التيار المتناوب

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

في التيار المتناوب (Alternating Current)، ينعكس دورياً اتجاهُ التيار أو قطبية الفولطية، وفي معظم دارات خدمة مرافق التيار المتناوب في الولايات المتحدة، تحدث 60 دورة موجة كاملة كل ثانية، وينعكس اتجاه التيار أو قطبية الفولطية 120 مرّة في الثانية.

في المرسِلات والمستقبِلات الراديوية، يمكن لموجة التيار المتناوب أن تعكس قطبيتها آلاف أو ملايين المرّات في الثانية.

 

التردّد وشكل الموجة

في موجة تيار متناوب دورية (Periodic AC Wave)، يتكرر التيار أو الفولطية كتابع للزمن إلى الخلف وإلى الأمام إلى ما لا نهاية.

نسمي الزمن بين نقطة محدّدة في دورة ونفس النقطة في الدورة التالية بدورة الموجة.

يبيّن الشكل 2-1 دورتين كاملتين لموجة تيار متناوب. على المحور الشاقولي (السعة)، تمثّل النقاطُ فوق خط الزمن التيارَ في اتجاه واحد (أو الفولطية الموجبة)، وتمثّل النقاطُ تحت خطّ الزمن التيارَ في الاتجاه الآخر (أو الفولطية السالبة

 

مجال واسع

نظرياً، يمكن أن تكون مدّة دورة تيار متناوب أيَّ شيء "أكبر من الصفر وأصغر من اللانهاية".

وعملياً، نجد موجات تيار متناوب ذات مدد قصيرة جداً حتى مستوى أجزاء صغيرة من الثانية وطويلة حتى عدة سنوات.

إذا عبّرنا عن مدة موجة تيار متناوب بالثانية (تُختصر بـ s)، فإننا نرمز إليه بكتابة الحرف الكبير المائل T.

كما نرمز لـ تردّد موجة تيار متناوب – الذي يعبّر عن عدد الدورات في الثانية – بكتابة الحرف الصغير المائل f.

يمكننا رياضيّاً النص على العلاقة بين الدور والتردّد على الشكل

f = 1/T

أو على الشكل

T = 1/f

 

يستعمل المهندسون وحدة تُسمى الهرتز (تُختصر بـ Hz) للتعبير عن قيم التردّد، فتردّد 1 هرتز يمثّل تماماً دورة في الثانية.

يمكننا تمثيل قيم التردّدات الكبيرة بـالكيلو هرتز (kHz) والميغا هرتز (MHz) والغيغا [أو الجيغا] هرتز (GHz) أو التيرا هرتز (THz) على النحو التالي:

1 kHz = 1000 Hz

= 10³ Hz

1 MHz = 1000 kHz

= 10⁶ Hz

1 GHz = 1000 MHz

= 10⁹ Hz

1 THz = 1000 GHz

= 10¹² Hz

 

في الإلكترونيات، يتعامل المهندسون والفنيون مع إشارات تيار متناوب في مجالات التردّدات الصوتية (Audio Frequency) (AF) أو التردّدات الراديوية (Radio Frequency) (RF). تمتلك التياراتُ في مجال التردّدات الصوتية تردّداتٍ بين 20 هرتز و20 كيلو هرتز.

وتمثّل هذه الأرقام، على التوالي، أصغر وأعلى تردّدات يمكن لشخص ذي "آذان جيدة" أن يسمعها عندما نحوِّل موجات التيار المتناوب إلى موجات صوتية (Sound Waves). كما تمتلك التياراتُ في مجال التردّدات الراديوية تردّداتٍ بين عدد قليل من الكيلو هرتز وعدة غيغاهرتز.

 

فكرة مفيدة: في الحالة المثالية، تُركّز موجة تيار متناوب كلَّ طاقتها عند تردّد وحيد يسمّى التردّد الأساسي. وتشكّل موجةٌ من هذا النوع موجةً جيبية صافية، أي أنه إذا رسمنا السعةَ بدلالة الزمن، نحصل على تمثيل تابع جيبي مثلثي.

وفي "الواقع الحقيقي"، يرجَّح أن تتضمّن موجة تيار متناوب بعض "الشوائب" التي تسمّى التوافقيات وتظهر عند أرقام مضاعفة كاملة للتردّد الأساسي.

وتحتوي بعض إشارات التيار المتناوب على طاقة عند تردّدات لا ترتبط بوضوح بالتردّد الأساسي أو بأيٍّ من التوافقيات (Harmonics). وعند ذلك، سنجد خلال برهة قصيرة موجات تحتوي على مئاتٍ وآلاف أو حتى عدد لانهائي من عدّة مكونات تردّد مختلفة. 

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]