خط نقل أحادي السلك

خط النقل أحادي السلك ( أو طريقة السلك الواحد ) هو أسلوب لنقل الطاقة الكهربائية أو الإشارات باستخدام موصل كهربائي واحد فقط . وهذا يختلف عن الاستخدام المعتاد لزوج من الأسلاك لتكوين دائرة كهربائية كاملة، أو كابل كهربائي يحتوي على موصلين (على الأقل) لهذا الغرض.

يختلف خط النقل أحادي السلك عن نظام الإرجاع الأرضي أحادي السلك ، والذي لا يتناوله هذا المقال. يعتمد النظام الأخير على تيار عائد عبر الأرض ، مستخدمًا الأرض كموصل ثانٍ بين قطبي التأريض. أما في خط النقل أحادي السلك، فلا يوجد أي موصل ثانٍ.

في ثمانينيات القرن الثامن عشر، لاحظ لويجي غالفاني لأول مرة تأثير الكهرباء الساكنة في تحريك أرجل الضفدع، ولاحظ التأثير نفسه عند ملامسة الضفدع لدائرة كهربائية مغلقة. وقد فهم أليساندرو فولتا هذا التأثير الأخير على أنه تيار كهربائي ناتج عن غير قصد عما سيُعرف لاحقًا بالخلية الفولتية (البطارية). أدرك فولتا أن هذا التيار يتطلب دائرة كهربائية مغلقة لنقل الكهرباء، على الرغم من أن طبيعة التيارات الكهربائية لم تكن مفهومة آنذاك (لم يُكتشف الإلكترون إلا بعد قرن من الزمان). واعتمدت جميع التطورات اللاحقة في المحركات الكهربائية والمصابيح وغيرها على مبدأ الدائرة الكهربائية المغلقة، والتي تتضمن عادةً سلكين، ولكن في بعض الأحيان يُستخدم التأريض كموصل ثانٍ (كما هو الحال في التلغراف التجاري ).

في أواخر القرن التاسع عشر، أثبت نيكولا تيسلا أنه باستخدام شبكة كهربائية مضبوطة على الرنين ، يُمكن نقل الطاقة الكهربائية باستخدام موصل واحد فقط، دون الحاجة إلى سلك عودة. وقد عُرف هذا باسم "نقل الطاقة الكهربائية عبر سلك واحد دون عودة". ^{[ 1 ] [ 2 ]}

في محاضرات توضيحية أُلقيت في الأعوام 1891 و1892 و1893 حول المذبذبات الكهربائية أمام معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (AIEE) في كلية كولومبيا بمدينة نيويورك، ومعهد مهندسي الكهرباء (IEE) في لندن، ومعهد فرانكلين في فيلادلفيا، والجمعية الوطنية للإضاءة الكهربائية في سانت لويس، تبيّن أنه يمكن تشغيل المحركات الكهربائية والمصابيح المتوهجة أحادية الطرف عبر موصل واحد دون سلك إرجاع. ورغم أن هذه البنية تبدو ظاهريًا غير مكتملة الدائرة، إلا أنها تُحقق فعليًا دائرة إرجاع بفضل السعة الذاتية للحمل وسعته الطفيلية . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

وبالتالي، يمكن توصيل ملفات ذات أبعاد مناسبة، كل منها من طرف واحد فقط، بالتيار الكهربائي من آلة ذات قوة دافعة كهربائية منخفضة، وعلى الرغم من أن دائرة الآلة لن تكون مغلقة بالمعنى المتعارف عليه ، إلا أنه قد يتم حرق الآلة إذا تم الحصول على تأثير رنين مناسب. ^{[ 5 ]}

كانت الإشارة الأخيرة إلى "حرق" الآلة للتأكيد على قدرة مثل هذا النظام على نقل طاقة كبيرة بشرط وجود مطابقة معاوقة مناسبة ، كما يمكن الحصول عليها من خلال الرنين الكهربائي .

أُعيد اكتشاف هذه الملاحظة عدة مرات، ووُصفت، على سبيل المثال، في براءة اختراع عام 1993. ^{[ 6 ]} لا يُمكن نقل البيانات بسلك واحد بهذا المعنى باستخدام التيار المستمر ، وهو أمر غير عملي تمامًا للتيارات المترددة منخفضة التردد ، مثل  ترددات خطوط الطاقة القياسية 50-60 هرتز. مع ذلك، عند ترددات أعلى بكثير، يُمكن لدائرة الإرجاع (التي تُوصل عادةً عبر سلك ثانٍ) الاستفادة من السعة الذاتية والطفيلية لجسم موصل كبير، ربما غلاف الحمل نفسه . على الرغم من أن السعة الذاتية حتى للأجسام الكبيرة صغيرة نسبيًا، كما أدرك تسلا نفسه، فإنه من الممكن رنين هذه السعة باستخدام محث كبير بما فيه الكفاية (بحسب التردد المستخدم)، وفي هذه الحالة تُلغى المفاعلة الكبيرة لتلك السعة. يسمح هذا بتدفق تيار كبير (وتزويد الحمل بطاقة كبيرة) دون الحاجة إلى مصدر جهد عالٍ للغاية . على الرغم من أن هذه الطريقة لنقل الطاقة مفهومة منذ فترة طويلة، إلا أنه ليس من الواضح ما إذا كان هناك أي تطبيق تجاري لهذا المبدأ لنقل الطاقة .

في وقت مبكر من عام 1899، نشر أرنولد سومرفيلد بحثًا ^{[ 7 ]} تنبأ فيه باستخدام موصل أسطواني واحد (سلك) لنشر طاقة الترددات الراديوية كموجة سطحية . كانت "موجة السلك" التي طرحها سومرفيلد ذات أهمية نظرية كنمط انتشار، ولكن ذلك كان قبل عقود من وجود تقنية لتوليد ترددات راديوية عالية بما يكفي لإجراء أي تجارب من هذا القبيل، ناهيك عن التطبيقات العملية. علاوة على ذلك، وصف الحل خط نقل لانهائي دون مراعاة اقتران الطاقة به (أو منه).

لكنّ الأمر الأكثر أهمية من الناحية العملية هو التنبؤ بانخفاض كبير في توهين الإشارة مقارنةً باستخدام السلك نفسه كموصل مركزي في كابل محوري . وخلافًا للتفسير السابق الذي يُعزى فيه كامل الطاقة المنقولة إلى تيار كهربائي تقليدي يمر عبر السلك، فإن التيارات في الموصل نفسه في هذه الحالة تكون أصغر بكثير، حيث تُنقل الطاقة على شكل موجة كهرومغناطيسية ( موجة راديو ). ولكن في هذه الحالة، يعمل وجود السلك على توجيه تلك الموجة نحو الحمل، بدلًا من أن تنتشر بعيدًا.

يُعدّ انخفاض الفقد الأومي مقارنةً باستخدام الكابل المحوري (أو خطوط النقل ثنائية الأسلاك الأخرى) ميزةً خاصةً عند الترددات العالية حيث يصبح هذا الفقد كبيرًا جدًا. عمليًا، يُشكّل استخدام نمط النقل هذا دون ترددات الميكروويف مشكلةً كبيرةً نظرًا لامتداد أنماط المجال حول السلك. تكون المجالات المرتبطة بالموجة السطحية على طول الموصل كبيرةً حتى أقطار موصلات عديدة، لذا فإن وجود مواد معدنية أو حتى عازلة في هذه المناطق سيؤدي إلى تشويه انتشار النمط، وعادةً ما يزيد من فقد الانتشار. على الرغم من عدم وجود اعتماد على الطول الموجي لهذا البُعد في الاتجاه العرضي، إلا أنه في اتجاه الانتشار، من الضروري وجود طول موصل لا يقل عن نصف موجة لدعم نمط الانتشار بشكل كامل. لهذه الأسباب، وعند الترددات المتاحة قبل عام 1950 تقريبًا، فاقت العيوب العملية لهذا النوع من النقل تمامًا الفقد المنخفض الناتج عن الموصلية المحدودة للسلك.

• الاتصال عبر خطوط الطاقة
• الإشارات أحادية الطرف
• عودة أرضية بسلك واحد
• موجة صغيرة