أساسيات الكهرباء في ورقة تلخيصية واحدة
المبدأ العام للتيار
تتألف الذرات عموماَ من نواة و مجموعة من الإلكترونات و تكون المواد الناقلة للتيار الكهربائي مؤلفة من نواة و مجموعة من الإلكترونات السطحية ذات ارتباط ضعيف معها و أي تحريض بسيط سيؤدي لترك مكانها و انتقالها إلى ذرة مجاورة و كذلك يحدث الشيء نفسه على مستوي باقي الذرات .لكي نحرض الإلكترونات هذه للانتقال بشكل منظم و بكمية كافية نستخدم ما يسمى منبع طاقة أو ما يسمى مولد جهد ( فرق كمون).
يصطلح التيار الكهربائي عن حركة الإلكترونات و لكن بالجهة المعاكسة أي من (+) إلى (-) فحركة الإلكترونيات تكون من (-) إلى (+) .
المواد ، التيار ، الجهد المقاومة
تبعاً لإمكانية نقل الشحنات الكهربائية من عدمه يتم تصنيف المواد لثلاث أنواع : عازلة ( ليس لديها قابلية للنقل) – ناقلة ( لديها قابلية للنقل) – نصف ناقلة (قابلة للنقل و لكن بشروط كهربائية معينة) .يصطلح لقياس شدة التيار المار في الدارة الكهربائية بـ ” شدة التيار current ” و يقاس بالأمبير A و عملياً تستخدم أجزاء هذه الواحدة في الدارات الإلكترونية ، مثلاً : أعظم قيمة تيار نظرية يمكن الحصول عليها من منفذ USB هي 500 ميلي أمبير أي 0.5 أمبير .
يصطلح لقياس عرقلة نقل المادة للتيار الكهربائي (بسبب عوامل فيزيائية كالشوائب أو شكل المادة أو حرارتها .. إلخ) بـ”المقاومة resistance ” و تقاس بالأوم Ohm و عملياً لكل شيء في هذه الحياة مقاومة فاللعوازل كالهواء مقاومة لا كبيرة جداً و للأسلاك النحاسية مقاومة صغيرة .
يصطلح للطاقة التي تحرض الإلكترونات للحركة من قطب لآخر بـ “الجهد الكهربائي ” و يقاس بالفولت و يمكن تشبيه تأثير الجهد في الدارة بالمضخة التي تحرض الماء .
قانون أوم
يعد قانون أوم ، القانون الأساسي الذي ستفهم من خلاله العلاقة بين التيار و الجهد و المقاومة بشكل رياضي و منطقي .U=R.I
لغوياً : الجهد بين نقطتين هو جداء المقاومة بين هاتين النقطتين بالتيار المار بينهما .
مثال : ليكن لدينا مقاومة مقدرة بـ 100 أوم و يمر تيار كهربائي عبرها يقدر بـ0.02 أمبير ( 20 ميلي) ، احسب الجهد بين طرفيها ؟
U=100*0.02=2 V
مثال تطبيقي
بفرض لدينا الدارة الموصولة مع خرج المتحكم و الذي يعمل بجهد 5 فولت ، احسب قيمة المقاومة ؟
الحل :
يعد خرج هذا المتحكم كمولد جهد و عليه فإن أي دارة كهربائية يجب أن يكون مجموع الجهود الهابطة على العناصر في الحلقة (المسار من موجب المنبع إلى السالب (الأرضي) ) يساوي جهد المنبع (قانون) ، و حسب معطيات الدارة فإن الجهد على طرفي المقاومة يجب أن يكون 2 فولت و بما أن التيار معلوم حسب متطلبات الليد (العنصر الضوئي) فإن قيمة المقاومة
R=U/I = 2/0.02 = 100 أوم
ملاحظة : يسري التيار من قطب إلى آخر (من الموجب للسالب) و يرمز غالباً للسالب بالشكل الموضح و هو اصطلاحاً النقطة الأرضي و هي نفسها سالب البطارية أو المنبع .
قانون أوم بشكل عملي
كما هو موضح في الصورة فإن الجهد هو من يدفع التيار للمرور ( تحريض الإلكترونات ) و المقاومة هي من تحاول منع ذلك . و رياضياً يمكن تفسير ذلك بالقوانين الثلاثة المذكورة : إذ أن العلاقة بين التيار و المقاومة دوماً عكسية (العلاقة 2 و 3) بينما العلاقة بين الجهد من جهة و المقاومة و التيار متناسبة طرداً .
من هذا الكلام يجب أن نستذكر التالي دوماً : زيادة المقاومة تعني زيادة الجهد و نقصان التيار و يمكن استنباط الكثير من التراكيب اللفظية الأخرى .
مقسّم الجهد
يشتق من قانون أوم ، قانون مستخدم بكثر في الدارات الكهربائية و يسمى مقسّم الجهد ، و هو يعتمد على المبدأ : “التيار متساوي في عناصر الوصل التسلسلي و مجموع هبوطات الجهد على العناصر مساوي للجهد الكلي المطبق “ملاحظة : دوماً الخرج يكون بين نقطة و الأرض (الجهد المرجعي) لأنه في قياس الجهود النقطة التي تحدد الموجبية من السالبية هي النقطة المرجعيه ذات الكمون الصفري التي تسمى اصطلاحاً الأرضي .
منابع الجهد
منابع الجهد هي أي شيء يولد لنا فرق كمون (جهد) يحرك الإلكترونات . و كأمثلة واقعية : بطارية – منفذ USB – خلايا شمسية … إلخ .إن القيم لمنابع الجهد غير محدودة و لكن كقيم شائعة نصادفها في الدارات الإلكترونية : 5 فولت – 3.3 فولت – 9 فولت – 12 فولت .
يمكن الحصول على الجهد الذي نريده باستخدام منظمات الجهد مثل عائلة القطع إلكترونية 78xx حيث مكان xx يكون القيمة التي نريدها مثال : 5V 7805 .
أهم شيء أنثاء العمل مع دارة لها أكثر من مصدر جهد هي أن نقوم بتوحيد النقط السالبة (الأرضي) لهذه المنابع .
مثال عملي
باستخدام مقسّم الجهد نريد أن نحقق تخاطب بين نظام يعمل بجهد 5 فولت و آخر يعمل بجهد 3.3 فولت .
نفرض قيمة عملية(أحد القيم الشائعة) لأحد المقاومات المجهولة و نحسب الأخرى .
R1=1K ohm
Vout = 3.3 volt (حسب المطلوب)
Vsupply=5 volt
R2=- (Vout*R1)/(Vout-Vsupply) =-(3.3*1K)/(3.3-5) = 1.94 K ohm = 2 K (أقرب قيمة عملية)
الاستطاعة و المقاومة
أحد المصطلحات الشائعة في الأنظمة الكهربائية هي الاستطاعة و لها معاني متعددة فيزيائياً إذا أن الاستطاعة المصروفة مثلاً في المصباح هي الإنارة .رياضياً تعطى بالعلاقة التالية : P=U.I ، و في المقاومات العملية تختلف بحسب الاستطاعة التي يمكن تحملها و كقيم شائعة هناك مقاومات 1/4 واط و 1/2 واط و 1 واط و غير ذلك من التجزئات .
مثال : مقاومة 470 أوم/ربع واط ، اي أن قيمتها 470 و تتحمل تيار و جهد على طرفيها بما ينتج عن ضربهما قيمة لا تتجاوز الربع واط .
المكثفة
كمفهوم فيزيائي أي سطحين تتشكل بينهما مكثفة ، فبين يدنا الممدودة و الأرض مكثفة نظرياً . و أما كهربائياً فهي عنصر يتألف من لبوسين بينهما عازل و تخزن بينهما شحنات كهربائية مولدة فرق كمون بين اللبوسين .تعتمد المكثفات على مبدأ الشحن و التفريغ في عملها ، إذا أنها خلال وصلها مع مقاومة و منبع جهد تشحن باتجاه جهد المنبع خلال فترة زمنية معينة .
يحدث شيء مشابه عند التفريغ و لكن يسعى الجهد بين طرفي المكثف نحو جهد الأرضي .
إن المكثفة كعنصر يعتبر عنصر ممانعة إذا أنه يمنع مرور التيار المستمر و يسمح بمرور التيار المتناوب و يمكن تفسير ذلك بالتالي :
إن ممناعة المكثفة تتألف من مركبتين : المركبة الأولى حقيقية و الثانية هي
Xc=1/(2*pi*F*C)
إن تردد التيار المستمر المثالي هو 0 و بالتالي تصبح ممانعة المكثفة لا نهائية و عند وجود تردد (مقلوب دور الإشارة خلال الزمن) فإنه تصبح للمكثفة قيمة ممانعة محددة .
