سلسلة كيف تعمل الأشياء : كيف يعمل المُحرك الكهربائي
تُوجد المحركات الكهربائية في كل مكان في منزلك؛ في مختلف الأجهزة التي تستعملها. وأغلب الحركة الميكانيكية التي تراها من حولك يُنتجها إما مُحرك يعمل بالتيار المُتردد أو محرك يعمل بالتيار المُستمر.
تتكون المُحركات البسيطة من ستة أجزاء:
⦁ عضو دوار.
⦁ مُبادِل.
⦁ فُرشاة المحرك.
⦁ محور.
⦁ مغناطيس المجال.
⦁ منبع قدرة تيار مستمر.
إذا فهمت الطريقة التي يعمل بها المُحرك، يمكنك معرفة الكثير عن كل من المغناطيس، والمغناطيس الكهربائي، والكهرباء بشكل عام. في هذا المقال، ستعرف بشكل أساسي كيف يعمل المُحرك الكهربائي.
مُحرك كهربائي من الداخل :
يُمكن اعتبار الحديث عن المحرك الكهربائي هو في نفس الوقت حديث عن المغناطيس والمغناطيسية، حيث يَستخدم المُحرك المغناطيس لإنتاج الحركة. بما أننا نعرف أن القانون الأساسي لكل المغانط هو أن (الأقطاب المتشابهة تتنافر ، والأقطاب المختلفة تتجاذب)، فإن قوى الجذب والتنافر تلك داخل المحرك الكهربائي تتسبب في خلق حركة دورانية.
يمكنك مشاهدة مغناطيسين داخل المحرك في الرسم البياني: عضو الإنتاج أو (العضو الدوار) عبارة عن مغناطيس كهربائي، بينما المغناطيس الحقلي عبارة عن مغناطيس ثابت (مغناطيس الحقل يمكن أن يعمل كمغناطيس كهربائي أيضًا، لكن في معظم المحركات الصغيرة لا يحدث ذلك من أجل توفير الطاقة).
مُحرك كهربائي من الداخل
نموذج المُحرك المُستخدم في الشرح هنا عبارة عن مُحرك كهربائي بسيط يُستخدم لتشغيل الألعاب والدُمى.
يمكنك من الخارج رؤية علبة صُلبة تُشكل هيكل المحرك، ومحور، وغطاء من النايلون، وسلكي بطارية.
إذا قمت بتوصيل أسلاك المحرك ببطارية مصباح يدوي سيقوم المحور بالدوران. وإذا عكست الأسلاك المُوصِلة، سوف يدور في الاتجاه المعاكس.
يتم تثبيت غطاء النايلون بمقبضين متشعبين من هيكل المُحرك نفسه. في حال قمت بثني المقبضين للخلف يمكنك فك الغطاء وإزالته. يوجد داخل الغطاء فُرشاة المحرك. تقوم تلك الفُرشاة بنقل الجهد الكهربائي من البطارية إلى المُبادل بينما يدور المُحرك:
يُشغّل المحور كل من العضو الدوار والمُبادِل. والعضو الدوار عبارة عن مجموعة من المغانط الكهربائية، وفي هذا النموذج يتكون من ثلاثة مغانط كهربائية، ويتكون من مجموعة من الصفائح المعدنية الرفيعة مجموعة معًا بسلك نحاسي ملفوف حول كل قطب من أقطابه الثلاثة. طرفي كل سلك من الأسلاك ملحومين على طرف توصيل، وكل طرف من أطراف التوصيل الثلاثة مربوط بصفيحة واحدة من المُبادل.
مُحرك لعبة
الجزء النهائي لأي محرك يعمل بالتيار المستمر هو مغناطيس الحقل (وهو المغناطيس المُستخدم في إنتاج حقل مغناطيسي)، وفي هذا المحرك هو عبارة عن علبة المُحرك نفسها بالإضافة إلى مغناطيسين ثابتين (منحنيين).
المغانط الكهربائية والمحركات :
لتفهم الطريقة التي يعمل بها المُحرك الكهربائي، عليك بمعرفة الطريقة التي يعمل بها المغناطيس الكهربائي، لأن المغناطيس الكهربائي أساس المحرك الكهربائي. فإذا تخيلت السيناريو التالي سيمكنك فهم آلية العمل داخل المحرك: افترض أنك قمت بصنع مغناطيس كهربائي بسيط عن طريق لف سلك مئة لفة حول مسمار، وقمت بتوصيل طرفي السلك ببطارية. سيصبح المسمار مغناطيسًا ذو قطبين، أحدهما شمالي والآخر جنوبي.
الآن خذ المسمار (المغناطيس الكهربائي)، ومرر محور في منتصفه، ثم علقه في منتصف المغناطيس الثابت (حدوة الحصان كما هو مُوضح بالرسم). إذا قمت بتوصيل المغناطيس الكهربائي ببطارية سيكون الوضع وفقًا لقانون المغناطيسية الأساسي كالتالي: سيتنافر القطب الشمالي للمغناطيس الكهربائي مع القطب الشمالي لمغناطيس حدوة الحصان، ويتجاذب مع قطبه الجنوبي. وسيحدث تجاذب وتنافر القطب الجنوبي من المغناطيس الكهربائي بالطريقة نفسها. وسيقوم المسمار بعمل نصف لفة أو (نصف دورة) ومن ثمْ سيتوقف.
يمكنك رؤية أن الحركة النصف دائرية تلك بسيطة، بسبب الطريقة الطبيعية لتنافر وجذب المغانط أحدهما للآخر. المفتاح لمحرك كهربائي فيما بعد يحتاج لخطوة إضافية، لذلك، في اللحظة التي تكتمل فيها الحركة النصف دائرية، ينقلب مجال المغناطيس الكهربائي، وبسبب ذلك الانقلاب يُكمل المغناطيس الكهربائي حركة نصف دائرية أخرى (وينتج دورة كاملة). يمكنك قلب المجال المغناطيسي بمجرد أن تغير اتجاه تدفق الإلكترونات في السلك (تفعل ذلك عن طريق قلب البطارية). إذا تم قلب مجال المغناطيس الكهربائي بدقة في اللحظة المناسبة في نهاية كل حركة نصف دائرية أو (نصف دورة)، سيدور المحرك الكهربائي بحرية.
مغناطيس كهربائي داخل مغناطيس على شكل حدوة حصان
العضو الدوار والمبادل والفُرش :
يحل هنا العضو الدوار محل المسمار في المحرك الكهربائي الموجود في الرسم التوضيحي السابق. وهو عبارة عن مغناطيس كهربائي صُنع بواسطة لف سلك رفيع حول قطبين أو أكثر من لب معدني، ويمر عبر منتصفه مُحور موصول به المُبادل.
المُبادل ببساطة عبارة عن زوجين من الصفائح موصولين بالمحور، ويوفران توصيلتين لملف المغناطيس الكهربائي.
يتم قلب المجال المغناطيسي باستخدام جزئين من المُحرك وهما: المُبادل والفُرشاة.
يعملا المُبادل والفرشاة معًا على تدفق التيار الكهربائي في المغناطيس الكهربائي، ولقلب اتجاه الإلكترونات أيضا في اللحظة المناسبة. وتدور توصيلات المُبادل مع المغناطيس بما أنها موصولة بمحور المغناطيس الكهربائي، أما الفُرشاة فهي عبارة عن شريحتين من معدن مرن أو كربون يجري عن طريقهما توصيل التيار لوصلات المُبادل.
المُبادل والفُرش
عضو الإنتاج (العضو الدوار)
تركيب أجزاء المُحرك معًا :
عندما تقوم بتركيب تلك الأجزاء معًا، ستحصل على محرك كهربائي كامل.
لماذا يُفضل إحتواء المُحرك على دوار ذو ثلاثة أقطاب بدلًا من قطبين؟
يوجد سببان لذلك: الأول هو أنه يجعل ديناميكية (حركيّة) المُحرك أفضل وأسلس.
الثاني هو أنه يحفاظ على البطارية من إفراغ واستنزاف الطاقة التي يسببها المُبادل في محرك ذي قطبين بسبب الصدمات التي يُحدثها في أثناء قلب المجال المغناطيسي.
ويمكن استخدام أي عدد من الأقطاب حسب حجم المُحرك ونوع التطبيق المُستخدم به.
ترجمة: نهى سليمان
تدقيق: الياس سعود
