مبادئ فيزيائية

كيف يعمل المولد الكهربي – الدينامو

كيف يعمل المولد الكهربي - الدينامو
دينامو مثبت على اطار دراجة هوائية لتزود المصباح بالتيار الكهربي

في حياتنا الكثير من النعم التي لا نشعر بقيمتها إلا اذا فقدنها، فقد تعودنا ان نقوم بتشغيل المصابيح أو الاجهزة المنزلية أو الأجهزة في المكتب بمجرد الضغط على المفتاح الكهربي المجاور للجهاز، ولكن لو تخيلنا ان الكهرباء انقطعت ولمدة ايام ستجد أنك لا تستطيع القراءة في الليل كما تعودت ولا تستطيع الاستماع إلى نشرات الأخبار أو مشاهدة التلفاز أو حتى استخدام الانترنت أو الهاتف أو الغسالة أو الميكروويف، ولوخرجت إلى الخارج لوجدت ان محطات الوقود توقفت أو حتى شبكات القطارات تعطلت ولما استطعت ان تستخدم ألة سحب النقود أو ان تنجز أعمالك التي تعودت القيام بها. ولعلك عزيزي القارئ تستطيع ان تذكر المزيد من هذه الأمثلة.

أن اكتشاف الكهرباء واستخدامها نقلنا من العصر الحجري إلى العصر التقني والصناعي فهل تسائلت كيف تأتي الكهرباء إلينا وكيف يتم انتاجها، لربما تذكر محطات توليد الكهرباء الموجودة في مدينتك وهذه المحطات منها ما يعمل بطاقة الرياح ومنها من يعمل على المساقط المائية ومنها من يعمل بالفحم ومنها من يعمل بالطاقة النووية ومنها من يعمل بالوقود كل هذه المحطات تقوم بتحويل الانواع السابقة من الطاقة إلى طاقة كهربية.

والسؤال الذي يطرح نفسه الآن ما هو الوسيط الذي يقوم بعملية التحويل من أي نوع من انواع الطاقة السابقة الذكر إلى الطاقة الكهربية؟ الاجابة على هذا السؤال هو المولد الكهربائي أو الدينامو.

في هذا الموضوع من مواضيع كيف تعمل الأشياء سوف نتعرف على فكرة عمل الدينامو او المولد الكهربائي والفكرة الفيزيائية التي تقف خلف هذه الأداة الهامة للبشرية.

المولد الكهربائي “الدينامو”

المولد الكهربائي هو عبارة عن جهاز يقوم بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية بالاعتماد على الحث المغناطيسي، ومن مصادر الطاقة الحركية التوربينات الحرارية التي تعمل بواسطة البخار او التوربينات المائية أو مكائن الاحتراق الداخلي او التوربينات الهوائية وهناك الكثير من المصادر المختلفة للطاقة الحركية التي يجب ان تتوفر وبشكل مستمر لتوفر تيار كهربي بشكل مستمر ايضاً، وموضوع البحث على مصادر للطاقة الحركية لتحويلها الى طاقة كهربائية محل اهتمام الكثير من العلماء والمخترعين وخصوصا في التوجه لمثصادر الطاقة المتجددة مثل اشعة الشمس والرياح والمد والجزر في البحار والمحيطات.

ولكن موضوعنا يتعلق فقط بفكرة عمل المولد وكيف يقوم بمهمته في تحويل الطاقة الحركية مهما كان مصدرها إلى طاقة كهربائية.

ملاحظة: لعلك عزيزي القارئ لاحظت أن المولد الكهربائي يعمل بعكس فكرة الموتور التي تم مناقشتها في موضوع منفصل، حيث يقوم الموتور بتحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة حركية لتحريك الأجهزة من حولنا.  وكل من الموتور والمولد يعتمد على المغناطيس والخواص المغناطيسية في فكرة عمله وقد عرفنا كيف يعمل الموتور، لذا دعنا الان نعرف كيف يعمل المولد الكهربائي.

اعلانات جوجل

اساسيات هامة

قبل اكتشاف المغناطيسية والكهرباء كانت المولدات تعتمد على الكهرباء الساكنة مثل مولد الفانديجراف الذي استخدم فقط في الابحاث العلمية والتجارب المختبرية حيث انها كانت تعمل بفرق جهد كبير جداً والطاقة الكهربية الناتجة عنها صغير.

Michael Faraday عالم بريطاني في الفيزياء والكيمياء 1791-1867

وفي عام 1832 توصل العالم مايكل فارادي البريطاني الأصل إلى اكتشاف مذهل وجديد يكمن في توليد فرق جهد كهربي على طرفي موصل عندما يتحرك عمودياً على مجال مغناطيسي.  كما توصل عالم امريكي يدعى جوزيف هنري إلى نفس النتائج ايضا ومن ثم قام كلاً من العالمين بعدة تجارب للتحقق من هذه الظاهرة والتي تأكدت بالفعل واطلق عليها بقانون فارادي للحث المغناطيسي.

ما اكتشفه فارادي كان محض الصدفة التامة حيث انه لاحظ انه عندما يقترب مغناطيس من دائرة مغلقة مكونة من ملف موصول بمقياس للتيار الكهربي “اميتر”  لاحظ انحراف مؤشر الأميتر وان هذا الانحراف لا بد وان يكون قد نتج عن مصدر لفرق الجهد نتج عن حركة المغناطيس بالنسبة للملف الكهربي، حيث انه لم يكن هناك اي بطارية متصلة مع الملف، ولاحظ العالم فارادي ان انحراف مؤشر الأميتر يزداد مع اقتراب احد قطبي المغناطيس  من مركز الملف كما وأن الؤشر ينحرف باتجاه معاكس في حالة سحب المغناطيس بعيداً عن الملف. كذلك وجد ايضا ان سرعة حركة المغناطيس تزيد من قودة انحراف المؤشر،  أما إذا توقف المغناطيس عن الحركة يعود المؤشر إلى الصفر.

(a) عندما يتحرك المغناطيس من في اتجاه الدخول على الملف ينحرف مؤشر التيار إلى اليمين دلالة على مرور تيار كهربي مع عقارب الساعة في الملف.

(b) عندما يثبت المغناطيس بالنسبة للملف يكون التيار المار في الملف يساوي صفر وهذا ما يشير اليه مؤشر الأميتر.

(c) عندما يتحرك المغناطيس في اتجاه الابتعاد عن الملف ينحرف مؤشر الاميتر إلى اليسار وهذا يدل على ان تيار كهربي يمر في اللف وفي عكس عقارب الساعة. 

 

وفي تجربة أخرى قام بها فارادي تعتمد على الدائرة الكهربية الموضحة في الشكل ادناه. لاحظ فارادي أنه عند لحظة اغلاق مفتاح الدائرة الكهربية ولحظة فتح الدائرة الكهربية مرور تيار في الدائرة الثانوية، وهذا يعود إلى انه في حالة فتح الدائرة الكهربية أو اغلاقها فإن التيار يتغير بين القيمة صفر واقصى قيمة مما يؤدي إلى تغيير في المجال المغناطيسي المتولد في الملف على الجانب الأيسر للدائرة وهذا يؤدي إلى تيار كهربي يمر في الدائرة الثانوية.

يتولد تيار كهربي حثي في الملف الثانوي كلما اغلقت الدائرة الكهربية الرئيسية أو فتحت

 

وبنظرة فاحصة لفهم ماذا يحدث في كل هذه المشاهدات والملاحظات نستطيع ان نستخلص ان للمجال المغناطيسي دور رئيسي في الأمر ففي الحالة الأولى كانت خطوط المجال المغناطيسي الناتجة من المغناطيس تنتج تيار كهربي عندما تقطع هذه الخطوط الملف المعدني، وفي الحالة الثانية نعلم ان مرور تيار كهربي في سلك ينتج عنه مجال منغناطيسي حول السلك وهنا عند اغلاق الدائرة الكهربية فإن خطوط المجال المغناطيسي تزداد نتيجة لتزايد قيمة التيار من صفر إلى القيمة التي تزود بها البطارية الدائرة وهذا التزايد في التيار يؤدي إلى تزايد في عدد خطوط المجال المغناطيسي مع الزمن، وهذا يعني أن هناك تغير في الخطوط المغناطيسية التي تقطع الملف الثانوي مما ينتج عنه تيار كهربي، وتتكرر نفس الحالة عندما نفتح الدائرة الكهربي ليعود التيار المار في الملف الثانوي من قيمة عظمى إلى الصفر.

وهنا نستنتج ان التيار لا يتولد في الملف الا اذا كانت عدد الخطوط التي تقطع الملف متغير في الزمن ولهذا التيار يسمى التيار الحثي.

توليد قوة دافعة كهربية على اساس قانون فارادي

بدلا من تحريك المغناطيس بالنسبة للملف سوف نقوم الأن بتحريك الملف بالنسبة للمجال المغناطيسي وهذا موضح في الشكل ادناه حيث مجال مغناطيسي عمودي على مستوى الصفحة وهناك دائرة كهربية مكونة من مقاومة متصلة بسلكين موصلين مثبت عليهما قطعة من مادة موصلة فإذا ما قمنا بسحب القطعة الموصلة بسرعة معينة في اتجاه زيادة مساحة الدائرة أو تقليلها فإن تيار كهربي يسري في الدائرة الكهربية واذا وضعنا مصباح صغير بدلا من المقاومة فن المصباح سيضيء كلما سحبنا القطعة الموصله بشرط ان تتحرك بملامسة السلكين بالطبع.

نتيجة لحركة القطعة المعدنية عموديا على المجال المغناطيسي يولد تيار كهربي في الدائرة.

نستنتج مما سبق ان قوة دافعة كهربية تولدت من حركة القطعة المعدنية عموديا على المجال المغناطيسي. 

 

ماذا يحدث لينتج تيار؟

عند اقتراب المغناطيس من الملف فإن التيار الحثي المتولد سوف يعطي مجالا مغناطيسياً، معاكساً للزيادة في المجال المغناطيسي ولهذا فإن التيار الحثي المتولد في الحلقة سيكون في اتجاه عكس عقارب الساعة ليكون اتجاه المجال المغناطيسي الناشئ عنه في عكس الزياة في التدفق الناتج من المغناطيس الخارجي. أي ان التيار الكهربي الحثي هو ناتج عن رفض الملف لعبور خطوط المجال المغناطيسي ومقاومة تغير الفيض المغناطيسي له.

حركة المغناطيس في اتجاه الحلقة يؤدي إلى تولد تيار كهربي حثي في الملف يكون اتجاهه بحيث ينتج عنه مجال مغناطيسي يعاكس المجال الذي احدثه

فكرة عمل المولد الكهربائي “الدينامو”

لم نبتعد عن الموضوع فالشرح السابق ضروري لفهم فكرة عمل المولد الكهربي في تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربية، وما قمنا بشرحة كان حول هذه الفكرة حيث ان الحركة (سواء المغناطيس بالنسبة للملف او حرة الملف بالنسبة للمغناطيس) نتج عنه تيار كهربي حثي.  وهذه باختصار ما نريد ان يقوم به المولد هو ان حركة بدون توقف لنحصل على تيار بدون انقطاع.

يقوم المولد الكهربي بتوليدالتيار الكهربي الذي من خلاله يمكن تشغيل جميع الاجهزة الكهربيةالمستخدمة في حياتنا العملية، وتعتمد فكرة عمله في تحويل الطاقة الميكانيكية إلىطاقة طاقة كهربية على  تدوير ملف كهربي في وجود مجالمغناطيسي.  ولتدويرالملف الكهربي نحتاج إلى مصدر طاقة ميكانيكية قد تكون الرياح أو المياه الساقطةمن الشلالات أو من حرق الفحم أو البترول أو من الطاقة النووية كل هذه المصادرالمختلفة تقوم بتوليد الطاقة اللازمة لإدارة الملف بين قطبي مجال مغناطيسي، يوصل نهاية الملف الكهربي بحلقتين تدوران امام فرشاتين من مادة موصلة لنقل التيارالكهربي الحثي المتولد من دوران الملف بين قطبي المغناطيس ومن ثم إلى الدائرة الكهربية للاستفادة منه او إلى خطوط نقل الطاقة الكهربية لتزويد المدينة بالكهرباء.

تركيب المولد الكهربائي “الدينامو”

يكون التيار الكهربي الناتج عن المولد الكهربي هو تيار متردد ويتغير بدالة جيبية مع الزمن كما في الشكل ادناه وذلك لأن التيار الكهربي الحثي الناتج من دوران الملف يتغير في قيمته من قيمة عظمى عندما يكون مستوى الملف عمودياً على مستوى المجال المغناطيسي إلى قيمة صفر عندما يكون مستوى الملف موازيا لخطوط المجال وتتكرر هذه الحلة بدوران الملف.

شكل اليتار الكهربي الناتج عن المولد الكهربي وهو ما يسمى بالتيار المتردد AC current

الخلاصة

تكمن فكرة توليد الكهرباء في دوران ملف مصنوع من سلك نحاس بين قطبي مجال مغناطيسي وهذا يسمى التوربين، المشكلة تكمن في الوسيلة التي نستخدمها لجعل الملف يدور باستمرار وخير مثال على ذلك محطة توليد كهرباء السد العالي حيث تم استخدام فرق منسوبي الماء لتحريك الملف كما في الصورة الموضحة ادناه.

محطة توليد كهرباء توربيناتها مدمجة في السد

المولدات تأتي بحجم صغير جدا مثل مولد الدراجة لتوليد كهرباء تكفي لانارة مصباح صغير إلى مولدات تعمل بالوقود لتوليد كهرباء لتزويد منزل وهناك مولدات اكبر حجما لتوليد تيار كهربي لتشغيل مصنع او مستشفى، وهناك مولدات كبيرة جداً لتزويد المدينة او الدولة بالكهرباء، كلها تعمل بنفس الفكرة ولكن تختلف في حجمها وفي الطريقة التي تستخدمها لادارة الملف الداخلي.  يمكنك الحصول على صور كثيرة لمولدات مختلفة من خلال البحث في الإنترنت عن مواضيع تتحدث عن Electric Generator.

ولمزيد من المعلومات استعن بالمواقع التالية على شبكة الانترنت.

مع تحياتي وإلى اللقاء مع تفسيرات فيزيائية اخرى

د. حازم فلاح سكيك

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى