شارح الدرس: تقويم التيار الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف استخدام مقوِّم تيار في تحويل التيار المتردِّد الناتج عن المولِّد إلى تيار مستمر.

المولِّد جهاز لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربية. يتم ذلك عن طريق تطبيق قوة ميكانيكية لتدوير ملف سلك في مجال مغناطيسي ثابت. يدور الملف في مستوى عمودي على المجال المغناطيسي، كما هو موضَّح في الآتي.

على الرغم من أن المجال ثابت، يتغيَّر المجال المغناطيسي الكلي المار عبر الملف أثناء دوران الملف.

نتيجة لهذا التغيُّر، يتولَّد فرق جهد مستحث في الملف.

يؤدي فرق الجهد في الملف إلى توليد تيار، وهذا يمثِّل كيفية نقل المولِّد للطاقة الكهربية إلى دائرة كهربية خارجية.

التيار المستحث المتولِّد في الملف الدوَّار سيكون تيارًا متردِّدًا (ac). يتغيَّر اتجاه التيار في الملف في كل مرة يُكمل فيها الملف نصف دورة. ومن ثَمَّ، يظهر التيار المتولِّد خلال الزمن على النحو الآتي.

على الرغم من أن التيار الناتج عن المولِّد يكون تيارًا متردِّدًا بطبيعة الحال، فإن العديد من الاستخدامات العملية للطاقة الكهربية تتطلَّب تيارًا يتجه دائمًا في الاتجاه نفسه. هذا التيار يُسمَّى تيارًا مستمرًّا (dc).

لكي ينتج المولِّد تيارًا مستمرًّا، يلزم تغيير التيار الذي ينتجه من خلال عملية تُسمَّى تقويم التيار.

إذا كان لدينا التيار المتردِّد الموضَّح سابقًا، فسيظهر التيار المُقوَّم الناتج على النحو الآتي.

لاحظ أن تقويم التيار المتردِّد لا يغيِّر من مقدار شدة التيار. يغيِّر التقويم اتجاه التيار فقط ليصبح دائمًا في الاتجاه نفسه.

تذكَّر أنه عندما يُنتِج المولِّد تيارًا، يُنقَل هذا التيار إلى دائرة كهربية خارجية. يمكن توصيل الدائرة الكهربية الخارجية بالملف الدوَّار للمولِّد عن طريق جزأين يُسمَّيان حلقتَي الانزلاق، على النحو الآتي.

حلقتا الانزلاق عبارة عن حلقتين موصلتين تَكونان متصلتين اتصالًا كهربيًّا مستمرًّا بطرفَي الملف الدوَّار. تتيح الحلقتان انتقال التيار حتى أثناء دوران الملف، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

تُثبَّت كل حلقة منهما بطرف في الدائرة الكهربية الخارجية. وبما أن كل حلقة تحافظ على اتصالها بالطرف نفسه طوال الوقت، فإن حلقتَي الانزلاق نفسيهما لا تؤثِّران على اتجاه التيار. أيُّ تغيُّر في اتجاه التيار في الملف ينتقل إلى الدائرة الكهربية الخارجية.

حلقتا الانزلاق طريقة فعَّالة لنقل التيار المتردِّد إلى أي دائرة كهربية خارجية. لكن لِنَقْل التيار المستمر، لا بد من تقويم التيار أثناء نقله.

ويتم ذلك باستخدام جهاز يُسمَّى مقوِّم التيار. مقوِّم التيار حلقة مشقوقة من مادة موصلة، كما هو موضَّح في الآتي.

وبخلاف حلقتَي الانزلاق، يدور مقوِّم التيار مع الملف. يحافظ كل نصف من مقوِّم التيار على اتصال كهربي مستمر بأحد طرفَي الملف.

انظر الآتي نظرةً فاحصةً.

كل طرف في الملف الدوَّار مثبَّت بأحد نصفَي الحلقة المشقوقة في مقوِّم التيار. وبما أن الملف ومقوِّم التيار يدوران معًا، إذن يستمر الاتصال الكهربي بالدائرة الكهربية الخارجية بواسطة ما يُسمَّى الفُرشتين.

مقوِّم التيار حلقة مشقوقة إلى نصفين متساويين. في نصف دورة، ستكون ملامِسة لإحدى الفُرشتين، وفي النصف الآخر، ستكون ملامِسة للفُرشة الثانية.

يتغيَّر اتجاه التيار في مقوِّم التيار، مثلما يحدث في الملف. لكن معدل هذا التغيُّر يُطابِق المعدل الذي يغيِّر به مقوِّم التيار الطرف المتصل به كهربيًّا في الدائرة الكهربية الخارجية.

محصلة هذا التأثير هي أنه على الرغم من أن التيار في الملف يستمر في التغيُّر، فإن التيار يتجه في الدائرة الكهربية الخارجية دائمًا في الاتجاه نفسه. بهذه الطريقة، يقوِّم المقوِّم التيار.

نتناول الآن التيار المقوَّم الناتج عن دورة كاملة واحدة للملف الدوَّار.

يعتمد مقدار التيار المتولِّد على زاوية الملف بالنسبة إلى المجال المغناطيسي. يمكننا القول إنه في البداية، يكون الملف في الموضع الآتي.

في هذا الاتجاه، لا يُنتِج الملف أي تيار. ينطبق هذا دائمًا عندما يقع الملف في مستوى عمودي على المجال المغناطيسي.

لكن تدوير الملف بزوايا أخرى، يولِّد تيارًا يقوِّمه المقوِّم بعد ذلك.

التيار المقوَّم الواصل إلى الدائرة الكهربية الخارجية خلال دورة كاملة للملف موضَّح في الشكل الآتي.

لاحِظ اتجاهات الملف بالنسبة إلى المجال الذي يُنتج القيم الصغرى والعظمى لشدة التيار.

مثال ١: التعرُّف على التيار الناتج عن مولِّد مقوِّم

توضِّح الصور الثلاث حركة مولِّد تيار متردِّد عند اللحظات المتتالية ، ، . قُوِّم تيار الخرج باستخدام مقوِّم التيار. أيٌّ من الخطوط الملوَّنة على التمثيل البياني يوضِّح بصورة صحيحة خرج المولِّد بين اللحظتين ، ؟ تمثِّل الأسهم الخضراء التيار المستحث.

الحل

من بين الصور الثلاث لحركة الملف، نلاحظ أنه، عند اللحظة ، يكون مستوى الملف موازيًا للمجال المغناطيسي، الذي يتجه من اليمين إلى اليسار.

على هذا النحو من الاتجاه، يصل التيار المستحث في الملف إلى قيمته العظمى.

نلاحظ أيضًا أنه عند اللحظتين ، ، لا يكون مستوى الملف موازيًا للمجال المغناطيسي؛ ما يدل على أن التيار المستحث عند هاتين اللحظتين يكون أقل من القيمة العظمى.

إذن يمكننا القول إن المنحنى الذي يوضِّح بصورة صحيحة التيار المستحث خلال الفترة الزمنية المحدَّدة سيكون أعلى بالقرب من الوسط والأسفل في اتجاه أيٍّ من طرفَي المنحنى.

من بين خيارات الإجابات الأربعة، يكون المنحنى الوحيد الذي يتبع هذا الوصف هو المنحنى الأزرق. هذا هو الخط الذي يوضِّح بصورة صحيحة خرج المولِّد بين اللحظتين ، .

مثال ٢: التعرُّف على موضع الملف المستقبلي واتجاه التيار في المولِّد

يوضِّح الشكلان حركة مولِّد تيار متردِّد في اللحظتين المتتاليتين ، . يُقوَّم خرج التيار باستخدام مقوِّم تيار. أيُّ الأشكال الآتية يمثِّل بطريقة صحيحة موضع المولِّد وخرجه عند اللحظة ؛ حيث ؟ تمثِّل الأسهم الخضراء التيار المستحث.

الحل

بملاحظة موضع الملف عند اللحظتين ، ، وبملاحظة أن هاتين اللحظتين متتاليتان (الواحدة تلو الأخرى)، نجد بين هذين الزمنين، أن الملف قد دار تقريبًا في اتجاه دوران عقارب الساعة من منظورنا. علاوةً على ذلك، بالنظر إلى مستوى الملف، نجد أن التيار يتجه في اتجاه دوران عقارب الساعة في كلتا اللحظتين.

نتخيَّل الآن أننا انتقلنا إلى لحظة بُعدهما من الزمن . يبعُد الزمن عن مثلما يبعُد عن ؛ أي إن الفرق بين هذين الزوجين من الزمن هو نفسه.

إذن يمكننا تصوُّر الملف عند باعتبار دورانه بعد موضعه عند . وبما أن هذا الدوران أقل من ، إذن نتوقَّع أنه عند النظر إلى مستوى الملف من أعلى، يتجه التيار في نفس اتجاه دوران عقارب الساعة، كما هو الحال عند ، .

وبمراجعة خيارات الإجابات المتاحة، يبدو أن كلًّا من الخيارين (ب) و(ج) يحقِّق هذه الشروط. لكن بالنظر عن كثب، نجد أن الموصلين الأحمر والأزرق في الخيار (ب) يُطابِقان ترتيب الموصلين المُعطيين في نص المسألة، أما الموصلان في الخيار (ج) فمعكوسان.

يُشير هذا الانعكاس إلى الدوران التدريجي للملف بشكل غير دقيق. ومن ثَمَّ، نستبعد الخيار (ج) من اعتبارنا، ونختار أن تكون الإجابة هي الخيار (ب).

حتى عندما يُقوَّم التيار بحيث يتجه في الاتجاه نفسه، فإن مقدار التيار الناتج يتغيَّر تغيُّرًا كبيرًا، كما هو موضَّح في الآتي.

من أجل «تسوية» التيار المقوَّم الناتج عن مولِّد، يمكن اتباع الطريقة الآتية.

تذكَّر أن مقدار التيار المستحث يصل لقيمته العظمى عندما يكون مستوى الملف الدوَّار موازيًا للمجال المغناطيسي، ويصل لقيمته الصغرى عندما يكون عموديًّا على هذا المجال.

فكِّر في مجموعة مكوَّنة من أربعة ملفات متطابقة مرتبة؛ بحيث يميل كلٌّ منها عن الذي يليه بزاوية قياسها .

يتعرَّض كل ملف من هذه الملفات الأربعة إلى تيار مستحث أثناء دوران الجهاز، ويساهم كلٌّ منها في التيار الكلي المتولِّد.

ونظرًا لعدم وقوع أي ملف من الملفات في المستوى نفسه، فسيولِّد كلٌّ منها تيارًا طوره مختلف عن التيارات الأخرى.

في التمثيل البياني الآتي، تمثِّل المنحنيات الحمراء والخضراء والزرقاء والأرجوانية شدة التيار المقوَّم المتولِّد في كل ملف على حدة.

عند أي زمن معطى، نُوجِد شدة التيار الكلي المتولِّد عن طريق جمع القيم على المنحنيات الحمراء والخضراء والزرقاء والأرجوانية معًا.

في الشكل الآتي، جُمِّعت هذه القيم عند قيمتين للزمن.

عند كل لحظة، تمثِّل النقطة السوداء مجموع قيم النقاط الحمراء. وتقع النقاط السوداء على طول المنحنى الأسود؛ ما يُشير إلى أن هذا المنحنى يمثِّل شدة التيار الكلي المتولِّد في جميع الأزمنة الموضَّحة.

يمكن توضيح هذا الجمع بصورة أكثر وضوحًا في الشكل الآتي.

لاحظ أن مقدار شدة التيار يتغيَّر تغيُّرًا أقل على المنحنى الأسود مقارنةً بأيٍّ من المنحنيات الأخرى. وحتى إذا أضيف مزيد من الملفات بزوايا ذات قياسات وسطية، فسيظل ميل منحنى شدة التيار الكلي أقل.

هيا نتناول مثالًا يرتبط بذلك.

مثال ٣: التعرُّف على خرج ملفات المولِّد من التيار المتردِّد

يحتوي مولِّد تيار متردِّد مقوَّم على أربعة ملفات موضوعة بحيث تفصل بينها زوايا متساوية، كما هو موضَّح في الشكل. يوضِّح التمثيل البياني خَرْج المولِّد؛ حيث يُشير الخط الأحمر والأخضر والأزرق والأرجواني إلى خَرْج الملفات كلٍّ على حدة. يوضِّح الشكل الموضع المناظِر لنقطة أصل كلِّ ملف على التمثيل البياني.

1. أيُّ الملفات خَرْجه يناظِر الخط الأزرق؟
2. ما لون الخط المناظِر للخرْج الكلي لجميع الملفات؟

الحل

يصل الخط الأزرق إلى القيمة العظمى عند . والملفات الأربعة على التمثيل البياني موضَّحة عند هذه اللحظة. نحن نعلم أن أي ملف مستواه يوازي مجالًا مغناطيسيًّا خارجيًّا سيولِّد القيمة العظمي لشدة التيار عند هذه اللحظة.

اتجاه الملف عند سُمِّي IV. خَرْج هذا الملف يناظر الخط الأزرق.

شدة التيار الكلي الناتج عن جميع الملفات تساوي مجموع التيارات المتولِّدة عن كل ملف على حدة. يمكننا إيجاد منحنى مجموع هذا الخرج عن طريق جمع القيم على المنحنيات الحمراء والزرقاء والخضراء والأرجوانية معًا عند كل لحظة من الزمن. ومن ثَمَّ، يوضِّح الخط البرتقالي الخرج الكلي لجميع الملفات.