[ تعرٌف على ] تمثيل كهربي - ميكانيكي

تم النشر اليوم 10-12-2025 | [ تعرٌف على ] تمثيل كهربي - ميكانيكي
تم النشر اليوم [dadate] | تمثيل كهربي - ميكانيكي

محولات الطاقة

محول الطاقةهو جهاز يدخل إليه كمية من مجال طاقة معين ليحولها إلى مجال طاقة آخر، لمحولات الطاقة استخدامات عديدة وأنواع كثيرة، ففي مجالالأنظمة الكهروميكانيكية تتكون من المستشعرات والمشغلات، وفي مجال الإلكترونيات الصوتية تُستخدم لتحويل الطاقة الكهربية إلى صوتية، تعتبر المحولات حلقة الوصل بين المجالات الكهربية والميكانيكية، لذلك نحتاج التمثيل الكهربي الميكانيكي لتطوير المحولات. محولات الطاقة لها منفذين (على الأقل[معلومة 6])، منفذ خاص بالمجال الميكانيكي، وآخر خاص بالمجال الكهربي، لذلك فيتم تمثيله على شكل شبكة كهربية ذات منفذين (two-port)،وهذا على عكس ما تم مناقشته أعلاه؛ حيث كانت جميع العناصر تتكون من منفذ واحد، يمكن تمثيل الشبكة الكهربية ذات منفذين بمصفوفة2×2 (أو ما يكافؤها) تتكون من اثنين من مصادر التابعة (سواء كانت مصادر الجهد أو التيار) واثنين من المعاوقات (أو المسامحات).

أنواع التمثيلات

هناك طريقتان للتمثيل هما الأكثر استخدامًا: تمثيل المعاوقة(ويُسمى أيضًا تمثيل ماكسويل) والذي يحافظ على التناظر بين المجال الميكانيكي والكهربي؛ ولكنه لا يحافظ على الطبولوجيا أو البنية المادية بين الدائرتين،وتمثيل القبولية(ويُسمى أيضًا تمثيل فايرستون) والذي يحافظ على الطبولوجيا على حساب فقدان التناظربين مجالات الطاقة المختلفة،وهناك طريقة تمثيل ثالثة وهي «تمثيل عبر وخلال» (ويُسمى أيضًاتمثيل ترينت). فتمثيل عبر وخلال يكون شبيهًا بتمثيل المعاوقة عند التحويل بين المجالين الكهربي والميكانيكي، ويكون شبيهًا بتمثيل القبولية عند التحويل بين المجال الكهربي ومجال الميكانيكا الصوتية خاصة "ميكانيكا الموائع"، حيث تكون العلاقة بينالمجال الكهربي ومجال الميكانيكا الصوتية في «تمثيل عبر وخلال»بينهما علاقة ازدواج. تختلف المتغيرات الأساسية حسب النظام الميكانيكي: انتقالي أو دوراني،فعلى سبيل المثال المسافة الخطية هي متغير الإزاحة في الميكانيكا الانتقالية، ولكن في المكيانيكا الدورانية يتم استبدال الإزاحةبالزاوية، وكذلك الحال في الميكانيكا الصوتية وميكانيكا الموائع،حيث يتم التعامل معها كنظام طاقة مختلف له متغيراته الأساسية الخاصة به ذات الطابع الميكانيكي،ويستخدم التمثيل بين الأنظمة الثلاثة: الكهربية والميكانيكية والميكانيكا الصوتية لتمثيل أنظمة الصوت الكهروميكانيكية. تمثيل المعاوقة في تمثيل المعاوقة أو تمثيل ماكسويل؛ يتم تصنيف متغيري القدرة المترافقة إلى متغير جهد ومتغير تدفق،حيث أنمتغير الجهد في مجال طاقة معين هو المتغير المماثل للقوة في المجال الميكانيكي، ومتغير التدفق هو المتغير المماثل للسرعة في المجال الميكانيكي، حيث يتم اختيار المتغيرات المماثلة للقوة والسرعة في مجال الطاقة المقابل. أما في المجال الكهربائي؛ فإن متغير الجهد هو الجهد الكهربي، ومتغير التدفق هو التيار الكهربائي، والنسبة بينالجهد والتيار هيالمقاومة الكهربائية (قانون أوم). وكذلك النسبة بين متغير الجهد ومتغير التدفق في أي مجال طاقة يمكن وصفها بأنها مقاومة، أما إذا كان هناك اختلاف في الطور بين الجهد والتيار تُسمى النسبة بينهما بالمعاوقة الكهربائية،فيمكن وصف المعاوقة بأنها الحالة العامة للمقاومة، حيث يرتبط مفهوم المقاومة بتبديد الطاقة؛ بينما يرتبط مفهوم المعاوقة بتخزين الطاقة وتبديدها أيضًا، إذَا فإن النسبةبين متغير الجهد ومتغير التدفق في أي مجال طاقة يمكن وصفها بأنها معاوقة(ولكنها تُقاس بوحدات مختلفة)، ومن هنا جاءت تسمية تمثيل المعاوقة. تمثيل المعاوقة - الميكانيكا الانتقالية المتغيرات النوع المتغير الميكانيكي نظيره الكهربي اختيار متغيرات القدرة المترافقة متغير الجهد القوة الجهد متغير التدفق السرعة التيار اختيار المتغيرات الهاملتونية متغير الجهد كمية التحرك تدفق الفيض المغناطيسي متغير التدفق الإزاحة الشحنة يصف تمثيل «المعاوقة - الميكانيكا الانتقالية» النظم الميكانيكية التي تتحرك في بعد خطي واحد، مما يثير مفهوم المعاوقة الميكانيكية؛ ووحدتهانيوتن.ثانية/متر أو كجم/ثانية. العناصر الخاصية الميكانيكية نظيرها الكهربي التخميد المقاومة الكتلة الحث المطاوعة السعة المعاوقة الميكانيكية المعاوقة الكهربية تمثيل المعاوقة - الميكانيكا الدورانية المتغيرات النوع المتغير الميكانيكي نظيره الكهربي اختيار متغيرات القدرة المترافقة متغير الجهد عزم الدوران الجهد متغير التدفق السرعة الزاويّة التيار اختيار المتغيرات الهاملتونية متغير الجهد كمية الحركة الزاويّة تدفق الفيض المغناطيسي متغير التدفق الزاوية الشحنة يصف تمثيل «المعاوقة - الميكانيكا الدورانية» النظم الميكانيكية التي تتحرك في حركة دورانية، مما يثير مفهوم المعاوقة الدورانية؛ ووحدتهانيوتن.متر.ثانية/راديان. العناصر الخاصية الميكانيكية نظيره الكهربي مقاومة الدوران المقاومة عزم القصور الذاتي الحث قبولية الدوران السعة المعاوقة الميكانيكية المعاوقة الكهربية تمثيل المعاوقة - الميكانيكا الصوتية المتغيرات النوع المتغير في الميكانيكا الصوتية نظيره الكهربي اختيار متغيرات القدرة المترافقة متغير الجهد ضغط الجهد متغير التدفق معدل التدفق الحجمي التيار اختيار المتغيرات الهاملتونية متغير الجهد كمية التحرك الضغطي[معلومة 3] تدفق الفيض المغناطيسي متغير التدفق الحجم الشحنة والمعاوقة الصوتية وحدتها نيوتن.ثانية/متر5. العناصر الخاصية في الميكانيكا الصوتية نظيرها الكهربي المقاومة الصوتية المقاومة الكتلة الصوتية[معلومة 4] الحث القبولية الصوتية السعة المعاوقة الصوتية المعاوقة الكهربية تمثيل القبولية يعتبر تمثيل القبولية أو تمثيل فايرستون المقلوب الكهربائيلتمثيل المعاوقة، حيث يُمثَّل متغير الجهد في المجال الميكانيكي بالتيار الكهربائي (متغير التدفق في المجال الكهربائي)، ويُمثل متغير التدفق في المجال الميكانيكي بالجهد الكهربائي (متغير الجهد في المجال الكهربائي)، لذلك فإن الدائرة الكهربائية الناتجة عن تمثيل القبولية تعتبرمقلوب الدائرة الناتجة عن تمثيل المعاوقة. يوصف تمثيل القبولية بالقبولية الكهربيةمثلما يوصف تمثيل المعاوقة بالمعاوقة الكهربية،حيث أن القبولية هي المقلوب الجبري للمعاوقة، ومن هنا جاءت تسمية تمثيل القبولية. تمثيل القبولية - الميكانيكا الانتقالية المتغيرات النوع المتغير الميكانيكي نظيره الكهربي اختيار متغيرات القدرة المترافقة متغير الجهد القوة التيار متغير التدفق السرعة الجهد اختيار المتغيرات الهاملتونية متغير الجهد كمية التحرك الشحنة متغير التدفق الإزاحة تدفق الفيض المغناطيسي العناصر الخاصية الميكانيكية نظيرها الكهربي الاستجابة[معلومة 5] المقاومة الكتلة السعة المطاوعة الحث القبولية المعاوقة الكهربية تمثيل القبولية - الميكانيكا الدورانية المتغيرات النوع المتغير الميكانيكي نظيره الكهربي اختيار متغيرات القدرة المترافقة متغير الجهد عزم الدوران التيار متغير التدفق السرعة الزاويّة الجهد اختيار المتغيرات الهاملتونية متغير الجهد كمية التحرك الزاويّة الشحنة متغير التدفق الزاوية تدفق الفيض المغناطيسي العناصر الخاصية الميكانيكية نظيرها الكهربي الاستجابة الدورانية المقاومة عزم القصور الذاتي السعة المطاوعة الدورانية الحث القبولية الدورانية المعاوقة الكهربية تمثيل القبولية - الميكانيكا الصوتية المتغيرات النوع المتغير في الميكانيكا الصوتية نظيره الكهربي اختيار متغيرات القدرة المترافقة متغير الجهد الضغط التيار متغير التدفق معدل تدفق الحجم الجهد اختيار المتغيرات الهاملتونية متغير الجهد كمية التحرك الضغطي الشحنة متغير التدفق الحجم تدفق الفيض المغناطيسي العناصر الخاصية في الميكانيكا الصوتية نظيرها الكهربي التوصيلية الصوتية المقاومة الكتلة الصوتية السعة المطاوعة الصوتية الحث القبولية الصوتية المعاوقة الكهربية تمثيل عبر وخلال يُصنف «تمثيل عبر وخلال» أو «تمثيل ترينت» متغيري القدرة المترافقة إلى «متغير عبر» و«متغير خلال»، يظهر «متغير عبر» عبر طرفي العنصر، ويقاس بدلالة طرفي العنصر، أما «متغير خلال»يمر أو يتحرك خلال العنصر، ولديه نفس القيمة عند طرفي العنصر، فمثلا في المجال الكهربائي متغير عبرهو الجهد، ومتغير خلال هو التيار، وفي المجال الميكانيكي السرعة هي متغير عبر، والقوة هي متغير خلال، لذلك فإنه يتم تمثيل متغيرات المجال الميكانيكي (القوة والسرعة) كما في تمثيل القبولية. تمثيل عبر وخلال - الميكانيكا الانتقالية المتغيرات النوع المتغير الميكانيكي نظيره الكهربي اختيار متغيرات القدرة المترافقة متغير عبر السرعة الجهد متغير خلال القوة التيار اختيار المتغيرات الهاملتونية متغير عبر الإزاحة تدفق الفيض المغناطيسي متغير خلال كمية التحرك الشحنة تمثيل عبر وخلال - الميكانيكا الدورانية المتغيرات النوع المتغير الميكانيكي نظيره الكهربي اختيار متغيرات القدرة المترافقة متغير عبر السرعة الزاويّة الجهد متغير خلال عزم الدوران التيار اختيار المتغيرات الهاملتونية متغير عبر الزاوية تدفق الفيض المغناطيسي متغير خلال كمية التحرك الدورانية الشحنة تمثيل عبر وخلال - الميكانيكا الصوتية المتغيرات النوع المتغير في الميكانيكا الصوتية نظيره الكهربي اختيار متغيرات القدرة المترافقة متغير عبر الضغط الجهد متغير خلال معدل تدفق الحجم التيار اختيار المتغيرات الهاملتونية متغير عبر كمية التحرك الضغطي تدفق الفيض المغناطيسي متغير خلال الحجم الشحنة الضغط هو متغير عبر؛ بسبب أن الضغط يتم قياسه بالنسبة إلى طرفي العنصر، وفهو ليس قيمة مطلقة للضغط،وبالتالي لا يتم تمثيله بالقوة لأنها متغير خلال؛ على الرغم من أن الضغط هو القوة مقسومة على المساحة، لذلك يتشابه تمثيل عبر وخلال مع تمثيل القبولية عند التمثيل بين المجال الكهربي والمجال الميكانيكي؛ بينما يتشابه مع تمثيل المعاوقة عند التمثيل بين المجال الكهربي والميكانيكا الصوتية. مجالات الطاقة الأخرى ويمكن أن يمتد التمثيل الكهربي لمجالات الطاقة الأخرى، كما أن هذا الأمر مطلوب كمافي مجال المستشعراتوالمشغلات، وفي مجالهندسة التحكمعمومًا، حيث أن أجهزة الاستشعار تقيس المتغيرات في أي مجال طاقة، لذلك التمثيل بين مجالات الطاقة المختلفة مطلوب،الجدول التالي يلخص متغيرات القدرة المترافقة الأكثر شيوعا لتكوين التمثيلات المختلفة. تمثيلات مجالات الطاقة مجال الطاقة متغير الجهد متغير التدفق الكهربي الجهد التيار الميكانيكي القوة السرعة ميكانيكا الموائع الضغط معدل تدفق الحجم الحراري فرق درجات الحرارة معدل تدفق الإنتروبيا المغناطيسي القوة المحركة المغناطيسية (ق.م.م) التغير في معدل تدفق الفيض المغناطيسي الكميائي الجهد الكيميائي معدل تدفق المولات ربما يكون الأكثر شيوعًا في المجال الحراري هو اختيار درجة الحرارة والقدرة الحرارية باعتبارهما المتغيرين الأساسيين، لأنهما يمكن قياسهما بسهولة على عكس الإنتروبيا، ولكنهما ليسا من منغيرات القدرة المترافقة، لذلك عند التمثيل الكهربي لعدة مجالات طاقة مختلفة مع بعضها البعض؛ فإن تمثيل المجال الحراري لا يمثل بشكل صحيح تدفق الطاقة. وبالمثل في المجال المغناطيسي، الشائع اختيار القوة المحركة المغناطيسية (ق.م.م) والفيض المغناطيسي باعتبارهما المتغيرين الأساسيين،ولكن هذا التمثيل لا يمثل بشكل صحيح تدفق الطاقة، كما أنهما ليسا من منغيرات القدرة المترافقة،يُسمى هذا النموذج أحيانًا «نموذج الممانعة - المقاومة»، أما التمثيل المستخدم في الجدول أعلاه - والذي يستخدم متغيري القدرة المترافقة - يُسمى أحيانًا «نموذج المكثف - الملف».

التاريخ

يرجع الفضل إلىجيمس كليرك ماكسويلفي تطوير نظرية التمثيلات الكهربية الميكانيكية، حيثكان أول قام بربط القوة الميكانيكية بالجهد الكهربي عام 1873 وبالتالي فيرجع له الفضل في تأسيس تمثيل المعاوقة، وهو أول التمثيلات الكهربية الميكانيكية. وبالرغم من أن مصطلح المعاوقة لم يتم صياغتهإلا في سنة 1886، أي بعد وفاة ماكسويل؛ حيث صاغه أوليفر هيفسايد، ثم تم صياغة مصطلحالمعاوقة المركَّبةمن قبلآرثر كينيلي في عام 1893، ثم تم صياغة مفهوم المعاوقة الميكانيكية في عام 1920 من قبل كينيلي وآرثر غوردون ويبستر. لم يكن غرض ماكسويل تمثيل الأنظمة الميكانيكية بالأنظمة الكهربائية، ولكن كان هدفه فهم وشرح الظواهر الكهربية بطريقة أقرب للعقل عن طريق تشبيهها بالأنظمة الميكانيكية، وبعد أن أصبحت الظواهر الكهربية مفهومة بشكل أفضل؛ حدث العكس، فأصبحت التمثيلات الكهربية تستخدم لوصف الأنظمة الميكانيكية، وأصبح ذلك الأكثر شيوعًا، ثم وُجِد أن تمثيل الكهربي الميكانيكي يمكنه حل العديد من المشاكل في المجال الميكانيكي ومجالات الطاقة الأخرى،وفي عام 1900أصبحت التمثيلات الكهربية الميكانيكية مألوفة. وفي عام 1920 تقريبًا أصبح التمثيل الكهربي أداة تحليل أساسية، وقامفانيفار بوشبتطوير نموذجالحاسوب التماثليوعرضت هذه الطريقة في ورقة بحثية لكليفورد نيكل عام 1925. في عام 1933، قامفلويد فايرستونباقتراح تمثيل جديد وهو تمثيل القبولية، والذي قام فيه بتمثيل القوة الميكانيكية بالتيار الكهربي بدلا من الجهد الكهربي، كما قد فايرستون مفهوم «متغيرات عبر وخلال» في نفس الوقة البحثية، وعرض فكرة توسيع التمثيل ليشمل مجالات الطاقة الأخرى،وفي عام 1955، قدم هوراس ترينت ما يُعرف بـ «تمثيل عبر وخلال».

هوامش

.

شرح مبسط

التمثيل الكهربي - الميكانيكي هو تمثيل الأنظمة الميكانيكيةعلى شكلدوائر كهربية. في البداية تم ابتكار التمثيل الكهربي - الميكانيكي ليساعد على تفسير حدوث ظواهر شبيهة بالظواهر الكهربية في الأجزاء الميكانيكية. حيث قدم جيمس كليرك ماكسويل تمثيلًا من هذا النوع في القرن 19، ومع تطور علم الدوائر الكهربية؛وُجِدَ أن بعض المسائل الميكانيكية يمكن حلها بسهولة من خلالالتمثيل الكهربي، وكانت التطورات النظرية في المجال الكهربائي مفيدة بشكل خاص في تمثيل الشبكات الكهربية (رسم الدوائر الكهربية) باستخدام نموذج العناصر المجمعوالقدرة على تحليل الدوائر الكهربية، مما ساعد على سهولة حل المسائل الكهربية، وتحويل المسائل الميكانيكية إلى مسائل كهربية.