درس الكهرباء فيزياء سنة ثامنة :مكونات الدارة وتركيبها بالتسلسل والتوازي والازدواج الثلاثي2

الكاتب

نزار لطفي

متابعة

كاتب ومحرّر مقالات في جريدة أسبوعيّة محلّيّة

الدوائر الكهربائية تُستخدم لتوصيل الكهرباء وتشغيل الأجهزة. تختلف مكوناتها وطريقة تركيبها بناءً على الغرض المطلوب. فيما يلي وصف لمكونات الدائرة الكهربائية وتركيبها بالتسلسل والتوازي والازدواج:

مكونات الدائرة الكهربائية:

1- مصدر الطاقة:

- مثل البطارية أو المولد الكهربائي.

- يوفر الطاقة اللازمة لتشغيل الدائرة.

2. الموصلات:

- أسلاك أو مواد ناقلة للكهرباء (مثل النحاس).

- تُستخدم لتوصيل مكونات الدائرة.

3.المفتاح الكهربائي:

- يتحكم في تشغيل أو إيقاف الدائرة.

4. المقاومات:

- تقلل أو تتحكم في تدفق التيار.

5. الأجهزة الكهربائية:

- مثل المصابيح أو المحركات أو الأجهزة الأخرى التي تستهلك الطاقة.

6. العوازل:

- مواد تحيط بالأسلاك لمنع حدوث تماس كهربائي.

7. المكونات الإضافية (اختيارية):

- المكثفات، والملفات، والترانزستورات، والدايودات حسب تصميم الدائرة.

تركيب الدائرة الكهربائية:

1. التوصيل بالتسلسل (Series Connection)

- الوصف:

- يتم توصيل المكونات الواحدة تلو الأخرى في خط مستقيم.

- التيار يمر عبر جميع المكونات بالتتابع.

- الخصائص:

- التيار نفسه يمر في جميع المكونات.

- الجهد الكلي يتوزع على المكونات.

- عطل أي مكون يؤدي إلى توقف الدائرة بالكامل.

- الاستخدامات:

- الإضاءة البسيطة، والدوائر منخفضة التكلفة.

2. التوصيل بالتوازي (Parallel Connection)

- الوصف:

- يتم توصيل جميع المكونات على شكل فروع بحيث تكون نهاياتها مرتبطة بمصدر الطاقة نفسه.

- الخصائص:

- الجهد ثابت على جميع المكونات.

- التيار الكلي يتوزع بين الفروع حسب مقاومة كل مكون.

- عطل أحد الفروع لا يؤثر على الفروع الأخرى.

- الاستخدامات:

- أنظمة الإضاءة في المباني، والأجهزة التي تتطلب جهدًا ثابتًا.

3. التوصيل المزدوج (Combination Circuit)

- الوصف:

- مزيج من التوصيل بالتسلسل والتوازي في الدائرة نفسها.

- يتم ترتيب بعض المكونات على التوالي وأخرى على التوازي.

- الخصائص:

- يحقق توازنًا بين مزايا التوصيل بالتسلسل والتوازي.

- أكثر مرونة وتعقيدًا.

- الاستخدامات:

- الأجهزة المعقدة، وأنظمة التحكم، ولوحات التوزيع الكهربائية.

مقارنة بين التوصيلات:

التوصيل التيار الجهد الموثوقية الاستخدام

التسلسل ثابت في كل المكونات موزع منخفضة أجهزة بسيطة

التوازي موزع بين الفروع ثابت عالية أنظمة إضاءة

المزدوج متنوع حسب المزيج متنوع متوسطة إلى عالية أنظمة معقدة

مكونات الدارة الكهربائية هناك أربعة أجزاء رئيسية يجب أن تتوفر في أيّ دارة كهربائية مهما كانت بسيطة، وهي:

مصدر الطاقة: (بالإنجليزية: Power Source)

هو الجزء الذي يوفر الطاقة اللازمة لنقل الكهرباء عبر الدارة الكهربائية، ويتمّ اختياره اعتمادًا على متطلبات الجهد الكهربائي، ومثال عليه: البطارية، والمخارج الكهربائية. الحِمل الكهربائي: (بالإنجليزية: Load)، هو الجهاز الذي يستهلك الطاقة، وتمّ تصميم الدارة الكهربائية لتشغيله، كالمصباح الكهربائي البسيط. أسلاك التوصيل: (بالإنجليزية: Wires)، هي أسلاك تُصنع من النحاس أو الألومنيوم، وظيفتها نقل التيار الكهربائي بالكفاءة اللازمة، وتفقد أقل مقدار من الطاقة أثناء عملية النقل.

المفتاح الكهربائي:

هو الجهاز الذي يفتح ويغلق الدارة الكهربائية دون الحاجة إلى فصل الأسلاك عن أي مكوّن، وتسمى الدارة الكهربائية التي يكون فيها المفتاح الكهربائي مغلقاً، وجميع الأسلاك موصولة وقادرة على نقل الكهرباء في جميع الأجزاء (الدارة الكهربائية المغلقة)، أمّا (الدارة الكهربائية المفتوحة) هي الدارة التي يكون المفتاح فيها مفتوحاً، أو تكون الأسلاك غير موصولة معاً. تُصنّف عناصر الدارة الكهربائية إلى فئتين، هما:

العناصر الفعّالة: (بالإنجليزية: Active Elements)

هي العناصرة القادرة على إيصال الطاقة للدارة الكهربائية عن طريق تحويل الطاقة من مصادر الطاقة غير الكهربائية إلى طاقة كهربائية، ومن الأمثلة عليها البطارية، إذ تحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، والخلية الشمسية التي تحوّل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، بالإضافة إلى الترانستور، والصمام الثنائي.

العناصر غير الفعّالة: (Passive Elements)

على عكس العناصر الفعالة، تستهلك هذه العناصر الطاقة الكهربائية عوضًا عن تزويد الدارة الكهربائية بها، ومن الأمثلة عليها: المقاومة الكهربائية، والمكثف، والمحث (الملف الكهربائي). البطارية تمثل البطارية أحد المصادر الرئيسية التي تعتمد عليها الدارة الكهربائية كي تعمل، حيث تدفع الطاقة الكهربائية -التي تَنْتُج عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية- التيار ليتدفق عبر الدارة، ومن الجدير بالذكر أنّه من الممكن أن يتمّ توصيل بطاريات مختلفة على التوالي للحصول على المزيد من الجهد.

الأسلاك

تتمثل أهمية الأسلاك بأنّها تصل بين جميع مكونات الدارة الكهربائية، كما يتدفق التيار بسهولة عبرها حتى تعمل جميع عناصر الدارة الكهربائية، لذا يجب أن تُصنع هذه الأسلاك من موصلات كهربائية تتسم بمقاومتها المنخفضة للتيار الكهربائي، ويُعدّ كل من النحاس والألومنيوم من الموصلات الأكثر استخدامًا في صناعة الأسلاك، بينما يتمّ استخدام الذهب غالبًا لربط الأسلاك مع الرقائق الإلكترونية الصغيرة؛ بسبب مقاومته الكبيرة للتآكل.

المقاومة

سُميت المُقاومة (بالإنجليزية: Resistor) بهذا الاسم؛ لأنّها تقاوم تدفق التيار؛ حيث إنّ بعض العناصر في الأجهزة الإلكترونية حساسة للغاية تجاه التيار الكهربائي، ويمكن أن تحترق فيما لو زاد تدفق التيار على نحو مفاجئ، هنا يأتي دور المقاوم، إذ يمنع المقاوم الزيادة في تدفق التيار، لذا تُعدّ المقاومة عنصراً أساسياً في الدارة الكهربائية،[٤] ومع المقاومة القليلة تسمح المعادن ذات الموصلية العالية والمقاومة المنخفضة كالفضة والنحاس تنقل الإلكترونات بحرية بين الذرات،[٦] ويعتمد عدد المقاومات اللازم وضعها في الدارة على حساب قيمة التيار المتدفق المُراد مقاومته، وكلما زادت المقاومة، زادت قدرة الدارة على مقاومة التيار.[٤] تقاس المقاومة بوحدة الأوم (بالإنجليزية: Ohm)، نسبة إلى العالم الفيزيائي الألماني جورج سيمون أوم (بالإنجليزية: Georg Simon Ohm)، ويُعرّف الأوم بأنّه مقاومة دارة يتدفق فيها تيار بمقدار 1 أمبير عند فرق جهد مقدراه 1 فولت، ويمكن حساب المقاومة الكهربائية باستخدام قانون أوم الذي ينص على أنّ المقاومة تساوي فرق الجهد مقسومًا على شدّة التيار، ويعبر عنها من خلال المعادلة الرياضية الآتية:[٦] م = ج ÷ ت م: المقاومة ج: فرق الجهد ت: شدّة التيار المفتاح المفتاح (بالإنجليزية: Switch) هو المكوِّن الذي يتحكم بالسماح بتدفق التيار الكهربائي عن طريق فتح أو إغلاق الدارة الكهربائية من قِبل المُستخدِم، لذا يُعدّ وجوده في أيّ دارة كهربائية أساسيًا، ويكون في حالتين اثنتين، هما:[٧] حالة الإيقاف: (بالإنجليزية: Off State) يكون فيها المفتاح مفتوحًا، أي أنّه يشكّل فجوة في الدارة الكهربائية، بالتالي تُعدّ الدارة الكهربائية مفتوحة ما يمنع تدفق التيار الكهربائي خلالها. حالة التشغيل: (بالإنجليزية: On State) في هذا الحالة يكون المفتاح مغلقًا فتصبح الدارة الكهربائية قادرة على العمل عن طريق السماح للتيار بالتدفق من خلالها دون أن يعيقه أي شيء. هناك العديد من الأنواع للمفاتيح الكهربائية، كل نوع منها له مجموعة من الخصائص الفريدة من نوعها كي تميزه عن المفاتيح الأخرى، ويمكن اختيار المفتاح بناءً على عدد من الخصائص، منها، ما هو الإجراء المطلوب لتفعيل المفتاح، أو عدد الدارات الكهربائية التي يمكن أن يتحكم فيها المفتاح.

خلاصة

- اختيار نوع التوصيل يعتمد على الغرض من الدائرة. التسلسل مناسب للأجهزة البسيطة، والتوازي مثالي للأنظمة التي تتطلب الاستمرارية، والمزدوج للأغراض التي تحتاج إلى مرونة.