الدائرة الكهربية

الدائرة الكهربية ؟

علمنا أن الكهرباء هي إحدى صور الطاقة ، والطاقة أوجدها الواجد في مصدر او أكثر ، ونتج عنها مع ملايين السنيين أنواع أو مصادر أساسية في الطبيعة ، ويتم استغلال إحدى اشكال هذه المصادر الأساسية للحصول على شكل أو مصدر جديد للطاقة .. أي آن الطاقة لا تأتي من العدم بل لابد من مصدر طاقة في البداية تستخلص منه الصورة الأولية للطاقة بالكميات المتاحة او ما تتمكن من استخلاصه وتفنى كلها في سبيل الحصول على صورة الطاقة الجديدة ، وغالبا يتم الذهاب إلى مكان مصدر الطاقة الذي سيتم استغلاله او بالقرب من متطلبات تلك العملية كمصدر وقود او مصدر مياه لذلك تجد محطة توليد في أسوان من أجل كهربة العاصمة في القاهرة وذلك لأن خزان المياة الكبير لا يمكن أن يوجد في أي مكان آخر إلا في تلك المنطقة .. ومن هنا نحتاج لنظام لنقل تلك الطاقة من المحطة إلى التوزيع حيث تكون الأحمال .. وتلك الطاقة يتم نقلها عبر خطوط نقل طويلة أو متوسطة أو قصيرة الطول حسب ظروف كل حالة فتنقل من خلال الخطوط او النواقل تلك في صورة موجة كهرومغناطيسية مستعرضة – أي على شكل جبال متتالية - تنتقل بسرعة انتقال أو انتشار propagation speed تساوي سرعة الضوء في الفراغ 300 ألف كم في الثانية ، لكن في حالتنا حيث تنتقل في سلك تكون سرعتها أقل قليلا ، هذه الموجة في AC تتكرر 50 مرة في الثانية اي طولها الموجي كبير اي تقريبا 6000 كم والطول الموجي هو المسافة بين نفس النقطتين لموجتين متتاليتن أي المسافة بين قمة الموجة وقمة الموجة في ذيلها هي 6000 كم .

على سبيل المثال لو أننا ننقل طاقة على شبكة تتكون من مجموعة خطوط نقل متتالية طولها الكلي نقل 750 كم، وجهده الاقصى هو 15.6kv فعندما ينتج المولد في بداية الخط جهد لحظي بتلك القيمة القصوى فانها تصل الى نهاية الخط بعد 2.5 ملي ثانية اي اذا قمنا بوضع مقياس للجهد في بدايته ومنتصفه ونهايته وتم أخذ وتسجيل القراءة اللحظية بعد 2.5 ملي ثانية فعندها يكون قيمة الجهد بالقيمة العظمى في نهاية الخط اي 15.6KV وسنجد الجهد في المنتصف ب 90% من قيمته تقريبا وليكن 14KV بينما في بدايته بـ 9.4KV ، واذا مدينا خط موازي لهذا الخط يتصل به من النقطة السابقة اي من نهايته اي اصبح طول الشبكة 1500 كم ، نجد القيمة اللحظية على بعد 1500 كم هي صفر فولت ، اي ان كل تلك المسافة 1500 كم يغطيها ربع موجة جيبيبة واحدة بينما ربع الموجة تلك تغطي مسافة ربع ملي متر في حالة موجة راديو تتكرر 300 مليار مرة في الثانية وليس 50 مرة اي يكون الطول الموجي اي المسافة بين قمتين موجتين متتاليتين لموجة الراديو تلك هي ملي متر واحد اي خلال متر واحد فقط تكررت الف موجة .

الخلاصة حاولنا ان نتصور في شكل مبسط معا معنى ان تكون الكهرباء طاقة .. ومعنى انها تنتقل في موجه .. ومفهوم الموجة ومرفق صورة توضح انواع الموجات الكهرومغناطيسية حسب مدى تردداتها واستخداماتها ..

والطاقة الكهربية هي حاصل ضرب القدرة في الزمن والقدرة هي التيار والجهد ، وان التيار هو سيل متدفق من الشحنات الكهربية فهو قسمة الشحنة على الزمن والشحنة الكهربية في بنية المادة حيث العالم الكمي عالم المجهر ، والجهد هو الضغط او المدفع الذي يدفع هذا السيل للمرور.

ولعل الالكترون يتمنى لو ان يدعوه يفوت كفوت البراق ولكن ليس كل ما يتمنى يُنال .. فالطريق ليس دائما ممهد فما أن يتسارع الالكترون حتى يجد الطريق مشغول بالجسيمات داخل الذرات والذرات وما ان يطول مسار رحلته او يضيق عليه طريقه حتى يعاني من التصادمات وما ان تزيد سرعته مع زيادة التيار حتى تزداد التصادمات والاحتكاكات فترتفع درجة حرارة الناقل فتزداد المقاومة أكثر ويتباطأ الالكترون ....اذا بسبب زيادة التيار الذي يطلبه الحمل وفي وجود مقاومة الناقل ترتفع درجة حرارة الناقل وقد ترتفع حيث لا يمكن للناقل أن يصمد فيقرر الاستسلام فيتآكل عزله وتنتشر رائحته المشهورة لتخبر الجميع انتبهوا هنا ناقل يحترق !! إنها مقاومة الموصل نفسه نحاس أو ألمونيوم ... والتيار المار به .. إنها القدرة المفقودة والحرارة الناتجة عنها التي قد يتحملها العازل أو لا .

ومن ناحية أخرى يعاني العازل من عدو آخر وهو الجهد أو الإجهاد الكهربي فقلنا في السابق أن كل مادة تعتبر موصل بدرجة ما فالعازل قد يكون غاز كالهواء أو سادس فلوريد الكبريت SF6 .. أو سائل مثل زيت المحولات أو صلب كعازل السلك المطاطي أو البوليمري أوالعازل على أبراج وأعمدة النقل والتوزيع بالشوارع كالزجاج او السيراميك فالعازل هو مادة سيئة التوصيل وممتازة العزل ولكن عند ظروف معينة كعند جهد معين وظروف جوية معينة، وعندما يزداد الجهد تتغير خصائص العازل وتتحرر بعض الكتروناته أويتأين الوسط اي يفقد أو يكتسب الكترونات - هذه الالكترونات تحاول ان تتجمع وتدفق في تيار فتتلمس ايجاد مسارات متعددة تاخذ شكل شيجرات او مثل اغصان الشجر او شرخ الجدران ولو حتى منتصف الطريق بين الطرفين وعندما يرتفع الجهد الى قيمة جهد الانهيار الخاص بالعازل 30 ك فولت لكل سم في حالة الهواء او قد يصل ل 71 كيلو فولت لكل سم في حالة زيوت المحولات ، حينها تتكسر ما بقى من ترابط البنية الداخلية لهذا العازل فتتغير صفاته العازلة ففي بعض العوازل بغير رجعة كالزجاج او السيراميك الذي ينصهر او ينفجر او في حالة السلك يفقد مهمة العزل فينتج قفلة او قصر بين السلكين او مسببا شرارة بين الموصل واي جسم معدني على مقربة منه ، أو يحدث انهيار مؤقت حتى يعود الجهد الى ما كان عليه فيعود عازل ولكن أقل قليلا عما كان كما في الهواء او الزيت .بينا من أفضل العازلات هو غاز sf6 فهو يحتفظ بخصائصه ولكل استخداماته وتطبيقاته بطيعة الحال .

يمكن أن نلخص ما سبق بأننا يجب ان ننتبه إلى أنواع العازلات وطبيعتها وأنواع الموصلات ومقطعها ي مساحتها او قطرها وطول مسار الدائرة ، ويجب أن نعلم أن اقصى تيار قد يطلبه هذا الحمل وما هي مقاومة السلك والجهد الذي يجب ان تتحمله الدائرة كلها من عازلات والذي تعمل عنده كي تسحب قدرتها بأمان دون مشاكل لها أو لما يشاركها الدائرة والدائرة المغلقة هي الشرط الثاني لمرو التيار بعد الجهد .

وعرفنا أهمية ومفهوم بعض المصطلحات يهمنا منها فيما هو قدم التردد ، وان هناك قيم للجهد لحظية ..

والسؤال الآن طالما الجهد قيم لحظية فلما المعدات والكابلات و المولدات يدون عليها قيمة ثابتة فما الذي تمثله تلك القيمة ؟

لفهم ذلك نحتاج أن نفهم التعبيرات phasor .. peak .. RMS .. mean ..

من الطبيعي ان كل انسان يميز باسمه هذا أحمد وهذا محمد ولكن في بعض الأحيان يكون هذا غير كاف ..ان تصف صديقك محمد لرجل سيستلم منه امانه فقط ان اسمه محمد في مكان يتواجد فيه بين عشرة محمد لقد ازعجت 10 محمد او أضعت الأمانة .. وكان يمكن تجنب ذلك ، ولكي تصف له مكان مسجد الفتح انه في ميدان رمسيس على يمين مبنى كذا أيضا غير كاف فيجب ان تحدد له وانت قادم من اتجاه كذا سيكون المسجد على يمين المبنى كذا الآن اصبح الوصف صحيح ..

وهنا في الكميات الفيزيائية قسموها فبعضها يسمى كمية قياسية Scalar وهي كميات كاف جدا وصفها بقيمة او رقم فقط مثل الكتلة او الوزن كاف جدا ان تصف الكمية التي تريدها من البرتقال 10 كجم فقط ، وبالمثل سعة الفلاشة نقول 8 جيجا بايت وكذلك درجة الحرارة 25 درجة سليزية كلها كميات قياسية يعبر عنها بقيمة فقط ، التصنيف الثاني هي كميات متجهة Vector Quantities وهنا لابد من اضافة اتجاهها بجانب قيمتها مثل القوة والسرعة ، فمثلا اذا كنت تصف موضع فهو كمية متجهة فاذا كنت تقف عند القاهرة وتصف موضع اسوان فتكون موضعها بالسالب 1000 كم عن القاهرة وكذلك عندما تصف قيمة ازاحة مكان عن آخر فهي كذلك ، بينما عندما تصف طول فهو كمية قياسية فنقول المسافة بين مصر وأسوان هي 1000 كم .. كذلك كل الكميات الكهربية هي كميات متجهة يحدد موضعها في الفراغ بالابعاد الثلاثة ولكن اذا دار هذا الاتجاه فيسمى طور او Phasor فالفيزور هو Rotating vector متجه يدور عكس او مع اتجاه الساعة وفي حالتنا في AC systems كلها كميات متجهة ولكنها بالإضافة لذلك كما عرفنا سابقا انها تدور لذلك يعبر عنها ب Phasor اي قيمة مطلقة اي رقم وزواية تعبر عن موضعها داخل تلك الدورة .وهو ما يترجم للموجة الجيبية لاحظ الصورة المرفقة .

اذا يعبر عن الكمية الكهربية جهد مثلا او تيار بفيزور اي قيمة وزاوية وكما عرفنا ان في نظامنا AC القيم لحظية والآن يجب أن تعلم أن تلك الزاوية هي دليلك لقيمة الجهد عند تلك اللحظة اي عند اي لحظة يكون الجهد بزاوية ما وبالتالي يكون بقيمة ما تزداد مع زيادة الزاوية حتى تصل الى زاوية 90 فيكون الجهد باكبر قيمة موجبة له وبعدها تزداد الزاوية ويقل الجهد حتى يصل للصفر عند زاوية 180 وبعدها تزداد الزاوية فيزداد الجهد بالسالب حتى يصل لا قصى قيمة لحظيه له ند زاوية 270 بعدها مع زيادة الزاوية يقل الجهد بالسالب حتى يصل للصفر مرة اخرى عند 360 درجة ، اي القيمة اللحظية للجهد تساوي حاصل ضرب القيمة القياسية للجهد في جيب الزاوية ومنها نحصل على المنحنى الجيبي كما يبين ذلك الصورة المرفقة .

عرفنا الآن قيمتان تعبران عن الجهد هي القيمة اللحظية Instantaneous والثانية هي القيمة القصوى او peak وحصلنا عليها في الصورة السابقة مرتان خلال دورة واحدة عند زاوية 90 و زاوية 270 .

اما القيمة المتوسطة فتساوي مجموع كل القيم اللحظية على عددها خلال نصف الموجة لان القيمة المتوسطة خلال موجة كاملة تساوي صفر لان كما علمنا كل نصف موجة عكس النصف الآخر وفي حالتنا في حالة موجة جيبية يمكن الحصول على القيمة المتوسطة للجهد بضرب القيمة القصوى في هذا الرقم 0.637 .

ولكن اذا اردنا ان نعبر عن الجهد او التيار بقيمة ثابتة تماثل القيمة الثابتة في نظام DC اي القيمة في AC التي ينتج عنها نفس التأثير الحراري الذي تنتجه القيمة المناظرة لها في DC تلك القيمة نعبر عنها ب RMS وهي القيمة التي نقيسها بالافوميتر او تدون على الاجهزة الكهربية المنزلية ونحصل عليا بجمع مربع كل القيم اللحظية خلال الموجة وقسمتها على عددها ونأخذ الجزر للناتج ، لذلك هي تسمى جذر متوسط مربعات القيم اللحظية ، وفي الموجة الجيبية نحصل عليها بقسمة القيمة القصوى على جذر 2 .

الشرط الثاني لوجود الدائرة هو المسار المغلق فأي دائرة كهربية تتكون بشكل اساسي من الاجزاء الثلاثة التالية : مصدر وناقل - سلك مثلا او عدة اسلاك - ثم الحمل وهو المعدة كسخان الماء أو محرك كهربي أو وحدات إضاءة ، وكل جزء مما سبق يتكون من أحد التالي أو بعضه أو كله : مقاومة ، ملف ، مكثف ، مصدر جهد ، مصدر تيار .

والملف والمكثف دورهم في الدائرة يشبه دور المقاومة نوعا ما وعندما يجتمع اثنان منهم او اكثر في الدائرة يطلق على محصلتهم بالمعاوقة Impedance .

يمكن تشبية المقاومة باحتكاك عجل السيارة في الطريق هو يعطلك على أي حال ووينتج حرارة تأخذ من عمر العجل .. بينما الكوبري في الطريق يمكن تشبيه بالملف أو المكثف فهو يأخذ من سيارتك مجهود في الصعود ولكن في النزول بإمكانك ترك دواسة البنزين اي ما أخذه منك في الصعود أعاده إليك في النزول .

التالي نكمل قصة المعاوقة