في العالم الحديث ، يتعرض كل شخص للكهرباء منذ الطفولة. يعود أول ذكر لهذه الظاهرة الطبيعية إلى زمن الفلاسفة أرسطو وطاليس ، اللذين كانا مفتونين بالخصائص المذهلة والغامضة للتيار الكهربائي. ولكن في القرن السابع عشر فقط بدأت العقول العلمية العظيمة سلسلة من الاكتشافات المتعلقة بالطاقة الكهربائية والتي استمرت حتى يومنا هذا.
أدى اكتشاف التيار الكهربائي وإنشاء مايكل فاراداي في عام 1831 لأول مولد في العالم إلى تغيير جذري في حياة الإنسان. لقد اعتدنا على حقيقة أن حياتنا أصبحت أسهل من خلال الأجهزة التي تستخدم الطاقة الكهربائية ، ولكن حتى الآن لا يفهم معظم الناس هذه الظاهرة المهمة. بادئ ذي بدء ، لفهم المبادئ الأساسية للكهرباء ، من الضروري دراسة تعريفين أساسيين: التيار الكهربائي والجهد.
محتوى
ما هو التيار الكهربائي والجهد
كهرباء هي الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة (ناقلات الشحنة الكهربائية). حاملات التيار الكهربائي هي الإلكترونات (في المعادن والغازات) ، الكاتيونات والأنيونات (في المنحلات بالكهرباء) ، ثقوب في توصيل ثقب الإلكترون. تتجلى هذه الظاهرة من خلال إنشاء مجال مغناطيسي ، أو تغيير في التركيب الكيميائي أو تسخين الموصلات. الخصائص الرئيسية للتيار هي:
- القوة الحالية ، التي يحددها قانون أوم وتقاس بالأمبير (لكن) ، في الصيغ يُشار إليه بالحرف الأول ؛
- الطاقة ، وفقًا لقانون جول لينز ، مقاسة بالواط (الثلاثاء) ، يُشار إليها بالحرف P ؛
- التردد مُقاسًا بالهرتز (هرتز).
يستخدم التيار الكهربائي ، كحامل للطاقة ، للحصول على الطاقة الميكانيكية باستخدام المحركات الكهربائية ، للحصول على الطاقة الحرارية في أجهزة التدفئة واللحام الكهربائي والسخانات ، لإثارة الموجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات المختلفة ، لإنشاء مجال مغناطيسي في المغناطيس الكهربائي والحصول على الضوء الطاقة في تركيبات الإضاءة وأنواع مختلفة من المصابيح.
الجهد االكهربى هو الشغل الذي يقوم به المجال الكهربائي لتحريك شحنة مقدارها 1 قلادة (Cl) من نقطة موصل إلى أخرى. بناءً على هذا التعريف ، لا يزال من الصعب فهم ماهية الإجهاد.
لكي تنتقل الجسيمات المشحونة من قطب إلى آخر ، من الضروري إنشاء فرق جهد بين هذين القطبين (هذا ما يسمى التوتر.). وحدة الجهد هي الفولت (في).
لفهم تعريف التيار الكهربائي والجهد في النهاية ، يمكن إعطاء تشبيه مثير للاهتمام: تخيل أن الشحنة الكهربائية هي ماء ، ثم ضغط الماء في العمود هو الجهد ، وسرعة تدفق الماء في الأنبوب هي قوة التيار الكهربائي. كلما زاد الجهد ، زاد التيار الكهربائي.
ما هو التيار المتردد
إذا قمت بتغيير قطبية الإمكانات ، فإن اتجاه تدفق التيار الكهربائي يتغير. هذا هو التيار الذي يسمى المتغير. يسمى عدد تغيرات الاتجاه خلال فترة زمنية معينة التردد ويتم قياسه ، كما هو مذكور أعلاه ، بالهرتز (هرتز). على سبيل المثال ، في شبكة كهربائية قياسية في بلدنا ، يكون التردد 50 هرتز ، أي أن اتجاه الحركة الحالية يتغير 50 مرة في الثانية.
ما هو التيار المباشر
عندما يكون للحركة المنظمة للجسيمات المشحونة دائمًا اتجاه واحد فقط ، فإن هذا التيار يسمى ثابتًا. يحدث التيار المباشر في شبكة جهد ثابت عندما تكون قطبية الشحنات على جانب والآخر ثابتة بمرور الوقت. غالبًا ما يستخدم في العديد من الأجهزة والتقنيات الإلكترونية ، عندما لا يكون نقل الطاقة لمسافات طويلة مطلوبًا.
مصادر التيار الكهربائي
مصدر التيار الكهربائي عادة ما يسمى الجهاز أو الجهاز الذي يمكن بواسطته إنشاء تيار كهربائي في الدائرة. يمكن لهذه الأجهزة أن تخلق كلاً من التيار المتردد والتيار المباشر. وفقًا لطريقة إنشاء تيار كهربائي ، يتم تقسيمها إلى ميكانيكي وخفيف وحراري وكيميائي.
ميكانيكي مصادر التيار الكهربائي تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.هذه المعدات من أنواع مختلفة. مولدات كهرباء، والتي ، بسبب دوران المغناطيس الكهربائي حول ملف المحركات غير المتزامنة ، تنتج تيارًا كهربائيًا متناوبًا.
خفيفة مصادر تحويل طاقة الفوتون (الطاقة الضوئية) في الكهرباء. يستخدمون خاصية أشباه الموصلات لإنتاج الجهد عند تعرضهم لتدفق الضوء. الألواح الشمسية هي أحد هذه الأجهزة.
حراري - تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء بسبب اختلاف درجات الحرارة بين زوجين من أشباه الموصلات - المزدوجة الحرارية. يرتبط حجم التيار في مثل هذه الأجهزة ارتباطًا مباشرًا بفرق درجة الحرارة: فكلما زاد الاختلاف ، زادت القوة الحالية. يتم استخدام هذه المصادر ، على سبيل المثال ، في محطات الطاقة الحرارية الأرضية.
المواد الكيميائية مصدر تيار ينتج الكهرباء نتيجة تفاعلات كيميائية. على سبيل المثال ، تشتمل هذه الأجهزة على أنواع مختلفة من البطاريات والمراكم الجلفانية. عادةً ما تُستخدم المصادر الحالية القائمة على الخلايا الجلفانية في الأجهزة المستقلة والسيارات والتكنولوجيا وهي مصادر حالية مباشرة.
AC لتحويل DC
تستخدم الأجهزة الكهربائية في العالم التيار المباشر والمتناوب. لذلك ، هناك حاجة لتحويل تيار إلى آخر أو العكس.
من التيار المتردد ، يمكن الحصول على التيار المباشر باستخدام جسر الصمام الثنائي أو ، كما يطلق عليه أيضًا ، "المعدل". جوهر المعدل هو الصمام الثنائي شبه الموصل الذي يوصل الكهرباء في اتجاه واحد فقط. بعد هذا الصمام الثنائي ، لا يغير التيار اتجاهه ، ولكن تظهر تموجات يتم التخلص منها بمساعدة المكثفات وفلاتر أخرى. تتوفر المقومات في إصدارات ميكانيكية أو كهربائية أو أشباه الموصلات.
اعتمادًا على جودة تصنيع مثل هذا الجهاز ، سيكون للتموج الحالي عند الخرج قيمة مختلفة ، كقاعدة عامة ، كلما كان الجهاز أكثر تكلفة وأفضل ، كلما قل التموج وكان التيار أكثر نظافة. مثال على هذه الأجهزة مزودات الطاقة أجهزة وشواحن مختلفة ، مقومات لمحطات الطاقة الكهربائية في وسائط النقل المختلفة ، ماكينات اللحام بالتيار المستمر وغيرها.
تستخدم العواكس لتحويل التيار المباشر إلى التيار المتردد. تولد مثل هذه الأجهزة جهدًا متناوبًا مع الجيب. هناك عدة أنواع من هذه الأجهزة: محولات ذات محركات كهربائية ومرحل وإلكتروني. تختلف جميعها عن بعضها البعض في جودة التيار المتردد الناتج والتكلفة والحجم. مثال على هذا الجهاز هو مصادر الطاقة غير المنقطعة ، أو العاكسات في السيارات أو ، على سبيل المثال ، في محطات الطاقة الشمسية.
أين يتم استخدامه وما هي مزايا التيار المتردد والمباشر
قد تتطلب المهام المختلفة استخدام كل من AC و DC. كل نوع من أنواع التيار له مزاياه وعيوبه.
التيار المتناوب غالبًا ما تستخدم عندما تكون هناك حاجة لنقل التيار عبر مسافات طويلة. من الأنسب نقل مثل هذا التيار من وجهة نظر الخسائر المحتملة وتكلفة المعدات. هذا هو السبب في أن معظم الأجهزة والآليات الكهربائية تستخدم فقط هذا النوع من التيار.
تقع المنازل والمنشآت السكنية والبنية التحتية ومنشآت النقل على مسافة من محطات توليد الطاقة ، لذا فإن جميع الشبكات الكهربائية تعمل بالتيار المتردد. تغذي هذه الشبكات جميع الأجهزة المنزلية والمعدات الصناعية وقاطرات القطار. هناك عدد لا يُصدق من الأجهزة التي تعمل بالتيار المتردد ومن الأسهل بكثير وصف تلك الأجهزة التي تستخدم التيار المباشر.
دي سي تستخدم في الأنظمة المستقلة ، مثل أنظمة السيارات أو الطائرات أو السفن أو القطارات الكهربائية الموجودة على متن الطائرة. يستخدم على نطاق واسع في إمداد الطاقة للدوائر الدقيقة للإلكترونيات المختلفة ، في الاتصالات وغيرها من المعدات ، حيث يكون مطلوبًا لتقليل مقدار التداخل والتموج أو القضاء عليه تمامًا. في بعض الحالات ، يتم استخدام مثل هذا التيار في اللحام الكهربائي بمساعدة العاكسات. حتى أن هناك قاطرات للسكك الحديدية تعمل على أنظمة التيار المستمر. في الطب ، يتم استخدام مثل هذا التيار لإدخال الأدوية إلى الجسم باستخدام الرحلان الكهربائي ، ولأغراض علمية لفصل المواد المختلفة (الرحلان الكهربائي للبروتين ، إلخ.).
التعيينات على الأجهزة الكهربائية والرسوم البيانية
غالبًا ما تكون هناك حاجة لتحديد التيار الذي يعمل فيه الجهاز. بعد كل شيء ، فإن توصيل جهاز يعمل بالتيار المباشر بشبكة كهربائية ذات تيار متناوب سيؤدي حتمًا إلى عواقب غير سارة: تلف الجهاز ، والحريق ، والصدمة الكهربائية. لهذا ، هناك قبول بشكل عام الاتفاقيات لمثل هذه الأنظمة وحتى الترميز اللوني للأسلاك.
تقليديا ، على الأجهزة الكهربائية التي تعمل على التيار المباشر ، يشار إلى خط واحد أو خطين صلبين أو خط متصل مع خط منقط يقع أحدهما أسفل الآخر. أيضًا ، يتم تمييز هذا التيار بتسمية بأحرف لاتينية العاصمة. يتم تلوين العزل الكهربائي للأسلاك في أنظمة التيار المستمر للسلك الموجب باللون الأحمر أو السلك السالب باللون الأزرق أو الأسود.
على الأجهزة والآلات الكهربائية ، يشار إلى التيار المتردد بالاختصار الإنجليزي تيار متردد أو خط متموج. في المخططات وفي وصف الأجهزة ، يشار إليها أيضًا بخطين: صلب ومائج ، يقع أحدهما تحت الآخر. يتم تعيين الموصلات في معظم الحالات على النحو التالي: المرحلة بنية أو سوداء ، والصفر أزرق ، والأرض صفراء وخضراء.
لماذا يتم استخدام التيار المتردد في كثير من الأحيان
أعلاه ، لقد تحدثنا بالفعل عن سبب استخدام التيار المتردد حاليًا أكثر من التيار المباشر. ومع ذلك ، دعونا نلقي نظرة على هذه المسألة بمزيد من التفصيل.
كان الجدل حول أي تيار أفضل للاستخدام مستمرًا منذ الاكتشافات في مجال الكهرباء. حتى أن هناك ما يسمى "حرب التيارات" - المواجهة بين توماس إديسون ونيكولا تيسلا لاستخدام أحد أنواع التيار. استمر الصراع بين أتباع هؤلاء العلماء العظماء حتى عام 2007 ، عندما تحولت مدينة نيويورك إلى التيار المتردد من التيار المباشر.
أكبر سبب لاستخدام مكيف الهواء في كثير من الأحيان هو القدرة على نقلها لمسافات طويلة بأقل خسائر. كلما زادت المسافة بين المصدر الحالي والمستهلك النهائي ، زادت المقاومة الأسلاك وفقدان الحرارة للتدفئة.
من أجل الحصول على أقصى طاقة ، من الضروري زيادة سماكة الأسلاك (وبالتالي تقليل المقاومة) ، أو زيادة الجهد.
في أنظمة التيار المتردد ، يمكنك زيادة الجهد بأقل سماكة للأسلاك ، وبالتالي تقليل تكلفة الخطوط الكهربائية. بالنسبة للأنظمة ذات التيار المباشر ، لا توجد طرق ميسورة التكلفة وفعالة لزيادة الجهد ، وبالتالي من الضروري بالنسبة لمثل هذه الشبكات إما زيادة سمك الموصلات ، أو بناء عدد كبير من محطات توليد الطاقة الصغيرة. كلتا الطريقتين مكلفتين وتزيدان بشكل كبير من تكلفة الكهرباء مقارنة بشبكات التكييف.
بمساعدة المحولات الكهربائية ، يكون جهد التيار المتردد فعالاً (بكفاءة تصل إلى 99٪) في أي اتجاه من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى للقيم ، والتي تعد أيضًا إحدى المزايا المهمة لشبكات التيار المتردد. يزيد استخدام نظام التيار المتردد ثلاثي الطور من الكفاءة ، كما أن الآلات مثل المحركات التي تعمل بطاقة التيار المتردد تكون أصغر بكثير وأرخص وأسهل في الصيانة من محركات التيار المستمر.
بناءً على ما سبق ، يمكننا أن نستنتج أن استخدام التيار المتردد مفيد في الشبكات الكبيرة وعند نقل الطاقة الكهربائية عبر مسافات طويلة ، وللتشغيل الدقيق والفعال للأجهزة الإلكترونية وللأجهزة المستقلة ، فمن المستحسن استخدام التيار المباشر.
مقالات مماثلة:
