الدائرة الكهربائية: التعريف ، الأنواع ، المكونات (ث / أمثلة ومخططات)

تتكون الأسلاك الكهربائية في منزلك التي تحافظ على الكمبيوتر المحمول وشاحن الهاتف وأدوات أقل مثل الثلاجات والمواقد من عدد من الدوائر الكهربائية المترابطة. هذه متصلة بأي مصدر طاقة يمد منزلك بالكهرباء.

الغرض من الدوائر هو الحصول على الكهرباء وإمكانياتها الكبيرة من الطاقة في المكان الذي تحتاجه بالضبط ، واحتواء الآثار الضارة المحتملة للكهرباء في هذه العملية.

ما الذي يحدث داخل كل تلك الأسلاك ، والتي تكون في الغالب بعيدة عن أنظارك؟ للبدء بالأساسيات ، تتحرك الإلكترونات الحرة في وجود مجال كهربائي ، لأسباب فيزيائية سيتم وصفها لاحقًا. إذا تم إعطاؤهم مسارًا مغلقًا يتدفقون فيه ، فيمكن إنشاء دائرة كهربائية.

تتكون الدائرة البسيطة فقط من مصدر جهد (فرق الجهد الكهربائي) ؛ وسيط يمكن من خلاله أن تتدفق الإلكترونات ، وعادة ما يكون سلكًا ؛ وبعض مصادر المقاومة الكهربائية في الدائرة. ومع ذلك ، فإن معظم الأمثلة الواقعية أكثر تعقيدًا بكثير ، وتوجد أنواع متعددة من الدوائر الكهربائية ، وكلها ضرورية للتدفق الفعال للكهرباء.

العناصر المفاهيمية الأساسية في عالم الكهرباء هي التيار والجهد والمقاومة. قبل استكشاف هذه ، من الضروري النظر بشكل أعمق قليلاً ، والعودة إلى فكرة الإلكترونات الحرة. يحمل الإلكترون شحنة سالبة بحجم 1.60 × 10

تم توحيد "شحنة الوحدة" في الفيزياء على أنها موجبة ولها نفس حجم الشحنةهعلى الإلكترون. الشحنة الموجبة الموضوعة بالقرب من طرف موجب ستشهد "تنافر" و "تريد" الابتعاد عن الطرف ، وكل ذلك بقوة أكبر مع اقتراب المسافة من الصفر. في هذه الحالة ، يكون للشحنة جهد كهربائي أعلى مما هو عليه على مسافة أبعد.

وبالتالي فإن "الشحنة" ("موجبة" ضمنية ما لم يذكر خلاف ذلك) تتدفق من مناطق ذات جهد أعلى إلى مناطق جهد أقل. هذا هو فرق الجهد أو الجهد المشار إليه في الفيزياء ، ويحدد حجمه جزئيًا تدفق التيار في الدائرة. يأتي التيار الكهربائي في شكل تيار متناوب (تدفق طوري "متوتر") وتيار مباشر (تدفق موحد) ؛ هذا الأخير هو المعيار الحديث المستخدم في شبكات الطاقة الكهربائية.

• يتم قياس التدفق الحالي باستخدام جهاز يسمىمقياس التيار الكهربائي. يمكن عادةً استخدام نفس الجهاز كملفالفولتميترلقياس فرق الجهد.

يمكن تلخيص القسم السابق إلى حد كبير من خلال قانون رياضي بسيط يسمى قانون أوم:

أينأناالحالي فيأمبير(C / s) ، V هو الجهد ، أو فرق الجهد ، فيفولت(جول لكل C أو J / C ؛ لاحظ مصطلح الطاقة في المقام) ورهي المقاومة فيأوم​ (Ω).

في دارة متسلسلة ، مقاومة الفردالمقاوماتتضاف معًا لحساب مقاومة الدائرة ككل. في الدوائر المتوازية ، التي ستقرأ عنها قريبًا ، القاعدة هي:

أينر₁، ر₂وما إلى ذلك هي القيم الفردية لـنالمقاومات في الدائرة الموازية.

الدائرة عبارة عن حلقة مغلقة تتدفق من خلالها الشحنة الكهربائية نتيجة لجهد القيادة. التيار هو معدل التدفق ، ويقاس على أنه مقدار الشحنة التي تمر في نقطة معينة في الدائرة لكل وحدة زمنية.

في بعض الأحيان يكون من المفيد التفكير في التيار في دائرة سلكية على أنه مشابه لتدفق المياه عبر الأنابيب. سوف تتدفق المياه من مناطق ذات طاقة كامنة عالية إلى مناطق ذات طاقة كامنة منخفضة. سيحتاج بعض المصادر بعد ذلك إلى استخدام الطاقة لرفع المياه لأعلى بحيث تتدفق إلى أسفل التل. من أجل الحصول على تدفق مستمر للمياه ، بمجرد وصول الماء إلى القاع ، يجب رفعه مرة أخرى إلى الأعلى.هذا الإجراء المتمثل في رفع الماء احتياطيًا إلى الأعلى هو في الأساس ما تفعله البطارية أو مصدر الطاقة في الدائرة الكهربائية.​

الهدف من الدائرة هو عمل شيء مفيد مع تدفق الشحنات هذا. تتضمن جميع الدوائر نوعًا من العناصر المقاومة التي تعمل على إبطاء تدفق الشحنة ، تمامًا كما يعمل السد على إبطاء تدفق المياه من الخزان. إذا تمت إضافة مصباح كهربائي إلى دائرة كهربائية ، على سبيل المثال ، فإنه يؤدي إلى إبطاء تدفق الشحنة وتحويل الطاقة المرتبطة بها إلى ضوء.

غالبًا ما يكون من المفيد رسم مخطط لدائرة إذا أعطيت مزيجًا منالسادسوروطلب حل الكمية المجهولة. للقيام بذلك ، استخدم مجموعة من الرموز لتبسيط الرسم التخطيطي.

•••دانا تشين | علم

ثم يتم توصيل هذه الرموز بخطوط مستقيمة لإنشاء مخطط دائري.

•••دانا تشين | علم

أسلسلة الدائرةيحتوي على عناصر متصلة في سلسلة ، أو واحدة تلو الأخرى بدون تشعب السلك. التيار المتدفق عبر جميع العناصر المتصلة في سلسلة هو نفسه ، بغض النظر عن عدد المقاومات التي يتم مواجهتها على طول الطريق.

أالتوصيل بالتوازييحتوي على عناصر متصلة بشكل متوازٍ - أي نقطة واحدة في فروع الدائرة ، مع انتقال الأسلاك إلى عنصرين مختلفين ، ثم تنضم الفروع مرة أخرى.الجهد عبر كل عنصر متصل بالتوازي هو نفسه.​

اندائرة مفتوحةهو واحد لا يمكن أن يتدفق فيه أي تيار لأن الحلقة تنكسر في مرحلة ما. أدائرة مغلقةهي الحلقة التي تتشكل فيها الحلقة الكاملة ويمكن للتيار أن يتدفق. من الواضح أن الدراسة الأخيرة تميل إلى أن تكون أكثر إثارة للاهتمام.

أدائرة مقصورةهو أحد العناصر التي يتم فيها تجاوز العناصر المقاومة ويكون التدفق الحالي مرتفعًا جدًا. هذه غير مرغوب فيها بشكل عام ، ويتم تثبيت الأجهزة التي تسمى قواطع الدائرة في الدوائر "لكسر" (فتح) الدائرة الكهربائية ووقف تدفق التيار للحماية من التلف الذي يلحق بالدائرة الكهربائية والأجهزة الكهربائية ، وللحماية من ذلك حرائق.

1. تشتمل الدائرة المتسلسلة على مصدر طاقة 9 فولت (بطارية ، في هذه الحالة) وأربعة مقاومات بقيم مقاومة 1.5 و 4.5 و 2 و 1. ما هو التدفق الحالي؟

أولاً ، احسب المقاومة الإجمالية. بتذكر القاعدة الواردة في القسم السابق ، هذا هو ببساطة 1.5 + 4.5 + 2 + 1 = 9. وبالتالي فإن التدفق الحالي

2. تخيل الآن نفس الجهد وأربعة مقاومات ، ولكن مع وجود مقاومات 1.5-Ω و 4.5-موضوعة على التوازي والمقاومات الأخرى مرتبة كما كانت من قبل. ما هو التدفق الحالي؟

هذه المرة ، احسب المقاومة في الجزء الموازي من الدائرة. هذا معطى من قبل 1 /ر​ = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. ​لا تنس أن تأخذ المعاملة بالمثل لهذا الرقم لتحصل علىر​!هذا معطى من خلال 1 / 0.89 = 1.13 Ω.

يمكنك الآن التعامل مع هذا الجزء من الدائرة كعنصر مقاوم واحد بمقاومة 0.89 Ω ، ويتم حل المشكلة بالكامل كما هو الحال مع دائرة سلسلة: R_توت = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. هذا يسمح لك بحل التيار مرة أخرى:V / R_توت= 9 فولت / 4.13 Ω =2.18 أ​.

3. أخيرًا ، بناءً على الإعداد في المثال السابق ، ادمج المقاومات 2-Ω و 1-في دائرة موازية ، مما ينتج عنه مجموعتين من الدوائر المتوازية التي تم ترتيبها في سلسلة. ما هو التدفق الحالي الآن؟

حل من أجل مقاومة الدائرة الموازية الجديدة: 1 /ر= 1/1 + 1/2 = 1.5 ؛ R = 2/3 = 0.67 Ω. وبالتالي تكون المقاومة الإجمالية 1.13 + 0.67 = 1.79 أوم. وبالتالي ، فإن التيار في الدائرة المعاد تجديدها هو 9 فولت / 1.79 Ω =5.03 أ​.

توضح هذه الأمثلة أن توزيع المقاومة عبر المقاومات المتوازية يزيد من كمية التيار المتدفق عن طريق خفض المقاومة الكلية ، لأن الجهد لا يتغير.