كيف يعمل المولد الكهربائي المستمر؟

كيف يعمل المولد الكهربائي ذو التيار المستمر؟

تعريف المولد الكهربائي ذو التيار المستمر

المولد الكهربائي ذو التيار المستمر هو جهاز يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية مباشرة باستخدام مبدأ الاستقراء الكهرومغناطيسي.

قانون فاراداي

يقول هذا القانون أنه عندما يتحرك الموصل في مجال مغناطيسي فإنه يقطع خطوط القوة المغناطيسية، مما ينتج عنه قوة كهروضوئية (EMF) في الموصل.

تعتمد شدة القوة الكهروضوئية المولدة على معدل تغير الوصلة المغناطيسية مع الموصل. ستسبب هذه القوة الكهروضوئية تدفق تيار إذا كان دائرة الموصل مغلقة.

الجزأين الأساسيين للمولد هما:

• المجال المغناطيسي

• الموصلات التي تتحرك داخل ذلك المجال المغناطيسي.

الآن بعد أن فهمنا الأساسيات، يمكننا مناقشة مبدأ عمل المولد الكهربائي ذو التيار المستمر. قد يكون من المفيد أيضاً التعرف على أنواع المولدات الكهربائية ذات التيار المستمر.

عمل الحلقة الواحدة

في المولد الكهربائي ذو التيار المستمر ذو الحلقة الواحدة، يؤدي دوران الحلقة في المجال المغناطيسي إلى استقراء قوة كهروضوئية، ويتم تحديد اتجاه التيار بواسطة قاعدة اليد اليمنى لفليمينج.

في الشكل أعلاه، تم وضع حلقة موصل على شكل مستطيل بين قطبين متقابلين لمغناطيس.

لنعتبر الحلقة المستطيلة للموصل ABCD، والتي تدور داخل المجال المغناطيسي حول محور ab الخاص بها.

عندما تدور الحلقة من وضعها العمودي إلى وضعها الأفقي، فإنها تقطع خطوط القوة المغناطيسية. وبما أن خلال هذا الحركة تقوم الجانبين AB و CD من الحلقة بقطع خطوط القوة المغناطيسية، سيتم استقراء قوة كهروضوئية في كلا الجانبين (AB و BC) من الحلقة.

بمجرد أن تغلق الحلقة، سيتدفق تيار عبر الحلقة. يمكن تحديد اتجاه التيار بواسطة قاعدة اليد اليمنى لفليمينج.

تقول هذه القاعدة أنه إذا مدّدت الإبهام والسبابة والإصبع الأوسط لليد اليمنى بحيث تكون متعامدة على بعضها البعض، فإن الإبهام يشير إلى اتجاه حركة الموصل، والسبابة تشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي، أي من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي، والإصبع الأوسط يشير إلى اتجاه تدفق التيار عبر الموصل.

إذا طبقنا هذه القاعدة، سنرى أن في هذا الوضع الأفقي للحلقة، سيتدفق التيار من النقطة A إلى B وعلى الجانب الآخر من الحلقة، سيتدفق التيار من النقطة C إلى D.

إذا سمحنا للحلقة بالاستمرار في الحركة، فستعود مرة أخرى إلى وضعها العمودي، ولكن الآن سيكون الجانب العلوي من الحلقة CD، والجانب السفلي AB (عكس الوضع العمودي السابق).

في هذا الوضع، تكون حركة الجانبين من الحلقة موازية لخطوط القوة المغناطيسية. وبالتالي، لن يكون هناك قطع لخطوط القوة، ولن يكون هناك تيار في الحلقة.

إذا استمرت الحلقة في الدوران، فستعود مرة أخرى إلى وضعها الأفقي. ولكن الآن، الجانب AB من الحلقة سيأتي أمام القطب الشمالي، والجانب CD سيأتي أمام القطب الجنوبي، أي عكس الوضع الأفقي السابق كما هو موضح في الشكل المجاور.

هنا تكون حركة الجانب من الحلقة عمودية على خطوط القوة المغناطيسية؛ وبالتالي فإن معدل القطع يكون أقصى هنا، ووفقاً لقاعدة اليد اليمنى لفليمينج، في هذا الوضع سيتدفق التيار من B إلى A وعلى الجانب الآخر من D إلى C.

إذا استمرت الحلقة في الدوران حول محورها. كل مرة يأتي فيها الجانب AB أمام القطب الجنوبي، سيتدفق التيار من A إلى B. مرة أخرى، عندما يأتي أمام القطب الشمالي، سيتدفق التيار من B إلى A.

وبشكل مماثل، كل مرة يأتي فيها الجانب CD أمام القطب الجنوبي سيتدفق التيار من C إلى D. عندما يأتي الجانب CD أمام القطب الشمالي سيتدفق التيار من D إلى C.

إذا رأينا هذا الظاهرة بطريقة مختلفة، يمكننا الخلاصة بأن كل جانب من الحلقة يأتي أمام القطب الشمالي، سيتدفق التيار عبر ذلك الجانب في نفس الاتجاه، أي نحو الأسفل بالنسبة للسطح المرجعي.

وبشكل مماثل، كل جانب من الحلقة يأتي أمام القطب الجنوبي، سيتدفق التيار عبره في نفس الاتجاه، أي نحو الأعلى من السطح المرجعي. من هذا، سنصل إلى موضوع مبدأ عمل المولد الكهربائي ذو التيار المستمر.

الآن يتم فتح الحلقة وربطها بدائرة مجزأة كما هو موضح في الشكل أدناه. الدائرة المجزأة، مصنوعة من أسطوانة موصلة، تقسم إلى نصفين أو مقاطع معزولة عن بعضها البعض.

نقوم بتوصيل أطراف الحمل الخارجية بفرشتين من الكربون التي تقع على هذه المقاطع المجزأة.

المجزأ والمفرش

المجزأ (المقاطع المجزأة) والفراش الكربوني يضمنان أن يكون التيار أحادي الاتجاه عن طريق عكس الاتصالات أثناء دوران الحلقة.

تحديد موقع الفراش

يتم تحديد موقع الفراش بحيث تكون القوة الكهروضوئية صفرية عندما يكون الملف عمودياً على المجال المغناطيسي، مما يسمح بتدفق التيار بشكل سلس.

مبدأ عمل المولد الكهربائي ذو التيار المستمر

يمكننا رؤية أن في النصف الأول من الدورة، يتدفق التيار دائماً على طول ABLMCD، أي أن الفرشاة رقم 1 على اتصال بالقطعة a.في النصف الثاني من الدورة، في الشكل، يتم عكس اتجاه التيار المستقر في الملف. ولكن في الوقت نفسه يتم عكس مواقع القطعتين a و b مما يؤدي إلى أن تأتي الفرشاة رقم 1 على اتصال بالقطعة b.

وبالتالي، يتدفق التيار في مقاومة الحمل مرة أخرى من L إلى M. الشكل الموجي للتيار عبر دائرة الحمل كما هو موضح في الشكل. هذا التيار أحادي الاتجاه.

المحتوى أعلاه هو المبدأ الأساسي لعمل المولد الكهربائي ذو التيار المستمر، موضحًا بواسطة نموذج المولد ذو الحلقة الواحدة.

مواقع الفراشات للمولد الكهربائي ذو التيار المستمر هي بحيث يحدث التحويل من القطعة a إلى القطعة b من فرشاة إلى أخرى عندما يكون مستوى الملف الدوار عمودياً على مستوى خطوط القوة. في هذا الوضع، تكون القوة الكهروضوئية المستقرة في الملف صفرية.