ما هو الدائرة الكهربائية المتناوبة؟

أساسيات الدائرة الكهربائية المتناوبة

تُعرَّف الدائرة الكهربائية المتناوبة بأنها دائرة تغذيها مصدر طاقة متناوب. يتم استخدام التيار المتناوب (AC) على نطاق واسع في التطبيقات المنزلية والصناعية بسبب خصائصه الفريدة: على عكس التيار المستمر، تتغير كل من قيمتي التيار والجهد في الدائرة المتناوبة بشكل دوري مع مرور الوقت.

عادةً ما تتبع أشكال الأمواج المتناوبة نمطاً جيبياً، حيث تكمل دورة واحدة بجزأين موجبين وسالبين متساويين. يتم وصف هذا السلوك رياضياً كدالة للزمن (t) أو الزاوية (θ = ωt)، حيث يمثل ω التردد الزاوي.

المقاومة في الدوائر المتناوبة مقابل الدوائر المستمرة

• في الدوائر المستمرة، تنبع مقاومة التيار فقط من المقاومة (R).

• في الدوائر المتناوبة، تنبع مقاومة التيار من:

• المقاومة (R)

• المعاوقة الاستقرائية (XL = 2πfL)، حيث L هي الاستقراق وf هو التردد

• المعاوقة السعة (XC = 1/(2πfC))، حيث C هي السعة

علاقات الطور في الأنظمة المتناوبة

في الدوائر المتناوبة، يتميز التيار والجهد بقيمتين وهما القيمة العددية وزاوية الطور. تعتمد تطابق زوايا الطور على معلمات الدائرة (R، L، C). تتغير الكميات الجيبية مثل الجهد والتيار مع جيب الزاوية θ، مما يجعلها أساسية لتحليل الأنظمة المتناوبة.

مزايا أشكال الأمواج الجيبية في إنتاج الطاقة

يُفضل الجهد والتيار الجيبيان على مستوى العالم لإنتاج الطاقة بسبب:

• تقليل الخسائر الحديدية والنحاسية في المحولات والأجهزة الدوارة، مما يعزز الكفاءة.

• تقليل التداخل مع أنظمة الاتصال المجاورة.

• خفض مستويات الاضطرابات في الدوائر الكهربائية.

ديناميكيات الجهد والتيار المتناوب

شكل الأمواج للجهد المتناوب والتيار المقاوم

يظهر شكل الأمواج للجهد المتناوب مع مرور الزمن والتيار المار عبر المقاومة (R) في الدائرة أدناه:

أنواع الدوائر المتناوبة والمصطلحات الرئيسية
تصنيفات الدوائر المتناوبة

تُصنف الدوائر المتناوبة بناءً على تكويناتها المكونة:

• دوائر المقاومة النقية (R)

• دوائر السعة النقية (C)

• دوائر الاستقراق النقية (L)

• المجموعات RL (المقاومة والاستقراق)

• دوائر RC (المقاومة والسعة)

• دوائر LC (الاستقراق والسعة)

• دوائر RLC (المقاومة والاستقراق والسعة)

مصطلحات الدائرة المتناوبة الأساسية

• السعة:القيمة القصوى الموجبة أو السالبة لكمية متناوبة داخل دورة واحدة، وتعرف أيضًا بالقيمة القمة أو القصوى. ترمز لها بـ Em/Vm للجهد وIm للتيار.

• التبديل:نصف دورة من الشكل المتناوب، ويقابل 180° كهربائيًا.

• الدورة:مجموعة كاملة من القيم الموجبة والسالبة لكمية متناوبة، والتي تساوي 360° كهربائيًا.

• القيمة اللحظية:حجم الجهد أو التيار في أي لحظة معينة، يرمز لها بـ e (للجهد) أو i (للتيار).

• التردد (f):عدد الدورات لكل ثانية لكمية متناوبة، ويقاس بالهرتز (Hz).

• الفترة الزمنية (T):المدة بالثواني لإكمال دورة واحدة من شكل موجة الجهد أو التيار.

• شكل الموجة:تمثيل بياني يرسم القيم اللحظية لكمية متناوبة (الجهد/التيار) على محور y ضد الزمن (t) أو الزاوية (θ = ωt) على محور x.

يعكس الجهد المتناوب القطبية والقيمة العددية بشكل دوري، بينما يتبع التيار المتناوب ذلك - حيث يتغير الاتجاه والشدة مع مرور الوقت. عندما يتم توصيل مصدر جهد متناوب بحمل مقاوم (كما هو موضح أدناه)، يتدفق التيار في اتجاه واحد خلال النصف الموجب من الدورة ويعكس الاتجاه خلال النصف السالب من الدورة، محاكياً تغييرات القطبية للمصدر.