المحولات ونقل الطاقة
| English | العربية |
|---|---|
| transformer/trænsˈfɔːmə/ | محول كهربائي |
| primary/ˈpraɪməri/ | أولي |
| secondary/ˈsekəndəri/ | ثانوي |
| step-up/step ʌp/ | رفع الجهد (step-up) |
| step-down/step daʊn/ | خفض الجهد (step-down) |
| transmission/trænˈsmɪʃn/ | النقل |
نقل الطاقة عبر البلاد
- محطات توليد الطاقة بعيدة عن المدن، مع ذلك تُفقد القليل جدًا من الطاقة في الطريق.
- السر يكمن في المحول، الذي يغير حجم جهد التيار المتردد.
- هذا يسمح لنا بنقل الطاقة بجهد عالي جدًا — وهذا ما يحافظ على الخسارة صغيرة.
المحول
- يحتوي المحول على ملفين على نواة حديد ناعم: أولي (مدخل) وثانوي (مخرج).
- التيار المتردد في الملف الأولي يُحدث مجالًا متغيرًا في النواة، مما يستحث قوة دافعة كهربائية مترددة في الملف الثانوي.
- الجهد وعدد اللفات مرتبطان بالمعادلة:
- يعمل فقط على التيار المتردد — التيار المستمر الثابت لا يُحدث مجالًا متغيرًا.
معادلة المحول
Vs/Vp = Ns/Np
نسبة الجهد تساوي نسبة لفات — لفات أكثر في الثانوي ترفع الجهد.
يعمل المحول مع تيار مستمر ثابت (d.c.).
يحتاج المحول إلى مجال مغناطيسي متغير، لذا يعمل على التيار المتردد فقط. التيار المستمر الثابت لا يغير شيئاً ولا يُحفّز أي شيء.
لدي محول $1000$ لفة في الابتدائي و$50$ لفة في الثانوي. جهد الابتدائي هو $240\ \text{V}$. ما هو جهد الثانوي، بالفولت (V)؟
$V_s = V_p \times \dfrac{N_s}{N_p} = 240 \times \dfrac{50}{1000} = 12\ \text{V}$ — محول خافض للجهد.
رفع وخفض الجهد
- عدد أكبر من اللفات في الملف الثانوي → محول رافع للجهد (يرتفع الجهد).
- عدد أقل من اللفات في الملف الثانوي → محول خافض للجهد (ينخفض الجهد).
- إذا كان الكفاءة 100%، فإن القدرة الداخلة = القدرة الخارجة:
- لذا فإن المحول الرافع للجهد يرفع الجهد ولكنه يخفض التيار.
محول حقيقي يغير جهد مصدر تيار متردد
المحول الكهربائي
أضف لفات إلى الثانوي لرفع الجهد، وقللها لخفضه — Vs/Vp = Ns/Np، تماماً كما تنقل الشبكة الطاقة بكفاءة.
المحول الرافع للجهد يحتوي على:
لفات ثانوية أكثر تعطي جهداً أعلى للخرج — محول رافع للجهد.
محول رافع للجهد بكفاءة 100% يرفع الجهد ويخفض التيار.
الطاقة محفوظة ($I_p V_p = I_s V_s$)، لذا إذا ارتفع الجهد يجب أن ينخفض التيار.
لماذا الجهد العالي للنقل؟
- القدرة المفقودة كحرارة في الكابلات هي $P = I^2 R$ ($R$ = مقاومة الكابل).
- المحول الرافع يرفع الجهد وبالتالي يخفض التيار لنفس القدرة ($P = IV$).
- التيار الأصغر يعني خسارة قدرة أقل بكثير في الكابلات.
- ثم يقوم المحول الخافض بخفض الجهد إلى قيمة آمنة قبل وصوله للمنازل.
محول
لماذا تُرسل الكهرباء عبر البلاد بجهد عالٍ جداً؟
بالطاقة الثابتة، رفع الجهد يخفض التيار. بما أن الفقد الحراري $I^2R$، فإن تياراً أصغر يضيع طاقة أقل بكثير.
كابل يحمل تياراً قدره $20\ \text{A}$ ومقاومته $5.0\ \Omega$. كم مقدار الطاقة المفقودة كحرارة، بالواط (W)؟
$P = I^2 R = 20^2 \times 5.0 = 400 \times 5.0 = 2000\ \text{W}$. خفض التيار سيقلل هذا الفقد بشكل حاد.
لقد فهمت الأمر
- محول: $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$؛ يعمل على التيار المتردد فقط
- عدد لفات ثانوية أكبر = رافع (V↑)؛ أقل = خافض (V↓)
- كفاءة 100%: $I_p V_p = I_s V_s$ — الرافع يرفع V ويخفض I
- النقل بجهد عالٍ ← تيار منخفض ← خسارة $I^2R$ أقل في الكابلات