يُعد اختيار التيار المتردد بدلاً من التيار المستمر لكهرباء المنازل نتيجة شاملة تستند إلى كفاءة نقل الطاقة، وتوافق المعدات، والتطور التكنولوجي التاريخي. ويتمحور المنطق الأساسي حول "كيفية نقل الكهرباء من محطات الطاقة البعيدة إلى آلاف المنازل بتكلفة منخفضة وخسارة منخفضة".

1. الميزة الأساسية للتيار المتردد هي التنفيذ الفعال لنقل الطاقة لمسافات طويلة.

هناك فجوة جغرافية طبيعية بين إنتاج الطاقة واستهلاكها، فمحطات الطاقة الكبيرة (مثل محطات الطاقة الكهرومائية والحرارية) غالبًا ما تُبنى في مناطق غنية بالموارد أو بعيدة عن المدن، وتحتاج إلى نقل الكهرباء لمئات أو حتى آلاف الكيلومترات إلى المناطق السكنية. خلال هذه العملية، عندما يمر التيار عبر خطوط النقل، تحدث خسائر حرارية بسبب مقاومة الأسلاك (وفقًا لقانون جول: الخسائر تتناسب طرديًا مع مربع التيار). إذا لم تُسيطر على الخسائر، فستُهدر كمية كبيرة من الكهرباء أثناء النقل، مما يؤدي إلى ارتفاع كبير في تكاليف إمدادات الطاقة.

تكمن القيمة الأساسية للتيار المتردد في قدرته على تحقيق "ارتفاع وانخفاض الجهد" بسهولة من خلال المحولات (أجهزة ذات بنية بسيطة وتكلفة منخفضة ولا تحتوي على أجزاء متحركة):

• تعزيز محطة الطاقة: يبلغ جهد التيار المتردد المُولّد من محطة الطاقة حوالي 12000 فولت، ويُرفع هذا الجهد أولاً إلى جهد عالٍ يبلغ 115 كيلو فولت، أو 230 كيلو فولت، أو حتى 765 كيلو فولت بواسطة مُحوّل تعزيز. ووفقًا لمعادلة القدرة، في ظل ثبات إجمالي القدرة، فإن زيادة الجهد تُقلل التيار بشكل كبير، مما يُقلل من فقدان الحرارة في خط النقل (على سبيل المثال، إذا رُفع الجهد بمقدار 10 أضعاف وانخفض التيار إلى 1/10، فإن الخسارة تكون 1/100 فقط من القيمة الأصلية)، ويمكن التحكم في فقدان النقل النهائي في حدود 5%.

• تخفيض الجهد الكهربائي قبل دخول المنزل: بعد وصول الكهرباء إلى المدينة، يتم تخفيضها أولاً إلى حوالي 12 كيلو فولت بواسطة محول تخفيض الجهد في المحطة الفرعية، والذي يستخدم للتوزيع المحلي داخل المدينة؛ وأخيرًا، يتم تخفيض الجهد إلى معايير منزلية آمنة (مثل 120 فولت في أمريكا الشمالية و230 فولت في الصين / أوروبا) من خلال محولات صغيرة تقع في المناطق السكنية أو الشوارع، لتجنب خطر الجهد العالي على صحة الإنسان والأجهزة المنزلية.

على الجانب الآخرنظرًا لثبات جهده واتجاه تياره، لا يستطيع التيار المستمر توليد مجال مغناطيسي متغير. ويعتمد مبدأ عمل المحولات على "مجالات مغناطيسية متغيرة تُحفّز الجهد"، لذا لا يمكن للتيار المستمر تحقيق ارتفاع وانخفاض في الجهد عبر المحولات التقليدية. عند استخدام نقل التيار المستمر قسرًا، لا يمكن نقله إلا بجهد منخفض وتيار مرتفع، مما يؤدي إلى خسائر عالية جدًا في الخطوط (على سبيل المثال، قد يتجاوز فقدان خط تيار مستمر بطول 100 كيلومتر 50%)، مما يُجبر على بناء محطات توليد الطاقة بالقرب من المستخدمين (عادةً في نطاق ميل واحد)، وهو ما لا يلبي احتياجات إمدادات الطاقة واسعة النطاق في المدن.

2. التوافق الطبيعي بين التيار المتردد والأجهزة المنزلية.

في الحياة اليومية، تعتمد الأجهزة المنزلية (من الكبيرة إلى الصغيرة) في الغالب على التيار المتردد، أو تكون أكثر ملاءمةً له. ينبع هذا التوافق من خصائص التيار المتردد ومزاياه من حيث التكلفة.

• مناسب لأنواع المحركات السائدة: الثلاجات، والغسالات، ومكيفات الهواء، وشفاطات المطبخ، وغيرها من الأجهزة المنزلية الكبيرة، حيث تُشكّل محركات التيار المتردد الحثية عنصر الطاقة الأساسي. يتميز هذا النوع من المحركات ببنية بسيطة (دون الحاجة إلى مكونات حساسة مثل المبدلات)، ومعدل أعطال منخفض، وتكلفة معقولة، ويمكنه الاستفادة مباشرةً من خصائص التيار المتردد المتناوب لتحقيق بدء تشغيل ذاتي دون الحاجة إلى مكونات تحكم إلكترونية إضافية. تتطلب محركات التيار المستمر (مثل محركات التيار المستمر ذات الفرشاة القديمة) مبدلات ميكانيكية لتغيير اتجاه التيار، وهو عرضة للتآكل وذو عمر افتراضي قصير. حتى محركات التيار المستمر الحديثة عديمة الفرشاة تتطلب وحدات تحكم معقدة للعمل، وقد صُنعت تاريخيًا بتكاليف أعلى بكثير من محركات التيار المتردد.

• متوافق مع معدات التدفئة والإضاءة: على الرغم من توافق معدات التسخين بالمقاومة، مثل الأفران الكهربائية وسخانات المياه والسخانات الكهربائية، نظريًا مع التيارين المتردد والمستمر (حيث يُولّد مرور التيار عبر المقاومات حرارة)، إلا أن التيار المتردد هو معيار موحد لشبكة الطاقة، ولا يتطلب محولات إضافية من "التيار المتردد إلى التيار المستمر"، مما يُقلل بشكل كبير من تكاليف الإنتاج ومعدلات الأعطال. كما يُمكن توصيل المصابيح المتوهجة القديمة، ومصابيح الفلورسنت الحديثة، مباشرةً بشبكة الطاقة المترددة للتشغيل؛ على الرغم من أن مصابيح LED الحديثة تعمل أساسًا بالتيار المستمر، إلا أنها تحتاج فقط إلى مُقوّم صغير (بتكلفة منخفضة للغاية) داخليًا للتكيف مع التيار المتردد المنزلي دون تغيير بنية شبكة الطاقة.

3. لقد أدت "حرب التيار الكهربائي" إلى ترسيخ الموقف المهيمن للتيار المتردد في أواخر القرن التاسع عشر، مما أدى بشكل مباشر إلى أن يصبح التيار المتردد هو المعيار العالمي للكهرباء المنزلية.

خلف ذلك كانت هناك منافسة عملية بين مسارين تكنولوجيين:

• حدود حلول التيار المستمر التي طرحها إديسون: روّج المخترع إديسون في البداية لأنظمة إمداد الطاقة بالتيار المستمر، وبنى أولى محطات توليد الطاقة بالتيار المستمر في نيويورك. ومع ذلك، وكما ذُكر سابقًا، لا يمكن نقل التيار المستمر لمسافات طويلة، ويقتصر نطاق إمداده بالطاقة على ميل واحد حول محطة الطاقة. ولتجنب الخسائر، يلزم استخدام أسلاك سميكة (وهي مكلفة) ولا تلبي احتياجات التوسع العمراني.

• اختراق في حل التيار المتردد من شركة تيسلا: اخترع الفيزيائي تيسلا نظام تيار متردد متعدد المراحل ومحركًا حثيًا يعمل بالتيار المتردد، مما حلّ المشكلات الجوهرية لنقل التيار المتردد وتطبيقاته. تبنّت شركة وستنجهاوس إلكتريك هذه الخطة، ونجحت في استخدام التيار المتردد لتشغيل معرض شيكاغو العالمي عام ١٨٩٣ (إِضاءة عشرات الآلاف من المصابيح)، ثمّ بناء نظام نقل التيار المتردد لمحطة نياجرا للطاقة الكهرومائية (لتوصيل الكهرباء إلى بوفالو، على بُعد ٣٥ كيلومترًا). تُبرهن هذه الحالات على قابلية توسّع التيار المتردد، مُتغلبةً بذلك على حلول التيار المستمر تمامًا، ومُرسّخةً مكانته العالمية في مجال الكهرباء المنزلية.

4. حدود تطبيق التيار المستمر الحديث: الاعتماد على شبكة الطاقة المترددة.

في الوقت الحاضر، يتم استخدام التيار المستمر على نطاق واسع في توليد الطاقة الشمسية، وتخزين طاقة البطاريات، والأجهزة الإلكترونية، لكنه لم يحل محل موقع التيار المتردد الأساسي في الاستخدام المنزلي.

• تحويل الطاقة المتجددة من التيار المستمر إلى التيار المتردد: تولد الألواح الشمسية تيارًا مستمرًا بشكل مباشر، كما تخزن بطاريات تخزين الطاقة المنزلية التيار المستمر أيضًا، ولكن هذه الكهرباء تحتاج إلى تحويلها إلى تيار متردد من خلال "العاكسات" قبل أن تتمكن من توصيلها بشبكة الطاقة المنزلية لتزويد الأجهزة المنزلية - والتي لا تزال تعتمد بشكل أساسي على المعيار الموحد للتيار المتردد.

• مكمل للتيار المستمر عالي الجهد (HVDC): تستخدم أنظمة نقل الطاقة الحديثة لمسافات طويلة (مثل شبكات الطاقة عبر الحدود، ومزارع الرياح البحرية إلى اليابسة) تيار مستمر عالي الجهد (مع خسائر أقل من التيار المتردد)، ولكن بعد وصول الكهرباء إلى شبكة التوزيع الحضرية، لا يزال يتعين تحويلها إلى تيار متردد قبل أن يمكن استخدامها في المنازل.

باختصار، يعد التطبيق الحديث للتيار المستمر مكملاً لشبكة الطاقة المترددة، وليس بديلاً عنها - حيث لا تزال الاحتياجات الأساسية للكهرباء المنزلية (بعيدة المدى، ومنخفضة التكلفة، ومتوافقة مع أجهزة متعددة) يتم تلبيتها بشكل مثالي بواسطة التيار المتردد.