المحولات

يتم أحد أهم تطبيقات الحث الكهرومغناطيسي في المحول، وهو أداة تقوم بتغيير (أو تحويل) جهد متردد إلى جهد آخر. ففي جهاز تلفزيون عادي ــ مثلاً ــ يغير المحول الجهد المتردد الداخل للجهاز ومقداره 120 V إلى جهد أعلى مقداره 15,000 V يلزم لتشغيل أنبوبة الصور بالجهاز. وكمثال آخر على استخدام المحول، فإن جرس الباب العادي يحتاج إلى جهد يبلغ نحو 9 V ولذا لابد من محلول للحصول على هذا الجهد المنخفض من جهد خط القدرة بالمنزل وهو 120 V. ولا يمكن استعمال المحولات لتحويل الجهود الخاصة بالتيار المستمر، نظراً لأهمية حدوث فيض دائم التغير حتى تعمل.

تستخدم المحولات (التي تظهر في مقدمة الصورة) في محطة القوى الكهربية الفرعية لتحويل الجهد المتردد العالي الذي تنقله عبر البلاد خطوط نثل القدرة الكهربية إلى جهوده منخفضة تستخدم خطوط التوزيع المحلية.

ويوضح الشكل 1)) محولا نموذجياً. ويتكون المحول من قلب حديدي يلتف حول ملفان، أولهما هو الابتدائي ( ويحتوي على N_p لفة) وثانيهما الثانوي ( وبه N_s لفة). ويتصل الملف الابتدائي عادة بمصدر التيار المتردد . . فيتكون بهذا فيض مغناطيسي متغير في القلب الحديدي. وبما أن خطوط الفيض تميل إلى اتباع الحديد فإن الخطوط تأخذ في الدوران مخترقة الملف الثانوي كما في الشكل. ولهذا يكون الفيض Φ خلال كل من الملفين الابتدائي والثانوي هو نفسه.

يؤدي الفيض المتغير خلال الملف الثانوي إلى ظهور ق. د. ك مستحثة فيه:

ومقاومة  الملفات في معظم المحولات مهملة ولهذا فإن ما يحدد قيمة التيار في الملف الابتدائي هو ق. د. ك العكسية في الملف الابتدائي والتي استحثها بنفسه. وبعبارة أخرى فإن ق. د. ك المستحثة في الابتدائي ستكون مساوية لفولطية مصدر القدرة ونستطيع ومن ثم أن نكتب.

حيث Φ هو نفس الفيض الذي يتخلل الملف الثانوي.

والنسبة بين هاتين القوتين الدافعتين هي

(1)             

الشكل ((1: محول ذو قلب حديدي.

وهذه هي معادلة المحول، وهي تعبر ن العلاقة بين ق. د. ك الثانوية و ق. د. ك الابتدائية. والنسبة بين الاثنتين كالنسبة بين عدد لفات الملفين. ويطلق على المحول الذي يرفع ق. د. ك الداخلة (N_s > N_p) اسم المحول الرافع، وعلى المحول الذي يخفضها (N_s > N_p) اسم المحول الخافض. لاحظ أنه يجب أن تتذكر بعناية أن المحولات تعمل بجهود التيار المتردد وليس التيار المستمر.

عندما لا تكون الدائرة الثانوية مقفلة فإن التيار المار بها يكون صفراً أي أنه لا يحدث فقد في القدرة في الملف الثانوي عندما لا يستخدم. وبالإضافة إلى ذلك فسنثبت في الفصل التالي أنه لا يوجد فقد أيضاً في الملف محاثة إذا كانت مقاومته صفراً. وتتيح هذه الحقيقة لشركات توزيع القوى الكهربائية أن تحتفظ بالمحولات موصلة خلال المدينة كلها حتى ولو لم يكن هناك من يستخدم الكهرباء التي توفرها تلك الشركات. والمحولات أنفسها تستهلك النذر اليسير من الطاقة.

إلا إنه إذا سحب تيار من الملف الثانوي لتشغيل مدفأة كهربائية مثلاً فإن قدراً من الطاقة سوف يستهلك بالمدفأة. وهذه الطاقة لابد من تعويضها وتغذية الملف الابتدائي للمحول بها حتى يتمكن من توصيلها إلى الثانوي. وتحت هذه الظروف فإن فقد القدرة في الثانوي يجعل الابتدائي يعمل كما لو كانت لديه مقاومة.

          ويتعلق أحد أهم استخدامات المحولات ينقل القدرة، فكثير من شركات الكهرباء تقوم بتوصيل الكهرباء إلى مدن قد تقع على بعد 100 km من المولدات وهذا يمثل مشكلة حقيقة. افترض أن كل شخص في المدينة التي قوامها 100,000 نسمة يستهلك 150W من القدرة الكهربائية وهو ما يمثل بصيلة إضاءة او اثنتين مشتعلتين لكل شخص. وتكون القدر المستهلكة هي (150)(100,000) W وحين يكون الجهد هو 120 V (وهو الجهد المعتاد في المنازل في الولايات المتحدة) فإن القدرة الكلية تصبح:

وحيث أن الأسلاك الكهربائية العادية في المنازل تستطيع ان تتحمل تياراً يبلغ نحو 20 A بشكل آمن ودون حدوث تسخين زائد.، فإن شركة الكهرباء ستحتاج إلى ما يكافئ نحو 6500 من تلك الأسلاك لكي تحمل قدرة بهذا المستوى إلى المدينة. وعلى الرغم من إن هذا ليس مستحيلاً. إلا أن تكلفة النحاس بمفرده ستكون باهظة للغاية. وتلتف شركات القدرة الكهربائية حول هذه المشكلة بطريقة لطيفة للغاية وذلك عند ملاحظة أن الكمية المهمة في تحديد القدرة هي VI وليست I بمفردها. ففي المثال السابق، لو أن V = 100,000 V فإن:

وكما ترى فإن تيار المطلوب سيكون أقل بكثير في هذه الحالة. كما أن النقل مرتفع الجهد، قليل التيار له نتيجة هامة للغاية وهي أن الفاقد نتيجة التسخين في كابلات (أسلاك) النقل سينخفض بشكل بالغ. ولعلك تذكر ان هذا الفقد في القدرة يعتمد على مربع التيار (I²R) بحيث أن خفض التيار ألف مرة (1000) يقلص القدرة المفقودة مليون مرة تقريباً !! ولهذا تلجأ شركات القدرة الكهربائية إلى خطوط الجهد العالي (أو ما يشاء إليه أحياناً بخطوط الضغط العالي) عند نقل القدرة لمسافات بعيدة وقد يصل جهد النقل أحياناً إلى ما يزيد على 500,000 V.

ومن الطبيعي ألا تقدم الشركات على نقل هذا الجهد بأسلاك إلى المنازل مباشرة لأن خطر الصعق والحرائق سيكون مدمراً. وبدلاً من ذلك فإن الشركات تلجأ إلى محولات خافضة في المحطات الفرعية للتوزيع ومرة أخرى في بعض المواقع المحلية لتحويل هذا الجهود إلى نحو 120 V.