بطارية الهاتف تحتاج إلى توتر صغير نحو خمسة فولت، والمصباح المنزلي يحتاج إلى توتر قطاع الكهرباء المنزلي نحو مئتين وعشرين فولتًا. فكيف نربط جهازًا صغيرًا بمأخذ منزلي؟ نستعمل شاحنًا بداخله محولة تخفض التوتر. المحولة الكهربائية من أهم الأجهزة التي تتيح نقل الطاقة الكهربائية عبر المسافات الطويلة وتكييف التوتر مع حاجة كل جهاز. وفي هذا الدرس نتعلم مبدأها وقانونها.
ما هي المحولة؟
المحولة جهاز كهربائي يغير قيمة التوتر المتناوب من قيمة إلى أخرى، دون أن يغير تواتره. وهي تعمل بالتيار المتناوب فقط.
مكوناتها:
- نواة حديدية مصنوعة من صفائح رقيقة معزولة، توجه المجال المغناطيسي.
- وشيعتان أو ملفان من سلك نحاسي معزول ملفوفان حول النواة:
- الملف الابتدائي (الأولي) يتصل بالمنبع، وعدد لفاته N1.
- الملف الثانوي يتصل بالجهاز المستهلك، وعدد لفاته N2.
لا يتصل الملفان كهربائيًا ببعضهما، وإنما يتم انتقال الطاقة بينهما عبر المجال المغناطيسي في النواة.
مبدأ العمل
حين يمر تيار متناوب في الملف الابتدائي يتولد في النواة مجال مغناطيسي يتغير في الزمن. وهذا المجال المتغير يمر عبر الملف الثانوي فيولّد فيه توترًا متناوبًا بالحث الكهرومغناطيسي. ولا يحدث ذلك مع التيار المستمر لأن المجال الثابت لا يولد توترًا في الثانوي.
وبما أن التوتر المتولد في كل ملف يتناسب مع عدد لفاته، فإن نسبة التوترين تساوي نسبة عدد اللفات.
قانون المحولة
بالنسبة إلى محولة مثالية:
U2 / U1 = N2 / N1
حيث U1 التوتر في الملف الابتدائي وU2 التوتر في الملف الثانوي. وتسمى النسبة m = N2 / N1 نسبة التحويل.
- إذا كان
N2أكبر منN1فإنU2أكبر منU1، وتسمى المحولة رافعة للتوتر. - إذا كان
N2أقل منN1فإنU2أقل منU1، وتسمى المحولة خافضة للتوتر.
الاستطاعة والمردود
في المحولة المثالية لا تُفقد طاقة، فتكون الاستطاعة الكهربائية الداخلة مساوية للخارجة:
U1 × I1 = U2 × I2
ومنه I2 / I1 = N1 / N2. أي إن المحولة التي ترفع التوتر تخفض شدة التيار بالنسبة نفسها، والعكس صحيح.
أما في الواقع فهناك ضياع للطاقة في صورة حرارة في الأسلاك والنواة، فيكون المردود أقل من 1. ومردود المحولات الكبيرة عالٍ جدًا ويقترب من 0,98.
أهمية رفع التوتر لنقل الطاقة
تنتج محطات توليد الكهرباء توترًا متوسطًا، ثم ترفعه المحولات إلى توتر عالٍ جدًا لنقله عبر الخطوط الطويلة. والسبب أن الاستطاعة P = U × I فإذا رفعنا U انخفضت I لنفس الاستطاعة، وبما أن الضياع بمفعول جول في الأسلاك يتناسب مع I^2، فإن رفع التوتر يقلل الضياع كثيرًا. وعند وصول الكهرباء إلى المدن تخفضها محولات في مراكز التوزيع حتى تصل إلى توتر المنازل.
مثال محلول 1
محولة ملفها الابتدائي فيه 1000 لفة والثانوي فيه 100 لفة، وتوتر الابتدائي 220 V. ما توتر الثانوي؟
الحل:
U2 = U1 × N2 / N1 = 220 × 100 / 1000 = 22 V.
المحولة خافضة للتوتر.
مثال محلول 2
نريد توترًا قدره 12 V من منبع 220 V، وعدد لفات الابتدائي 1100. ما عدد لفات الثانوي؟
الحل:
N2 = N1 × U2 / U1 = 1100 × 12 / 220 = 60 لفة.
مثال محلول 3
محولة مثالية توترها الابتدائي 100 V وشدة التيار فيه 2 A، وتوتر الثانوي 20 V. ما شدة التيار في الثانوي؟
الحل:
الاستطاعة الداخلة P = 100 × 2 = 200 W. وبما أن المحولة مثالية فالاستطاعة الخارجة نفسها، فـ I2 = P / U2 = 200 / 20 = 10 A. نلاحظ أن خفض التوتر أدى إلى رفع شدة التيار.
استعمالات
- شاحن الهاتف: يخفض توتر المنزل إلى توتر صغير ثم يُقوَّم.
- أعمدة التوزيع في الأحياء: تخفض التوتر العالي.
- أجهزة اللحام: تعطي تيارًا شديدًا بتوتر منخفض.
- محولات الراديو والتلفاز القديم: ترفع أو تخفض التوتر لتشغيل الدارات المختلفة.
احتياطات السلامة
لا تفتح الشاحنات ولا المحولات وهي موصولة بالتيار، ولا تلمس أسلاك الثانوي والابتدائي معًا، فقد يكون التوتر مرتفعًا جدًا. وتجنب وصل المحولة بمنبع تيار مستمر لأن الابتدائي يسخن بسرعة ويحترق لغياب التوتر المحرض.
أخطاء شائعة
- القول إن المحولة تعمل مع التيار المستمر.
- القول إن المحولة الرافعة للتوتر ترفع الطاقة، والصواب أنها لا تغير الاستطاعة في الحالة المثالية.
- الخلط بين الابتدائي والثانوي في قانون النسبة.
- نسيان أن الضياع الحقيقي يجعل الاستطاعة الخارجة أقل من الداخلة.
المحولة في الحياة اليومية
نجد المحولات في كل مكان: داخل شاحن الهاتف وشاحن الحاسوب وجهاز التلفاز، وعلى أعمدة التوزيع في الحي. وفي أغلب هذه الأجهزة تكون النواة الحديدية رقيقة الصفائح لتقليل التيارات الدوامية التي تسخّن النواة وتبدد الطاقة. وهذا يفسر لماذا تسخن الشواحن قليلًا عند الاستعمال، فجزء من الطاقة يتحول إلى حرارة.
رمز المحولة في المخططات
يرسم الملفان متقابلين بينهما خطان متوازيان يرمزان إلى النواة. وإذا كتبت على الملف الأول القيمة N1 وعلى الثاني N2 سهل عليك تطبيق القانون مباشرة من المخطط.
تمارين
- محولة نسبة تحويلها
m = 5وتوتر ابتدائيها10 V. ما توتر ثانويها؟ وهل هي رافعة أم خافضة؟ - ملف ابتدائي
500لفة وثانوي50لفة. إذا كان التوتر الثانوي11 Vفما توتر الابتدائي؟ - محولة مثالية:
U1 = 220 V،I1 = 0,5 A،U2 = 11 V. أوجدI2.
الحلول
U2 = 10 × 5 = 50 V، رافعة للتوتر.U1 = U2 × N1 / N2 = 11 × 500 / 50 = 110 V.- الاستطاعة الداخلة
220 × 0,5 = 110 W، فـI2 = 110 / 11 = 10 A.
وخلاصة الدرس أن نسبة التوترين هي نسبة اللفات، وأن نسبة التيارين معكوسة، وأن المحولة لا تعمل إلا بتيار متناوب.