3.6 · Generating and distributing electricity and household use

توليد وتوزيع الكهرباء

حرك مغناطيساً، أو حرك تياراً — سيظهر فرق جهد. الموضوع السادس لـ OxfordAQA يغطي السلسلة الكاملة بدءاً من تأثير المولد مروراً بمحولات الشبكة الوطنية وصولاً إلى الأجهزة وأنظمة السلامة المنزلية. جميع العبارات في هذا الموضوع من الورقة 2 (P).

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.6 (Version 5.1) — محتوى (P) بالكامل.*

توليد الكهرباء (P)

يُحدث تأثير المولد فرق جهد عبر موصل يتحرك داخل مجال مغناطيسي، أو يقع في مجال متغير. عكس الحركة أو القطبية وعكس فرق الجهد المستحث؛ مجال التيار المستحث نفسه يعارض التغير. يكبر فرق الجهد مع زيادة سرعة الحركة، وقوة المجال، وعدد اللفات، ومساحة الملف.

المولد التوربي يدور ملفاً داخل مجال لإنتاج تيار متردد؛ الدينامو يعطي تياراً مستمراً — تعرف على رسوم بيانية فرق الجهد-الزمن. تدور المحطات التوربينات لتدوير الملفات بين المغناطيسات.

النقل والمحولات والمنزل (P)

من المحطة إلى المقبس، تسافر كل واط عبر نفس سلسلة اللفات والكابلات.

لطاقة معينة، جهد نقل عالي يعني تيار منخفض وبالتالي حرارة قليلة للكابلات. المحول عبارة عن ملفين على نواة حديد ناعم: تيار متردد في الملف الأولي يولد مجالاً متغيراً يحفز فرق جهد في الملف الثانوي.

رفع جهد قبل الخطوط، خفض بعدها؛ المحولات ذات الوضع المفتوح (50–200 kHz) صغيرة وخفيفة — شواحن الهواتف.

تحقق محلول. محول يرفع 25 kV إلى 400 kV مع 1000 لفّة أولية: $n_s = 1000 \times 400/25 = 16\,000$ لفات. عند 100 MW تكون شدة التيار في الخط $I = P/V = 10^8/(4 \times 10^5) = 250$ A.*

البطاريات تعطي تياراً مستمراً؛ الكهرباء المنزلية تيار متردد بتردد وجهد ثابتين — اقرأ الدورة والتردد من آثار تشبه الراسم البياني. السلامة: الأرضي يفرغ تيار العطل من الأغطية المعدنية؛ الصمام ينصهر أو قاطع الدائرة يعمل عند تجاوز التيار — القاطع أسرع وقابل لإعادة الضبط؛ الأجهزة المعزولة مزدوجة لا تحتاج أرضياً.

تأثير المحرك (P)

سلك يحمل تياراً داخل مجال مغناطيسي يتعرض لقوة (صفر إذا كان موازياً له). تكبر القوة مع قوة المجال الأكبر، تيار أكبر، وطول سلك أكبر داخل المجال؛ عكس أحدهما يعكس القوة — قاعدة اليد اليسرى لفلمنج تتنبأ بالاتجاه.

ملف محمول تياره يدور في حقل مغناطيسي — وهو المولد الكهربائي.

نقل الطاقة الكهربائية (P)

تُظهر ملصقات الأجهزة القدرة؛ احسب التيار لاختيار صمام الأمان، والطاقة بـ الكيلوواط-ساعة للفاتورة (E = Pt؛ التكلفة = كيلوواط-ساعة × سعر الوحدة، تُقرأ من عداد الكهرباء).

تحقق محلول. سخان 2.0 kW لمدة 3 ساعة يستهلك 6.0 كيلوواط-ساعة؛ بسعر 0.9 لكل كيلوواط-ساعة تكون التكلفة 5.4. غلاية تعمل بجهد 230 V وقدرتها 1.1 kW تسحب تياراً I = 1100/230 ≈ 4.8 A — اختر صمام أمان بسعة 5 A أو 13 A (أعلى قيمة قياسية).

تحقق من نفسك

1. اذكر طريقتين لتوليد فرق جهد في موصل.
2. اذكر ثلاثة عوامل تزيد من مقدار فرق الجهد المستحث.
3. ارسم منحنيات فرق الجهد-الزمن لمولد توتر متردد ومولد توتر مستمر.
4. لماذا تنقل الشبكة الكهربائية بجهد عالي؟
5. محول له 200 ملف أولي و3000 ملف ثانوي يعمل على جهد متردد 12 V. احسب فرق الجهد الثانوي.
6. اذكر معادلات نسبة اللفات وكفاءة المحول الذي تبلغ كفاءته 100 ٪.
7. اشرح كيف يحمي التأريض وصمام الأمان المستخدم معاً.
8. اذكر قاعدة اليد اليسرى لفلمنج.
9. احسب تيار سخان جره 230 V وقدرته 2.3 kW، واختر صمام أمان مناسباً.
10. احسب الطاقة بوحدة كيلوواط-ساعة المستهلكة بواسطة غلاية قدرتها 1.5 kW خلال 20 دقيقة.

الإجابات: 1 تحريك الموصل عبر حقل مغناطيسي؛ وضعه في حقل مغناطيسي متغير؛ 2 حركة أسرع؛ حقل أقوى؛ عدد لفات أكبر (أيضاً مساحة ملف أكبر)؛ 3 مولد توتر متردد — موجة جيبية حول الصفر؛ مولد توتر مستمر — قمم جميعها فوق (أو تحت) المحور؛ 4 بنفس القدرة يكون التيار أصغر، لذا فإن فاقد الحرارة I²R في الكابلات أقل بكثير؛ 5 $V_s = 12 \times 3000/200 = 180$ V؛ 6 $V_p/V_s = n_p/n_s$ و$V_p I_p = V_s I_s$؛ 7 سلك التأريض يوفر مساراً للتيار المعطل إلى الأرض، والصمام ينفجر لقطع السلك الحي؛ 8 إصبع الأول للحقل، والثاني للتيار، والإبهام للحركة — متعامدة على بعضها؛ 9 I = 2300/230 = 10 A — استخدم صمام أمان بسعة 13 A؛ 10 t = 1/3 ساعة، إذن E = 1.5 × 1/3 = 0.5 كيلوواط-ساعة.