كيف تعمل المولدات الكهربائية؟

استمع على ساوندكلاود 🎧

من أين تأتي الكهرباء؟

لكي نفهمَ مفهومَ الكهرباء دعونا نطلقْ عليها طاقةَ الكهرباء. فعند تشغيلك أيَّ جهازٍ منزليٍّ من المايكروويف إلى التلفاز، فإنّك تحتاجُ إلى تيارٍ ثابتٍ من طاقةِ الكهرباءِ، يحتوي كوكبُ الأرضِ على طاقةٍ من مختلفِ الأنواعِ وبناءً على قانون أنّ الطاقةَ لا تفنى ولا تخلقُ من العدمِ فإننا لا نستطيعُ تدميرَ الطّاقةِ التي في الكوكبِ بل نقومُ بتحويلها من شكل إلى آخر؛ أي يلزمنا لتشغيلِ التلفازِ طاقةٌ كهربائيةٌ يتمُّ توليدُها في معاملِ الطاقةِ من مصادرَ غير نظيفةٍ كالنفطِ والفحمِ والغازِ والوقودِ النووي أو يمكنُنا استخدامُ مصادرَ نظيفةً كالعنفاتِ التي تستخدمُ السدودَ أو الرياح وغيرها.

كيف نستطيع توليدَ الكهرباء؟

تعملُ المولداتُ كالمحركاتِ الكهربائية لكن بطريقةٍ عكسيةٍ؛ أي إنّها تقوم بتحويلِ الطاقةِ الحركيةِ إلى طاقةٍ كهربائيةٍ. يتكوّنُ المحرّكُ الكهربائيّ من وشيعةٍ مشدودةٍ من الأسلاكِ النّحاسيةِ حولَ نواةٍ من الحديدِ تملكُ حريةَ الحركةِ داخلَ مغناطيسٍ دائمٍ وقويٍّ. عندَ تغذيةِ وشائعِ النّحاسِ بالكهرباءِ فإنّها تصبحُ عبارةً عن مغناطيسٍ؛ أي بمعنىً آخرَ سيتكوّنُ لدينا حقلٌ مغناطيسي يعملُ باتجاه معاكسٍ للحقلِ الذي يولّده المغناطيس الدائمُ الموجودُ أصلاً مما يسببُ دوران هذه الوشائع، وبتصميمٍ ذكيٍّ نستطيعُ الاستفادةَ من هذه الخاصيّةِ في جعلِ هذه الوشائع تدورُ دائماً وبالاتجاه نفسه مغذيةً بذلك أيَّ جهازٍ كهربائيٍّ من تلفازٍ إلى قطار.

لكن كيفَ يعملُ المولّد الكهربائي؟ تخيلْ أنه لديك فرشاةُ أسنانٍ تدورُ بواسطةِ بطاريةٍ تغذي محركَ الفرشاةِ، ماذا لو فعلنا العكس؟ نجعل المحرك يدور بالاتجاه المعاكس مولداً تياراً كهربائياً يقوم بشحن البطارية مستفيدين من الحقل الكهرومغناطيسي التي تسببه الأسلاك النحاسية.

كيف تعمل المولدات؟

خذ سلكاً طويلاً وصلْه بجهازٍ يقومُ بقياسِ التيارِ الكهربائيّ ثمّ قمْ بوصلِ طرفيه إلى قطبيْ مغناطيسٍ. قمْ بتحريكِ هذا السلكِ من خلالِ الحقلِ المغناطيسيّ غير المرئي، سترى بأنّ الجهازَ قامَ بقياسِ تيّارٍ كهربائيٍّ.

تمّ القيامُ بهذه التجربةِ والتأكيدِ على أنّه بتحريكِ السلكِ في الاتجاهِ المعاكسِ فإنّ تياراً كهربائياً سيمرُّ بالاتجاهِ المعاكسِ عام 1831 من قبلِ العالمِ البريطاني مايكل فاراداي.

كما لاحظنا سابقاً بأنّ تحريكَ السلكِ ضمنَ الحقلِ المغناطيسيّ سيولدُ تياراً صغيراً من الكهرباء، لكن لنفترض أننا نريد توليدَ كميةٍ كافيةٍ من الكهرباءِ، لن يكون ممتعاً تحريكُ السلكِ ضمنَ الحقلِ المغناطيسيّ جيئةً وذهاباً؛ لذلك نقومُ بتركيبِ السلكِ على عجلةِ دورانٍ وعندما نريدُ تحريك السلك، نقومُ بتدويرِ عجلةِ القيادةِ هذه وذلك لتوليد الكهرباء.

الآن إليكم الجزْءَ المثيرَ للاهتمام، لنفترضْ أنّنا قمنا بجعلِ السلكِ على شكلِ حلقةٍ ووضعناه بينَ قطبيْ مغناطيسٍ قويّ فإنه سيدورُ باستمرارٍ وسيقومُ بتوليدِ كميةٍ من الكهرباءِ، عندما يدورُ باتجاهٍ معيّنٍ سيتدفقُ التيارُ بالاتجاهِ المعاكسِ وسينعكسُ اتجاهُ التّيارِ في حالِ الدورانِ بالجهة الأخرى، وهكذا تعملُ المولداتُ الكهربائية، تقومُ بتوليدِ تيارٍ كهربائيٍّ يتدفقُ باتجاه معاكسٍ لحركةِ حلقةِ السلك وهذا التيارُ يُدعى بالتيارِ المتناوب (Alternating Current or AC). وللعلمِ إنّ معظم المولدات البسيطة تقومُ بتوليدِ تيارٍ كهربائي مستمر (Direct Current or DC) فكيف نتمكن من ذلك؟

مولدات التيار المستمر(DC generators):

تماماً كما يقوم محركٌ كهربائيٌّ مستمرٌ باستخدامِ التيارِ المستمرِّ لتأمينِ حركةٍ دورانيةٍ مستمرةٍ، يقومُ مولدُ التّيارِ المستمرِّ بتوليدِ تيارِ تغذيةٍ ثابتٍ عندما يدورُ، وكما محرك التّيار المستمرّ يستعملُ المُبَّدل وهو القسم الكهربائي الدوار الذي يقوم بعكس اتجاهِ التيارِ بين العضوِ الدّوارِ والدارةِ الكهربائيةِ الخارجيةِ، تقومُ باستعماله مولدات التيار المستمر، يبدو الأمرُ تقنياً، لكنه عبارةٌ عن حلقةٍ معدنيةٍ تحتوي تشققاتٍ تعكسُ التّيار من وشيعةِ المولّد، وكما رأينا سابقاً بأنّ حلقةً بسيطةً من سلكِ يقومُ بتوليدِ تيارٍ معاكسٍ عندَ كلِّ نصٍّ دورة، بكلّ بساطة بسبب الدوران، ويقومُ عملُ المُبَّدلِ هنا بإلغاء تأثير دوران الوشائع وتأمين توليد تيار مستمرٍّ مباشر.

مولدات التيار المتناوب(AC Alternators):

ماذا لو أردنا توليدَ تيارٍ متناوبٍ بدلاً من التّيارِ المستمرِّ؟ نحتاجُ هنا ما يُسمّى المولد(alternator) وهو ببساطةٍ عبارة عن مولّد تيار متناوبٍ.

من أبسط الأمثلة لمولداتِ التيار المتناوب هو مولد تيار مستمرٍّ كما رأيناه سابقاً لكن من دونِ وجودِ المُبّدل، وكما تدور الوشائعُ أو المغانط يتولّد لدينا تيارٌ متناوبٌ كما أنّ هناك محركاتٍ تحريضيةً متناوبةً تستخدمُ لإنتاجِ حقلٍ مغناطيسيّ دوار بدلاً من استخدامِ مغناطيس دائم.

المولدات حولنا:

يبدو توليدُ الكهرباءِ بسيطاً؛ حيثُ إنّنا سنتمكنُ من توليدِ ضوءٍ لدراجَتِنا الهوائية عن طريقِ وصلِ الدواسة مع محرّك توليد بسيطٍ، لكن هذه الطريقة تولد كميةً قليلةً من الكهرباءِ، في الواقعِ نحنُ نعتمدُ كثيراً على العنفاتِ الكبيرةِ التي تقومُ بتوليد الكهرباء بعدّة طرقٍ، مثلاً باستخدامِ بخارِ الماءِ بعد تسخينه عن طريقِ الفحمِ مثلاً أو النفط أو يمكننا تركيبُ عنفات تعمل بالنفط وتسخين مياه لتبخيره واستخدامِه في عنفةٍ بخاريّةٍ أخرى، لاحظوا أنّ استخدامَ طاقةِ النفطِ أو الفحم تعتبر من الطاقة غير النظيفةِ ويحاولُ العالم الانتقالَ إلى طاقةٍ نظيفةٍ مثلَ طاقةِ الشّمسِ أو الرّياحِ.

من المولدات المنتشرةِ حالياً في أسواقِنا، تلك التي تعملُ على المازوتِ أو البنزين وذلك لنقومَ بتوليدِ تيار كهربائي للاستعمالِ المحليّ مع وجودِ محولاتٍ كهربائيةٍ تقومُ بإخراجِ كمية الفولطِ المناسبة لعمل معظم الأجهزة الكهربائية الموجود في المنزل أو في الأسواق.

المصدر: هنا