Question

تحضير التيار المتردد المتناوب أنواع التيار الكهربائي مسائل عن التيار المتردد المتناوب مع الحل 

Alternating Current

مرحباً اعزائي طلاب وطالبات العلم في موقعنا باك نت يسرنا بزيارتكم أن نقدم لكم من كتاب الطالب اللغة العربية للتعليم المتوسط و البكالوريا 2023 شرح ملخص وحل تطبيقات دروس ونصوص مقترح كما نقدم لكم الأن أعزائي الطلاب... تحضير التيار المتردد المتناوب أنواع التيار الكهربائي مسائل عن التيار المتردد المتناوب مع الحل 

الإجابة هي

التيار المتردد (المتناوب) 

أنواع التيار الكهربائي :

تيار مستمر (D.C): أي تيار موحد الشدة والاتجاه نحصل عليه من البطاريات.

تيار متردد (A.C): أي تيار متغير الشدة والاتجاه نحصل عليه من الدينامو.

التيـــــــــار المتـردد+

يستخدم التيار المتردد في حياتنا اليومية مثل تشغيل المصانع وإضاءة المنازل والشوارع ومشارك في التقدم الحضاري.

أنواعــه: 

ينقسم حسب المنحنى الموضح للعلاقة بين ت ، ز إلى:

تيار متردد مربع.

تيار متردد مثلثي.

تيار متردد منشاري.

تيار جيبي:

التيار المتردد الجيبي:

هو أشهر التيارات المترددة لأنه يستخدم في المنازل والشوارع والمصانع.

سبب تسمية التيار المتردد بالجيبي

  لأن شدته وقوته الدافعة الكهربائية واتجاهه يتغيران حسب تغير جيب زاوية الدوران (من صفر إلى 360ْ).

تعريف التيار المتردد الجيبي:

 هو تيار متغير الشدة لحظياً ومتغير الاتجاه كل نصف دورة من دورات ملف مولده.

أو: هو تيار تبدأ شدته من الصفر ثم تزداد إلى نهاية عظمى ثم تهبط للصفر في نصف الدورة الأولى ثم يغير اتجاهه وتزداد شدته إلى نهاية عظمى ثم تهبط للصفر في نصف الدورة الثانية.

ويعتبر الدينامو هو مصدر التيار المتردد وأساس عمله.

تجربة لتوضيح فكرة عمل الدينامو:

التيار الكهربي المتــردد (الظاهرة الكهرومغناطيسية)

التجربة العملية (الأولى)

نكون الأدوات كما بالشكل مع وضع المغناطيس على سطح منضدة خشبية.

نحرك السلك أفقياً نشاهد عدم انحراف مؤشر الجلفانومتر دليلاً على عدم مرور تيار.

نحرك السلك بسرعة لأسفل نشاهد انحراف مؤشر الجلفانومتر في اتجاه معين.

نحرك السلك بسرعة لأعلى نشاهد مرور تيار في الاتجاه المضاد.

نوقف حركة السلك نشاهد عدم انحراف مؤشر الجلفانومتر.

الاستنتــاج:

عند حركة سلك بين قطبي مغناطيس بحيث يقطع خطوط الفيض (المجال المغناطيسي) فإنه تتولد بين طرفي السلك ق.د.ك ينتج عنها تيار تأثيري كهربي.

اتجاه التيار الـتأثيري يتحدد بقاعدة فلمنج لليد اليمنى"نجعل أصابع اليد اليمنى الثلاث متعامدة وهم الإبهام ويشير إلى اتجاه الحركة والسبابة وتشير إلى اتجاه المجال فإن الوسطى تشير إلى اتجاه التيار".

الديـــــــنــــــــامـــــــــــــــــو (المولــد الكهربــي)

الغرض منه: 

جهاز لتحويل الطاقة الحركية (الميكانيكية) إلى طاقة كهربية.

استخدامه ( وظيفته ):

1) في محطات توليد الكهرباء. 2) في إنارة القرى الصغيرة. 3) في السيارات/ المصانع.

فكرة عمله (نظرية عمله):

عند دوران ملف بين قطبي مغناطيس قوي فإنه يقطع خطوط الفيض المغناطيسي وتتولد بين طرفيه قوة دافعة كهربية تأثيرية ويمكن الحصول منها على تيار تأثيري.

تركيبــه: 

كما بالرسم المقابل .

شرح عمله:

عند دوران الملف من الوضع العمودي فإنه:

1) في نصف الدورة الأولى يتولد تيار في الاتجاه أ ب جـ د إلى ف2 إلى ف1

∴ ف2 قطب موجب. ف1 قطب سالب.

2) في نصف الدورة الثانية يتولد تيار في الاتجاه د جـ ب أ إلى ف1 إلى ف2.

∴ ف1 قطب موجب. ف2 قطب سالب.

3) التيار الناتج متغير الاتجاه ومتغير الشدة ولذلك يسمى تيار متردد.

حساب مقدار ق. د. ك المتولدة في ملف الدينامـو

بفرض الملف مكون من لفه واحدة (ن = 1) وعند دوران الملف عمودياً مجال مغناطيسي كثافة فيضه (ب) بسرعة زاوية منتظمة ().

∴ بعد زمن ز يقطع زاوية =ز

وتكون مركبة كثافة الفيض العمودية = ب جتاز.

بما أن الفيض العموي خلال الملف:

الفيض = مساحة الملف × مركبة كثافة الفيض العمودية على مستوى الملف

∴= س × ب جتا ز ............... (1)

تتولد قوة دافعة تأثيرية كهربية حسب قانون فاراداي:

ق = - ............... (2)

والإشارة السالبة تعني أن اتجاه ق يضاد التغير في الفيض المسبب لهُ.

بالتعويض عن () من (1) في (2)

∴ ق = 

∴ ق = س × ب ×× - جاز ............... (3)

لأن تفاضل جتاز = -جاز

عندما يكون عدد لفات الملف (ن) فإن:

  ق = س × ب × ن × × جازج ............... (4)

المقادير س ، ب ، ، ن مقادير ثابتة:

∴ تتغير قيمة القوة الدافعة التأثيرية بتغير (جاز)

وتصبح (ق) نهاية عظمى أي (قع) عندما جاز = 1 أي ز = 90ْ

∴ قع = س × ب × ن × ............... (5)

من (4) ، (5)

∴ القوة الدافعة في أي لحظة ق = قع × جاز ............... (6)

العوامل التي تتوقف عليها ق.د. ك التأثيرية عند أي لحظة:

*من المعادلة (4) يتضح أن العوامل هـي:

1) مساحة الملف (س): حيث ق س       

أي تتناسب ق طردياً مع مساحة الملف.

2) كثافة الفيض (ب): حيث ق ب 

أي تتناسب ق طردياً مع كثافة الفيض المغناطيسي.

3) عدد لفات الملف (ن) : حيث ق ن

أي تتناسب ق طردياً مع عدد لفات الملف.

4) السرعة الزاوية للملف () : حيث ق 

أي تتناسب ق طردياً مع السرعة الزاوية لدوران الملف.

5) جيب الزاوية بين وضع الملف في هذه اللحظة والوضع العمودي (جاز):

حيث قجاز أي تتناسب ق طردياً مع جيب الزاوية.

التغيرات التي تطرأ على القوة الدافعة التأثيرية المتولدة في الملف خلال دورة كاملة:

(أ) عند بدء الدوران مستوى الملف عمودي على اتجاه المجال. 

∴لا يقطع خطوط الفيض ولا تتولد ق تأثيرية

حيث ق = قع× جاز

∴ز= صفر  

∴ جاز = صفر

∴ ق = صفر 

(ب) باستمرار الدوران تزداد ق حتى يصبح مستوى الملف موازي لخطوط الفيض وذلك بعد دورة.

∴ز = 90ْ ∴ جاز = 1 ∴ ق = قع (نهاية عظمى)

(ج) باستمرار الدوران تقل ق حتى تنعدم عندما يكون مستواه عمودياً على اتجاه المجال وذلك بعد دورة.

∴ز = 180ْ ∴ جاز=1 ∴ ق = صفر. 

(د) باستمرار الدوران يتغير اتجاه التيار في الملف وتزداد ق حتى تصبح نهاية عظمى وذلك بعددورة.

∴ز = 270ْ ∴ جاز=-1 ∴ ق = -قع.

(هـ) باستمرار الدوران تقل ق حتى تنعدم (دورة كاملة):

∴ز = 360ْ ∴ جاز=صفر ∴ ق = صفر

ويتكرر ذلك في كل دورة لذلك يطلق على التيار الناتج اسم التيار المتردد(A.C)

عندما يكون مستوى الملف موازي لخطوط الفيض فإن معدل القطع للخطوط يكون أكبر ما يمكن والقوة الدافعة المتولدة نهاية عظمى.

عندما يكون مستوى الملف عمودي على خطوط الفيض فإن معدل القطع يكون صفر والقوة الدافعة المتولدة صفر.

لحل المسائـل

(1) السرعة الزاوية = 2 f.

حيث :( f ) التردد وهو عدد دورات ملف: الدينامو حول محورة في الثانية الواحدة: =

(2) لحساب الزاوية () بالتقدير السيني:

فــإن: =ز = 2fزد 

حيث = 180ْ بالتقدير السيني

(3) في حالة إعطاء سرعة خطية (ع):

فإن السرعة الزاوية = |  

حيث نق = (م)

مثال(1): 

 ملف دينامو مستطيل الشكل طوله 50سم وعرضه 20سم مكون من 500لفه يدور حول محور مواز لطوله بسرعة 50دورة في الثانية في مجال مغناطيسي كثافة فيضه 0.014 تسلا احسب:

أقصى قوة دافعة نحصل عليها؟ (القوة الدافعة بعد دورة - دورة).

القوة الدافعة عندما يميل مستواه على العمودي على المجال بزاوية 530؟ (القوة الدافعة بعد دورة)

الإجابة النموذجية :

س = 50× 20× 10-4 = 10-1م2 ن = 500 = 5× 210 لـفه

f = 50 هرتز ب = 0.014 = 14 × 10-3 تسلا

(1) قع = ؟ (ز = دورة = × 360 = 590)

 قع = س × ب × ن × ( قع = س × ب × ن× 2 f

     قع = 10-1 × 14× 10-3× 5 × 210× 2 × × 50 ( قع = 22000× 10-2

 قع = 220 فولت.

(2) ز = 30 ق لحظية = ؟ (ز = × 360 = 530)

 ق = قع × جاز

 ق = 220 × = 110فولت

مثال(2):

 ملف دينامو مستطيل أبعاده 20، 10سم مكون من 1000 لفه يدور حول محور لطوله بسرعة 4500 دورة في دقيقة ونصف في مجال مغناطيسي كثافة فيضه 0.07 تسلا احسب: 1) النهاية العظمى للقوة الدافعة المتولدة فيه.

2) القوة الدافعة المتولدة بعد ثانية من بدء الدوران.

3) القوة الدافعة العظمى عندما يتحرك بسرعة خطية 24م/ث.

الإجابة النموذجية :

س = 20× 10× 10-4 = 2 × 10-2م2 ن = 1000 = 310 لفـه

f = = = = 50 هرتز ب = 7 × 10-2تسلا

1) قع = ؟

قع = س× ب × ن × ( قع = س × ب × ن × 2f

قع = 2 ×10-2× 7 ×10-2 ×310 × 2 × × 50

قع = 4400 × 10-1 ( قع = 440 فولت.

2) ز = ز = ؟ قلحظية = ؟

ز = 2 f ز ( ز = 2 × 180 × 50 × = 560

ق = قع × جا ز ( ق = 440 × = 220 3 فولت.

3) ع = 24م/ث = ؟ قع = ؟

== = ===480 زاوية نصف قطرية/ ثانية.

 قع = س × ب × ن × 

 قع = 2 × 10-2× 7× 10-2×310 × 480 = 6720× 10-1 = 672 فولت.

مصطلحات متعلقة بالتيار المتردد:

الذبذبة الكاملة (الدورة / الاهتزازة) للتيار المتردد:

هي التغير الذي يحدث للتيار المتردد أثناء دوران ملف مولده دورة كاملة.

زمن الذبذبة (الزمن الدوري ز):

هو الزمن الذي يستغرقه حدوث دورة كاملة لملف الدينامو أو حدوث ذبذبة كاملة للتيار المتردد.

التــردد ( f ):

هو عدد الذبذبات التي يعملها التيار المتردد في الثانية الواحدة، ويساوي نفس عدد دورات الملف المولد لهُ في الثانية الواحدة.

حيث: f = هيرتز (Hz)

Answer 1

التيار المتردد (المتناوب)

ملاحظات:

1) يتوقف تردد التيار الذي يولده الدينامو على عدد دورات الملف في الثانية.

f= = هرتز (ذ/ث)

2) عدد مرات وصول شدة التيار المتردد إلى الصفر في الثانية = 2 f + 1

مثال(3):

  ما معنى قولنا أن تردد التيار في صنعاء 50 هرتز؟ ثم احسب عدد مرات وصول شدة التيار للصفر.

ومنها استنتج لماذا لا نلاحظ انطفاء المصابيح في المنازل عند وصول شدته للصفر.

الإجابة النموذجية :

أي أن عدد (الدورات) التي يعملها التيار المتردد في الثانية الواحدة 50 دورة.

عدد المرات = 2f + 1 = 2 × 50 + 1 = 101 مرة/ث

التعليل: لكبر التردد وصغر الزمن وحدوث ظاهرة مداومة الرؤية (تحدث عندما يكون f > 16 هرتز)

القيمة الفعالـة للتيار المتردد:

1) تختلف قيمة التيار المتردد بالزيادة أو النقص باستمرار من لحظة إلى أخرى تبعاً لمنحنى جيبي.

2) لذا تقاس شدة التيار المتردد بقيمة تكافئها من التيار المستمر تُعرف بالقيمة الفعالة للتيار المتردد.

3) وأساس تقديرها أنهُ إذا تساوت الطاقة الحرارية التي يولدها تيار متردد في زمن معين والطاقة الحرارية التي يولدها تيار مستمر في نفس الزمن في نفس الموصل فإن شدة التيار المستمر المار في الموصل هي ما نسميه: (بالقيمة الفعالة للتيار المتردد).

تعريف القيمة الفعالة للتيار المتردد:

هي قيمة التيار المستمر الذي يولد نفس الطاقة الحرارية التي يولدها التيار المتردد عند مرورهم في نفس الموصل ولنفس الزمن.

معنى قولنا أن القيمة الفعالة للتيار المتردد 2 أمبير

أي أن تيار مستمر شدته 2 أمبير يولد نفس الطاقة الحرارية التي يولدها هذا التيار المتردد عند مرورهم في نفس الموصل ولنفس الزمن.

حساب القيمة الفعالة للتيار المتـردد:

أمكن رياضياً إثبات أن:

القيمة الفعالة للتيار المتردد =

∴ تفعاله =

∴ ت = × = تع× = تع ×

∴ ت فعالة = تع ×0.707

وبالمثل: قفعالة = ، قفعالة = قع×0.707

مثال(4):

 إذا كانت القوة الدافعة العظمى المتولدة في ملف دينامو 100 2 فولت فاحسب القيمة الفعالة لها؟

الإجابة النموذجية :

قع = 100 2 ق =؟ ق = = = 100 فولت.

مثال(5):

  تيار قيمته الفعالة 3.535 أمبير. احسب النهاية العظمى لشدته.

الإجابة النموذجية :

ت = 3.535 تع = ؟ ت = تع × 0.707 ( تع = = 5 أمبير.

مثال (6):

 ملف دينامو مستطيل الشكل أبعاده 50 ، 20سم مكون من 500 لفه موضوع في مجال مغناطيسي كثافة فيضه 0.014تسلا فإذا تولدت فيه ق.د.ك فعالة 110 2 فولت فاحسب:

1) أقل سرعة يجب أن يدور بها الملف.

2) القوة الدافعة المتولدة عندما يدور ملفه بزاوية 530.

الإجابة النموذجية :

س = 50×20 × 10-4 =10-1م2. ن = 500= 5× 210لفه ت = -14×10-3تسلا

ق فعاله= 110 2 f = ؟ ق لحظية = ؟ ز = 530

1) ق = ( 110 2 = ( قع = 110 2 × 2 = 220 فولت

 قع = س × ب × ن × ( قع = س × ب × ن × 2f

220 = 10-1× 14× 10-3× 5×210× 2× × f

220 = 440 × 10-2 × f

f = = = = 50 هرتز.

2) ∵ ق = قع × جاز

 ق لحظية = 220× = 110 فولت.

مميزات التيار المتردد عن التيار المستمـر:

أجهزة الحصول عليه أرخص ثمناً وأبسط تركيباً من أجهزة المستمر.

يمكن رفع أو خفض قوته الدافعة باستخدام المحولات الكهربية بحسب حاجة الإنسان لاستخدامه.

يمكن تقويمه أي تحويله إلى تيار مستمر يستخدم في التحليل / الطلاء الكهربي.

تكاليف نقله منخفضة.

ينقل عبر أسلاك من محطات توليده إلى أماكن استخدامه دون فقد يذكر في الطاقة.

يمر في الدوائر التي بها مكثفات بينما لا يمر التيار المستمر إلا لحظياً.

عيوبه :

 ضعف شدته أو زيادتها فجأة مما يؤدي لاحتراق الأجهزة الكهربية.

وجه الاتفاق بين التيار المتردد / التيار المستمر.

يتفقا في توليدهما طاقة حرارية عند مرورهم في الموصلات الكهربية.

قيــــــاس شـــــدة التيار المتـــــردد:

لا يستخدم الأميتر العادي(أو الأميتر ذو الملف المتحرك)في قياس شدة التيار المتردد (علل)

لأن عمله مبني على ثبوت اتجاه التيار المار فيه بينما التيار المتردد متغير الاتجاه.

ولذا يستخدم جهاز الأميتر الحراري لقياس شدة التيار المتردد وتبنى فكرته على التأثير الحراري.

الأميتـــــر الحـــراري

وظيفته :

قياس القيمة الفعالة للتيار المتردد أي قياس شدة التيار المتردد.

قياس شدة التيار المتسمر.

نظرية (فكرة)عملـه:

بني عمله على فكرة التأثير الحراري للتيار الكهربي.

بمعنى عند مرور تيار كهربي في موصل فإنه تتولد فيه طاقة حرارية لا تتوقف على اتجاه التيار بل على شدته ولذا يقيس التيار بنوعية متردد/ مستمر.

تركيبة:

كما بالرسم:

شــرح عملــه:

 يوصل الأميتر الحراري في الدائرة الكهربية على التوالي مع مصدر التيار المتردد (أو المستمر).

 عند مرور التيار في السلك (أ ب) فإنه يسخن وترتفع درجة حرارته ويرتخي فيقوم الزنبرك بشد خيط الحرير نحوه فتدور البكره ومعها المؤشر ببطء.

 بعد فترة زمنية يقف التمدد ويثبت المؤشر عند قراءة هي القيمة الفعالة للتيار المتردد.

 عند قطع التيار فإن السلك يبرد وينكمش هو والبرونز فيشد خيط الحرير لليمين فيعود المؤشر إلى صفر التدريج ببطء.

تدريج الأميتر الحراري:

يدرج بمقارنته بأميتر ذي الملف المتحرك عندما يوصل معه على التوالي ثم يمر فيهما تيار مستمر ونعين قراءات الأميتر ونسجلها أمام مؤشر الأميتر الحراري.

بذلك أمكن معايرة تدريج الأميتر الحراري لقياس شدة التيار المتردد وشدة التيار المستمر.

تعليلات

تداريج الأميتر الحراري غير متساوية الأبعاد (التدريج غير منتظم).

لأن كمية الحرارة المتولدة فيه تتناسب طردياً مع مربع شدة التيار وليس مع شدة التيار (ح ت2)

يتحرك مؤشر الاميتر ببطء سواءً عند مرور التيار أو عند قطعة.

لأنه لابد من فترة زمنية تتساوى فيها الحرارة المتولدة مع الحرارة المفقودة منهُ في الهواء المحيط به حتى يقف التمدد ويثبت المؤشر.

سلك التسخين في الأميتر الحراري من سبيكة إيريديوم بلاتين.

لأن مقاومتها النوعية عالية فتتمدد بمقدار ملحوظ عند مرور التيار الكهربي فيها حتى الضعيف منها.

مميزاتـــه:

يصلح لقياس التيار المتردد والمستمر.

لا يتوقف عمله على اتجاه التيار المار فيه على شدته.

عيوبـــه:

يتحرك مؤشرة ببطء سواء عند مرور التيار أو عند قطعة.

يتأثر عمله بدرجة حرارة الجو المحيط به (اختلاف درجة حرارة الجو عن درجة حرارة تدريج الجهاز) مما يسبب خطأ في قراءة الأميتر.

علاجـــه:

يشد سلك التسخين(ايريديوم البلاتين) على لوحة لها نفس معامل تمدده مع عزلة عنها لعلاج تأثر عمله بدرجة حرارة الجو المحيط به فلا تتأثر قراءته بدرجة حرارة الجو مهما ارتفعت أو انخفضت.