عبدالله خيرييوجد نوعان مختلفان من التيار يمكنهما السريان في الدوائر الكهربية: التيار المتردد (AC) والتيار المستمر (DC). في التيار المستمر تسري الشحنات الكهربية (charges) في اتجاه واحد، بينما على الجانب الآخر في التيار المتردد تغير الشحنات اتجاهها دورياً أثناء السريان. الجهد أيضاً في دوائر التيار المتردد (AC circuits) ينعكس بشكل دوري بسبب تغيير اتجاه التيار.
معظم الإلكترونيات الرقمية التي نقوم ببنائها تعتمد على التيار المستمر لتشغيلها. لكن من المهم أن نفهم التيار المتردد أيضاً. معظم المنازل مجهزة بأسلاك تنقل التيار المتردد، لذلك إذا كنت تريد تشغيل أحد مشاريعك التي تعمل بالتيار المستمر فعليك أن تستخدم محول تيار متردد إلى تيار مستمر.
للتيار المتردد خصائص مفيدة أخرى مثل أنه يمكن تغيير قيم الجهد الخاصة به باستخدام مُكون واحد (المحول الكهربي (transformer))، ولهذا يتم استخدام التيار المتردد بشكل أساسي لنقل الطاقة الكهربية لمسافات طويلة.
محتويات هذا الدرس
• تاريخ التيار المتردد والتيار المستمر
• الطرق المختلفة لتوليد التيار المتردد والتيار المستمر
• أمثلة تطبيقية للتيار المتردد والتيار المستمر
مواضيع مقترحة للقراءة
• ما هي الكهرباء (Electricity)؟
• ما هي الدائرة الكهربية (Circuit)؟
• الجهد (Voltage)، التيار، المقاومة (Resistance)، وقانون أوم (Ohm’s Law)
• القدرة الكهربية (Electric Power)
التيار المتردد (AC)
يصف التيار المتردد سريان الشحنات التي تغير اتجاهها بشكل دوري. ونتيجة لذلك تتغير (تنعكس) أيضاً قيمة الجهد مع تغير التيار. يُستخدم التيار المتردد لإمداد الطاقة إلى المنازل، المكاتب، المباني، وغير ذلك.
توليد التيار المتردد
يمكن إنتاج التيار المتردد باستخدام جهاز يُسمى المُرَدِّد (أو مولد التيار المتردد) (alternator). هذا الجهاز هو عبارة عن نوع خاص من المولدات الكهربية مُصمم لإنتاج التيار المتردد.
يتم إدارة ملف من السلك بداخل مجال مغناطيسي، مما ينتج عنه سريان تيار بطول السلك. دوران هذا السلك يمكن أن يحدث بأكثر من وسيلة: توربينات الرياح، التوربينات البخارية، الماء الجاري، وغير ذلك. بسبب دوران السلك ووقوعه تحت تأثير قطبية مغناطيسية تختلف دورياً فإن الجهد والتيار التولدان في السلك يتغيران بشكل دوري أيضاً.
الشكل التالي يمثل محاكاة للتيار المتردد باستخدام الماء:
لتوليد التيار المتردد في مجموعة من أنابيب الماء نقوم بتوصيل كرنك (crank) بمكبس يقوم بتحريك الماء بداخل الأنابيب للأمام والخلف (لذلك يُسمى “متردد”). لاحظ أن القطاع الضيق من الأنبوب يمثل “المقاومة” لسريان الماء بغض النظر عن اتجاه السريان.
الأشكال الموجية (waveforms)
للتيار المتردد أشكال عديدة يمكن أن يتواجد عليها طالما أن التيار والجهد يتغيران. إذا قمنا بتوصيل راسم اهتزازات (oscilloscope) في دائرة تعمل بالتيار المتردد ثم قمنا برسم مخطط لتغير الجهد مع مرور الزمن فربما نلاحظ عدداً من الأشكال الموجية المختلفة. وأكثر أشكال التيار المتردد شيوعاً هي الموجة الجيبية (sine wave). التيار المتردد في معظم المنازل والمكاتب له جهد متذبذب ينتج عنه موجة جيبية.
من الأشكال الأخرى الشائعة للتيار المتردد الموجة المربعة والموجة المثلثية:
غالباً تُستخدم الموجات المربعة في الإلكترونيات الرقمية وإلكترونيات التحويل لاختبار عملها.
تستخدم الموجات المثلثية في توليف الصوت (sound synthesis)، ومفيدة أيضاً في اختبار الإلكترونيات الخطية مثل المضخمات (amplifiers).
وصف الموجة الجيبية
عادة نقوم بشرح الشكل الموجي للتيار المتردد بأسلوب رياضي. في هذا المثال سنستخدم الموجة الجيبية الشائعة. هناك ثلاثة أشياء تتعلق بأي موجة جيبية: السعة (amplitude)، التردد (frequency)، والطور (phase).
فيما يتعلق بالجهد يمكننا وصف الموجة الجيبية بواسطة هذه الدالة الرياضية:
V(t) هو الجهد كدالة في الزمن، وهذا يعني أن الجهد يتغير بتغير الزمن. أما المعادلة على اليمين فتصف كيفية تغير الجهد بتغير الزمن.
Vp هو السعة، تصف السعة أقصى جهد تستطيع موجتنا الجيبية الوصول إليه في أي من الاتجاهين، وهذا يعني أن الجهد يمكن أن يكون +Vp أو -Vp أو أي قيمة أخرى تقع بينهما.
دالة الجيب (sin()) تشير إلى أن الجهد يكون في شكل موجة جيبية دورية، أي يكون هناك تذبذب سلس في كلا الاتجاهين حول الجهد صفر.
2π هو ثابت وظيفته تحويل التردد من دورات (cycles) بالهرتز (hertz) إلى تردد زاوي (angular frequency) مقاساً بالراديان في الثانية (rad/s).
f تعبر عن تردد الموجة الجيبية, ووحدة التردد الهرتز (hertz) أو وحدة لكل ثانية (units per second). التردد يخبرنا عن عدد مرات حدوث شكل موجي (في هذه الحالة دورة واحدة للموجة الجيبية، ارتفاع ثم انخفاض) معين خلال ثانية واحدة.
t يعبر عن المتغير المستقل: الزمن (مقاساً بالثواني). كلما تغير الزمن يتغير تبعاً له الشكل الموجي.
φ يعبر عن الطور الخاص بالموجة الجيبية. يقيس الطور مدى تغير الشكل الموجي بالنسبة للزمن، وغالباً يُعطى رقماً يقع بين 0 و 360 ويقاس بالدرجات. بسبب الطبيعة الدورية للموجة الجيبية، إذا انتقل الشكل الموجي 360° يصبح نفس الشكل الموجي مجدداً، أي كأنما تغير 0°. للتبسيط سنفترض أن الطور يساوي 0° في باقي هذا الدرس.
يمكننا استخدام مأخذ التيار الموجود في المنزل كمثال على الشكل الموجي للتيار المتردد. الطاقة الكهربية الموصلة للمنازل في الولايات المتحدة عبارة عن تيار متردد أقصى جهد له (سعته) 170V وتردده 60Hz. يمكن إدخال هذه الأرقام في الدالة السابقة للحصول على المعادلة التالية (لاحظ أننا نفرض أن الطور يساوي 0):
يمكننا أيضاً استخدام الآلة الحاسبة التي تقوم بمثيل الرسوم البيانية لتمثيل هذه المعادلة. إذا لم يكن لديك آلة حاسبة تقوم بتمثيل الرسوم البيانية يمكنك الاستعانة ببرنامج من على الانترنت لرسم الرسوم البيانية مثل Desmos (لاحظ أنه ربما يجب عليك استخدام (y) بدلاً من (v) في المعادلة للتمثيل البياني).
من الرسم نلاحظ أن الجهد يرتفع إلى 170V ثم يهبط إلى -170V بشكل دوري، وتحدث 60 دورة للموجة السينية كل ثانية. إذا كان يمكننا قياس الجهد الخاص بمأخذ التيار بواسطة راسم ذبذبات (oscilloscope) فهذا الرسم السابق هو ما سنشاهده. (تحذير: لا تحاول قياس جهد مأخذ التيار بواسطة راسم الذبذبات! لأن ذلك من المحتمل أن يتلف الجهاز).
ملحوظة: ربما تكون قد سمعت من قبل أن التيار المتردد في الولايات المتحدة 120V، هذا أيضاً صحيح. كيف ذلك؟ عندما نتحدث عن التيار المتردد، لأن الجهد يتغير بشكل دوري ثابت فعادة يكون من الأسهل استخدام المتوسط (average or mean). لتحقيق ذلك نقوم باستخدام طريقة تسمى جذر متوسط المربع (Root mean squared (RMS)). من المفيد استخدام جذر متوسط المربع مع التيار المتردد عند الحاجة لحساب القدرة الكهربية. في مثالنا السابق رغم أن الجهد يتراوح بين 170V و-170V إلا أن جذر متوسط المربع هو 120VV.
تطبيقات
مآخذ التيار في المنازل والمكاتب تحتوي في معظمها تيار متردد. هذا لأن توليد التيار المتردد ونقله عبر مسافات طويلة سهل نسبياً. في الجهود العالية (أكثر من 110 ألف فولت) تُفقد طاقة أقل أثناء عملية نقل الكهرباء. كلما زاد الجهد قل التيار، وكلما قل التيار قلت الحرارة المتولدة في خطوط الكهرباء عالية الضغط نتيجة لمقاومتها. يمكن تحويل التيار المتردد من وإلى جهود عالية بسهولة باستخدام المحولات (transformers).
يستطيع التيار المتردد أيضاً تشغيل المحركات. المحركات والمولدات هي نفس الأجهزة تماماً، لكن المحركات تقوم بتحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة ميكانيكية (إذا تمت إدارة محور محرك ما يتولد جهد كهربي عند طرفيه!). هذا مفيد للغاية في العديد من الأجهزة المنزلية مثل غسالات الصحون، الثلاجات، وغيرها الكثير من الأجهزة التي تعمل بالتيار المتردد.
التيار المستمر (DC)
التيار المستمر أسهل في الفهم من التيار المتردد. فبدلاً من التذبذب لأعلى (قيمة موجبة) ولأسفل (قيمة سالبة) نجد أن التيار المستمر (DC) عبارة عن جهد ثابت أو تيار ثابت.
توليد التيار المستمر
يمكن توليد التيار المستمر بواسطة عدد من الطرق:
• استخدام مولد تيار متردد مزود بجهاز يسمى “عاكس التيار (commutator)” لتوليد تيار مستمر.
• استخدام جهاز يسمى “مقوم التيار (rectifier)” لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر.
• البطاريات تمدنا بتيار مستمر ينتج عن تفاعل كيميائي يحدث بداخل البطارية.
عند تشبيه التيار المستمر بنظام مائي يكون التيار المستمر مشابهاً لخزان مملوء بالماء يحتوي على خرطوم في نهايته.
يستطيع هذا الخزان دفع الماء في اتجاه واحد فقط: خارج الخرطوم. وتماماً مثل البطارية التي تولد تيار مستمر، عندما يفرغ الخزان يتوقف الماء عن السريان خلال الخرطوم.
وصف التيار المستمر
يعرف التيار المستمر بأنه سريان “أحادي الاتجاه” للتيار؛ فالتيار يسري في اتجاه واحد فقط. لا يمكن أن يتغير الجهد والتيار مع مرور الوقت طالما أن اتجاه السريان لم يتغير. لتبسيط ذلك سنفترض أن ذلك الجهد ثابت. على سبيل المثال نفترض أن بطارية (AA) تزودنا بجهد ثابت قيمته 1.5V ، وهو ما يمكن التعبير عنه بطريقة رياضية:
إذا قمنا بعمل تمثيل بياني للجهد مقابل الوقت سنحصل على جهد ثابت:
ماذا يعني هذا؟ يعني أنه يمكننا الاعتماد على معظم مصادر التيار المستمر لتزويدنا بجهد ثابت مع مرور الوقت. واقعياً تفقد البطاريات شحنتها تدريجياً مما يعني أن الجهد يقل مع استخدام البطارية. لكن في معظم الأغراض يمكننا الافتراض أن الجهد ثابت.
تطبيقات
معظم المشاريع الإلكترونية تعمل بالتيار المستمر. أي شيء يعمل بالبطاريات، أو يتم توصيله إلى مأخذ التيار بواسطة محول تيار متردد (AC adapter)، أو يعتمد على مخرج USB كمصدر للطاقة هو في الواقع يعمل بتيار مستمر.
تشمل الإلكترونيات العاملة بالتيار المستمر:
• الهواتف المحمولة
• شاشات التلفاز المسطحة (flat-screen TVs) (يدخل التيار المتردد إلى التلفاز حيث يتم تحويله لتيار مستمر)
• المصابيح اليدوية
• السيارات الكهربية والسيارات الهجينة
صراع التيارات
تقريباً جميع المنازل والأعمال تعتمد على التيار المتردد كمصدر للطاقة. لكن هذا لم يحدث بين ليلة وضحاها. في أواخر ثمانينات القرن التاسع عشر تسببت العديد من الاختراعات في الولايات المتحدة في حدوث صراع على كافة المستويات بين مؤيدي التيار المتردد ومؤيدي التيار المستمر.
في عام 1886 قامت شركة (Ganz Works) الواقعة في بودابست بتزويد مدينة روما بالكامل بالتيار المتردد. على الجانب الآخر قام توماس أديسون بإنشاء 121 محطة كهرباء لتوليد التيار المستمر في الولايات المتحدة في عام 1887. وكانت هناك نقطة تحول في الصراع بين التيارين عندما قام جورج وستنجهاوس – رجل صناعة شهير من بطرسبرغ- بشراء براءات اختراع نيكولا تسلا الخاصة بالمحركات العاملة بالتيار المتردد، ثم خطوط نقله في العام التالي.
التيار المتردد في مقابل التيار المستمر
توماس أديسون
في أواخر القرن التاسع عشر لم يكن من السهل تحويل التيار المستمر إلى جهد عالي. كنتيجة لذلك قام أديسون بتقديم نظام مكون من محطات كهرباء محلية صغيرة يمكنها إمداد الطاقة للأحياء بشكل فردي أو لأجزاء من المدن. كانت الطاقة تُوزع بواسطة ثلاثة أسلاك تمتد من محطة الكهرباء لكل منها جهد (+110 فولت، 0 فولت، -110 فولت). يتم توصيل المحركات والمصابيح بين أي من +110 فولت أو -110 فولت مع 0 فولت (محايد). كان جهد 110 فولت يسمح بفقدان بعض الجهد بين محطة التوليد والحمل (منزل، مكتب.. إلخ).
بالرغم من الأخذ في الحسبان الهبوط في الجهد خلال الأسلاك إلا أنه كانت هناك حاجة لأن تكون محطات التوليد تقع في نطاق ميل واحد من المستخدم. هذا التقييد جعل توصيل الكهرباء إلى المناطق الريفية صعباً للغاية، إن لم يكن مستحيل.
 |
 |
| جورج ويستنجهاوس | نيكولا تسلا |
بحصوله على براءات اختراع تسلا قام جورج وستنجهاوس بالعمل على تحسين نظام توزيع التيار المتردد. مثلت المحولات (transformers) وسيلة غير مكلفة لرفع جهد التيار المتردد إلى عدة آلاف فولت ثم خفضه مرة أخرى إلى المستويات المناسبة للاستخدام. باستخدام جهود عالية يمكن نقل نفس الكمية من الطاقة مع تيار أقل بكثير، مما يعني فقد كمية أقل من الطاقة نتيجة لمقاومة الأسلاك. ونتيجة لذلك يمكن بناء محطات الطاقة على بعد أميال كثيرة من أماكن الاستخدام وكذلك توفير الطاقة لعدد أكبر من الناس والمباني.
حملة أديسون لتشويه التيار المتردد
خلال السنوات القليلة التالية قام توماس أديسون بإطلاق حملة لتثبيط استخدام التيار المتردد في الولايات المتحدة. تضمنت تلك الحملة التأثير على المجالس التشريعية ونشر معلومات خاطئة مضللة عن التيار المتردد.
كذلك قام أديسون بتوجيه مجموعة من معاونيه للقيام بقتل الحيوانات صعقاً بالتيار المتردد أمام العامة كمحاولة لإثبات أن التيار المتردد أكثر خطورة من التيار المستمر. وكمحاولة أخرى لإثبات خطورة التيار المتردد قام معاونا أديسون: هارولد بي براون وآرثر كينيلي بتصميم أول كرسي كهربائي للإعدام بواسطة التيار المتردد لصالح ولاية نيويورك.
صعود التيار المتردد
في عام 1891 تم عقد المعرض الدولي للتقنيات الكهربية في فرانكفورت- ألمانيا وتم عرض أول محاولة نقل لمسافة طويلة للتيار المتردد ثلاثي الأطوار، حيث تم من خلاله تشغيل الإضاءة والمحركات الخاصة بالمعرض. تواجد في ذلك المعرض عدد من ممثلي ما أصبحت بعد ذلك شركة “جنرال إلكتريك” وأعجبوا بذلك العرض. وفي السنة التالية تكونت شركة جنرال الكتريك وبدأت في الاستثمار في تكنولوجيا التيار المتردد.
محطة كهرباء دين أدامز بشلالات نياجرا – 1986
في عام 1893 فاز وستنجهاوس بعقد لبناء سد كهرومائي لاستغلال طاقة شلالات نياجرا ثم توصيل التيار المتردد إلى منطقة بوفالو الصناعية- نيويورك. تم اكتمال ذلك المشروع في 16 نوفمبر 1896، وبدأ التيار المتردد في إمداد الطاقة اللازمة للصناعات القائمة في بوفالو. كان هذا الحدث علامة فارقة أدت لانحدار استخدام التيار المستمر في الولايات المتحدة.
بينما تعتمد أوروبا على تيار متردد قياسي بجهد 220-240 فولت وبتردد 50 هرتز، إلا أن التيار القياسي المستخدم في أمريكا الشمالية جهده 120 فولت وتردده 60 هرتز.
تيار الجهد العالي المستمر (High-Voltage Direct Current (HVDC))
قام المهندس السويسري “رينيه ثاري” باستخدام سلسلة من المولدات لإنشاء نظام تيار مستمر عالي الجهد في تسعينات القرن التاسع عشر، وهو ما يمكن استخدامه لنقل التيار المستمر لمسافات طويلة. لكن بسبب التكلفة العالية لإنشاء وصيانة نظام “ثاري” لم يتم تبني استخدام تيار الجهد العالي المستمر لحوالي قرن.
مع اختراع إلكترونيات أشباه الموصلات (semiconductor electronics) في ثمانينات القرن الماضي أصبح التحويل بين التيار المتردد والتيار المستمر متاحاً بشكل اقتصادي. وأمكن تصنيع معدات متخصصة لتوليد تيار مستمر عالي الجهد (يمكن أن يصل إلى 800 كيلو فولت). وقد بدأت فعلياً أجزاء من أوروبا في استخدام خطوط تيار الجهد العالي المستمر للربط الكهربائي بين العديد من الدول.
تتعرض خطوط تيار الجهد العالي المستمر لفقد في الطاقة أقل من خطوط التيار المتردد المناظرة عند الاستخدام لمسافات كبيرة للغاية. بالإضافة لذلك تسمح أنظمة تيار الجهد العالي المستمر بتوصيل أنظمة تيار متردد مختلفة (50 هرتز و 60 هرتز على سبيل المثال) معاً.
برغم مميزات أنظمة تيار الجهد العالي المستمر إلا أنها أكثر كلفة وأقل اعتمادية من أنظمة التيار المتردد الشائعة.
في النهاية ربما تحققت أمنيات كل من إديسون، تسلا، وويستنجهاوس. لقد أصبح كل من التيار المستمر والتيار المتردد موجودين معاً، كل لخدمة أغراض معينة.
المضي قدماً
يجب أن يكون لديك الآن فهماً جيداً للفروق بين التيار المستمر والتيار المتردد. التيار المتردد أسهل في التحويل بين مستويات الجهد المختلفة، مما يجعل نقل الطاقة عن طريق خطوط الجهد العالي أمراً سهلاً.
على الجانب الآخر نجد التيار المستمر مُستخدماً في معظم الإلكترونيات. يجب أن تعرف أن التيارين (المتردد والمستمر) لا يمكن استخدام أحدهما مكان الآخر، وستحتاج لتحويل التيار المتردد إلى مستمر إذا أردت توصيل معظم الإلكترونيات إلى مأخذ التيار بالحائط.
مع فهم ما سبق يجب أن تكون مستعداً للتعامل مع المزيد من المفاهيم والدوائر الكهربية المعقدة، حتى لو كانت تتضمن تيار متردد.
ألق نظرة على الدروس التالية عندما تكون مستعداً للغوص بشكل أكبر في عالم الإلكترونيات (ملاحظة: معظم هذه الدروس غير موجودة الآن وسيتم نشرها تباعاً على الموقع بإذن الله):
• دوائر التوالي ودوائر التوازي (Series and Parallel Circuits)
• المستويات المنطقية (Logic Levels)
• كيف تستخدم الملتيميتر (المقياس المتعدد)
• كيف تزود مشروعك بالطاقة
تمّت ترجمة هذه المادّة من موقع sparkfun تحت تصريح كرييتف كومّونز 3 (Creative Commons 3.0)
محمد عبد الحميد
أضف تعليق