كيف يعمل المحرك الكهربائي ؟

استمع على ساوندكلاود 🎧

أنظر من حولك الآن وأنت تقرأ هذا المقال، كم محركاً كهربائياً تستطيع أن تُحصِي في غرفتك؟ يوجد على الأغلب اثنين في جهاز الحاسوب لديك، أحدهما يقوم بتدوير القرص الصلب، والآخر يقوم بتدوير مروحة تبريد المعالج. أما إذا كنت في غرفة النوم فسوف تجدين محركاً آخراً في مجفف الشعر، كما تتواجد المحركات الكهربائية في المراوح الكهربائية، وفي آلات الحلاقة الكهربائية، أما في المطبخ فحدّث ولا حرج فكل جهاز يحتوي محركاً كهربائياً على الأقل، كالغسالة الكهربائية، وآلة غسل الصحون، والمايكروويف، ومحضرات العصائر، والخلاطات الكهربائية، وفرامات اللحمة والخضار، وأيضا في بعض الأفران. وإن كنت من هواة آلات تحضير القهوة، فستجد المحرك الكهربائي فيها أيضا ً.

أثبتت المحركات الكهربائية أنها من أعظم الاختراعات في زمننا، بل من أفضل ما ابتكرته البشرية، فهيا بنا لنتعرف عليها عن قرب ونتعلم كيف يعمل هذا الاختراع.

الكهرباء – المغناطيسية – الحركة:

إن فكرة العمل الأساسية للمحرك الكهربائي بسيطة جداً، فقط قم بوصل المحرك إلى الكهرباء؛ ليقوم بالدوران وأداء العمل المطلوب، ولكن كيف يتم ذلك عملياً؟ أي كيف تتم عملية تحويل الكهرباء إلى حركة؟

لنتعرف على الجواب لابد لنا من العودة إلى حوالي 200 سنة، لنرى كيف بدأت عملية اكتشاف المحركات.

افترض أنه بحوزتك قطعة من سلك كهربائي، وقمت بلفها على شكل حلقة، ووضعتها بين قطبي مغناطيس دائم، والآن قم بوصل طرفي السلك إلى بطارية كهربائية، سيقوم السلك بالتحرك بشكل مفاجئ إما للأعلى أو للأسفل. إنه لشعور رائع عندما ترى هذا لأول مرة فهو يبدو كالسحر!

فما هو تفسير هذه الحركة ؟

عندما يبدأ التيار الكهربائي بالمرور عبر السلك، فإنه يشكل حقلاً مغناطيسيا ً حول هذا السلك، فإذا وضعنا هذا السلك قرب مغناطيس دائم، فسيتفاعل الحقل المغناطيسي الناتج عن مرور التيار عبر السلك مع الحقل المغناطيسي للمغناطيس الدائم مؤديا إلى حركة السلك (فكما نعلم عند وضع مغناطيسين قرب بعضهما البعض سيحصل بينهما تجاذب أو تنافر وذلك اعتمادا على قطبية كلا المغناطيسين، فالأمر مشابه في حالة السلك والمغناطيس الدائم ).

قاعدة فيلمنغ لليد اليسرى:

يمكنك معرفة اتجاه حركة السلك الموضوع بين قطبي مغناطيس دائم من خلال قاعدة فلمنغ لليد اليسرى، فتبين لنا هذه القاعدة العلاقة بين التيار الكهربائي والحقل المغناطيسي واتجاه الحركة في المحرك الكهربائي .

باستخدام أصابع الإبهام والسبابة والوسطى، كما مبين بالشكل حيث تشكل كل إصبع مع التي تليها زاوية قائمة

إذا وضعنا إصبع الوسطى باتجاه مرور التيار (التيار يسري من القطب الموجب إلى القطب السالب للبطارية ) وكان اتجاه الحقل باتجاه السبابة، فإن الإبهام سيشير إلى اتجاه حركة السلك .

تم اكتشاف العلاقة بين كل من التيار، والحقل المغناطيسي، والحركة، من قبل العالم الفرنسي الشهير أندريه ماري أمبير عام 1820، حيث شكلت هذه العلاقة قفزة نوعية أدت إلى اكتشاف المحركات الكهربائية، ولكن تم وضع الأسس العملية للمحركات الكهربائية من قبل مايكيل فاراداي(1791-1867)، ووليام ستريجن(1783-1850)، وجوزيف هنري (1797-1878).

لكن كيف توصل هؤلاء العلماء إلى اختراعهم الرائع؟

بفرض أننا قمنا بلف السلك على شكل مربع بحيث نحصل على شكل حرف U فيصبح لدينا سلكان متوازيان واقعين ضمن مجال مغناطيسي. يمر التيار في السلك الأول من جهتنا، ويعود خلال السلك الآخر، أي أن التيار يمر باتجاهين متعاكسين، وتخبرنا قاعدة فلمنغ أن أحد السلكين سيتحرك للأعلى، والآخر سيتحرك للأسفل. فإذا وجد لدينا ملف من مجموعة أسلاك، ستتحرك بشكل مشابه، وبالتالي ستدور بشكل متواصل، وسنكون في طريقنا إلى تشكيل محرك كهربائي. لكن في الواقع ذلك غير قابل للتطبيق، وذلك لأن السلك سيتشابك مع بعضه سريعاً، والسبب الآخر هو أنه إذا استطاع السلك الدوران بمقدار كبير إلى حد ما فإنه سيصل إلى نقطة لن يستطيع الدوران بعدها. فعندما يصل الملف إلى الاتجاه العمودي، سيمر بعد ذلك التيار بالاتجاه المعاكس، وهكذا جميع القوى المؤثرة في الطرفين ستنقلب، وبالتالي بدلا من أن يدور السلك بشكل مستمر بنفس الاتجاه سيعكس اتجاه الدوران (تخيل قطار كهربائي بنفس هذه الحركة فإنه لن يتحرك أبدا وسيبقى ثابتا في نفس النقطة ).

كيف يعمل المحرك الكهربائي تطبيقياً:

يوجد لدينا طريقتين لحل هذه المشكلة:

الطريقة الأولى: استخدام تيار كهربائي يغير اتجاهه دورياً، والذي يعرف بالتيار المتناوب.

أما في حالات المحركات التي تعمل بالبطاريات، ونستخدمها بشكل واسع في منازلنا، الحل الأفضل هو إضافة أداة إلى المحرك تدعى المبادل الكهربائي .

بشكله البسيط هو عبارة عن حلقة معدنية مقسمة إلى نصفين منفصلين، وظيفتها عكس اتجاه التيار في الملف في كل نصف دورة بحيث تتصل كل نهاية للملف بأحد أجزاء المبادل .

يصل التيار الكهربائي من البطارية إلى المحرك عبر الأطراف الكهربائية، ويغذي المحرك بالطاقة الكهربائية عبر المبادل بواسطة زوج من الأقطاب غير المتصلة مع المحرك تدعى الفرشاة (Brush)، المصنوعة إما من مادة الغرافين (مادة كربونية تشبه الرصاص المستخدم في أقلام الرصاص )، أو من قطعة معدنية على شكل نابض والتي تعمل كفرشاة الأسنان مع المبادل فيمكن الملف من الدوران بنفس الاتجاه.

محرك بسيط من ملف واحد ليس قادر على انتاج الكثير من الطاقة. يمكننا أن نزيد من قوة عزم الدوران في المحرك بإحدى ثلاث طرق: إما استخدام مغناطيس دائم أكثر قوة، أو زيادة التيار الكهربائي المار خلال الأسلاك، أو زيادة عدد اللفات للملف.

المحرك الكهربائي من الداخل:

يتألف المحرك الكهربائي من جزأين أساسين وهما:

القسم الثابت: وهو عبارة عن مغناطيس أو مجموعة مغانط دائمة (أو مغانط كهربائية ).

القسم الدوار: هو القسم الذي يلف عليه الملف الكهربائي ويوضع عليه المبادل وهو الذي يدور ويقوم بالحركة.

تُرَى كيف سيكون شعور أجدادنا لو أُتيح لهم التعرف على المحركات الكهربائية ؟!

المصادر:

هنا