التيار الكهربي المستمر والمتردد

التيار الكهربي هو سريان الشحنة الكهربية فى موصل من نقطة إلى أخرى تحت تأثير الجهد الكهربي.وينقسم الى نوعين ،التيار المستمر والتيار المتردد .يتم استخدامهم بصورة اساسية فى المنازل والمنشئات والأجهزة الالكترونية،كما يتم التحويل بينهما لاستخدام خصائص كل منهما المميزة.كان فى بادئ الامر يتم استخدام التيار المستمر فقط بالرغم من بعض المشاكل التى كان يقصر من استخدامه،ويعود الفضل الى نيكولا تسلا الذي اثبت ان التيار المتردد هو المحلل لهذه المشاكل وجعل استخدام التيار المتردد فى صعود متنامي حتى ظل هو المعيار الوحيد لاستخدام الكهرباء فى العالم بعد فوز تسلا على اديسون فى حرب التيارات التى نشأت.

ولكن هذا لا يقلل من التيار المستمر ، حيث بالرغم من ذالك فان التيار المتردد لديه بعض المشاكل ايضاً فى الاستخدام  خاصة فى الأجهزة الالكترونية ،وايضاَ ان مصادر الطاقة المتجددة لا تنتج الا تيار مستمر .ولهذا يتم التحويل بين انواع التيار باستخدام بعض الاجهزة المتخصصة ،لذا فأنت فى منزلك تستخدم التيار المستمر والتيار المتردد معاً وليس احدهما فقط.

ما هو التيار الكهربي

تنشأ الكهرباء عندما تتسبب قوة خارجية في انتقال الإلكترونات من ذرة إلى ذرة. يُطلق على تدفق هذه الإلكترونات اسم “التيار الكهربائي”.

التيار الكهربي هو سريان الشحنة الكهربية فى موصل من نقطة إلى أخرى تحت تأثير الجهد الكهربي. بشكل أكثر تحديدًا هو معدل تدفق الشحنات بعد نقطة معينة في الدائرة الكهربائية. يمكن أن تكون الشحنة عبارة عن إلكترونات سالبة الشحنة أوشحنة موجبة بما في ذلك البروتونات أو الأيونات الموجبة.ويرتبط التيار الذي يمر بين النقطتين عكسياً بالمقاومة الكهربائية تبعاً لقانون اوم.

تقاس شدة التيار بجهاز الأميتر.ويُقاس مقدار التيار الكهربي بوحدة كولوم في الثانية ، والوحدة المشتركة لهذا هي الأمبير الذي يُشار إليه بالحرف “A”.وهكذا ، يُقال إن السلك يحمل تيارًا مقداره واحد أمبير عندما تتدفق الشحنة خلاله بمعدل كولوم واحد في الثانية.

اتجاه التيار الفعلي

يمكن أن يكون اتجاه التيار الكهربي موضوعًا محيرًا بعض الشيء ،فقبل اكتشاف الالكترونات كان التيار يسير فى اتجاه واحد فقط من القطب الموجب الى القطب السالب سمي هذا الاتجاه باتجاه التيار الاصطلاحي او الاتجاه التقليدي.

بعد اكتشاف الالكترونات وجد العلماء ان التيار الكهربائي ليس سوى تدفق الإلكترونات وهي عبارة عن جسيمات سالبة الشحنة وتنجذب نحو الشحنة الموجبة.ولذالك فان الاتجاه الفعلى للتيار هو من القطب السالب الى القطب الموجب.

ولكن في حين أن الإلكترونات هي حاملة الشحنة في الأسلاك المعدنية ، فإن حوامل الشحنة في الدوائر الأخرى يمكن أن تكون شحنة موجبة أو سالبة أو كليهما.وعلى أساس تدفق الشحنة الكهربائية ، يتم تصنيف التيار بشكل أساسي إلى نوعين ، أي التيار المتردد والتيار المستمر. في التيار المستمر ، تتدفق الشحنات من خلال اتجاه واحد بينما في التيار المتناوب او المتردد تتدفق الشحنات في كلا الاتجاهين.

التيار المستمر

تيار كهربي ثابت يرمز له بـالحرفين DC وهما اختصارا من المصطلح الانجليزي Direct Current اي التيار المستمر بالعربية ويسمى احياناً بالتيار المباشر ويطلق عليه سابقاً التيار الجلفاني.وهو عبارة عن تدفق ثابت للإلكترونات من منطقة ذات جهد عال (القطب السالب) إلى أخرى ذات جهد أقل (القطب الموجب). وبالتالي فهو ثابت الشدة وموحد الاتجاة اي انه يسري في اتجاه واحد فقط،وتكون قطبيته ثابتة ومحدده إما موجبه أو سالبه .غالباً ما يتم انتاج هذا النوع من التيارات الكهربية عن طريق المزدوجات الحرارية، ومن المبادل الكهربائية المستخدمة في الآلآت الكهربائية،ومن التفاعلات الكيميائية فى الخلايا الكهركيميائية (البطاريات) .كما ان الخلايا الشمسية تقوم بتوليد تيارات مستمرة فقط.

تاريخه

تم إنتاج التيار المستمر في عام 1800 بواسطة بطارية الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا.لم تُفهم بعد طبيعة كيفية تدفق التيار حتى توقع الفيزيائي الفرنسي أندريه ماري أمبير أن التيار ينتقل في اتجاه واحد من الموجب إلى السالب.

تم استخدامه تجاريًا لأول مره في نقل الطاقة الكهربية بواسطة توماس إديسون في أواخر القرن التاسع عشر من خلال إنشاء أكبر دينامو على الإطلاق يُعرف باسم دينامو إديسون ، في عام 1881. وبعد إديسون ، قامت أوروبا وأمريكا ببناء أولى محطات انتاج التيار المستمر وتوزيعه لدعم استخدام الكهرباء .كانت هناك حاجة لنقل الكهرباء بشكل أكبر حول العالم،ولكن كيف يمكن نقل التيار خلال هذه المسافات الهائلة دون فقدللطاقة.كانت هناك حاجة كبيرة لإيجاد طريقة للقيام بذلك دون فقد الطاقة المرتبطة بتحريك التيار المستمر على طول مسافات كبيرة.

استخداماته

نظرًا أن طاقة التيار المستمر متسقة جدًا في الجهد الذي يتم توصيله ، فإن معظم الأجهزة الإلكترونية تتطلب هذا النوع من الطاقة. لهذا السبب تحتوي معظم الأجهزة الإلكترونية على مصادر طاقة تيار مستمر على شكل بطاريات أو تحتاج إلى تحويل طاقة التيار المتردد من المنافذ إلى طاقة التيار المستمر من خلال مقوم. غالبًا ما تحتوي إمدادات الطاقة على مقومات مدمجة مع المحولات لرفع أو خفض الجهد إلى المستوى المناسب.يفضل استخدام الجهد المستمر لبعض الأجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة. بالنسبة لمثل هذه الأجهزة ، فأنت بحاجة إلى محول طاقة AC-DC إذا كنت ترغب في تشغيل هذه الأجهزة الإلكترونية من منفذ. يحول المحول شكل الموجة إلى خط ثابت ومستقيم. يُفضل التيار المباشر للإلكترونيات لأن الارتفاعات والانخفاضات في التيار المتردد يمكن أن تلحق الضرر بالمكونات الحساسة داخل الأجهزة الإلكترونية.

مميزاته

1. ثبوت اتجاهه
2. ثابت الشدة، لذا فهو انسب لتشغيل الكثير من الاجهزة الالكترونية.
3. أكبر ميزة لكهرباء التيار المستمر هي أنها أسهل في التخزين من كهرباء التيار المتردد.
4. يمكن توليد كهرباء التيار المتردد بكفاءة مضاعفة باستخدام مولد ديزل يعمل بالتيار المستمر.
5. التيار المستمر متوافق بطبيعته مع مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
6. اعتماد معظم تقنيات تخزين الطاقة على التيار المستمر (بشكل أساسي في شكل تقنيات بطاريات) ، مما يخلق فرصًا لتحسين كفاءة التكامل وتقليل خسائر التشغيل.

عيوبه

1. تفقد الطاقة الكهربائية في الأسلاك على شكل حرارة.
2. لا يمكن نقله لمسافات طويله.
3. عدم القدرة على رفع قيمة الجهد مما يجعل استخدامه محدود.
4. خطورة التوصيلات الخاطئة ،فيجب مراعاة الاقطاب عند التوصيل .

انواع التيار المستمر

يوجد ثلاثة أنواع رئيسية للتيار المستمر:

1. تيار مستمر مستقر: وهذا النوع يوفر مستوي عالي من التنظيم مع قيم صغيرة لتموجات.
2.  تيار كهربي مستمر ناعم: هذا النوع عادة يكون متغير و غير منتظم و غالبا يستخدم في التطبيقات الغير حساسة و دقيقة الاستخدام.
3. تيار مستمر متغير: هذا النوع من التيار يكتسب صفة تشكل تيار متغير ولكن في اتجاه الموجب حيث يعبر عنه بعدة تموجات.

التيار الكهربي المتردد

هو نوع التيار الكهربي الذي تولده الغالبية العظمى من محطات الطاقة وتستخدمه معظم أنظمة توزيع الطاقة .يرمز له AC اختصارا من المصطلح الانجليزي Alternating Current اي التيار المتردد بالعربية ويسمى ايضا بـ التيار المتردد الجيبي وبالانجليزية Sinusoidal Alternating Current ويطلق عليه ايضا التيار المتناوب.وهو تيار كهربائي يعكس اتجاهه بشكل دوري ويتذبذب في مكانه ذهابا وإيابا 50 أو 60 مرة في الثانية حسب النظام الكهربائي المستخدم. يمكن توليده فقط حسب قانون فرداي عن طريق مولد كهربائي متردد. ويتم الآن استخدام التيار المتناوب لنقل الطاقة الكهربائية في كل دول العالم.

التاريخ

تم انتاج التيار المتردد لاول مرة عن طريق الدينامو الذي اخترعه هيبوليت بيكسي عام 1835على اساس نظريات مايكل فاراداي .واكان أول تطبيق عملي مسجل للتيار المتردد استخدم فى العلاج الكهربائي فى عام 1855 .ولكن كان العلماء في ذلك الوقت أكثر اهتمامًا بالتيار المستمر (التيار المباشر) ، ولكن بمجرد إدراك مزايا طاقة التيار المتردد ، أصبحت هي المعيار العالمي للكهرباء نظرًا لقدرته على توزيع الكهرباء بكفاءة عبر مسافات طويلة.

استخدامات التيار المتردد

التيار المتردد هو التيار المفضل عالميًا لأنه يتمتع بالعديد من المزايا الواضحة مقارنة بالتيار المباشر.تعمل معظم الأجهزة (دينامو المصنع الكبير على سبيل المثال) المتصلة مباشرة بالشبكة الكهربائية على التيار المتردد ، كما تعمل المنافذ الكهربائية في المنازل والمناطق التجارية على توفير التيار المتردد أيضًا. عادةً ما تحتوي الأجهزة التي تتطلب تيارًا مباشرًا ، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، على محول تيار متردد يحول التيار المتردد إلى تيار مباشر .

المميزات

1. يمكن نقله لمسافات بعيدة دون فقد ملحوظ فى الطاقة و بتكلفه قليلة .
2. تتمثل الميزة الرئيسية للتيار المتناوب في أنه يمكن تعديل جهده بسهولة نسبيًا باستخدام محول ، مما يسمح بنقل الطاقة بجهد عالي جدًا قبل نقلها إلى الفولتية الأكثر أمانًا للاستخدام التجاري والسكني.
3. سهولة صيانة الآلات المستخدمة في التيار المتناوب وبساطة تصميمها.
4. التوفير الناتج عن رخص تكاليف إنتاج التيار المتردد مقارنةً بالتيار المستمر.
5. يساعد في تقليل التلوث لأن محطات الطاقة لا تحتاج إلى تعويض الكهرباء المفقودة باستخدام المزيد من الوقود.
6. من السهل مقاطعة التيار باستخدام قاطع الدائرة الكهربائية .
7. يمكن تحويله الى تيار مستمر لاستخدامه في عمليات تتطلب تيار مستمر .

العيوب

1. لا يستخدم مباشرة في عمليات الطلاء و التحاليل الكهربائية.
2. لا يستخدم مباشرة في عمليات الشحن و تشغيل الأجهزة الألكترونية.
3. خطورة استخدامه دون عزل لارتفاع قيمة الذروة الفولتية.
4. ليس متوافق بطبيعته مع مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

انواع التيار المتردد

1. التيار المتردد الجيبي :هو التيار متغير الشدة لحظيا و متغير الاتجاه في كل نصف دورة .
2. التيار المتردد المنشاري: هو التيار المتغير الشدة لحظيا و متغير الاتجاه ولكن صورته مشابهة إلى أسنان المنشار.
3. التيار المتردد المثلثي : هو التيار المتغير الشدة لحظيا ومتغير الاتجاه ولكن على شكل مثلثات.
4. التيار المتردد الرباعي : هو تيار ثابت الشدة لحظيا ومتغير في الاتجاه ولكن على شكل مربعات.

كيفية التحويل بين التيار المستمر والمتردد

نحتاج الى تحويل كلاً من التيار الكهربي بين نوعيه لاستخدام الخصائص بينهما. حيث يتم تحويل التيار المتردد الى تيار مستمر لتشغيل معظم الاجهزة الالكترونية ،وذالك عن طريق جهاز يسمى المقوم (Rectifier)،وغالباً ما يوجد هذا الجهاز بكثرة داخل الاجهزة.كما يتم تحويل التيار المستمر ايضا الى تيار متردد ،عن طريق جهاز يسمى انفرتر (Inverter) وهو عاكس كهربائي او محول ،ويستخدم خاصة لتحويل التيار المستمر الناتج من محطات التوليد  من مصادر الطاقة المتجددة كالشمس والرياح ،ليتم توزيعها وتوصيلها فى المنازل والمنشئات بسهوله بصورة تيار متردد.

مقارنة بين التيار المستمر والمتردد

اوجه المقارنة	التيار المستمر	التيار المتردد
التعريف	يتدفق بشكل ثابت الشدة موحدالأتجاه.	يتدفق بشكل متغير في شده والأتجاه.
مصدر توليده	البطاريات الجافة و المراكم الرصاصية	محطات توليد الكهرباء مولد التيار المتردد”الدينامو”
مروره في الموصلات	يسبب حركة انتقالية للإلكترونات الحرة في الموصل المار فيه	يسبب حركة اهتزازية للإلكترونات الحرة في الموصل المار فيه
تردده	صفر لا يوجد تردد	يتراوح بين 50الي 60 هيرتز
إتجاهه	من القطب السالب الي الموجب فقط	من السالب الي الموجب و من الموجب الي السالب
الرمز في الدوائر الإلكترونية	DC	AC
شدته	ثابتة	متغيرة بدالة جيبيه و فرق الطور 90 درجة
الخطورة	اقل خطر	اكثر خطراً

 

حرب التيارات

هى معركة قامت بين العلماء (أديسون ،تسلا) بغرض تجاري فى استخدام التيار الكهربي المستمر او المتردد واعطاء الافضلية بينهم .كان التيار المستمر فى البدايه هو المستخدم فى توصيل الكهرباء وبذالك طور إديسون تيارًا مباشرًا يعمل باستمرار في اتجاه واحد ، كما هو الحال في بطارية أو خلية وقود. خلال السنوات الأولى للكهرباء ، كان التيار المباشر (اختصارًا باسم DC) هو المعيار في الولايات المتحدة .كنتيجة لذلك قام أديسون بتقديم نظام مكون من محطات كهرباء محلية صغيرة يمكنها إمداد الطاقة للأحياء بشكل فردي أو لأجزاء من المدن.لكن كان هناك مشكلة انه لا يتم تحويل التيار المباشر بسهولة إلى جهد أعلى أو أقل.

انظر ايضاً : دراسة براءة إختراع المحرك الكهربي المغناطيسي لنيكولا تسلا سنة 1891

اثبت تسلا أن التيار المتردد هو الحل لهذه المشكلة.حيث يمكن تحويله إلى جهد كهربائي مختلف بسهولة نسبيًا باستخدام محول.بالطبع هذا اغضب أديسون كثيراً لاعتبار ذالك الامر تهديداً على مشاريعه وفقد امواله التى كان يكسبها من برائة اختراعه.⁽¹⁾مقالة بعنوان /The War of the Currents: AC vs. DC Power من –energy.govوبدأت معارك التيارات خاصة عند شراء جورج وستنجهاوس لبرائة اختراع تسلا لبناء انظمة تيار متردد ومنافسة أديسون،الذي قام بحملة لتشويه سمعة التيار المتردد.⁽²⁾مقالة بعنوان /التيار المتردد (Alternating Current) والتيار المستمر (Direct Current) من- الصناع العرب حيث نشر معلومات خاطئة حول التيار المتردد قائلًا إنه أكثر خطورة ، حتى أنه ذهب إلى حد صعق الحيوانات الضالة علنًا باستخدام التيار المتردد لإثبات وجهة نظره.