جریان متناوب

جریان متناوب – فیزیک یازدهم (۲)

زمان مطالعه: ۷ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده به بحث جریان متناوب در کتاب فیزیک فیزیک یازدهم (۲) بپردازیم. جریان متناوب (AC) که البته بهتر است بگوییم جریان الکتریکی متناوب‌، موضوعی مشترک برای هر دو رشته ریاضی و تجربی است.

تاریخچه‌ای کوتاه

در عموم مصارف صنعتی، تجاری و خانگی از جریان متناوب استفاده می‌شود. ویلیام استنلی جی آر (William Stanley. Jr) یکی از اولین سیم‌پیچ‌های عملی (ترانسفورماتور فشار قوی) را در حدود سال ۱۸۸۵ میلادی برای تولید جریان متناوب طراحی کرد. طراحی وی یک فرم ابتدایی از ترانسفورماتور نوین بود که به نام سیم پیچ القایی موسوم شد. به طور کل استفاده از جریان‌های الکتریکی متناوب باز می‌گردد به حدود سال‌های ۱۸۸۱میلادی تا ۱۸۸۹میلادی، که سیستم‌های مختلفی توسط دانشمندان و مهندسین بزرگی به نام نیکلا تسلا، جرج وستینگهاوس و … طراحی شد.

سیستمی که توماس ادیسون برای اولین بار برای توزیع الکتریسیته بکار برد، به دلیل استفاده از جریان مستقیم (DC) محدودیت‌هایی داشت. اولین انتقال جریان متناوب در فواصل زیاد در سال ۱۸۹۱ میلادی در نزدیکی شهر تلوراید، کلرادو (Telluride) در ایالات متحده آمریکا اتفاق افتاد که چند ماه بعد در آلمان نیز تست شد.

توماس ادیسون به علت اینکه حقوق انحصاری اختراعات متعددی را در فناوری جریان مستقیم (DC) در اختیار داشت، بر استفاده از جریان مستقیم به شدت تاکید داشت و از آن حمایت می‌کرد، اما درنهایت جریان متناوب (AC) که می‌توان گفت فیزیک آن توسط نیکولا تسلا عنوان شد به واسطه تلاش‌های جورج وستینگهاوس به عرصه استفاده عمومی درآمد.

جریان متناوب

دو مدار شکل زیر را در نظر بگیرید. شکل (الف) مدار ساده جریان مستقیم (DC) و شکل (ب) مدار ساده جریان متناوب (AC) را نشان می‌دهند.

جریان متناوب

شکل (۱)

همان‌طور که مشاهده می‌فرمایید، جهت جریان الکتریکی در مدار DC مشخص و معین است. یعنی به طور قراردادی جریان الکتریکی از ترمینال (قطب) مثبت منبع DC نظیر باتری خارج و طی حرکت در مدار به ترمینال منفی وارد می‌شود.

اما در مدار AC یا همان جریان متناوب‌، از آنجایی که جهت جریان الکتریکی با گذر زمان تغییر می‌کند، نمی‌توانیم جهت معینی را برای جریان الکتریکی در نظر بگیریم. لازم به ذکر است که عموم یا حتی می‌توان گفت تمامی نیروگاه‌های تولید برق در جهان از جمله ایران عزیزمان، جریان متناوب تولید می‌کنند که تابعی سینوسی از زمان است. به همین جهت، این جریان، به جریان متناوب سینوسی نیز موسوم است.

جریان سینوسی

شکل (۲) : جریان سینوسی، متداول‌ترین نوع جریان متناوب است.

تولید جریان متناوب

یکی از مهم‌ترین کاربردهای اثر القای الکترومغناطیسی، تولید جریان متناوب است. در مقاله (القای الکترومغناطیسی) دیدیم که اگر شار عبوری از یک پیچه تغییر کند، نیروی محرکه القایی در مدار (متصل به پیچه) تولید می‌شود.

اگر به خاطر داشته باشید، مقدار شاری که از یک پیچه‌ی قرار گرفته در میدان مغناطیسی یکنواخت می‌گذرد، به صورت زیر محاسبه می‌شود.

\(\Phi = B A \cos \theta\)

در رابطه فوق، B اندازه میدان مغناطیسی یکنواخت، A مساحت پیچه و زاویه \(\theta\)، زاویه بین نیم خط عمود بر سطح پیچه و خطوط میدان مغناطیسی است.

شار مغناطیسی

شکل (۳) : زاویه بین نیم خط عمود بر سطح پیچه و خطوط میدان مغناطیسی یکنواخت

به نظر شما با توجه به رابطه شار، راحت‌ترین کار برای اینکه مقدار شار عبوری از یک پیچه را تغییر دهیم چیست؟! از آنجایی که در یک سیستم، مساحت پیچه عموماً ثابت است و میدان مغناطیسی نیز ثابت (یکنواخت) است، راحت‌ترین کار برای ایجاد تغییر در شار عبوری از پیچه، تغییر زاویه \(\theta\) است.

به همین جهت، رایج‌ترین روش برای تغییر شار و در نتیجه تولید جریان الکتریکی القایی در عموم سیستم‌های الکترومغناطیسی، تغییر زاویه \(\theta\) است. در شکل زیر، یک پیچه که در میدان مغناطیسی یکنواخت قرار گرفته، می‌تواند به دور محور خود (در شکل محور x) بچرخد که در نتیجه شار مغناطیسی عبوری از آن تغییر می‌کند. این شکل، اجزای اساسی یک مولد یا ژنراتور جریان متناب را نشان می‌دهد.

مولد جریان متناوب

شکل (۴) : حرکت مکانیکی از طریق میله گردان، سبب چرخیدن پیچه در میدان مغناطیسی شده و در نتیجه جریان متناوب به وجود می‌آید.

همان‌طور که می‌دانید، هر دور چرخش کامل پیچه، معادل ۳۶۰ درجه یا \(۲ \pi\) رادیان است. حال اگر پیچه به طور یکنواخت، یعنی با سرعتی ثابت بچرخد و هر دور چرخش به اندازه T ثانیه طول بکشد، پیچه در مدت زمان t ثانیه به اندازه \(\frac{t}{T}\) دور خواهد چرخید. مثلاً اگر هر دور چرخش کامل ۱۰ ثانیه طول بکشد، در مدت زمان ۱ دقیقه (۶۰ ثانیه)، پیچه ۶ دور می‌چرخد.

حال فرض کنید که سطح پیچه در لحظه t=0 عمود بر جهت میدان مغناطیسی باشد. یعنی در زمان t=0 زاویه \(\theta\) برابر با صفر باشد. حال اگر t ثانیه زمان بگذرد، زاویه \(\theta\) برابر با \((\frac{t}{T})(2 \pi)\) رادیان می‌شود.

لازم به ذکر است که در اینجا یک دور چرخش کامل پیچه که T ثانیه طول می‌کشد، همان دوره یا زمان تناوب است که در مقاله (حرکت هماهنگ ساده) با مفهوم آن و همچنین مفهوم فرکانس آشنا شدیم.

با توجه به گفته‌های فوق، شاری که در لحظه t از پیچه عبور می‌کند به صورت زیر نتیجه می‌شود:

\(\Phi = B A \cos \frac{t}{T}2 \pi\)

حال با استفاده از قانون القای فاراده، می‌توان نشان داد که نیروی محرکه القایی در پیچه در زمان (لحظه) t به صورت زیر نتیجه می‌شود:

\(\varepsilon = \varepsilon_{m} \sin \frac{2 \pi}{T} t\)

در رابطه فوق، \(\varepsilon_{m}\) حداکثر مقدار نیرو محرکه القایی در پیچه است. از رابطه فوق مشخص است که نیروی محرکه القایی به صورت تناوبی (تابع سینوس) نسبت به زمان تغییر می‌کند.

اثبات رابطه فوق به صورت زیر است. فرم کلی قانون القای فاراده به صورت دیفرانسیلی (مشتق) است:

\varepsilon = – N \frac{\mathrm{d} \Phi}{\mathrm{d} t} = – N \frac{\mathrm{d} B A \cos \frac{2 \pi}{T} t}{\mathrm{d} t} =  N B A \frac{2 \pi}{T} \sin\frac{2 \pi}{T} t

\(N B A \frac{2 \pi}{T} = \varepsilon_{m}\)

حال اگر مقدار مقاومت پیچه (مدار) برابر با R باشد، جریان الکتریکی القایی در آن به صورت زیر است:

\(I = \frac{\varepsilon }{R}\)

\(I = I_{m} \sin \frac{2 \pi}{T}t\)

در رابطه فوق، \(I_{m}\) حداکثر مقدار جریان القا شده در پیچه است که مقدار آن با توجه به حداکثر مقدار نیروی محرکه القایی به صورت زیر است:

\(I_{m} = \frac{\varepsilon_{m} }{R}\)

از رابطه جریان الکتریکی القایی مشخص است که این جریان به صورت تناوبی (تابع سینوس) نسبت به زمان تغییر می‌کند. به همین جهت است که به آن جریان متناوب (جریان سینوسی متناوب) می‌گویند.

نمودار جریان سینوسی

شکل (۵) : نمودار جریان زمان متناوب

برای آنکه درک شهودی بهتری از چگونگی تولید جریان متناب با استفاده از شکل (۴) داشته باشید، به شکل زیر با دقت نگاه کنید. شکل (الف)، همان وضعیت \(\theta = 0\) است که در بالا گفتیم. با دنبال کردن تصویر زیر خواهیم دید که نقطه‌چین‌ در مانیتور موجود در شکل کامل شده که به فرم تابع سینوسی است.

جریان متناوب

شکل (۶) : نمایش یک سیکل کامل (یک دور چرخش) ژنراتور جریان متناوب

شکل الف) در t=0 سطح پیچه بر خطوط میدان مغناطیسی یکنواخت عمود بوده و جریانی (القایی) در مدار وجود ندارد (شار مغناطیسی عبوری از پیجه تغییری نکرده است).

شکل ب) پیچه یک چهارم دور می چرخد تا در وضعیت شکل (ب) قرار گیرد، در حین این چرخش، شار عبوری از پیچه تغییر کرده و جریان القایی از صفر به مقدار بیشینه مثبت می رسد (ربع اوّل چرخش).

شکل پ) پیچه به چرخیدن ادامه می دهد تا در وضعیت شکل (پ) قرار گیرد. درنتیجه جریان القایی از مقدار بیشینه مثبت به صفر می رسد (ربع دوم چرخش).

شکل ت) پیچه به چرخیدن ادامه می دهد تا در وضعیت شکل (ت) قرار گیرد. در حین این چرخش، جریان از صفر به مقدار بیشینه منفی می رسد (ربع سوم چرخش).

شکل ث) در نهایت پیچه یک ربع دور دیگر می چرخد و به این ترتیب یک چرخهٔ کامل را طی می کند و به وضعیت شکل (ث) می‌رسد. درنتیجه جریان از مقدار بیشینه منفی به صفر می رسد.

با تناوب این چرخش (روند فوق) جریان متناوب تولید می‌شود.

مولد صنعتی جریان متناوب

در شکل‌های صفحه قبل دیدیم که پیچه در میدان مغناطیسی می‌چرخید. این طرح در مقیاس صنعتی و نیروگاهی برای تولید جریان متناوب مناسب نیست. در مولد یا ژنراتورهای صنعتی، پیچه‌ها ساکن هستند، در عوض آهنربای الکتریکی قوی در آن‌ها می‌چرخد.

مولد جریان متناوب صنعتی

شکل (۷) : شماتیک و نمایی از مولدهای صنعتی تولید برق (جریان متناوب)

لازم به ذکر است که در نیروگاه‌های تولید برق ایران، آهنربای الکتریکی در هر ثانیه، ۵۰ دور درون پیچه می‌چرخد.

در مقاله (حرکت هماهنگ ساده) در تعریف فرکانس یا بسامد دیدیم که تکرار یک رخ داد در واحد ثانیه، فرکانس نام دارد. پس در اینجا نیز فرکانس یا بسامد چرخش آهنربا الکتریکی قوی درون پیچه ۵۰Hz است. یکای فرکانس در سیستم SI، عکس ثانیه یا همان هرتز است.

از آنجایی که فرکانس با عکس دوره تناوب رابطه دارد، معادله جریان متناوب را می‌توانیم به صورت زیر نیز بنویسیم:

\(f = \frac{1}{T}\: \rightarrow \: I = I_{m} \sin(2 \pi ft)\)

\(\omega = 2 \pi f \rightarrow \: I = I_{m} \sin(\omega t)\)

کاربرد دیود (یکسوسازی)

فعالیت ۴-۱ کتاب فیزیک ۳ رشته ریاضی

دیود، جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهد و در جهت دیگر مانع عبور جریان می‌شود. به همین جهت دیود به یکسوکننده جریان نیز موسوم است. در شکل زیر، شکل (ب) نمودار جریان زمان مربوط به مدار شکل (الف) است.

کاربرد دیود

حال اگر یک دیود در این مدار قرار دهیم، مثل شکل (پ)، نمودار جریان زمان مدار شکل (پ) به فرم زیر در می‌آید. اینکه دیود بخش منفی یا مثبت را حذف می‌کند، بسته به جهتی است که در مدار به کار گرفته می‌شود.

حذف بخش منفی

حذف بخش مثبت

امیدواریم که این مقاله مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در ادامه پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید:

خطوط میدان الکتریکی – فیزیک یازدهم (۲)

القای الکترومغناطیسی – فیزیک یازدهم (۲)

خازن با دی الکتریک – فیزیک یازدهم (۲)

پرتوزایی یا رادیواکتیویته – فیزیک دوازدهم (۳)

اشکان ابوالحسنی، مدیریت واحد وبلاگ بین جو، کارشناس ارشد فوتونیک (گرایش مخابرات نوری) و دانشجوی دکتری در رشته مهندسی برق مخابرات - گرایش میدان و موج است. در پی علاقه ایشان به مباحث آموزشی، به تولید محتوا در حوزه فیزیک پیش از دانشگاه در وبلاگ بین جو نیز می‌پردازد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *