المولدات والمحركات الكهربائية

المولدات الكهربائية

تحوّل المولدات الكهربائية الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية بتأثير مجال مغناطيسي، وهي نوعان: مولد التيار المتناوب (أحادي الطور أو ثلاثي الطور) ومولد التيار المستمر.

مولد التيار المتناوب أحادي الطور

يربط طرفا ملف النواة بحلقتين معدنيتين تسميان حلقتي الزلق تتصلان بالدائرة الخارجية بفرشتين من الكاربون. عند دوران الملف بسرعة زاوية منتظمة $\omega$ يكون $\theta=\omega t$ و:

• الفيض الذي يخترق اللفة الواحدة دالة جيب تمام: $\Phi_B=BA\cos(\omega t)$، ومعدل تغيره $\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t}=-BA\omega\sin(\omega t)$.
• القوة الدافعة المحتثة دالة جيبية: $\varepsilon_{ind}=NBA\omega\sin(\omega t)$ إذ $\omega=2\pi f$، أي $\varepsilon=\varepsilon_{max}\sin(\omega t)$ و$\varepsilon_{max}=NBA\omega$ (ذروة الفولطية المحتثة) عند $\omega t=\pi/2$.
• تكون صفراً عند $\omega t=0$ و$\pi$ و$2\pi$، وأعظم سالبة عند $\omega t=3\pi/2$، فتنعكس قطبيتها مرتين في الدورة الواحدة.
• التيار في دائرة مقاومتها الكلية $R$: $I=\dfrac{NBA\omega\sin(\omega t)}{R}$، و$I_{max}=\dfrac{NBA\omega}{R}$، أي $I=I_{max}\sin(\omega t)$ (تيار متناوب جيبي الموجة).

المولد ثلاثي الأطوار: ثلاثة ملفات حول النواة تربط ربطاً نجمياً تفصل بينها زوايا $120^\circ$، وتربط أطرافها الأخرى بالسلك المتعادل (الخط الصفري)، وينقل تياره بثلاثة خطوط، ويجهز تياراً أكبر من المولد أحادي الطور.

مولد التيار المستمر

تُرفع حلقتا الزلق ويوضع المبادل (حلقة معدنية واحدة من نصفين معزولين) يتماس مع فرشتين من الكاربون، فيكون التيار في الدائرة الخارجية باتجاه واحد، وعدد قطع المبادل ضعف عدد ملفات المولد. التيار الناتج تيار نبضي متوسطه $I_{average}=0.636\,I_{max}$، ولجعله أقرب إلى تيار النضيدة نزيد عدد الملفات حول النواة بزوايا متساوية.

محرك التيار المستمر

يحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية: يزود ملف النواة بتيار من مصدر فولطية فتعمل القوى المغناطيسية على تدويره بتأثير عزم المزدوج، ويتركب من أجزاء مولد التيار المستمر نفسها.

• في أثناء دوران النواة يعمل المحرك عمل المولد، فتتولد على طرفي الملف قوة دافعة كهربائية محتثة مضادة $\varepsilon_{back}=-N\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t}$، سميت مضادة لأنها تعاكس المسبب الذي ولدها (قانون لنز).
• يعتمد مقدار $\varepsilon_{back}$ على سرعة دوران النواة وعدد لفات الملف ومساحة اللفة وكثافة الفيض المغناطيسي.
• التيار في دائرة المحرك يحدده الفرق بين الفولطية الموضوعة والقوة الدافعة المضادة: $I=\dfrac{V_{applied}-\varepsilon_{back}}{R}$. فإذا قلت سرعة الدوران (بازدياد الحمل) هبطت $\varepsilon_{back}$ وازداد التيار.