فيديو الدرس: تقويم التيار الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

ينتج مولد التيار المتردد تيارًا يغير اتجاهه دوريًّا بين اتجاهين مختلفين. وفي هذا الدرس، سوف نتعرف على جهاز ميكانيكي يسمى مقوم التيار. عند توصيل مولد تيار متردد بدائرة كهربية عن طريق مقوم تيار، يقوم المقوم التيار بحيث يكون له دائمًا الاتجاه نفسه في الدائرة الكهربية، حتى عندما يغير التيار اتجاهه في المولد. لكي نفهم كيف يقوم المقوم التيار المتردد، دعونا نبدأ بمراجعة عمل مولد التيار المتردد البسيط.

يتكون مولد التيار المتردد البسيط من ملف يدور في مجال مغناطيسي منتظم بين مغناطيسين. عندما يدور الملف يتغير المجال المغناطيسي الكلي المار خلال الملف، الذي يعرف أيضًا بالفيض المغناطيسي، بمرور الزمن، وهو ما يؤدي إلى توليد تيار مستحث في الملف. تذكر أنه في أي دائرة كهربية معينة، يكون للتيار اتجاه واحد فقط من اتجاهين محتملين. إذن يمكننا تمثيل تيار بعدد موجب أو سالب؛ حيث تمثل قيمة العدد شدة التيار، وتمثل إشارة العدد، سواء أكانت موجبة أم سالبة، اتجاهه. إذا استخدمنا هذا في رسم تمثيل بياني للتيار المستحث في المولد مقابل الزمن، نحصل على تمثيل بياني يظهر تغير التيار بصفة دورية بين قيمة عظمى موجبة وقيمة عظمى سالبة، ثم يعود مجددًا إلى القيمة العظمى الموجبة.

لاحظ أنه عندما يكون التيار موجبًا، فإنه يسري في اتجاه معين. وعندما يكون التيار سالبًا، فإنه يسري في الاتجاه الآخر. يحدث التحول بين هذين الاتجاهين عند أي لحظة يمر فيها التيار عبر الصفر؛ نظرًا لاختلاف إشارة التيار قبل هذه اللحظات وبعدها. لكي نفهم بصورة أفضل كيفية تقويم هذا التيار، سنحتاج لمعرفة اتجاه الملف نسبة إلى المجال المغناطيسي في كل مرة يتغير فيها اتجاه التيار. والاتجاه الذي نرغب في تحديده هو عندما يكون الملف عموديًّا على المجال المغناطيسي. لمعرفة سبب صحة هذا الأمر، تخيل أننا ننظر إلى المجال المغناطيسي من الجانب.

عند النظر إلى الملف من هذه الزاوية، فإنه يبدو كخط واحد؛ لأن عمق الملف يكون على طول خط الرؤية. رسمنا هنا الملف عند لحظة من الزمن يقطع فيها ثلاثة خطوط مجال مغناطيسي. لنتابع الآن ما يحدث عند دوران الملف. في هذه اللحظة، يتعامد الملف الآن على المجال المغناطيسي. وكما نلاحظ في الشكل، عند تعامد الملف على المجال المغناطيسي، فإنه يقطع خمسة من خطوط المجال بدلًا من ثلاثة فقط كما في السابق. بعبارة أخرى، مع استكمال هذا الجزء من الدوران، ازداد الفيض الذي يقطع الملف. لكن مع مواصلة الملف الدوران، سيدور الآن مبتعدًا عن موضعه العمودي على المجال المغناطيسي.

والنتيجة هي أن الملف، الممثل الآن بهذا الخط المتقطع، سيقطع مرة أخرى ثلاثة فقط من خطوط المجال. فقد انخفض الفيض الذي يقطع الملف. لنربط هذه التغيرات في الفيض بالتيار المتردد، دعونا نستخدم هذا الضلع العلوي الموجود في الشكل الثلاثي الأبعاد مرجعًا لنا. في الشكل الثنائي الأبعاد، هذا الضلع المرجعي سيبدو في صورة نقطة خضراء عند أحد طرفي الملف. باختيار هذه النقطة المرجعية، يمكننا القول بشكل قاطع إن الزيادة في الفيض على الجانب الأيسر للشكل تمثل تغييرًا موجبًا، ويمثل الانخفاض تغييرًا سالبًا. تسمح لنا النقطة المرجعية بفعل ذلك؛ لأنه يمكننا الآن القول بوضوح أنه عندما يكون الضلع المرجعي في النصف العلوي من الشكل، يكون الفيض خلال الملف موجبًا.

ومع ذلك، عندما يمر الملف خلال الموضع الأفقي، يتغير اتجاهه بالنسبة إلى المجال المغناطيسي، وبذلك تتغير إشارة الفيض. ولكن بوجود النقطة المرجعية، يمكننا القول بوضوح إن هذا يعني أنه عندما تكون النقطة المرجعية في النصف السفلي من الشكل، يكون الفيض سالبًا. قبل الانتهاء من مناقشة هذا الأمر، يجدر بنا ذكر كيف يتغير اتجاه الملف نسبة إلى المجال المغناطيسي عند مروره خلال الموضع الأفقي. لدينا هنا صورتان للملف؛ واحدة قبل وجود الملف في وضع أفقي، وأخرى بعده. في كلتا الصورتين، تمثل خطوط المغناطيس اتجاه المجال المغناطيسي.

كما نلاحظ، قبل أن يصبح الملف أفقيًّا، تمر خطوط المجال المغناطيسي فوق الضلع غير المشار إليه للملف، ثم عبر الملف ثم أسفل الضلع المرجعي. لكن بعد تخطي الملف الوضع الأفقي، تمر خطوط المجال المغناطيسي أسفل الضلع غير المشار إليه، ثم عبر الملف، ثم فوق الضلع المرجعي. هذا يعني أن خطوط المجال المغناطيسي تمر الآن خلال الملف في الاتجاه المعاكس. لنرى ذلك بوضوح أكبر، يمكننا تلوين أحد وجهي مستوى الملف باللون الأزرق. وقبل أن يصبح الملف أفقيًّا، يمر المجال المغناطيسي خلال الوجه الأزرق أولًا. وبعد أن يصبح الملف أفقيًّا، يمر المجال المغناطيسي خلال الوجه البرتقالي أولًا.

إذن فقد تبدل اتجاه الملف نسبة إلى المجال المغناطيسي، وتغيرت إشارة الفيض. على أية حال، كل ما نحتاج إلى فعله هو تذكر أن التيار المستحث في مولد تيار متردد يتناسب طرديًّا مع معدل تغير الفيض المغناطيسي خلال الملف. وبما أنه يمكننا ملاحظة تحول معدل تغير الفيض من الموجب إلى السالب مع دوران الملف إلى الموضع الرأسي، يجب أن يناظر هذا أيضًا تغير في إشارة التيار المستحث. كما أن التيار يتغير من الموجب إلى السالب أو من السالب إلى الموجب. وإحدى هاتين الإشارتين تمثل وجود الضلع المرجعي أعلى الشكل، وتمثل الأخرى وجود الضلع المرجعي أسفل الشكل. ويتوقف هذا على التفاصيل المتعلقة بالمولد.

والنقطة المهمة هنا، بغض النظر عن الفرق بين الإشارتين، هي أن التيار المستحث في مولد تيار متردد سيغير اتجاهه عند تعامد الملف على المجال المغناطيسي. دعونا الآن نستخدم هذه الحقيقة في إنشاء مقوم تيار. تذكر أن مقوم التيار يجب أن يكون جهازًا يعكس التوصيلات بين المولد والدائرة الكهربية كل نصف دورة. ويتكون مقوم التيار من جزأين رئيسيين: حلقة مشقوقة إلى نصفين، وفرشتان تلامس كل منهما نصفًا من نصفي الحلقة. وتصنع الفرشتان ونصفا الحلقة من مادة موصلة؛ بحيث تكون اتصالًا كهربيًّا. بالنسبة إلى مقومات التيار التي سنتناولها؛ ستكون الحلقة موصلة بدائرة كهربية خارجية، والفرشتان موصلتان بملف مولد تيار متردد.

تكون هذه التوصيلات معكوسة في مقومات تيار أخرى؛ حيث توصل الفرشتان بدائرة كهربية خارجية، وتوصل الحلقة بملف مولد تيار متردد. لكن يعمل كلا النوعين من المقومات بالطريقة نفسها. هذا رسم توضيحي يظهر كيف يصل مقوم التيار بين ملف مولد التيار المتردد ودائرة كهربية خارجية تحتوي على مقاومة. تذكر أنه عند دوران الملف يتولد تيار مستحث في الملف تزامنًا مع انزلاق الفرشتين على الجزء الداخلي من الحلقة. ولأن الفرشتين والحلقة متصلات كهربيًّا، يشكل الملف ومقوم التيار والمقاومة دائرة كهربية كاملة. ويكون اتجاه التيار في بقية الدائرة الكهربية خارج الملف في اتجاه مقوم التيار على اليمين، ثم يخرج من المقوم، ويدخل الدائرة الكهربية الخارجية، ثم يمر خلال المقاومة من اليمين إلى اليسار، ثم يترك الدائرة الكهربية الخارجية ويعود إلى مقوم التيار، ومن مقوم التيار إلى الملف على اليسار.

حسنًا، لنر الآن كيف يتغير التيار في هذا التركيب بمرور الزمن. لمساعدتنا في فعل ذلك، رسمنا تمثيلين بيانيين مع الرسم التوضيحي. يظهر أحدهما التيار في الملف مقابل الزمن، ويظهر الآخر التيار في المقاومة مقابل الزمن. المحور الأفقي مرسوم بنفس المقياس في كلا التمثيلين البيانيين. إذن النقاط المتقابلة التي لها نفس الوضع الأفقي تمثل أيضًا الزمن نفسه. في اللحظة المصورة حاليًّا، الملف في وضع أفقي والضلع المرجعي الأخضر موجود ناحية اليسار. إذن التيار عند قيمته الموجبة العظمى؛ حيث استخدمنا الضلع المرجعي الأخضر ليساعدنا في تحديد التيار الموجب والسالب.

إذا كان التيار في الملف عند قيمته العظمى، فإن التيار في المقاومة سيكون كذلك أيضًا. واخترنا اتجاه التيار من اليمين إلى اليسار مرورًا بالمقاومة ليكون الاتجاه الموجب. نعلم أنه مع استمرار دوران الملف، ينخفض التيار من قيمته العظمى. لكن دعونا نر ما يحدث للفرشتين والتيار في المقاومة عند حدوث ذلك. في اللحظة التي ننظر فيها الآن، انزلقت الفرشتان حوالي ربع لفة حول الحلقة، وتغير وضع الملف من الأفقي إلى الرأسي تقريبًا.

خلال ربع اللفة هذه، انخفض التيار في الملف؛ لأن التيار يبلغ قيمته العظمى عندما يكون الملف أفقيًّا، ويساوي صفرًا عندما يكون الملف رأسيًّا. ورغم انخفاض شدة التيار، ظل الاتجاه ثابتًا؛ لأن اتجاه التيار يتغير فقط عندما يمر الملف خلال الموضع الرأسي، والمقصود بالرأسي هنا أن يكون عموديًّا على المجال المغناطيسي. وبالنسبة للمقاومة، تقل شدة التيار في المقاومة؛ لأن شدة التيار فيها تساوي شدة التيار في الملف. واتجاه هذا التيار ثابت أيضًا لأن اتجاه التيار في الملف ثابت، وما زالت كل فرشة في مقوم التيار تلامس نصف الحلقة نفسه.

حسنًا، دعونا نر الآن ما يحدث عندما يدور الملف أكثر قليلًا؛ بحيث يكون رأسيًّا ومتعامدًا بالكامل على المجال المغناطيسي. في اللحظة التي يكون فيها الملف رأسيًّا، تكون فرشتا مقوم التيار محاذيتين تمامًا للفجوة غير الموصلة بين نصفي الحلقة المشقوقة. ونظرًا لأن الفرشتين ليستا متصلتين كهربيًّا بالحلقة، ولأن على أية حال التيار في الملف يساوي صفرًا عندما يكون الملف رأسيًّا، فلا يمر تيار خلال المقاومة. لنر الآن ما سيحدث عندما يواصل الملف الدوران، ويتخذ التيار الاتجاه السالب بدلًا من الموجب في الملف.

بمجرد دوران الملف متجاوزًا الوضع الرأسي، يتغير اتجاه التيار. كان اتجاه التيار سابقًا من فرشة مقوم التيار نحو الضلع المرجعي الأخضر. أما الآن يتجه التيار من الضلع المرجعي الأخضر نحو فرشة مقوم التيار. وفي المقابل، التيار على الجانب الآخر من الملف يبتعد الآن عن الفرشة، ويتجه نحو الملف بدلًا من ابتعاده عن الملف واتجاهه نحو الفرشة. ومع ذلك، لاحظ أن كل فرشة من فرشتي مقوم التيار تلامس الآن النصف المعاكس للحلقة المشقوقة عما كانت عليه من قبل. إذن لا يزال اتجاه التيار من الفرشة إلى النصف الأرجواني للحلقة، ومن النصف الأزرق للحلقة إلى الفرشة.

يجب أن يوافق اتجاه التيار في الدائرة الكهربية الخارجية الاتجاهات التي وصفناها للتيار في الملف ومقوم التيار. إذن ليكون لدينا تيار يتجه من النصف الأزرق للحلقة إلى الملف، نحتاج إلى تيار في الدائرة الكهربية الخارجية يتجه من الدائرة نحو النصف الأزرق من الحلقة. على الجانب الآخر، ليكون لدينا تيار يتجه من الملف نحو النصف الأرجواني للحلقة، نحتاج أيضًا إلى تيار يتجه من النصف الأرجواني للحلقة نحو الدائرة الكهربية الخارجية. عند النظر إلى الرسم التوضيحي، نلاحظ أن التيار في المقاومة يجب أن يتجه من اليمين إلى اليسار. إذن مرة أخرى يكون التيار خلال المقاومة موجبًا. بعبارة أخرى، يكون له الاتجاه نفسه الذي كان عليه سابقًا.

يظل اتجاه التيار في المقاومة ثابتًا؛ لأنه تزامنًا مع تغير اتجاهات التيار داخل الملف، تغير الفرشتان في مقوم التيار التلامس الكهربي بين نصفي الحلقة المشقوقة. وينتج عن ذلك عكس مقوم التيار اتجاه التيار في الملف للحفاظ على اتجاه ثابت في الدائرة الكهربية. وسيستمر ذلك بالنسبة لنصف اللفة التالية مع وجود تيار سالب في الملف، وتيار موجب في المقاومة. وبعد ذلك، عندما يصل التيار إلى الصفر مرة أخرى لأن الملف رأسي، ستحاذي فرشتا مقوم التيار الفجوة بين نصفي الحلقة مجددًا. بعد هذه النقطة، سيصبح التيار في الملف موجبًا مرة أخرى.

وفي الوقت نفسه، ستتبادل الفرشتان التلامس الكهربي بين نصفي الحلقة المشقوقة. وبذلك سيظل التيار موجبًا في المقاومة. وبمرور الزمن، سيواصل التيار تغيير قيمته في الملف بين قيم موجبة وسالبة. لكن التيار في المقاومة سيظل دائمًا موجبًا أو صفرًا عندما يكون التيار في الملف صفرًا أيضًا. نسمي هذا التيار المار خلال المقاومة تيارًا مقومًا؛ لأننا أخذنا تيارًا مترددًا من الملف وحولناه إلى تيار لا يتغير اتجاهه. رياضيًّا، نلاحظ أن التمثيل البياني الذي يمثل التيار المقوم هو القيمة المطلقة للتمثيل البياني الذي يمثل التيار المتردد. والآن بعد أن رأينا كيف يقوم مقوم التيار تيارًا مترددًا إلى تيار مستمر، دعونا نتدرب من خلال مثال.

حركة مولد تيار متردد عند اللحظات المتتابعة ‪𝑡‬‏ واحد و‪𝑡‬‏ اثنين و‪𝑡‬‏ ثلاثة توضحها الصور الثلاث. يقوم خرج التيار باستخدام مقوم التيار. أي خط ملون على التمثيل البياني يوضح خرج المولد بشكل صحيح بين اللحظتين ‪𝑡‬‏ واحد و‪𝑡‬‏ ثلاثة؟ الأسهم الخضراء تمثل التيار المستحث.

الصور الثلاث المشار إليها في السؤال هي هذه الصور الثلاث الموجودة على اليسار. وهي تظهر المولد حسب الترتيب الزمني عند اللحظات ‪𝑡‬‏ واحد و‪𝑡‬‏ اثنين و‪𝑡‬‏ ثلاثة. يطلب منا السؤال تحديد أي خط على هذا التمثيل البياني يمثل التيار مقابل الزمن المناظر لخرج المولد، كما هو موضح في الصور الثلاث، بين ‪𝑡‬‏ واحد و‪𝑡‬‏ ثلاثة. في البداية، دعونا نحدد أي النقاط على محور الزمن في التمثيل البياني تقابل اللحظات الموضحة. نعلم أن ‪𝑡‬‏ واحد هي أول لحظة موضحة، و‪𝑡‬‏ ثلاثة هي آخر لحظة موضحة.

عند النظر إلى الصور، نلاحظ أن اللحظة ‪𝑡‬‏ اثنين تقع تقريبًا في المنتصف بين ‪𝑡‬‏ واحد و‪𝑡‬‏ ثلاثة. لنميز بين الخيارات المحتملة، تذكر أن المجال المغناطيسي بين قطبي المغناطيس يكون اتجاهه من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي. وتذكر أنه عندما يكون ملف مولد التيار المتردد عموديًّا على المجال المغناطيسي، يبلغ الفيض خلال الملف قيمته العظمى. لكن التغير في الفيض خلال الملف يساوي صفرًا. وبما أن التيار يتناسب طرديًّا مع التغير في الفيض مقابل الزمن، إذا لم يكن هناك تغير في الفيض خلال الملف، فلن يتولد تيار. إذن عند ‪𝑡‬‏ ثلاثة يكون التيار صفرًا.

عند النظر مرة أخرى إلى التمثيل البياني، نلاحظ أن الخطين الأسود والأخضر يظهران تيارًا مقداره صفر عند ‪𝑡‬‏ ثلاثة، وهو ما يعني أن الخطين الأحمر والأزرق لا يمثلان الخرج الصحيح للمولد؛ لأنهما يظهران قيمة عظمى للتيار عند ‪𝑡‬‏ ثلاثة. بما أننا تناولنا حالة الملف عندما يكون عموديًّا على المجال المغناطيسي، لنتناول الآن حالته عندما يكون موازيًا للمجال المغناطيسي، وهو ما يحدث عند ‪𝑡‬‏ واحد. تذكر أنه عندما يكون الملف موازيًا للمجال المغناطيسي، يتغير موضع الملف نسبة إلى المجال المغناطيسي. وبذلك يبلغ التغير في الفيض قيمته العظمى. عندما يبلغ التغير في الفيض قيمته العظمى، يكون التيار كذلك أيضًا. إذن فإننا نبحث عن الخط الذي يظهر قيمة عظمى للتيار عند ‪𝑡‬‏ واحد.

عند النظر إلى التمثيل البياني، نرى أن خياراتنا هي الخط الأخضر أو الخط الأحمر. لكننا استبعدنا بالفعل الخط الأحمر لأنه لا يساوي صفرًا عند ‪𝑡‬‏ ثلاثة. وبذلك، الخط الوحيد الذي يظهر قيمة عظمى للتيار عند ‪𝑡‬‏ واحد، وتيارًا قيمته صفر عند ‪𝑡‬‏ ثلاثة، ومن ثم الخط الوحيد الذي يمثل بصورة صحيحة خرج المولد بناء على الصور الموجودة لدينا هو الخط الأخضر.

لنراجع الآن بعض النقاط الأساسية التي تناولناها في هذا الدرس. في هذا الدرس، علمنا أن مقومات التيار تقوم التيار المتردد. ولكي نفهم ما يعنيه ذلك، استعرضنا أولًا مولدًا بسيطًا للتيار المتردد يتكون من ملف يدور في مجال مغناطيسي منتظم. عندما يدور الملف، يتغير الفيض المغناطيسي خلال الملف، وهو ما يولد تيارًا مستحثًّا في الملف يتناسب طرديًّا مع هذا التغير. إذا بدأ الملف عموديًّا على المجال المغناطيسي ولاحظنا أن التيار المستحث في البداية موجب، فإن التيار سيبدو بهذا الشكل كدالة في الزمن.

لاحظ أن التيار يتغير بصفة دورية بين الاتجاهين الموجب والسالب. يغير التيار اتجاهه في كل مرة يتعامد فيها الملف مع المجال المغناطيسي؛ حيث لا يكون هناك تيار مستحث. إذا وصلنا دائرة كهربية خارجية بهذا المولد، فسيصبح التيار مترددًا في الدائرة أيضًا. وإذا، بدلًا من ذلك، وصلنا دائرة كهربية بمولد من خلال مقوم تيار، فسيظل اتجاه التيار في الدائرة ثابتًا مع تغير اتجاه التيار في المولد. يتكون مقوم التيار نفسه من فرشتين موصلتين تتلامسان على امتداد الجزء الداخلي من الحلقة التي تعد أيضًا موصلة لكنها مشقوقة إلى نصفين مع وجود فجوة عازلة بين كل نصف.

تتصل الفرشتان بطرفي ملف المولد. ويتصل نصفا الحلقة بطرفي الدائرة الخارجية. في ظل هذه التلامسات الكهربية بين الفرشتين والحلقة، تتكون دائرة كهربية كاملة بين المولد والأجزاء الخارجية. ولأن الملف متصل بالفرشتين، فعند دوران الملف، تدور الفرشتان أيضًا. ونتيجة لهذا التلامس، في حالة نصف الدورة، ينتقل التيار خلال الملف مباشرة إلى الدائرة الكهربية الخارجية. لكن بعد نصف الدورة، في اللحظة التي يمر فيها الملف عموديًّا على المجال المغناطيسي، ستتبادل الفرشتان التلامس بين نصفي الحلقة.

الفرشة التي لامست النصف الأرجواني من الحلقة ستمر فوق الفجوة وتلامس النصف الأزرق من الحلقة. والفرشة التي لامست النصف الأزرق من الحلقة ستمر فوق الفجوة وتلامس النصف الأرجواني من الحلقة. نتيجة ذلك هي أنه في اللحظة التي يتغير فيها اتجاه التيار في الملف، يعكس مقوم التيار طريقة التوصيل بالدائرة الكهربية الخارجية. بينما يتخذ التيار اتجاهًا سالبًا في الملف، فإن التيار في الدائرة الكهربية الخارجية يكون له عكس هذا الاتجاه، أي اتجاه موجب. وفي المرة التالية التي يتغير فيها الاتجاه، يعكس مقوم التيار طريقة التوصيل مرة أخرى، وهو ما يعيد طريقة التوصيل إلى ما كانت عليه في الأصل.

وهكذا ينتقل التيار مباشرة من الملف إلى الدائرة، ويظل موجبًا. تستمر هذه العملية ما دام المولد ينتج تيارًا، ويكون التيار الناتج دائمًا موجبًا أو يساوي صفرًا، أي إن له اتجاهًا واحدًا. نسمي هذا التيار ذا الاتجاه الواحد الناتج عن تيار متردد تيارًا مقومًا. وأخيرًا نسمي المقوم، الذي تسبب في هذا التقويم، مقوم تيار.