اختراعات

ماهو مبدأ عمل المحرّك الكهربائي و ما وجه الشبه مع المولّد؟

ماهو مبدأ عمل المحرّك الكهربائي و ما وجه الشبه مع المولّد؟




المحرك الكهربائي والمولد الكهربائي يتألفان من نفس المواد من حيث البنية أي أنهما نفس الآلة ولكن يختلفان في استغلال الآلة. كلتا الآلتين تعتمدان مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. الحث الكهرومغناطيسي هو وصف لسلوك الموصلات الكهربائية عندما يقطعها مجال مغناطيسي. غالبية التقنيات الكهرومغناطيسية اليوم تعتمد كثيراً على المجال المغناطيسي متغير الشدة ونصفها بأنها تقنيات ذات تيار متناوب بينما لا يزال هناك تقنيات تعتمد المجال المغناطيسي ثابت الشدة ونصفها بتقنيات التيار المستمر.
إذا كان لديك بوصلة مغناطيسية أومغناطيس عادي في المنزل وعلقته بخيط ثم ثم قربته من موصل يمر به تيار كهربائي مستمر (مثلاً وصلت السلك بين طرفي بطارية صغير 3 فولت) فإنك ستلاحظ أن كلا من الموصل والمغناطيس يحاولان تغيير موضعهما قبل أن يتلامسا وهذا هو ما يعرف بالحث أو التآثر الكهرومغناطيسي (بمعنى وجود علاقة متبادلة بين الكهرباء والمغناطيسية). يمكن تفسير ما يحدث بأن التيار الكهربائي ينشر حوله مجال مغناطيسي بطبيعة الحال ولا نرى ذلك ولكن عندما قربنا المغناطيس اكتشفنا الأمر بسبب تآثر مجال المغناطيس مع المجال المغناطيسي الموجود حول السلك بفعل مرور تيار به.
هذه الظاهرة يمكننا استغلالها بصورة أخرى في المغانط الكهربائية حيث نلف موصل كهربائي حول قطعة حديدية عدد لا بأس به من اللفات لزيادة شدة المجال المغناطيسي والذي تمتص غالبيته القطعة الحديدية لتعيد تركيزه في صورة مغناطيس كهربائي وقد تفوق شدته قدرة المغناطيس العادي بعشرات المرات.
الشكل التالي يوضح بنية المحرك الكهربائي ذي التيار المستمر.



كما ترى فهو يتألف من الأجزاء التالية على الأقل:
  • المغانط Magnets وقد تكون زوج من المغناطيسات أو أكثر. قد تكون مغانط دائمة (غير كهربائية) وقد تكون مغانط كهربائية من نفس الدائرة أو من دائرة أخرى. تثبت الأقطاب المغناطيسية على هيكل ثابت وتعرف حينها بالعضو الثابت Stator.
  • العضو الدوار Rotor أو الحثي Armature، وهو قلب حديدي حفرت به مجاري وبداخلها تلف موصلات كهربائية لصنع فكرة الأقطاب المغناطيسية الكهربائية حول القلب الحديدي.
  • الفرش الكربونية Carbon Brushes وهي غالبا زوج واحد، وتستعمل كوسيط لتمرير التيار بين مصدر التوليد مثل البطارية وبين الملفات المثبتة على العضو المتحرك.
  • الموحد أو المجمع Commutator، وهو عبارة عن مجموعة من القطع النحاسية الناعمة التي تنزلق عليها الفرش الكربونية لتوصيل الكهرباء إلى ملفات العضو الدوار.
نتوقع إذا أن تكون هذه الأجزاء هي نفسها تماماً في مولد التيار المستمر ولكن الفرق سيكون في فكرة عمل كل منهما.
في المحرك الكهربائي، نقوم بتزويده بالتيار الكهربائي لينشئ بدوره مجال مغناطيسي يتآثر مع الأقطاب الموجودة في العضو الثابت إما بالتجاذب معها أو التنافر عنها وفي كلا الحالتين ستتولد حركة باتجاه معين اعتماداً على الحيلة التي صممنا بها المغانط الكهربائية. سيكون من الغباء بالطبع أن نصمم الفرش الكربونية والحلقات المنزلقة بحيث تكون متقابلة مع الأقطاب الموجودة على العضو الثابت وذلك لأن التجاذب والتنافر سيكون متعامدا وتكون محصلة الدوران صفراً. الحيلة تكمن في أن يمر التيار الكهربائي عبر الفرش الكربونية إلى أحد الملفات في العضو الدائر في اللحظة التي يكون هذا الملف مائلاً عن أقطاب العضو الثابت وبالتالي يتولد عزم دوران لاصفري بمعنى أن هذا الملف المتمغنط كهربائياً يحاول الانجذاب أو التنافر مع أقطاب العضو الثابت من منطقة لا تقع على الخط الواصل بين مركز الدوران وبين الأقطاب.
هذا سيتسبب في دوران العضو الدوار قليلا بحيث يقترب الملف الممغنط كهربائياً من القطب الثابت وهنا سيصبحان على نفس الخط تقريباً وسينتهي مفعول الدوران (عزم صفري). لكن لحسن الحظ تكون الفرش الكربونية قد انزلقت إلى قطع نحاسية جديدة بسبب الدوران السابق وبالتالي فهي ستغذي ملفات جديدة مائلة لتكمل بدورها عملية الدوران بنفس المبدأ. انظر الشكل المقطعي في الصورة التالية والذي يوضح سريان التيار الكهربائي في الملف بأسهم بنفسجية اللون <<<  واتجاه المجال المغناطيسي في القلب الحديدي بأسهم رمادية اللون <<<.


المبدأ العكسي في المولد يحدث أننا نحرك المولد بمصدر حركة سواء يدوياً كما في مولدة الدراجة أو بمحرك ميكانيكي كما في مولدات محركات الديزل والتربينات البخارية والمائية ومحركات الرياح. إما أن تكون المغانط في العضو الدوار وملفات التوليد في العضو  الثابت أو العكس. عندما ندير العضو الدائر فإن حركة نسبية بين خطوط المجال المغناطيسي وبين الموصل وهذا بدوره يجبر الموصل على توليد قوة دافعة كهربائية مستحثة. كيف ذلك؟
نعلم أن الموصل الكهربائي يحتوي على إلكترونات حرة وهذه الإلكترونات سالبة الشحنة وتنشر حولها مجالاً مغناطيسيا بسبب حركتها الدائمة وهذا كله نعرفه من بنية الذرة. الآن هذه الشحنات السالبة تعرضت إما هي لحركة نسبية في الموصل أو المجال المغناطيسي الذي قطعهاكان قد تحرك أثناء تحريك العضو الدوار وهذا يسبب تآثرا بينهما يجبر هذه الشحنات على الانزياح باتجاه معين عن موقعها الحالي داخل الموصل. هذا الاتجاه تحدده لنا قاعدة فيلمنغ (طالع قاعدة فيلمنغ لليد اليمنى وقاعدة فلمنغ لليد اليسرى على ويكيبيديا). الشكل المقطعي يساعدك في تطبيق قاعدة فيلمنغ أيضا عبر ملاحظة أسهم اتجاه التيار في موصلات العضو الدوار (نشير إليه بأصبع السبابة حين يبتعد عنا بـ ⊗  وحين يقترب منا بـ ⊙)واتجاه المجال المغناطيسي واتجاه الحركة باللون الأخضر ↑↓.
قد تفيدك المقالات الآتية أيضاً بعض الشيء: