ستناول في هذه المقالة اساسيات الدوائر الكهربائية التى تتحدث عن مفهوم الدوائر الكهربائية وطرق توصيل الدوائر الكهربائية وبنهاية المقالة هناك مجموعة أمثلة تطبقية.
مفهوم الدوائر الكهربائية
تنتج دارة كهربائية عن طريق توصيل عدة أجهزة ثنائية الأقطاب مع بعضها بحيث تكون شبكة مغلقة حتى تعمل ولتبسيط ذلك نأخذ دارة بسيطة تتكون من بطارية ومصباح ومفتاح عند غلق الدارة نلاحظ إضاءة المصباح وذلك بسبب مرور تيار كهربائي. كما هو موضح في الشكل 1.
الشكل 1: نموذج لدارة كهربائية مفتوحه
سميت الدارة الكهربائية بدائرة لأن تيار كهربائي لا يسري في الدائرة إلا إذا كانت الدائرة مغلقة مثل الدائرة, وسميت بكهربائية لأن عملها يعتمد على الكهرباء.
محتويات
توصيلات دوائر الكهربائية
تتفاوت أنواع التوصيل بين الدارات الكهربائية وفقاً لنوع التّيار الساري فيها, سواء كان متردداٌ أو مستمراُ, كما يعتمد على مكونات الدائرة نفسها لتحديد نوع التوصيل, ومن هذه الطرق ما يلي: التوصيل على التوالي , والتوصيل على التوازي
التوصيل على التوالي
يسير التيار في دائرة توصيل على التوالي بنفس الشدة,أي أن شدة التيار في كل عضو في الدائرة هي نفسها ولا تتغير. مقاومة المكافئة في حالة توصيل توالي هي مجموع المقاومات بحيث تكون قيمة المقاومة المكافئة أكبر من أكبر قيمة.
Rtot=R1+R2+R3….etc
مثال: المقاومات الثلاثة(4,8,12) تم توصيلهم على التوالي بطارية 24V, المطلوب احسب مقاومة مكافئة؟ شدة التيار في الدارة؟
الحل:
المقاومة المكافئة=4+8+12
=24اوم
لحساب مقدار شدة التيار نستخدم قانون أوم , الجهد = المقاومة * التيار , التيار =الجهد/المقاومة المكافئة.
التيار = 24/24
=1أمبير
التوصيل على التوازي
عند توصيل عنصرين أو أكثر في دائرة كهربائية على التوازي يقع على كل عنصر نفس فرق الجهد الكهربائي, أي أن فرق الجهد واحد على طرفي جميع المقاومات. أما في حالة توصيل على التوازي فإن المقاومة المكافئة تكون أقل من أقل مقاومة في الدارة لأن العلاقة الخاصة بجمع قيم المقاومات علاقة كسرية.
(Rtot/1=1/R1+1/R2+1/R3…etc)
مثال: المقاومات الثلاثة (2,3,1) تم توصليهم على التوازي أحسب مقدا المقاومة المكافئة؟
1/(مقاومة المكافئة)=1/1+1/3+1/2
=11/6
مقاومة المكافئة=6/11أوم
طرق تحليل الدوائر الكهربائية
طرق التحليل هي طرق يمكن من خلالها معرفة قيم ومتغيرات جميع عناصر الدوائر الكهربائية من خلال معرفة بعضها , الحصول على تيار كهربائي يساوي 1مل أمبير وانا امتلك مصباحا كهربائياٌ مقاومته 200أوم , فإنني أقوم بحساب فرق الجهد من خلال قانون أوم: ج=م*ت
ج=200*0.001
ج=0.2فولت , إذن فإنني بحاجة إلى بطارية بفرق جهد مقداره0.2 من فولت
1) ومن أهم وأبسط قوانين التيار الكهربائي هو :قانون أوم الذي يتحدث عن علاقة التيار الكهربائي ويرمز له (ت) أو (i) وفرق الجهد ويرمز له (ج) أو (V) وقيمة مقاومة التيار ويرمز لها (م) أو (R). والمعادلة التالية هي الصيغة المبسّطة لقانون أوم.
(ج = م * ت أو V = I*R ).
2) قانونا كيرشوف وهما قانونان يستخدمان في حل الدوائر الكهربائية:
قانون التيار: وينص على أن مجموع التيارات الداخلة إلى نقطة تفرع يساوي مجموع التيارات الخارجة. وهو ناشئ من مبدأ حفظ الشحنة الكهربائية أنظر قانون بقاء الشحنة.
قانون الجهد: وينص على أن مجموع فروق الجهود على حلقة مغلقة يساوي صفراً. أي أنه لا يتغير جهد كهربائي عند نقطة إذا خرجنا منها ثم عدنا إليها عبر مسار مغلق. وهو ناشئ من مبدأ حفظ الطاقة أنظر بقاء الطاقة.
3) نظريتا ثيفينين ونورتون
نظرية ثيفنين تنص على أن أي طرفين في الدارة (قابس كهربائي على سبل المثال) يمكن استبدالهما بـمصدر جهد واحد موصول على التوالي مع مقاومة واحدة.
لتطبيق هذه النظرية نتبع الخطوات التالية:
1.نحدد العنصر المراد دراسته.
2.نفصل العنصر المراد دراسته من الدارة، فيترك مكانه نقطتين A وB وتكون بينهما الدارة مفتوحة.
3.نقوم بحساب فرق الكمون بين النقطتين، والذي سيمثل Et، وذلك باستخدام قوانين كرشوف أو إحدى النظريات.
4.نقوم بحساب المقاومة المكافئة Rtبعد إلغاء جميع المنابع.
5.نقوم بتركيب دارة تيفنن المكافئة والمكوّنة من الحمل المطلوب دراسته موصولا على التسلسل مع المنبع Etوالمقاومة Rt, كما هو موضح في الشكل 4.
الشكل 4: دارة ثيفينين المكافئة
ونظرية نورتون تنص على أن أي طرفين في الدارة يمكن استبدالهما بـمصدر تيار وحيد موصول على التوازي مع مقاومة واحدة.كما هو موضح في شكل 3.
شكل3:دائرة ثيفينين ونورتون.
4) نظرية التراكب: (بالإنجليزية: Superposition) وهذه النظرية عامة تستخدم في أي نظام خطي. وتنص على أنه لكل نظام يحتوي على أكثر من مصدر (بالإنجليزية Source) يشتركون في التأثير على الناتج أو المخرج (بالإنجليزية Output أو Sink). فإنه يمكن حساب المخرج أو الناتج الكلي من خلال حساب المجموع الجبري لكل نواتج كل مصدر على حدة عند تخميد(عدم تفعيل) بقية المصادر في كل مرة. لنأتي إلى الدوائر الكهربائية: يتم حساب الناتج وهو التيار الكهربائي أو الجهد الكهربائي في نقطة معينة في الدارة الكهربائية كالتالي:
نختار مصدر تيار أو مصدر جهد ونقوم بإلغاء تفعيل بقية مصارد التيار والجهد على النحو الآتي:
مصدر جهد يصبح دارة مغلقة أو ما يسمى بالدارة القصيرة.
مصدر التيار يصبح دارة مفتوحة.
المصادر المعتمدة على مصادر أخرى لا تتغير.
نقوم بحساب الناتج المعين حسب الحاجة على فرض أن المصدر الفعال الوحيد هو المصدر الذي اخترناه.
نعيد حساب الناتج باختيار مصدر آخر وتخميد المصادر الباقية. بمعنى اعادة الخطوة 1 و 2 .
الناتج النهائي يساوي المجموع الجبري للنواتج الجزئية التي حسبناها في الخطوات السابقة
الناتج النهائي = ناتج1 + ناتج2 + ناتج 3+…. + ناتج ن, كما هو موضح بالشكل 4.
الشكل 4: يمثل دارة Superposition تحتوي على مصدرين جهد.
أمثلة وتطبيقات على الدوائر الكهربائية
1- من الدارة بالشكل التالي أوجد المقاومة الكلية Rt,والتيار الكلي I.
Rt=R1+R2+R3
Rt=2+1+5
Rtot=8
I=V\Rtot
I=20\8
I=2.5A
يقدم معهد برادفورد الدورة التدريبية في تصميم الأنظمة الكهربائية
وبذلك نكون قد ألقينا الضوء على أهم اساسيات الدوائر الكهربائية آملين من الله أن نكون قد قدمنا الفائدة لقراء مدونة برادفورد الأعزاء.
