تيار متناوب

مزاياه

في هذا الإطار، كان توماس إديسون يفضل التيار المستمر على المتردد في نقل الطاقة الكهربائية في الأيام الأولى لإنشاء الشبكات الكهربائية ولكن زملاؤه رؤوا أن التيار المتردد يمكن أن يعمل بشكل أفضل وقد أخذ اديسون وقتا حتى اقتنع بخطأ موقفه لكن ربما كان يعلم شيئا لم يكن يعرفه زملاؤه.

وفي هذا السياق، تنتج الخلايا الكهروكيميائة التيار المستمر مباشرة ولكنها تكون غير عملية لتلبية احتياجات مناطق سكانية كبيرة، بينما يمكن استخدام الطاقة الهائلة للمياه المخزونة خلف السدود على الأنهار، واستغلال طاقة المد والجزر للمحيطات وطاقة الرياح والوقود الاحفوري والتفاعلات النووية الآمنة لتدوير عنفات والتي بدورها تدير مولدات تيار متردد.

في هذا الإطار، ولكن يمتاز التيار المتردد بعدد من الميزات عن التيار المستمر:

إضافةً إلى ذلك، و يعتبر نقل الطاقة باستخدام التيار المستمر ذي التوتر العالي واعدا جدا في المستقبل ولكن في الوقت الحالي تكمن المشكلة الأساسية في الكلفة لأنه يلزم تجهيزات تحويل للطاقة مدروسة إلى حدّ كبير.

ومن جهة أخرى، ربما يتساءل البعض لماذا يستعمل التيار المتردد في نقل الطاقة الكهربائية على الرغم من أنه أكثر تعقيدا من التيار المستمر.

ومن ناحية أخرى، هناك ميزة زائدة للتيار المستمر في الشبكات الكهربائية عند نقل الطاقة الكهربائية لمسافات بعيدة حيث أنها تنتقل بشكل أكثر فعالية عند التوترات العالية من التيار المتردد لأن الأسلاك لها مقاومة أصغر عند مرور التيار المستمر منها عند مرور التيار المتردد وأيضا تقل الطاقة المغناطيسية الضائعة على شكل حقل مغناطيسي حول الاسلاك.

ومن ناحية أخرى، التيار المتناوب سهل التوليد من التوربينات حيث أن الوشائع والمغانط الدوارة تنتج تيارا متناوبا وللحصول على التيار المستمر منها يجب إجراء تقويم وترشيح وهذه العملية من الصعب تحقيقها في التوترات العالية.

كذلك، يمكن نقل القدرة الكهربائية عبر التيار المتردد إلى مسافات بعيدة جدا وهذا ما لا يمكن للتيار المستمر أن يفعله بطريقة اقتصادية أو عملية. حيث يمكن خفض ورفع القوة الدافعة للتيار المولد الكهربائي باستخدام جهاز يدعى المحول لا يمكن تطبيقه على التيار المستمر بسبب عدم وجود تغير في التدفق المغناطيسي. يقوم المحول برفع الجهد الكهربائي الآتي من المولد والذي يتراوح عادة بين 11-36 كيلو فولت ويقوم برفعه إلى مستويات تبلغ 110-765 كيلو فولت مما يجعل بالإمكان نقله إلى مسافات بعيدة جدا بين الدول أو حتى عبر القارات.

إضافةً إلى ذلك، تمتاز التيارات المترددة على المستمرة بقدرتها على نقل المعلومات. فمكبر الصوت مثلا يقوم بتحويل المعلومات المحتواة في كلمة إلى تيار متردد

أنواع التيارات المترددة الجيبية

كذلك، التيار المتردد نحصل عليه من مولدات التيار المتغير وهذا النوع من التيار متغير القيمة والاتجاه وهو شائع الاستخدام في المنازل والمصانع ويمكن الحصول عليه بقدرات عالية ومن مميزات هذا النوع من التيار أنه يمكن رفعه أو خفضه باستخدام المحولات الكهربائية ويمكن نقله إلى مسافات بعيدة بأقل فقد في القدرة المنقولة والتيار المتردد نوعين :

تيار متردد ثلاثي الطور

تيار متردد أحادي الطور

التيار والدورة

من جانب آخر، في أغلب بلاد العالم يكون تردد التيار المتردد المستعمل في البيوت له زمن دورة قدرها :

وعلى صعيد آخر، عدد الذبذبات في الثانية يسمى التردد ويقاس بوحدة هرتز واختصارها Hz .

وفي السياق ذاته، بالنسبة للتيار المتردد تكون الدورة هي الزمن بين قمتين متتاليتين، أو الزمن بين قاعين متتاليين على منحنى الجهد (بالمثل يتغير كذلك منحنى التيار) . بالمل يمكن القول أن الدورة في التيار المتردد تتكون من نصفي اهتزازة متتابعتين أحدهما موجبة والأخرى سالبة. ويمكن حساب زمن الدورة T بمقلوب التردد f.

إضافةً إلى ذلك، والدورة هي تغير حالة تعيد نفسها على فترات زمنبة متساوية وتسمى تلك الفترة زمن الدورة (لنا مثلا دوران الأرض حول الشمس، زمن الدورة سنة واحدة . أو دوران الأرض حول محورها، دورة كل 24 ساعة) . يرمز لزمن الدورة في الفيزياء بالحرف T .

ومن ناحية أخرى، فعندما يكون لدينا تيار متردد وله تردد 50 هرتز (أي يتذبذب بمعدل 50 مرة في الثانية) :

في هذا الإطار، وفي حسابات الهندسة الكهربائية (حساب التيار المتردد ) نستعمل التردد الزاوي ω حيث يسهل كتابة المعادلات :

من جهة ثانية، وإذا كان هذا الجهد المتردد يغذي آلة كهربائية بواسطة قطبين، فهي تدور ولها نصف دورة موجبة تتبعها نصف دورة سالبة، ... وهكذا . بذلك تدور الآلة وتكمل 360° (وهي دورة واحدة).

مغناطيس التيار المتردد

علاوةً على ذلك، في التيار المتردد تتغير شدة التيار دوريا من نهاية عظمى (مطال) تنخفض إلى الصفر (عند ربع طول الموجة) إلى نهاية صغرى (مطال معكوس الإشارة) ثم إلى الصفر ثم يصل ثانيا إلى النهاية العظمى التي بدأ منها، وبذلك تكون الدورة قد تمت. وتتكرر تلك الدورة للتيار المتردد (انظر الشكل). ونظرا لذلك التغير الذي تصل فيه قيمة التيار دوريا إلى الصفر في حالة التيار المتردد فلا بد من ضمان عمل المغناطيس المستمر خلال اللحظات الدورية التي لا يمر خلالها تيار في الملف .

انظر كذلك

كذلك، ويتم ذلك عن طريق استخدام ملف إضافي ينتج تيارا مترددا إضافيا ويكون في طور منزاحا عن طور التيار المتردد الأصلي، بحيث يتطابق التياران المترددان على بعضهما البعض، وتصبح للمحصلتهما دائما قيمة مختلفة عن الصفر (انظر الشكل، المنحنى الأسود). كما يمكن إجراء ذلك عن طريق استخدام تيار ثلاثي الأطوار وهو النظام المتبع لتشغيل المحركات الكهربائية في القطارات والروافع وغيرها.

تردد جيبي

حيث : هو أقصى حد للتيار المتردد، ويسمى مطال التيار،

ومن ناحية أخرى، يمكن وصف تغير التيار المتردد مع الزمن بمعادلة جيبية على الصورة :

ومن ناحية أخرى، يلاحظ أن التردد الزاوي له وحدة 1/ثانية مثل التردد f ، أي يقاس التردد كذلك بوحدة الهرتز التي هي 1/ثانية (انظر أسفله).

و t الزمن، و التردد الزاوي .

تاريخه

من جهة ثانية، كان أول مولد كهربائي لإنتاج التيار المتردد هو مولد كهربائي يعتمد على مبادئ مايكل فاراداي والذي بناه صانع الأجهزة الفرنسي هيبوليت بيكسي في عام 1832. أضاف بيكسي لاحقًا مبدلاً إلى جهازه لإنتاج التيار المستمر الأكثر استخدامًا (في ذلك الوقت). أقدم تطبيق عملي مسجل للتيار المتردد هو من قبل غيوم دوشين، مخترع ومطور العلاج الكهربائي. في عام 1855، أعلن أن التيار المتردد متفوق على التيار المستمر في تحفيز تقلصات العضلات العلاجية بالكهرباء. تم تطوير تقنية التيار المتردد بشكل أكبر من قبل شركة غانز للنقل المجرية في سبعينيات القرن التاسع عشر، وفي ثمانينيات القرن التاسع عشر، من قبل سيباستيان زياني دي فيرانتي ولوسيان غولارد وجاليليو فيراريس .

في هذا الإطار، في سنة 1876، اخترع المهندس الروسي بافيل يابلوشكوف نظام إضاءة بتركيب مجموعات من ملفات الحث على طول خط تيار متردد عالي الجهد. بدلًا من تغيير الجهد، تنقل اللفات الأولية الطاقة إلى اللفات الثانوية المتصلة بشمعة كهربائية واحدة أو أكثر (مصابيح قوسية) من تصميمه الخاص، تُستعمل لمنع تعطل مصباح واحد من تعطيل الدائرة الكهربائية بأكملها. في عام 1878، بدأ مصنع غانز في بودابست، المجر، في تصنيع معدات الإضاءة الكهربائية، وبحلول عام 1883، كان قد ركّب أكثر من خمسين نظامًا في النمسا والمجر. استعملت أنظمة التيار المتردد الخاصة بهم مصابيح قوسية ومصابيح متوهجة ومولدات ومعدات أخرى.

الجهد المتردد

• تنطبق المعادلة الجيبية السابقة كذلك على الجهد المتردد (قارن الشكل ):
• حيث : هو أقصى حد للجهد ويسمى مطال
• و t الزمن، و التردد الزاوي .

علاوةً على ذلك، في هذا الشكل يزداد التيار وينخفض تباعا لتزايد الجهد المتردد وانخفاضه، ونقول في تلك الحالة أنهما في نفس طور الموجة.

ومن جهة أخرى، الشكل 3 يبين كذلك أن القدرة الكهربائية P هي حاصل ضرب الجهد في التيار . ونلاحظ أن الجهد المتردد والتيار المتردد يتغيران في مطالهما بين الموجب (أعلى المحور الأفقي) والسالب (أسفل المحور الأفقي ). أما القدرة فهي دائما موجبة .

من جانب آخر، الشكل 4 يوضح فرق الطور عند مرور الجهد والتيار المترددين عبر مكثف ، يبلغ انزياه الطور هنا 90 درجة (زاوية).

علاوةً على ذلك، ولكن أحيانا يمر الجهد المتردد عبر مكثف أو عبر ملف عندئذ يحدث إزاحة للتيار عن الجهد، ونقول أن بين التيار والجهد فرق طور.