أولاً: نظرية توليد الطاقة الكهربائية

في عام 1819 اكتشف العالم الهولندي هانز كريستيان أورستيد Orested العلاقة بين القوى الكهربائية والمغناطيسية، عندما لاحظ أن التيار الكهربي يولد مجالاً مغناطيسياً، وأثناء محاولات العالم الإنجليزي المعروف ميشيل فاراداي Faraday سنة 1831 لتفسير ذلك، أمكنه اختراع مولده الكهربي اليدوي. (اُنظر صورة فاراداي)

فقد اكتشف فاراداي إنه لو حُرِك سلكاً من النحاس بين قطبي مغناطيس شمالي وجنوبي، سرى في السلك تيار كهربائي. ويقول العلماء في تفسير ذلك: إن بين قطبي المغناطيس خطوط قوى تتمثل في خطوط فيض مغناطيسي، تخرج من إحدى القطبين لتنتهي إلى الآخر. وعندما يتحرك السلك بين القطبين يقطع خطوط القوى، ويتولد بذلك تيار كهربائي في السلك. (اُنظر شكل نظرية توليد الكهرباء)

وتنتقل الفكرة من سلك مستقيم، إلى لفيفة من سلك تدور حول نفسها بين هذين القطبين المغناطيسيين فتقطع الخطوط المغناطيسية فيتكون التيار الكهربائي ويتحرك في اتجاه الأسهم. وطرفا اللفيفة متصلان بأسطوانة تدور معهما، مشقوقة بالطول نصفين، بينهما ما يعزل الكهرباء أن تنتقل من أحد النصفين إلى الآخر، وأحد النصفين مُتصِل بجزء اللفيفة، والنصف الآخر مُتصِل بجزء اللفيفة الآخر. وجزء من اللفيفة يُعطي الكهرباء المتولدة فيه إلى نصف الأسطوانة الذي يكون على اتصال به، وهذا بدوره يعطيه إلى الريشة التي لا ترتبط به إذ يدور، وإنما تمسه لتأخذ ما تولد فيه من كهرباء، وبالمثل الجزء الآخر من اللفيفة يعطي الكهرباء المتولدة إلى الريشة الملامسة له. (اُنظر شكل المولد الكهربائي)

وتدور اللفيفة والأسطوانة المشقوقة حول محور يكون على اتصال بالأسطوانة فيخترق قلبها، وهذا المحور يكون معزولاً بعازل يمنع سريان الكهرباء التي يتحمل بها أي من نصفي الأسطوانة إليه، وناحيته الأخرى يكون متصلاً بعجلات تدار بالماء المتدفق من سد على نهر مثلاً أو بالبخار أو بطاقة الرياح أو أي طريقة أخرى.

ويتوقف مقدار الكهرباء الناتجة من المولد على عدد اللفائف من الأسلاك، التي تقطع خطوط المجال المغناطيسي، وعلى قوة هذه المغناطيسيات، وعلى عددها، وعلى السرعة التي تقطع هذه الأسلاك بها هذا المجال. ولزيادة مقدار الكهرباء الناتجة في الثانية الواحدة، تُصمم رؤوس المغناطيسيات مرتبة في شكل دائري، وتصمم اللفائف التي تتحرك في هذه المجالات المغناطيسية، أيضاً، مرتبة في شكل دائري، فتظهر كأنها المغزل، وهي تدخل في الدائرة المكونة من الرؤوس المغناطيسية. وبعد ذلك، إما أن تدور حول محورها الذي يحركها، وتبقى المغناطيسيات ثابتة، وإما أن تدور المغناطيسيات وتبقى اللفائف ثابتة.

أساسيات المولد الكهربائي

العلاقة الأولية المُستخدمة في المولد هي قانون فاراداي، الذي يشرح كمية الجهد المولد بالتأثير عند تغير المجال المغناطيسي بالنسبة للزمن. وتحويل الطاقة الكهرومغناطيسية التي تأخذ مجراها عندما يكون التغير في الفيض المغناطيسي متبوع بحركة ميكانيكية. وفي المولدات الدوارة يتولد فرق جهد في الملفات، أو في مجموعة منها، عند دورانها ميكانيكياً عبر مجال مغناطيسي يقطعها، أو بوساطة تصميم الدائرة المغناطيسية بحيث تتغير الممانعة المغناطيسية مع دوران الجزء المتحرك Rotor. وبأي من هذه الطرق فإن فيض المغناطيس المرتبط بهذه الملفات يتغير بطريقة دورية، وبذلك نحصل على جهد متغير بالنسبة للزمن، وذلك بواسطة تصميم مجموعة من هذه الملفات موصلة مع بعضها تُسمى ملفات عضو الإنتاج Armature. (اُنظر صورة مولد هيدروكهربائي Rotor) حيث يُمثل عضو الإنتاج للمولد (الجزء المتحرك) جهداً مستمراً، وفي المولد غير المتزامن يكون عضو الإنتاج هو الجزء الثابت Stator. (اُنظر صورة مولد هيدروكهربائي Stator)

وعموماً تُلف هذه الملفات على قلب من الحديد، للحصول على أكبر قيمة ازدواج بينها لزيادة قيمة كثافة الطاقة المغناطيسية المصاحبة مع التفاعل الالكتروميكانيكى وإلي شكل المجال المغناطيسي وتوزيعها بالنسبة إلى متطلبات تصميم كل مولد على حدة. ولأن حديد عضو الإنتاج مُعرض إلى تغير الفيض بالنسبة للوقت تتولد فيه التيارات الدوامية Eddy-Current. ولتقليل فقد التيارات الدوامية، يصنع حديد عضو الإنتاج من صفائح رقيقة.

وتُزدوج الدائرة المغناطيسية من خلال عضو مولد آخر، أو ملفات إثارة، أو ملفات مجال، توضع على عضو الإنتاج؛ ليمثل مصدر أولي للفيض المغناطيسي، ويمكن استخدام مغناطيس دائم في المولدات الصغيرة.

وتأخذ مولدات القوى الدوارة عدة أشكال وتُسمى بعدة أسماء منها، "التيار المستمر"DC، و"المتزامنة" Synchronous، و"المغناطيس الدائم" Permanent-magnet، و"التأثيرية" Induction، و"بقاء المغناطيسية" Hysteresis.