التيار المستمر

الموسوعة الحرة
التيار المستمر (DC) (الخط الأحمر). يوضح المحور الرأسي التيار أو الجهد، بينما يقيس المحور الأفقي 't' الزمن ويشير إلى القيمة الصفرية.

التيار المستمر ( DC ) هو تدفق أحادي الاتجاه للشحنة الكهربائية . تُعد الخلية الكهروكيميائية مثالًا رئيسيًا على طاقة التيار المستمر. قد يتدفق التيار المستمر عبر موصل مثل سلك، ولكنه قد يتدفق أيضًا عبر أشباه الموصلات أو العوازل أو حتى عبر الفراغ كما في حزم الإلكترونات أو الأيونات . يتدفق التيار الكهربائي في اتجاه ثابت، مما يميزه عن التيار المتردد (AC). كان يُستخدم سابقًا مصطلح التيار الجلفاني لهذا النوع من التيار . [ 1 ]

تُستخدم الاختصارات AC و DC غالبًا للدلالة ببساطة على التيار المتردد والتيار المستمر ، كما هو الحال عند تعديل التيار أو الجهد . [ 2 ] [ 3 ]

يمكن تحويل التيار المستمر من مصدر تيار متردد باستخدام مقوم ، يحتوي عادةً على عناصر إلكترونية أو عناصر كهروميكانيكية (تاريخيًا) تسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط. ويمكن تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد باستخدام عاكس .

للتيار المستمر استخدامات عديدة، بدءًا من شحن البطاريات وصولًا إلى مصادر الطاقة الكبيرة للأنظمة الإلكترونية والمحركات وغيرها. وتُستخدم كميات هائلة من الطاقة الكهربائية المُولّدة عبر التيار المستمر في صهر الألومنيوم وغيره من العمليات الكهروكيميائية . كما يُستخدم في بعض خطوط السكك الحديدية ، لا سيما في المناطق الحضرية . ويُستخدم التيار المستمر عالي الجهد لنقل كميات كبيرة من الطاقة من مواقع التوليد البعيدة أو لربط شبكات الطاقة الكهربائية ذات التيار المتردد.

تاريخ

محطة توليد الطاقة المركزية التابعة لشركة براش إلكتريك، والتي كانت مزودة بمولدات كهربائية تولد تيارًا مباشرًا لتشغيل مصابيح القوس الكهربائي للإضاءة العامة في نيويورك. بدأت المحطة عملها في ديسمبر 1880 في 133 غرب شارع الخامس والعشرين، وسمحت لها الفولتية العالية التي كانت تعمل بها بتزويد دائرة كهربائية بطول ميلين (3.2 كم) بالطاقة . [ 4 ] 

تم إنتاج التيار المستمر عام 1800 بواسطة بطارية الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا ، أو ما يُعرف بـ" العمود الفولتائي" . [ 5 ] لم تكن طبيعة تدفق التيار مفهومة آنذاك. افترض الفيزيائي الفرنسي أندريه ماري أمبير أن التيار يسير في اتجاه واحد من الموجب إلى السالب. [ 6 ] عندما بنى صانع الأدوات الفرنسي هيبوليت بيكسي أول مولد كهربائي دينامو عام 1832، وجد أنه مع مرور المغناطيس المستخدم أمام حلقات السلك كل نصف دورة، ينعكس اتجاه تدفق الكهرباء، مما يُولد تيارًا متناوبًا . [ 7 ] بناءً على اقتراح أمبير، أضاف بيكسي لاحقًا مُبدِّلًا ، وهو نوع من "المفاتيح" حيث تعمل نقاط التلامس على العمود مع نقاط تلامس "الفرشاة" لإنتاج تيار مستمر.

شهدت أواخر سبعينيات وأوائل ثمانينيات القرن التاسع عشر بدء توليد الكهرباء في محطات الطاقة . أُنشئت هذه المحطات في البداية لتشغيل مصابيح القوس الكهربائي (وهي نوع شائع من إنارة الشوارع) التي تعمل بجهد عالٍ جدًا (عادةً ما يزيد عن 3000 فولت) من التيار المستمر أو المتردد. [ 8 ] تبع ذلك استخدام واسع النطاق للتيار المستمر منخفض الجهد للإضاءة الكهربائية الداخلية في الشركات والمنازل بعد أن أطلق المخترع توماس إديسون نظامه الكهربائي القائم على المصابيح المتوهجة عام 1882. نظرًا للمزايا الكبيرة للتيار المتردد على التيار المستمر في استخدام المحولات لرفع وخفض الجهد للسماح بنقل الطاقة لمسافات أطول بكثير، تم استبدال التيار المستمر بالتيار المتردد في توصيل الطاقة على مدى العقود القليلة التالية. في منتصف خمسينيات القرن العشرين، تم تطوير نقل التيار المستمر عالي الجهد ، وهو الآن خيار بديل لأنظمة التيار المتردد عالية الجهد لمسافات طويلة. بالنسبة للكابلات البحرية لمسافات طويلة (مثل الكابلات بين الدول، مثل كابلات نورند )، يُعد خيار التيار المستمر هذا الخيار الوحيد الممكن تقنيًا. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تيارًا مباشرًا، مثل أنظمة الطاقة ذات السكة الثالثة ، يتم توزيع التيار المتردد إلى محطة فرعية، والتي تستخدم مقومًا لتحويل الطاقة إلى تيار مباشر.

تعريفات متنوعة

أنواع التيار المستمر

يُستخدم مصطلح التيار المستمر (DC) للإشارة إلى أنظمة الطاقة التي تستخدم قطبية كهربائية واحدة فقط للجهد أو التيار، وللإشارة إلى القيمة المتوسطة المحلية الثابتة أو ذات التردد الصفري أو المتغيرة ببطء للجهد أو التيار. [ 9 ] على سبيل المثال، يكون الجهد عبر مصدر جهد مستمر ثابتًا، وكذلك التيار المار عبر مصدر تيار مستمر . حل التيار المستمر لدائرة كهربائية هو الحل الذي تكون فيه جميع الجهود والتيارات ثابتة. يمكن تحليل أي شكل موجي ثابت للجهد أو التيار إلى مجموع مُركِّب تيار مستمر ومُركِّب تيار متردد متغير مع الزمن ذي متوسط ​​صفري؛ ويُعرَّف مُركِّب التيار المستمر بأنه القيمة المتوقعة، أو متوسط ​​قيمة الجهد أو التيار على مدار الزمن.

على الرغم من أن DC تعني "التيار المستمر"، إلا أن DC غالباً ما تشير إلى "القطبية الثابتة". وفقاً لهذا التعريف، يمكن أن تتغير جهود التيار المستمر مع مرور الوقت، كما هو الحال في خرج المقوم الخام أو إشارة الصوت المتذبذبة على خط الهاتف.

بعض أشكال التيار المستمر (مثل التيار الناتج عن منظم الجهد ) لا تحتوي تقريبًا على اختلافات في الجهد ، ولكنها قد لا تزال تحتوي على اختلافات في طاقة الخرج والتيار.

الدوائر

دائرة التيار المستمر هي دائرة كهربائية تتكون من أي مزيج من مصادر جهد ثابت، ومصادر تيار ثابت ، ومقاومات . في هذه الحالة، تكون جهود وتيارات الدائرة مستقلة عن الزمن. لا يعتمد جهد أو تيار معين في الدائرة على قيمته السابقة. وهذا يعني أن نظام المعادلات الذي يمثل دائرة التيار المستمر لا يتضمن تكاملات أو مشتقات بالنسبة للزمن.

إذا أُضيف مكثف أو ملف حث إلى دائرة تيار مستمر، فإن الدائرة الناتجة لا تُعتبر، بالمعنى الدقيق، دائرة تيار مستمر. مع ذلك، فإن معظم هذه الدوائر لها حل تيار مستمر. يُعطي هذا الحل قيم الجهد والتيار للدائرة عندما تكون في حالة استقرار تيار مستمر . تُمثل هذه الدائرة بنظام من المعادلات التفاضلية . عادةً ما يحتوي حل هذه المعادلات على جزء متغير مع الزمن أو عابر، بالإضافة إلى جزء ثابت أو مستقر. هذا الجزء المستقر هو حل التيار المستمر. توجد بعض الدوائر التي لا يوجد لها حل تيار مستمر. مثالان بسيطان على ذلك هما مصدر تيار ثابت موصول بمكثف، ومصدر جهد ثابت موصول بملف حث.

في مجال الإلكترونيات، من الشائع الإشارة إلى الدائرة التي يتم تشغيلها بواسطة مصدر جهد تيار مستمر مثل البطارية أو خرج مصدر طاقة تيار مستمر على أنها دائرة تيار مستمر على الرغم من أن المقصود هو أن الدائرة تعمل بتيار مستمر.

في دائرة التيار المستمر، يحتوي مصدر الطاقة (مثل البطارية أو المكثف) على قطبين، موجب وسالب، وكذلك الحمل. ولإتمام الدائرة، يجب أن تتدفق الشحنات الموجبة من مصدر الطاقة إلى الحمل. ثم تعود هذه الشحنات إلى القطب السالب للحمل، والذي بدوره يتدفق عائدًا إلى القطب السالب للبطارية، مُكملاً بذلك الدائرة. إذا تم فصل أي من القطبين، الموجب أو السالب، فلن تكتمل الدائرة ولن تتدفق الشحنات.

في بعض تطبيقات دوائر التيار المستمر، لا تُؤخذ القطبية بعين الاعتبار، ما يعني أنه يمكنك توصيل القطبين الموجب والسالب بشكل عكسي وستظل الدائرة مكتملة وسيظل الحمل يعمل بشكل طبيعي. مع ذلك، في معظم تطبيقات التيار المستمر، تُعدّ القطبية مهمة، وسيؤدي توصيل الدائرة بشكل عكسي إلى عدم عمل الحمل بشكل صحيح.

التطبيقات

المباني السكنية والتجارية

يُستخدم هذا الرمز، الذي يُمكن تمثيله بالحرف U+ 2393 في نظام يونيكود (⎓، "رمز التيار المستمر - النموذج الثاني")، في العديد من الأجهزة الإلكترونية التي تتطلب أو تُنتج تيارًا مستمرًا. (النموذج الأول هو شرطة طويلة ) . [ 10 ]

يوجد التيار المستمر بشكل شائع في العديد من تطبيقات الجهد المنخفض للغاية وبعض تطبيقات الجهد المنخفض ، وخاصة عندما يتم تشغيلها بواسطة البطاريات أو أنظمة الطاقة الشمسية (حيث أن كلاهما لا يمكنهما إنتاج سوى التيار المستمر).

تتطلب معظم الدوائر أو الأجهزة الإلكترونية مصدر طاقة تيار مستمر .

تختلف أنواع المقابس والموصلات والمفاتيح والتجهيزات المستخدمة في تركيبات التيار المستمر المنزلية عادةً عن تلك المناسبة للتيار المتردد. ويعود ذلك في الغالب إلى انخفاض الفولتية المستخدمة، مما ينتج عنه تيارات أعلى لإنتاج نفس كمية الطاقة .

عادة ما يكون من المهم مراعاة القطبية عند استخدام جهاز يعمل بالتيار المستمر، إلا إذا كان الجهاز مزودًا بجسر ثنائي لتصحيح ذلك.

السيارات

تستخدم معظم تطبيقات السيارات التيار المستمر (DC). توفر بطارية السيارة الطاقة اللازمة لتشغيل المحرك، والإضاءة، ونظام الإشعال، وأنظمة التحكم في المناخ، ونظام المعلومات والترفيه، وغيرها. المولد الكهربائي هو جهاز تيار متردد يستخدم مقومًا لإنتاج تيار مستمر لشحن البطارية. تستخدم معظم سيارات الركاب على الطرق السريعة أنظمة 12 فولت . بينما تستخدم العديد من الشاحنات الثقيلة، والمعدات الزراعية، ومعدات الحفر المزودة بمحركات ديزل أنظمة 24 فولت. في بعض المركبات القديمة، كان يُستخدم 6 فولت، كما هو الحال في سيارة فولكس فاجن بيتل الكلاسيكية الأصلية . في وقت من الأوقات، تم التفكير في نظام كهربائي 42 فولت للسيارات، لكنه لم يُستخدم على نطاق واسع. لتوفير الوزن والأسلاك، غالبًا ما يتم توصيل الهيكل المعدني للمركبة بأحد قطبي البطارية ويُستخدم كموصل إرجاع في الدائرة الكهربائية. غالبًا ما يكون القطب السالب هو وصلة "الأرضي" للهيكل، ولكن قد يتم استخدام الأرضي الموجب في بعض المركبات ذات العجلات أو البحرية. في المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية ، يوجد عادةً نظامان منفصلان للتيار المستمر. يعمل نظام التيار المستمر "منخفض الجهد" عادةً عند 12 فولت، ويؤدي نفس الغرض كما هو الحال في مركبات محركات الاحتراق الداخلي. [ 11 ] يعمل نظام "الجهد العالي" بجهد يتراوح بين 300 و400 فولت (بحسب نوع المركبة)، ويوفر الطاقة لمحركات الجر . [ 12 ] يؤدي رفع الجهد لمحركات الجر إلى تقليل التيار المار بها، مما يزيد من كفاءتها.  

اتصالات

تستخدم معدات الاتصالات في مقاسم الهاتف مصدر طاقة تيار مستمر قياسي بجهد -48  فولت. ويتم تحقيق القطبية السالبة بتأريض الطرف الموجب لنظام إمداد الطاقة ومجموعة البطاريات . ويتم ذلك لمنع ترسبات التحليل الكهربائي . تحتوي تركيبات الهاتف على نظام بطاريات لضمان استمرار الطاقة لخطوط المشتركين أثناء انقطاع التيار الكهربائي.

يمكن تزويد الأجهزة الأخرى بالطاقة من نظام التيار المستمر للاتصالات باستخدام محول تيار مستمر إلى تيار مستمر لتوفير أي جهد مناسب.

تتصل العديد من الهواتف بزوج ملتوي من الأسلاك، وتستخدم موصلًا متحيزًا لفصل مكون التيار المتردد للجهد بين السلكين (إشارة الصوت) داخليًا عن مكون التيار المستمر للجهد بين السلكين (المستخدم لتشغيل الهاتف).

نقل الطاقة عالي الجهد

تستخدم أنظمة نقل الطاقة الكهربائية بالتيار المستمر عالي الجهد (HVDC) التيار المستمر لنقل كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية، على عكس أنظمة التيار المتردد الأكثر شيوعًا. في عمليات النقل لمسافات طويلة، قد تكون أنظمة HVDC أقل تكلفة وأقل عرضة للفقد الكهربائي.

آخر

كما أن التطبيقات التي تستخدم خلايا الوقود (التي تخلط الهيدروجين والأكسجين مع عامل مساعد لإنتاج الكهرباء والماء كمنتجات ثانوية) تنتج أيضًا تيارًا مستمرًا فقط.

عادةً ما تكون الأنظمة الكهربائية للطائرات الخفيفة بجهد 12  فولت أو 24  فولت تيار مستمر، على غرار السيارات.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ أندرو ج. روبنسون، لين سنايدر-ماكلر (2007). الفيزيولوجيا الكهربائية السريرية: العلاج الكهربائي والاختبارات الفيزيولوجية الكهربائية (  الطبعة الثالثة). ليبينكوت ويليامز وويلكنز . ص  10. ISBN 978-0-7817-4484-3.
  2. ↑ إن إن بهارجافا ودي سي كولشريشتا (1984). الإلكترونيات الأساسية والدوائر الخطية . دار تاتا ماكجرو هيل للتعليم . ص 90. ISBN  978-0-07-451965-3.
  3. ↑ الرابطة الوطنية للإضاءة الكهربائية (1915). دليل عدادات الكهرباء . مطبعة ترو. ص 81. 
  4. ↑ ميل جورمان. " تشارلز إف. براش وأول نظام إضاءة شوارع كهربائية عامة في أمريكا" . تاريخ أوهايو . 70. مطبعة جامعة ولاية كينت : 142.
  5. ↑ "أليساندرو جوزيبي أنطونيو أناستاسيو فولتا – grants.hhp.coe.uh.edu" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 28 أغسطس 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 مايو 2017 .
  6. ^ بريثوبت، جيم (2010). فيزياء . بالجريف ماكميلان. ص. 175. ردمك  978-0-230-23192-4.
  7. ↑ «آلة بيكسي من اختراع هيبوليت بيكسي، المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية» . مؤرشف من الأصل بتاريخ 7 سبتمبر 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 يونيو 2008 .
  8. ↑ "الشكل الأول للضوء الكهربائي: تاريخ مصباح القوس الكربوني (1800-1980)" .
  9. ↑ روجر س. آموس، وجيفري ويليام أرنولد دومر (1999). قاموس نيونس الإلكتروني ( الطبعة الرابعة). نيونس. ص 83. ISBN   0-7506-4331-5.
  10. ↑ هيو ماك جي روس (25 فبراير 1999). "ربط الرموز الكهروتقنية بين IEC 617/P1289 وISO 10646" (ملف PDF) . ISO/IEC JTC 1/SC 2/WG 2. N2032 . تاريخ الاسترجاع: 11 ديسمبر 2025. — 3/14 رمز التيار المستمر، الشكل الأول = 2014 EM DASH
  11. ↑ برادان، إس كيه؛ تشاكرابورتي، بي. (2022-07-01). "استراتيجيات إدارة البطاريات: مراجعة أساسية لتقنيات مراقبة حالة البطارية" . مجلة تخزين الطاقة . 51 104427. Bibcode : 2022JEnSt..5104427P . doi : 10.1016/j.est.2022.104427 . ISSN 2352-152X . 
  12. ↑ أركوس، كريستوفر (8 يوليو 2018). "فحص بطاريات تيسلا موديل 3 وشيفروليه بولت" . كلين تكنيكا . تم الاطلاع عليه في 6 يونيو 2022 .
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بالتيار المباشر على ويكيميديا ​​كومنز
  • AC/DC: ما الفرق؟ مؤرشف بتاريخ ٢٦ أغسطس ٢٠١٧ في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) - PBS Learning Media
  • لوازم التيار المستمر والتيار المتردد - إيتاكا