الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
69من محطّة التوليد إلى البيت: المولّد المتناوب
سنة كاملة من الكيلوواط ساعة جرت عبر تدقيقاتك — لكن من أين؟ اتبع الكبل خارجًا من البيت، وتحت الشارع، وعبر الأبراج، ينتهِ بك عند آلة تدور في قاعة عظيمة: المولّد المتناوب. وسرّه أجمل مفاجأة في كهرباء هذا الكتاب: اكتشاف السنة الماضية أن التيار يصنع مغناطيسية، معكوسًا.
69.1 التحريض: الأثر معكوسًا
قضية 69.1 (التحريض الكهرمغناطيسي)
حرّك مغناطيسًا قرب دارة مغلقة — أو حرّك الدارة قرب المغناطيس — فما دامت الحركة يظهر توتر ويسوق تيارًا: كهرباء محرَّضة بمغناطيسية متغيّرة. والقواعد، من المنضدة:
- لا يحرّض إلا التغيّر: فالمغناطيس الساكن بجانب الوشيعة لا يعطي شيئًا — مهما قوي المغناطيس؛
- وحركة أسرع، ومغناطيس أقوى، ولفّات أكثر في الوشيعة: توتر محرَّض أكبر؛
- واعكس الحركة ينعكس التيار المحرَّض — فالإقبال والإدبار يسوقان مسيرين متعاكسين.
في السنة الماضية صنع تيارٌ مغناطيسية؛ وفي هذه السنة تصنع مغناطيسيةٌ متحرّكة تيارًا. والأثران وجها عملة واحدة — والوجه الثاني يشغّل الحضارة.
طريقة 69.2 (التحريض على المنضدة)
وشيعة كثيرة اللفّات، ومغناطيس قضيبي، ومقياس حسّاس صفره في الوسط:
- صِل المقياس على طرفَي الوشيعة؛ وأمسك المغناطيس ساكنًا داخلها: تنام الإبرة عند الصفر — فالقوة وحدها لا تحرّض شيئًا؛
- ادفع المغناطيس إلى الداخل: ترفس الإبرة في جهة — وتعود إلى الصفر لحظة تتوقّف الحركة؛
- واسحبه: رفسة مساوية، في الجهة الأخرى؛
- وادفعه أسرع: رفسة أكبر. وهزّ المغناطيس دخولًا وخروجًا بإيقاع، تتأرجح الإبرة يسارًا ويمينًا ويسارًا — فأنت تدير تيارًا متناوبًا بيدك.
69.2 المولّد المتناوب
تعريف 69.3 (المولّد المتناوب)
المولّد المتناوب تحريض لا يكلّ: مغناطيس يُدار بثبات بجانب وشيعة ثابتة (أو وشيعة تُدار في حقل مغناطيسي). فكل نصف دورة تجلب قطبًا نحو الوشيعة ثم تحمله بعيدًا — تغيّر يتجدّد بلا انتهاء — فيتأرجح التوتر المحرَّض موجبًا فسالبًا فموجبًا: متناوبًا، بحكم البناء، راسمًا تمامًا الجيبية الناعمة في فصل راسم الذبذبات. وأدِره خمسين دورة في الثانية يتناوب الخرج عند : فتردّد الشبكة هو سرعة دوران، تحفظها كل محطّة على الشبكة على خطوة واحدة.
مثال 69.4 (الدينامو على عجلتك)
دينامو الدرّاجة مولّد متناوب في الجيب: فالعجلة تدير مغناطيسًا صغيرًا داخل وشيعة ثابتة، فيضيء المصباح — أسطع وبتردّد أعلى كلما دُست أقوى، تمامًا كما تعد قواعد المنضدة (ويخفق عند الزحف، كما لاحظ فصل التيار المتناوب). وثمنه أمين أيضًا: فالدينامو يجرّ — وإضاءة المصباح تكلّف ساقيك جهدًا حقيقيًّا. فالتحريض لا يعطي طاقة؛ بل يحوّل الحركة إلى كهرباء، جولًا بجول، ناقص ضريبة الاحتكاك.
69.3 كل محطّة توليد آلة واحدة
قضية 69.5 (اللبّ المشترك)
كهرباء العالم كلها تقريبًا، مهما كان إعلانها، تُصنع بالطريقة نفسها: شيء يدير عنفة — طاحونة هواء متينة من الريش — والعنفة تدير مولّدًا متناوبًا. ولا تختلف محطّات التوليد إلا في ما الذي يدفع الريش:
- المحطّات الحرارية تغلي الماء بحرق الفحم أو الغاز — فنفّاثات البخار تدير العنفة؛
- والمحطّات النووية تغلي الماء بحرارة شطر الذرّات بدل ذلك — فبخار ثانية؛
- والسدود الكهرمائية تدع بحيرة جبلية تسقط عبر الريش — سلسلة السدّ في الطفولة، مكتملةً؛
- وعنفات الرياح تتخطّى الوسيط: فالريح هي دفعة الريش، ومولّد متناوب في كل حجرة.
واستثناء واحد يؤكّد القاعدة: فالألواح الشمسية تصنع الكهرباء بلا دوران البتّة — بأثر ضوئي من نصيب سنوات الجامعة.
مثال 69.6 (سلاسل، مدقَّقة)
اكتب كل محطّة سلسلةَ طاقة كما في الطفولة، بمفردات احترافية الآن. السدّ: ارتفاع مخزون حركة ماء ساقط دوران كهرباء — والشمس، تذكّر، هي التي رفعت تلك البحيرة بالتبخّر: فالقدرة الكهرمائية ضوء شمس مؤجَّل مطرًا. ومحطّة الفحم: مخزون كيميائي حرارة حركة بخار دوران كهرباء — مع تسرّب الدفء عند كل سهم، كما تعترف أعمدة دخان أبراج التبريد. والريح: هواء متحرّك (حرّكته الشمس) إلى دوران مباشرة. وتُسمّى المنابع التي تعيد الطبيعة ملأها — الماء والريح وضوء الشمس — متجدّدة؛ أما المخزونات المحروقة والمشطورة فتُنفق إلى الأبد بمقاييس الزمن البشري.
ملاحظة 69.7 (لماذا تطنّ الأبراج عند 400000 فولت)
يحلّ أجل آخر وعود فصل التيار المتناوب. تحتاج بلدة، ولنقل، إلى مئة مليون واط. وبمقتضى ، تستطيع تلك القدرة أن تسافر تيارًا هائلًا بتوتر متواضع — أو تيارًا متواضعًا بتوتر هائل. لكن الأسلاك تسخن بفعل التيار (الأثر الحراري القديم)، وكل درجة من تدفئة الأبراج طاقة مدفوعة الثمن ضائعة على الغربان. فالشبكة تنقل عند توترات تحبس الأنفاس — مئات الآلاف من الفولتات، وتيارات ضئيلة، وضياع أدنى — ثم تخفض التوتر، حيًّا حيًّا، إلى المروَّضة في جدارك. وآلة الخفض، المحوّل، وشيعتان وتحريض مرة أخرى — ولا تعمل إلا على تيار يتناوب: فالشبكة كلها تنطق بالتيار المتناوب لأن المحوّل كذلك.
69.4 تمارين
تمرين 69.1 ★
اذكر قواعد التحريض الثلاث على المنضدة. وماذا يحرّض مغناطيس قويّ ساكن؟
حل
حل التمرين 69.1.
لا يحرّض إلا التغيّر؛ والحركة الأسرع والمغناطيس الأقوى واللفّات الأكثر تعطي توترًا أكبر؛ والحركة المعكوسة تعكس التيار. والمغناطيس الساكن، مهما قوي، لا يحرّض شيئًا البتّة.
تمرين 69.2 ★
لماذا يكون خرج المولّد المتناوب متناوبًا؟ اربط تغيّرات الإشارة بالدوران.
حل
حل التمرين 69.2.
كل نصف دورة من الدوّار تجلب قطبًا نحو الوشيعة (فتحرّض في جهة)، ثم تحمله بعيدًا (فتحرّض في الجهة الأخرى): فوجب أن يتأرجح التوتر في إشارته مع كل نصف دورة — فالتناوب مبنيّ في الدوران.
تمرين 69.3 ★
عند أيّ سرعة دوران يغذّي مولّد متناوب شبكة ؟ وعلامَ يجب أن تتّفق كل محطّة على الشبكة من ثمّ؟
حل
حل التمرين 69.3.
خمسون دورة في الثانية (للآلة البسيطة ذات القطبين). وعلى كل محطّة أن تحفظ إيقاع الدوران نفسه بالضبط — فالشبكة كلها تدور على خطوة واحدة، متقاسمةً تردّدًا واحدًا.
تمرين 69.4 ★
سمِّ الصندوقين الكونيّين في كل محطّة توليد، والصندوق الواحد الذي يتغيّر بين الفحم والذرّة والسدّ والريح.
حل
حل التمرين 69.4.
العنفة والمولّد المتناوب. ولا يتغيّر إلا دافع الريش: بخار اللهب، أو بخار الذرّة، أو البحيرة الساقطة، أو الريح.
تمرين 69.5 ★
اكتب السلسلة الكهرمائية من البحيرة الجبلية إلى مصباحك — وسمِّ الآلة السماوية التي ملأت البحيرة.
حل
حل التمرين 69.5.
ارتفاع البحيرة المخزون حركة الماء الساقط دوران العنفة كهرباء المولّد المتناوب المحوّل والشبكة المصباح. والشمس هي التي ملأت البحيرة: فالتبخّر رفع البحر، والمطر سلّمه إلى الجبال.
تمرين 69.6 ★
لماذا يصير الدوس أشقّ لحظة يُشغَّل مصباح الدينامو؟ وأيّ مبدأ يمنع أن يكون الأمر غير ذلك؟
تمرين 69.7 ★
افرز إلى متجدّد وغير متجدّد: الريح؛ والفحم؛ وبحيرة السدّ؛ واليورانيوم؛ وضوء الشمس. وما الذي يحدّد الفرز؟
تمرين 69.8 ★
لماذا تشحن الشبكة قدرتها عند مئات الآلاف من الفولتات؟ سمِّ الصيغة التي تعرض الخيار والأثر الذي يحسمه.
حل
حل التمرين 69.8.
تتيح لقدرة واحدة أن تسافر بتوتر عالٍ وتيار صغير؛ والأثر الحراري يجعل ضياع الأسلاك ينمو مع التيار. فتيار صغير، وأسلاك باردة، وطاقة موفَّرة — فتشحن الشبكة عاليًا وتخفض عند العتبة.
تمرين 69.9 ★★
مولّد متناوب للعرض يُدار باليد ببطء فيضيء مصباحه خافتًا بخفقان مرئي؛ وبالإدارة السريعة يضيء ساطعًا ثابتًا. فسّر التغيّرين بقواعد المنضدة وبفصل التردّد.
تمرين 69.10 ★★
محطّة تسلّم . قارن التيارين اللازمين عند وعند (بالكتابة العلمية). وأيّهما تستطيع الكبلات الحقيقية أن تحمله؟
حل
حل التمرين 69.10.
عند : — أي أربعمئة ألف أمبير: ولا كبل على الأرض يحملها. وعند : — كبل نقل عادي. وقضية المحوّل، مغلقة.
تمرين 69.11 ★★
المحطّات الحرارية والنووية، في جوهرها، غلّايات معقّدة. دافع عن هذا الشعار بسلسلتيهما — وحدّد الحلقة الوحيدة التي تختلفان فيها.
تمرين 69.12 ★★★
الجولة الكبرى، معكوسةً: مصباحك الليلة يتوهّج عند . تتبّع طاقته صعودًا عبر كل صندوق — المحوّل، والأبراج، والمولّد المتناوب، والعنفة، ومخزون أوّلي تختاره — مسمّيًا شكل الطاقة عند كل مرحلة والتسرّبات على الطريق. ثم أجب عن سؤال الطفولة بجملة من الصف التاسع: من أين يجيء الضوء في غرفتك في نهاية المطاف؟
حل
حل التمرين 69.12.
صعودًا: في الجدار جاءت عبر محوّل الحيّ (فخُفض التوتر)، على أبراج عند مئات الكيلوفولتات (وشكل النقل: تيار متناوب عالي التوتر، يتسرّب منه دفء قليل)، من مولّد متناوب (دوران إلى كهرباء، بالتحريض)، تديره عنفة (حركة بخار أو ماء)، يغذّيها مخزون — ولنقل بحيرة السدّ المرفوعة، وقد رفعها تبخّر الشمس. ومن ثمّ جملة الصف التاسع: الضوء في غرفتك ضوء شمس — مخزونًا، وساقطًا، ومُدارًا، ومشحونًا.
69.5 مسألة: نوبة ليل في المحطّة
مسألة 69.1
مسألة نهاية الأسبوع — نوبة ليل في المحطّة الكهرمائية؛ تحريض وخطوة واحدة وعاصفة؛ سجلّ المهندسة
ترافق مهندسة الليل عند سدّ الوادي — بحيرة في الأعلى، وبلدة في الأسفل، ومولّدات متناوبة تطنّ بينهما.
القسم الأول — قاعة الآلات.
- تفتح المهندسة بوّابة: فيرعد الماء عبر العنفة الثالثة، وتستيقظ مقاييس مولّدها المتناوب. اكتب سلسلة الطاقة من البحيرة إلى القضيب العمومي.
- وداخل المولّد المتناوب، ما الذي يتحرّك وما الذي يقف ساكنًا — ولماذا يجب أن يتحرّك شيء أصلًا؟
- والشبكة تعمل عند . وتراقب المهندسة قرصًا يبقي العنفة الثالثة عند الدوران المطابق تمامًا. فماذا يفسد عند السرعة الخطأ؟ (ماذا كان سيفعل تردّد توترها؟)
- ويسأل متدرّب إن كان مغناطيس أقوى في الدوّار سيعطي قدرة إضافية “مجّانية”. صحّح الحلم بثمن الدينامو الأمين.
القسم الثاني — طلب البلدة.
- عند الثالثة فجرًا تسحب البلدة . فعند على خطّ النقل، أيّ تيار يغادر المحطّة؟
- والقدرة نفسها عند كانت ستحتاج إلى أيّ تيار — وماذا تقول المقارنة عن عمل المحوّل؟
- وعند السابعة تستيقظ الغلّايات والمسخّنات: فيتضاعف الطلب. فما الذي يجب أن تطعمه المهندسة العنفات أكثر، وماذا كان سيحدث لتردّد الشبكة لو أطعمتها أقلّ مما ينبغي؟ (فالآلات تبطئ تحت الحمل، كدرّاج على تلّة.)
- وتخرج المحطّة الشقيقة — مزرعة رياح على الحافة — من الخدمة إذ تموت الريح. فأيّ صندوق من سلسلتها خذل، وأيّ الصناديق وقفت سليمة تمامًا؟
القسم الثالث — العاصفة.
- يقطع البرق خطّ نقل؛ فتنطلق القواطع. وتعيد المهندسة توجيه القدرة على الخطوط المجاورة. فأيّ خاصّية من خواصّ الشبكة — وهي شبكة تفرّع واحدة عظيمة — تجعل إعادة التوجيه ممكنة؟
- وأثناء الهرج تخفت أضواء مستودع خفوتًا بنّيًّا دقيقة واحدة. فسّر: ما الذي هبط، وبمَ كانت محرّكات المستودع ومصابيحه ناقصة التغذية لحظتها؟
- والفجر: على السجلّ أن يشرح للمتدرّبين لماذا كانت كهرباء الليل كلها، في أصلها، ضوء شمس. صُغ الشرح في سطرين (البحيرة، والتبخّر، والمطر).
- وسطر السجلّ الأخير، كما جرت العادة: فيزياء الليلة في جملة واحدة — الحركة والمغناطيسية وغلّاية البلدة الصباحية فيها.
حل
حل المسألة 69.1.
1. ارتفاع البحيرة حركة الماء المندفع دوران العنفة توتر متناوب محرَّض في المولّد قضيب المحطّة العمومي. 2. مغناطيس الدوّار يدور؛ والوشائع تقف ثابتة. وبلا حركة لا تغيّر للمغناطيسية عبر الوشائع — وبلا تغيّر لا يعطي التحريض شيئًا البتّة. 3. تردّد التوتر ينسخ الدوران: فسرعة خطأ، وتردّد خطأ — وآلة خارجة عن خطوة في الشبكة تقاتل كل مولّد متناوب آخر عليها بدل أن تعينه. 4. مغناطيس دوّار أقوى يحرّض أكثر فعلًا — وتكدّ العنفة فورًا أشدّ لتبقيه دائرًا في مواجهة جرّ مغناطيسي أقسى: فكهرباء أكثر خارجةً تقتضي ماءً أكثر عابرًا، جولًا بجول. فالبحيرة، لا المغناطيس، هي التي تدفع. 5. . 6. — أي سبعة وثمانون ألف أمبير: كبل مستحيل. وعمل المحوّل هو هذه المبادلة بعينها — التوتر صعودًا، والتيار هبوطًا، والقدرة كما هي. 7. ماءً أكثر عبر البوّابات. وإن نقصت التغذية، أبطأت الآلات المحمَّلة كدرّاج على تلّة — وهبط تردّد الشبكة دون الخمسين: فتحسّ ساعات الشبكة وآلاتها كلها بشبكة جائعة. 8. الصندوق الأول لا غير — الريح، دفعة الريش. أما العنفة والمولّد المتناوب والمحوّل فوقفت سليمة تمامًا، في سكون. 9. الشبكة تفرّع واحد عظيم: فطرق كثيرة تصل كل محطّة بكل بلدة، فتستطيع حصة الخطّ المقطوع أن تجري على الفروع الناجية — استقلال التفرع، على مقياس وطني. 10. الخطوط المعاد توجيهها والمثقلة تركت التوتر المسلَّم يهبط دون الاسمي دقيقة واحدة: فخفتت مصابيح المستودع ودارت محرّكاته كسولة — ناقصة التغذية، كما يجب لأيّ جهاز دون توتره الاسمي. 11. “كل واط الليلة جاء من ماء بحيرة ساقط؛ فالشمس بخّرت البحر، والمطر حمله إلى جبالنا. ونحن ندير ضوء الشمس هنا — مخزونًا في بحيرة، عن طريق السماء.” 12. مثلًا: “حركة أمام مغانط صنعت كل فولت في الليلة — وعند السابعة طلبت عشرة آلاف غلّاية من البحيرة أن تسقط أسرع قليلًا.”