ما هي كهرباء التيار المتردد والتيار المستمر؟

يفهم علماء اليوم أن الكهرباء هي واحدة من أكثر الظواهر الأساسية في الطبيعة. تتدفق النبضات الكهربائية باستمرار في جميع أنحاء أجسادنا ، وحتى موضوع عالمنا نفسه مرتبط ببعضه البعض بواسطة الشحنات الكهربائية. على الرغم من ذلك ، لا يزال يتعين اكتشاف الكهرباء ، وهناك بعض الجدل حول من كان أول من فعل ذلك.

قد يكون المكتشف هو الطبيب الإنجليزي ويليام جيلبرت ، الذي كان أول من استخدم كلمة "electricus" في عام 1600. ربما كان العالم الإنجليزي توماس براون هو من صاغ كلمة "كهرباء" بعد سنوات قليلة.

يحب الأمريكيون تصديق أن المخترع بنيامين فرانكلين هو الذي أثبت أن البرق كان كهرباء في عام 1752. حتى أن هناك أدلة تثبت أن الإغريق والفرس القدماء كانوا على علم بالكهرباء. أيا كان من يحصل على الجائزة ، فمن المؤكد أنهم اكتشفوا كهرباء التيار المستمر (التيار المباشر). لم تأتِ كهرباء التيار المتردد (التيار المتردد) حتى القرن التاسع عشر.

يتصور العلماء الكهرباء على أنها تدفق جسيمات سالبة الشحنة تسمى الإلكترونات. إنها نفس الجسيمات التي تدور حول نوى كل الذرات التي تشكل المادة.

القانونان الأساسيان للكهرباء هما أن الأضداد تتجاذب وتتشابه مع التنافر. وبالتالي ، ستتدفق الإلكترونات باتجاه طرف موجب وبعيدًا عن الطرف السالب. يحدث التدفق في اتجاه واحد فقط ، وتعتمد قوة التدفق ، أو التيار ، على اختلاف الشحنة بين المحطتين. هذا الاختلاف هو الجهد بين المحطات.

في حالة عدم وجود مدخل خارجي ، سوف تتراكم الإلكترونات على الطرف الموجب وتقلل من فرق الجهد بين المطرافين ، وفي النهاية سيتوقف التدفق.

ربما يكون أفضل مثال معروف لتدفق التيار المستمر هو صاعقة البرق. كان إثبات أن البرق ظاهرة كهربائية إنجاز بنيامين فرانكلين الحقيقي. طار فرانكلين بطائرة ورقية في عاصفة رعدية وربط مفتاحًا بخيط الطائرة الورقية. عندما أصبح المفتاح مشحونًا كهربائيًا وأصيب بصدمة خفيفة ، كان سعيدًا. لقد أثبت أن الشحنة الكهربائية تتراكم في السحب ، وأن البرق هو تفريغ لهذه الطاقة الكهربائية في وميض مؤقت من تيار مستمر.

البطارية هي مصدر شائع آخر لكهرباء التيار المستمر. يتكون من زوج من المحطات الطرفية المشحونة بشكل معاكس ، وعندما تقوم بتوصيل المحطات الطرفية بموصل ، تتدفق الكهرباء من الطرف السالب (الكاثود) إلى الطرف الموجب (الأنود).

عادةً ما يتم توفير فرق الشحن في البطارية من خلال عملية كيميائية في جوهرها ، ويمكن أن تستمر هذه العملية لفترة محدودة فقط. إذا واصلت سحب الطاقة من البطارية ، فإنها تتوقف في النهاية عن إنتاج الشحن وتختفي.

اكتشف الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي الحث الكهرومغناطيسي في عام 1831 عندما اكتشف ذلك يمكن أن يولد تيارًا كهربائيًا في ملف سلك موصل عن طريق تحريك مغناطيس ذهابًا وإيابًا داخل لفه.

بشكل حاسم ، لاحظ فاراداي أن الاتجاه الحالي يتغير كلما غير اتجاه المغناطيس. استخدم صانع الآلات الفرنسي Hippolyte Pixii هذا الاكتشاف لبناء أول مولد تيار متناوب في عام 1832.

يتم إنتاج كهرباء التيار المتردد دائمًا بواسطة مولد حثي من النوع الذي صنعته شركة Pixii ، على الرغم من أن المولدات الحديثة أكثر تطوراً بكثير من آلة Pixii. قد يستخدم المولد مغناطيسًا دوارًا ، أو قد يحتوي على ملف دوار ، ولكن هناك دائمًا بعض نوع الدوران المتضمن ، وفترة الدوران تحدد عدد المرات التي يتغير فيها التيار اتجاه.

نظرًا لأنه يغير الاتجاه ، فإن للكهرباء المتناوبة تردد مرتبط بها ، وهو عدد المرات التي تنعكس فيها في الثانية.

لست مضطرًا للبحث بعيدًا للعثور على أمثلة لكهرباء التيار المتردد. تعمل الأضواء في الغرفة التي تجلس فيها ، وكذلك مكيف الهواء ، والسخان الكهربائي وجميع الأجهزة ، على طاقة التيار المتردد ، والتي يتم توليدها في محطة الطاقة المحلية الخاصة بك.

تستخدم معظم محطات الطاقة البخار المتولد عن الوقود الأحفوري أو الانشطار النووي أو العمليات الحرارية الأرضية لتدوير التوربينات. يولد التوربين الكهرباء عن طريق الحث الكهرومغناطيسي ، ويتم التحكم في سرعة الدوران بعناية لإنتاج الكهرباء بتردد ثابت. في أمريكا الشمالية ، يبلغ التردد 60 هرتز (دورات في الثانية) ، ولكن في معظم أنحاء العالم ، يبلغ التردد 50 هرتز.

تعد طواحين الهواء من مصادر الطاقة المتجددة التي تولد أيضًا كهرباء التيار المتردد ، لكنها تعتمد على الرياح لتدوير توربيناتها بدلاً من الوقود الأحفوري أو الوقود النووي. تحتوي بعض مولدات الأمواج أيضًا على توربينات تنتج طاقة التيار المتردد. عندما تضغط الموجات على نظام هيدروليكي أو جيب من الهواء المغلق ، يتم استخدام الطاقة المخزنة لتدوير التوربينات.

في العالم المكهرب للقرن الحادي والعشرين ، من الصعب تخيل وقت لم يكن فيه كهرباء ، لكن ذلك الوقت لم يكن بعيدًا جدًا. في نهاية القرن التاسع عشر ، تم اختراع المصباح الكهربائي ، ولكن لم تكن هناك طريقة لتوليد الطاقة وإيصالها إلى المنازل حتى يتمكن الناس من استخدام الاختراع الجديد.

كان توماس إديسون ، الذي ساعد في تطوير وتسويق المصابيح الكهربائية ، يؤيد إنشاء شبكة لتوليد التيار المستمر في حين فضل نيكولا تيسلا ، المخترع الصربي والموظف السابق في شركة إديسون ، شركة AC مولدات كهرباء. فازت شركة Tesla ، وإليكم بعض الأسباب:

• عند الفولتية اللازمة لاستخدام الكهرباء على نطاق واسع ، يمكن نقل كهرباء التيار المتردد على طول خطوط الطاقة مع انخفاض أقل في الجهد. إذا كان إديسون قد ساد ، وأصبحت كهرباء التيار المستمر هي المعيار ، فلا بد من وجود محطات طاقة على بعد ميل من بعضها البعض. من ناحية أخرى ، كان تسلا قادرًا على تشغيل مدينة بوفالو بأكملها في نيويورك بمولد تحريض واحد تم وضعه تحت شلالات نياجرا.

• توليد طاقة التيار المتردد أرخص. يمكن لمولد الطاقة الكهرومائية مثل ذلك الموجود في شلالات نياجرا توليد الكهرباء من عملية طبيعية. لا حاجة إلى مدخلات أخرى.

• يمكن تغيير جهد طاقة التيار المتردد باستخدام محول. في وقت تسلا وإديسون ، لم يكن هذا ممكنًا مع التيار المستمر. ومع ذلك ، تتوفر اليوم المحولات التي تستخدم دوائر داخلية أو محولات لتغيير جهد تيار التيار المستمر.

على الرغم من أن الكهرباء التي تأتي عبر خطوط الطاقة هي تيار متردد ، إلا أن المعدات الإلكترونية تتطلب في كثير من الأحيان كهرباء التيار المستمر. في الرسم التخطيطي للدائرة ، يكون رمز التيار المباشر عبارة عن خط مستقيم بثلاث نقاط أو خطوط تحته ، بينما يكون رمز التيار المتناوب عبارة عن خط متموج واحد. لتحويل تيار التيار المتردد إلى تيار مستمر ، عادة ما يستخدم المتخصصون في الإلكترونيات مكون دائرة يسمى الصمام الثنائي ، أو المعدل. يمرر التيار في اتجاه واحد فقط ، وبالتالي يخلق إشارة نابضة للتيار المستمر من مصدر تيار متناوب.

تسمى أداة تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد بالعاكس. إنها تستخدم الترانزستورات ، وهي مكونات دارة يمكن تشغيلها وإيقافها بسرعة كبيرة ، لتوجيه التيار على طول سلسلة من الدوائر المسارات التي تغير اتجاهها بشكل فعال عبر زوج من المحطات المركزية ، وهو جزء من الدائرة التي توصل بها التيار المتردد حمل. تستخدم العواكس في السيارات الكهربائية. كما أنها تستخدم في الأنظمة الكهروضوئية لتحويل الكهرباء التي تولدها الألواح الشمسية إلى تيار متردد لاستخدامها في المنزل.