ما هو التيار المتردد؟

مصدر التيار الكهربائي في منازلنا ومكاتبنا هو جهد يتغير مع الزمن مثل موجة الدالة الجيبية (sine). يسمى هذا الجهد بالجهد المتردد ويسمى التيار الذي يحركه في الدائرة بالتيار المتردد الجيبي (المتناوب).

تتطلب معظم الأجهزة الكهربائية التي نستخدمها جهد متردد (ac voltage)، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن معظم الطاقة الكهربائية التي تبيعها شركات الطاقة يتم نقلها وتوزيعها كتيار متردد.

السبب الرئيسي لتفضيل استخدام جهد التيار المتردد على جهد التيار المستمر هو أنه يمكن تحويل جهد التيار المتردد بسهولة وكفاءة من جهد إلى آخر عن طريق المحولات. علاوةً على ذلك، يمكن نقل الطاقة الكهربائية اقتصاديًا عبر مسافات طويلة. ولدوائر التيارالمتردد خصائص عديدة يتم الإستفادة منها في العديد من الأجهزة المستخدمة يوميًا.

ما هو التيار المتردد؟

التيار المتردد أو المتناوب (بالإنجليزية: alternating current) ورمزه AC، هو عبارة عن تيار كهربائي تتغير اتجاه تدفق الشحنات الكهربائية فيه بشكل دوري. يبدأ من الصفر ويزداد إلى الحد الأقصى، وينخفض ​​إلى الصفر، وينعكس، ويصل إلى الحد الأقصى في الاتجاه المعاكس، ويعود مرة أخرى إلى القيمة الأصلية. ويكرر هذه الدورة 60/50 مرة كل ثانية (بمعنى آخر بتردد 50 أو 60 هيرتز).

ومن الجدير بالذكر أن المصطلحات المستخدمة في التيار المتردد أو الجهد المتردد ليست كافية لوصف نوع الموجة التي نقصدها، حيث يشير مصطلح “متردد” إلى أن شكل الموجة يتردد أو يتغير بين مستويين موصوفين في فترة زمنية محددة. والصورة التالية تمثل تيار متردد تختلف فيه شكل الموجة في الحالات الثلاث، لذا يجب أيضًا استخدام المصطلح الجيبية أو الموجة المربعة أو المثلثية لوصف نوع الموجة.

وتعد الموجة ذات الأهمية الكبير هي الجيبية (sine wave) نظرًا لأن هذا النوع من الموجات يتم التعامل معه في الغالبية العظمى من الحالات، وعندما نقول تيار متردد أو جهد متردد فالقصد هو التيار المتردد الجيبي، أما عند وصف أي نوع آخر فلابد من ذكر نوع الموجة (على سبيل المثال إذا كان لديك تيار متردد موجته مثلثة الشكل) فيجب أن تقول “تيار متردد مثلثي” لتصف التيار المتردد هذا.

أحد الأسباب المهمة للتركيز على جهد التيار المتردد الجيبي أنه الجهد الذي تولده المحطات في جميع أنحاء العالم. وأيضًا استخدامه في جميع الأنظمة الكهربائية والإلكترونية والاتصالات والصناعية. بالإضافة إلى ذلك، شكل الموجة نفسه له عدد من الخصائص التي تؤدي إلى استجابة فريدة عند تطبيقها على العناصر الكهربائية الأساسية.

وحدة قياس التيار المتردد

التيار المتردد هو أحد أنواع التيار الكهربائي لذا له نفس وحدة القياس وهي الأمبير (Ampere, A)

رمز التيار المتردد

يرمز للتيار المتردد بدائرة داخلها خط متموج إشارة إلى شكل التيار المتردد الجيبي.

توليد التيار المتردد الجيبي

يمكن إنتاج التيار المتردد باستخدام جهاز يسمى المولد الكهربائي، هذا الجهاز هو نوع خاص من المولدات مصمم لإنتاج تيار متردد. يتم تدوير حلقة من السلك داخل مجال مغناطيسي، مما يؤدي إلى توليد تيار على طول السلك. يمكن تدوير السلك بالعديد من الوسائل مثل توربينات الرياح، والتوربينات البخارية، والمياه الجارية، وغيرها. ومن خلال التصميم المناسب للمولد، يتم توليد جهد تيار متردد جيبي يمكن تحويله إلى مستويات أعلى للنقل عبر خطوط الطاقة إلى المستهلك.

وفي محاولة للحفاظ على مواردنا الطبيعية وتقليل التلوث، تحظى مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية اهتمامًا متزايدًا من مختلف مناطق العالم التي تتوفر بها مصادر الطاقة هذه بمستويات مناسبة.

توربينات الرياح في محطة طاقة الرياح تتصل مباشرةً بعمود مولد التيار المتردد لتوفير جهد التيار المتردد الموصوف أعلاه. ومن خلال الطاقة الضوئية الممتصة على شكل فوتونات يمكن للألواح الشمسية توليد جهد التيار المستمر، وبواسطة جهاز إلكتروني يسمى العاكس، يمكن تحويل جهد التيار المستمر إلى تيار متردد جيبي. ويتوفر الجهد الجيبي ذي الخصائص التي يمكن للمستخدم التحكم فيها من مولد الدالة (function generators) ويوجد في المعامل الدراسية.

أنواع التيار المتردد

يمكن تصنيف التيار المتردد إلى العديد من الأنواع بحسب شكل الموجة، ومن أشهر الأنواع تيار الموجة الجيبية، وتيار الموجة المثلثية، وتيارالموجة المربعة، وتيار الموجة المنشارية. وكل الأنواع لها نفس الخصائص الفيزيائية وتختلف فقط في شكل الموجة، وكذلك بالقوانين الرياضية التي تعبر عنها.

خصائص التيار المتردد

الموجة (Waveform): المسار الذي تتبعه كمية معينة مثل الجهد، وتكون مرسومة كدالة بالنسبة لبعض المتغيرات مثل الوقت، والدرجات، والراديان.

القيمة اللحظية (Instantaneous value): قيمة (magnitude) الموجة في أي لحظة زمنية، يرمز لها بأحرف صغيرة مثل (e1, e2).

قيمة الذروة أو القيمة القصوى (Peak value): أقصى قيمة لحظية للموجة مقاسة من مستوى صفر فولت إلى أعلى قمة ويرمز لها بـ V_p أو E_p-.

قيمة الذروة إلى الذروة أو القمة إلى القمة (Peak-to-peak value): يُرمز إليها بـ E_p-p أو V_p-p (كما هو موضح في الصورة السابقة)، وهي الجهد بين القمة الموجبة والقمة السالبة للموجة ، أي مجموع قيمة القمة الموجبة والسالبة (V_p-p=2V_p).

القيمة الفعالة (effective value): بما أن التيار المتردد تتغير قيمته مع الزمن ولذلك عند مقارنته مع التيار المستمر فإن القيمة الفعالة للتيار المتناوب (المتردد) تساوي قيمة التيار المستمر الذي ينتج نفس كمية الحرارة عندما يمر بنفس المقاومة لنفس الفترة الزمنية.

الموجة الدورية (Periodic waveform): الموجة التي تكرر نفسها باستمرار بعد نفس الفترة الزمنية. شكل الموجة في الصورة السابقة هو شكل موجة دوري.

دورة الموجة (Cycle): جزء من شكل موجة موجود في فترة زمنية واحدة بحيث تبدأ من نقطة وتنتهي عن نفس النقطة (C=f*T).

الزمن الدوري Period (T): الزمن اللازم للموجة الجيبية لإكمال دورة كاملة ويقاس بالثانية (T=C/f).

تردد الموجة الجيبية (frequency (f)): هو عدد الدورات التي تعملها الموجة في زمن مقداره ثانية واحدة ويقاس بالهيرتز (Hz)، (f=C/T).

استخدامات التيار المتردد

يستخدم التيار المتردد بشكل أساسي في توليد ونقل وتوزيع الكهرباء. في الواقع، يتم تشغيل كل المنازل في العالم تقريبًا بواسطة التيار المتردد. التيار المتردد هو أيضًا التيار الأكثر شيوعًا عندما يتعلق الأمر بتشغيل المحركات الكهربائية، (وهو جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية). بعض الأجهزة المنزلية التي نستخدمها والتي تعتمد على هذا المحرك على سبيل المثال لا الحصر: الثلاجات، الغسالات، المضخات، المراوح.

لماذا يُستخدم التيار المتردد في المنازل؟

يُستخدم التيار المتردد في معظم أنظمة توزيع الكهرباء وفي المنازل لعدة أسباب، أهمها سهولة تحويله من جهد إلى آخر باستخدام المحول الكهربائي. بينما تحويل التيار المستمر DC أكثر صعوبة وأكثر تكلفة، (تُستخدم دوائر إلكترونية لتحويل التيار المستمر وهي مكلفة للغاية).

ومن الأسباب الأخرى:

1. التيار المستمر أكثر خطورة من التيار المتردد لنفس الجهد لأن الجهد المستمر لا يمر عبر الصفر.
2. يعد التآكل الإلكتروليتي (Electrolytic corrosion) أكثر إشكالية مع التيار المستمر.
3. القوس الكهربائي (arc) للتيار المستمر لا يمكن إخماده بسهولة لأن الجهد لا يمر عبر الصفر.
4. المحركات الحثية للتيار المتردد سهلة الصنع والصيانة، بعكس محركات التيار المستمر المعقدة.

---

المراجع

R. Boylestad, Introductory Circuit Analysis