ وبما أن الضلع MN والمجال B ، والسرعة v_┴ تتعامد فيما بينها فإن ق. د. ك المستحثة في MN ستكون :

وسندرك عند استعمال قاعدة اليد اليمنى بالنسبة لانحراف الشحنات الموجبة المتحركة أن اتجاه التيار المستحث يكون من N إلى  M في الضلع MN ومن Q إلى  p في الضلع PQ. ومن ثم فإن ق. د. ك مستحثة مماثلة في PQ سوف تتراكم مع ق. د. ك المستحثة في MN . يلاحظ ان الضلعين PN و MQ لا يقطعان خطوط المجال عند دوران الملف؛ ولهذا لن تستحدث ق. د. ك في هذين الضلعين.

ويمكن وضع هذه المعادلة في صورة أكثر ملاءمة ، إذا لاحظنا أن v هي السرعة المماسية للنقطة M وهي ترسم دائرة حول محور الدوران، فإذا كان نصف قطر هذه الدائرة هو  r فإن:

حيث w هي السرعة الزاوية الثابتة للملف و f هو تردد الدوران للملف أن ω تقاس بوحدات الزوايا النصف قطرية في الثانية ويقاس f بوحدات هيرتز. وبالإضافة إلى هذا ، فالزاوية θ هي ببساطة زاوية دوران العروة وتتزايد باستمرار حسب العلاقة :

وعد إجراء التعويض المناسب ، فإن ق. د. ك المستحثة تصبح :

ولكن 2ra ليست سوى مساحة العروة ولذا تكون النتيجة النهائية هي

(1)         

الشكل (3): تستحث قوة دافعة كهربية مترددة في ملف يدور في مجال مغناطيسي منتظم وتتغير ق. د. ك كدالة جيبية مع الزمن.

وعندما نتعامل مع ملف به N لفة بدلاً من عروة منفردة فإن ق. د. ك ستكون أكبر N مرة.

وكما هو واضح، فإن ق. د. ك المستحثة في ملف دوار تتغير كدالة جيبية مع الزمن كما يبين ذلك الشكل ((3 ، حيث تصل ق. د. ك المستحثة ( او الفولطية) إلى قيمتها القصوى عندما يكون sin 2πf t = 1 ، وعندئذ تصبح قيمتها العظمى هي .2πfABN من المنطقي إذن أن الفولطية القصوى تكون كبيرة عند قيم f الكبيرة (أي أن الفيض يتغير بسرعة) ، وعند قيم A و B الكبيرة ( أي عندما يكون الفيض نفسه كبيراً) ، عندما يكون عدد اللفات بالملف كبيراً.

وكثيراً ما تكتب المعادلة(1) على الصورة البديلة التالية:

حيث تعبر V عن قيمة الفولطية عند أية لحظة t ، V₀ عن القيمة القصوى لها. ومن الواضح أن الفولطية في الملف الدوار تتغير كدالة جيبية وتعكس اتجاهها مرتين في كل  دورة.

وهكذا يصير واضحاً مما تقدم أن ملف السلك الذي يدور بسرعة زاوية ثابتة في مجال مغناطيسي ، ستتولد عند طرفيه ق. د. ك مترددة. ولو أن مثل ها المولد هو المستخدم كمصدر للقدرة في الدائرة البسيطة المبينة في الشكل ((4 ، فإن التيار المار في المقاوم سيعكس اتجاه 2f مرة كل ثانية.

وعادة ما تكون مولدات التيار المتردد التي تستخدمها شركات توزيع القوى الكهربائية إلا أن نظرية ملها الأساسية هي نفسها. والطاقة الميكانيكية اللازمة لإدارة الملف يتم توفيرها عادة باستخدام توربينات بخارية أو بقوى اندفاع الماء. وسنتناول بإيجاز عملية تحويل الطاقة في نظام كالموضح في الشكل ((4.

الشكل (:(4 دائرة تيار متردد بسيطة.

وعندما تكون الدائرة مفتوحة بحيث لا يمر بها تيار خلال ملف المولد ، فإن القدر اليسيرة من القوة سيكون كافياً لإدارة الملف. ولكن بمجرد أن يسحب تيار من المولد (الملف)، فإن المجال المغناطيسي يؤثر بقوة على أسلاك المولد الحاملة للتيار، وتكون هذه القوة بحيث تحاول إيقاف الملف عن الدوران. ومن ثم فالطاقة الميكانيكية التي يغذي بها المولد تعتمد على مقدار التيار المسحوب من نفس المولد. أي أن المزيد من التيار يتطلب المزيد من الطاقة الميكانيكية.