التيار المتردد
(Alternating Current)
التيار المتردد (Alternating Current) والتيار المستمر (Direct Current)
يوجد 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.
التيار المتردد (AC)....
توليد 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:
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 (hertzz) إلى تردد زاوي (angular frequency) مقاساً بالراديان في الثانية (rad/s).
f تعبر عن تردد الموجة الجيبية, ووحدة التردد الهرتز (hertzz) أو وحدة لكل ثانية (units per secondd). 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 3600 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):
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 (hertzz) إلى تردد زاوي (angular frequency) مقاساً بالراديان في الثانية (rad/s).
f تعبر عن تردد الموجة الجيبية, ووحدة التردد الهرتز (hertzz) أو وحدة لكل ثانية (units per secondd). 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 3600 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 120VV، 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.
ملحوظة: ربما تكون قد سمعت من قبل أن التيار المتردد في الولايات المتحدة 120VV، 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.