كيف تثبت أن الطاقة الفعالة هي المسؤولة عن العمل الميكانيكي وليس الطاقة التفاعلية؟

كيفية إثبات أن الطاقة الفعالة هي الطاقة التي تولد العمل الميكانيكي وليس الطاقة الردّية

لإثبات أن الطاقة الفعالة (Active Power, P) هي الطاقة التي تولد العمل الميكانيكي، وليس الطاقة الردّية (Reactive Power, Q)، يمكننا فحص المبادئ الفيزيائية لنظم الطاقة وطبيعة تحويل الطاقة. فيما يلي شرح مفصل:

1. تعريفات الطاقة الفعالة والطاقة الردّية

الطاقة الفعالة P: الطاقة الفعالة تشير إلى الطاقة الكهربائية الفعلية المستهلكة في الدائرة الكهربائية ذات التيار المتناوب والتي يتم تحويلها إلى عمل مفيد. وهي مرتبطة بالعناصر المقاومة وتُمثل تحويل الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة مثل الطاقة الحرارية أو الميكانيكية. الوحدة المستخدمة للطاقة الفعالة هي الواط (W).

الطاقة الردّية Q: الطاقة الردّية تشير إلى الجزء من الطاقة الكهربائية في الدائرة الكهربائية ذات التيار المتناوب الذي يتذبذب بين المصدر والتحميل بسبب وجود العناصر الاستقرائية أو السعوية. لا تقوم مباشرة بأداء عمل مفيد ولكنها تؤثر على توزيع الجهد والتيار في النظام مما يؤثر على كفاءته. الوحدة المستخدمة للطاقة الردّية هي الفولت أمبير الرديف (VAR).

2. معامل القدرة والفروق الطورية

في دائرة التيار المتناوب، الفرق الطوري بين التيار والجهد يحدد نسبة الطاقة الفعالة إلى الطاقة الردّية. معامل القدرة cos(ϕ) هو قياس لهذا الفرق الطوري، حيث ϕ هو زاوية الطور بين التيار والجهد.

عندما يكون ϕ=0، يكون التيار والجهد في الطور نفسه، ويوجد فقط طاقة فعالة بدون طاقة ردّية. وهذا شائع في الأحمال المقاومة النقيّة.

عندما يكون ϕ≠0، يكون التيار والجهد خارج الطور، مما يؤدي إلى وجود كل من الطاقة الفعالة والطاقة الردّية. للأحمال الاستقرائية (مثل المحركات)، يتأخر التيار عن الجهد؛ للأحمال السعوية، يتقدم التيار على الجهد.

3. منظور تحويل الطاقة

المعنى الفيزيائي للطاقة الفعالة:

الطاقة الفعالة هي الطاقة التي، من خلال العناصر المقاومة، تحول الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الميكانيكية أو الحرارية. على سبيل المثال، في المحرك، تقوم الطاقة الفعالة بتغلب مقاومة الحمل، مما يدفع الدوار ليقوم بالدوران وإنتاج العمل الميكانيكي.

حجم الطاقة الفعالة يحدد استهلاك الطاقة الفعلي في النظام، مما يجعلها الطاقة المرتبطة مباشرة بأداء العمل المفيد.

المعنى الفيزيائي للطاقة الردّية:

الطاقة الردّية لا تقوم مباشرة بأداء عمل مفيد ولكنها مرتبطة بتخزين الطاقة في المجالات المغناطيسية أو الكهربائية داخل العناصر الاستقرائية أو السعوية. تتذبذب بين المصدر والتحميل دون إنتاج عمل ميكانيكي صافي.

الدور الرئيسي للطاقة الردّية هو الحفاظ على مستويات الجهد في الدائرة ودعم إنشاء وصيانة المجالات المغناطيسية أو الكهربائية. رغم أنها لا تقوم مباشرة بأداء عمل، إلا أنها ضرورية لعمل النظام بشكل مستقر.

4. مثال باستخدام محرك كهربائي

باستخدام محرك كهربائي كمثال، تصبح الفروق بين الطاقة الفعالة والطاقة الردّية أكثر وضوحًا:

الطاقة الفعالة: الطاقة الفعالة في المحرك تستخدم لتغلب مقاومة الحمل، مما يدفع الدوار للدوران وإنتاج العمل الميكانيكي. هذا الجزء من الطاقة يتحول في النهاية إلى طاقة ميكانيكية، يعمل على تشغيل آلات مثل مضخات الهواء أو المراوح.

الطاقة الردّية: الطاقة الردّية في المحرك تستخدم لإنشاء وصيانة المجال المغناطيسي بين الدوار والستاتور. هذا المجال المغناطيسي ضروري لعمل المحرك، ولكنه لا يقوم مباشرة بإنتاج العمل الميكانيكي. تتذبذب الطاقة الردّية بين مصدر الطاقة والمحرك، ولا يتم تحويلها إلى طاقة ميكانيكية مفيدة.

5. قانون حفظ الطاقة

وفقاً لقانون حفظ الطاقة، يجب أن تكون الطاقة الكهربائية الداخلة إلى النظام مساوية للطاقة الخارجة (بما في ذلك الطاقة الميكانيكية والحرارية) بالإضافة إلى أي خسائر (مثل الخسائر المقاومة). الطاقة الفعالة هي الجزء من الطاقة الكهربائية الذي يتم استهلاكه فعليًا وتحويله إلى عمل مفيد، بينما يتم تخزين الطاقة الردّية مؤقتًا في المجالات المغناطيسية أو الكهربائية ولا تساهم مباشرة في العمل المفيد.

6. التعبير الرياضي

في دائرة التيار المتناوب ثلاثية الأطوار، يمكن التعبير عن الطاقة الظاهرة الكلية S (Apparent Power) كما يلي:

حيث:

• P هي الطاقة الفعالة، تقاس بوحدة الواط (W).

• Q هي الطاقة الردّية، تقاس بوحدة الفولت أمبير الرديف (VAR).

يمكن حساب الطاقة الفعالة P باستخدام الصيغة التالية:

يمكن حساب الطاقة الردّية Q باستخدام الصيغة التالية:

هنا، V هو جهد الخط، I هو تيار الخط، وϕ هو زاوية الطور بين التيار والجهد.

7. الملخص

• الطاقة الفعالة هي الطاقة الفعلية المستهلكة وتحويلها إلى عمل مفيد، مثل الطاقة الميكانيكية أو الحرارية. وهي مرتبطة بالعناصر المقاومة ويمكنها إنتاج العمل الميكانيكي.

• الطاقة الردّية هي الطاقة المرتبطة بالعناصر الاستقرائية أو السعوية، تتذبذب بين المصدر والتحميل. تحتفظ بالمجالات المغناطيسية أو الكهربائية ولكنها لا تقوم مباشرة بأداء عمل مفيد.

لذلك، الطاقة الفعالة هي الطاقة التي تولد العمل الميكانيكي، بينما الطاقة الردّية، رغم أهميتها لاستقرار النظام، لا تساهم مباشرة في أداء العمل. تدعم الطاقة الردّية عملية نقل الطاقة من خلال الحفاظ على المجالات المغناطيسية أو الكهربائية اللازمة.