مولد جریان برق: قلب تپندهٔ تولید انرژی الکتریکی
قانون طلایی: القای الکترومغناطیسی
تمام مولدهای برق بر یک اصل فیزیکی مهم کار میکنند: القای الکترومغناطیسی2. این قانون که توسط مایکل فارادی کشف شد، میگوید اگر یک هادی3 (مانند سیم مسی) در یک میدان مغناطیسی حرکت کند یا اگر شدت میدان مغناطیسی اطراف یک هادی تغییر کند، در دو سر آن هادی یک ولتاژ4 القا میشود. اگر هادی به یک مدار بسته متصل باشد، این ولتاژ باعث جاری شدن جریان الکتریکی5 میشود. در واقع، مولد با چرخاندن یک سیمپیچ درون یک میدان مغناطیسی (یا بالعکس)، این تغییر را ایجاد کرده و برق تولید میکند.
اجزای اصلی یک مولد ساده
برای ساختن یک مولد ابتدایی، به چند بخش کلیدی نیاز داریم. تصور کنید میخواهید با دوچرخهسواری یک لامپ کوچک را روشن کنید.
| نام قطعه | وظیفه | مثال ملموس |
|---|---|---|
| آرمیچر6 | مجموعه سیمپیچهایی است که در میدان مغناطیسی میچرخند و محل اصلی القای ولتاژ هستند. | چرخ دوچرخهای که آهنرباهایی به پرههای آن چسبیده و نزدیک یک سیمپیچ ثابت میچرخد. |
| میدان مغناطیسی7 | فضای اطراف آهنربا که نیروی مغناطیسی اعمال میکند. میتواند توسط آهنربای دائمی یا الکترومغناطیس ایجاد شود. | آهنرباهای نعلی شکل یا آهنرباهای قوی داخل بلندگوهای قدیمی. |
| کموتاتور8 و جاروبک9 | کموتاتور یک حلقهی تقسیمشده است که به آرمیچر متصل است. جاروبکها (معمولاً از جنس کربن) با آن در تماسند و جریان تولیدی را به مدار خارجی منتقل میکنند. | مکانیزم مشابه داخل موتور اسباببازیهای برقی کوچک. |
| محور گرداننده | انرژی مکانیکی از طریق این محور به آرمیچر منتقل میشود تا آن را بچرخاند. | دستهی چرخان دوچرخه یا توربینهای بادی. |
انواع مولدهای برق: از جریان متناوب تا مستقیم
مولدها را بر اساس نوع جریان خروجیشان میتوان به دو دستهٔ اصلی تقسیم کرد:
۱. آلترناتور (مولد جریان متناوب - AC)10: این مولدها جریان متناوب تولید میکنند. جهت جریان در خروجی به طور متناوب و با فرکانس مشخصی (مثلاً 50 یا 60 هرتز) تغییر میکند. در این مولدها معمولاً آرمیچر ثابت است و آهنرباها میچرخند تا استهلاک و خطر جرقه کاهش یابد. تقریباً تمام برق تولیدی نیروگاهها و شبکهٔ سراسری به صورت جریان متناوب (AC) است چون انتقال آن در مسافتهای طولانی با تلفات کمتری ممکن است.
۲. دینام (مولد جریان مستقیم - DC)11: این مولدها جریان مستقیم تولید میکنند، یعنی جهت جریان همیشه ثابت است. وجود کموتاتور در این مولدها ضروری است تا جریان متناوب القا شده در آرمیچر را به جریان مستقیم در خروجی تبدیل کند. از این مولدها در خودروهای قدیمی برای شارژ باتری و تأمین برق مدارهای الکتریکی خودرو استفاده میشد. امروزه بیشتر از آلترناتور استفاده میشود.
مولدها در کجای زندگی ما هستند؟
حالا که با اساس کار آشنا شدید، بیایید به اطراف خود نگاه دقیقتری بیندازیم. مولدها به شکلهای مختلف، انرژی مورد نیاز ما را تأمین میکنند:
• نیروگاهها: چه نیروگاه حرارتی با سوخت فسیلی، چه نیروگاه برقآبی و چه نیروگاه بادی، همگی یک مولد عظیم (آلترناتور) دارند. تفاوت در منبع انرژی مکانیکی است: بخار آب، آب سد، یا باد، همگی یک توربین12 را میچرخانند و توربین محور مولد را.
• ژنراتورهای قابل حمل: این دستگاههای پرکاربرد که در مواقع قطعی برق یا در اردوگاهها استفاده میشوند، معمولاً یک موتور بنزینی یا دیزلی کوچک دارند که یک آلترناتور را میچرخاند و برق متناوب تولید میکند.
• دوچرخهٔ چراغدار: در برخی دوچرخههای قدیمی، یک دینام چرخ وجود دارد. این دینام با اصطکاک به لاستیک چرخ میچسبد و با چرخش چرخ، آرمیچر آن داخل میدان مغناطیسی میچرخد و برق لازم برای چراغ را تولید میکند.
• خودروهای امروزی: زیر کاپوت خودروی خانوادهتان یک آلترناتور قرار دارد. این دستگاه توسط تسمهای به موتور خودرو متصل است و همزمان با کار کردن موتور، میچرخد و برق مورد نیاز برای سیستمهای الکتریکی (چراغها، رادیو، کولر) و همچنین شارژ باتری را تأمین میکند.
پرسشهای رایج و اشتباهات مفهومی
پاورقی
1مولد الکتریکی (Electrical Generator): دستگاهی که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
2القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction): پدیدهای که در آن با تغییر میدان مغناطیسی گذرنده از یک مدار، نیروی محرکهٔ الکتریکی در آن القا میشود.
3هادی (Conductor): مادهای که اجازهٔ عبور جریان الکتریکی را میدهد، مانند مس یا آلومینیوم.
4ولتاژ (Voltage): اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه که باعث رانش جریان میشود. واحد آن ولت (V) است.
5جریان الکتریکی (Electric Current): شارش بارهای الکتریکی (معمولاً الکترونها) در یک هادی. واحد آن آمپر (A) است.
6آرمیچر (Armature): بخش متحرک یک مولد یا موتور که معمولاً از سیمپیچها تشکیل شده است.
7میدان مغناطیسی (Magnetic Field): ناحیهای پیرامون آهنربا یا جریان الکتریکی که در آن نیروی مغناطیسی احساس میشود.
8کموتاتور (Commutator): یک کلکتور تقسیمشدهٔ استوانهای که در مولدهای جریان مستقیم (DC) جریان القا شده را یکسو میکند.
9جاروبک (Brush): قطعهای معمولاً از جنس کربن که برای برقراری اتصال الکتریکی بین قسمتهای ثابت و متحرک (مثل کموتاتور) استفاده میشود.
10آلترناتور (Alternator) / جریان متناوب (Alternating Current - AC): نوعی مولد که جریان متناوب تولید میکند. جهت جریان در آن به طور متناوب تغییر میکند.
11دینام (Dynamo) / جریان مستقیم (Direct Current - DC): نوعی مولد که جریان مستقیم تولید میکند. جهت جریان در آن ثابت است.
12توربین (Turbine): وسیلهای که انرژی جنبشی یک سیال (مانند آب، بخار، باد یا گاز) را به حرکت چرخشی تبدیل میکند.
13ترانسفورماتور (Transformer): وسیلهای الکتریکی که برای افزایش یا کاهش ولتاژ جریان متناوب (AC) استفاده میشود.
