الدارة الكهربائية وطرق توصيلها

ما هي الدارة الكهربائية؟

الدائرة الكهربائية،:هي مسار لنقل التيار الكهربائي، تشتمل الدائرة الكهربائية على جهاز يعطي الطاقة للجسيمات المشحونة التي تشكل التيار، مثل البطارية أو المولد؛ الأجهزة التي تستخدم التيار، مثل المصابيح أو المحركات الكهربائية أو أجهزة الكمبيوتر؛ وأسلاك التوصيل أو خطوط النقل، وهناك اثنان من القوانين الأساسية التي تصف رياضيًا أداء الدوائر الكهربائية هما قانون أوم وقواعد كيرشوف.

يتم تصنيف الدوائر الكهربائية بعدة طرق، تحمل دائرة التيار المباشر تيارًا يتدفق في اتجاه واحد فقط، وتحمل دائرة التيار المتردد تيارًا ينبض ذهابًا وإيابًا عدة مرات كل ثانية، كما هو الحال في معظم الدوائر المنزلية.

تشتمل الدائرة التسلسلية على مسار يتدفق فيه التيار بأكمله عبر كل مكون، وتتكون الدائرة المتوازية من فروع بحيث ينقسم التيار وجزء منها فقط يتدفق عبر أي فرع، ويكون الجهد أو فرق الجهد، عبر كل فرع من فروع الدائرة المتوازية هو نفسه، لكن التيارات قد تختلف.

في الدائرة الكهربائية المنزلية، على سبيل المثال يتم تطبيق نفس الجهد عبر كل مصباح أو جهاز، ولكن كل من هذه الأحمال تسحب كمية مختلفة من التيار، وفقًا لمتطلبات الطاقة الخاصة بها، حيث يوفر عدد من البطاريات المماثلة المتصلة بالتوازي تيارًا أكبر من بطارية واحدة، لكن الجهد هو نفسه لبطارية واحدة.

شبكة الترانزستورات والمحولات والمكثفات وأسلاك التوصيل والمكونات الإلكترونية الأخرى داخل جهاز واحد مثل: الراديو هي أيضًا دائرة كهربائية، وقد تتكون هذه الدوائر المعقدة من فرع واحد أو أكثر في مجموعات من الترتيبات المتسلسلة والمتسلسلة المتوازية.

التيار الكهربائي المباشر:

تحدث العديد من الظواهر الكهربائية في ظل ما يسمى بظروف الحالة المستقرة، هذا يعني أن الكميات الكهربائية مثل توزيعات التيار والجهد والشحنة لا تتأثر بمرور الوقت، وعلى سبيل المثال ونظرًا لأن التيار عبر خيط داخل مصباح السيارة الأمامي لا يتغير بمرور الوقت، يظل سطوع المصباح ثابتًا.

مثال على حالة غير ثابتة هو تدفق الشحنة بين موصلين متصلين بواسطة سلك موصل رفيع ولهما في البداية شحنة متساوية ولكن معاكسة، ونظرًا لتدفق التيار من الموصل المشحون إيجابًا إلى الموصل المشحون سالبًا، فإن الشحنات على كلا الموصلات تنخفض بمرور الوقت، كما هو الحال مع فرق الجهد بين الموصلات، وبالتالي يتناقص التيار أيضًا بمرور الوقت ويتوقف في النهاية عند تفريغ الموصلات.

في الدائرة الكهربائية في ظل ظروف الحالة المستقرة، لا يتغير تدفق الشحنة بمرور الوقت ويظل توزيع الشحنة كما هو، ونظرًا لأن الشحنة تتدفق من موقع إلى آخر، يجب أن تكون هناك آلية ما للحفاظ على ثبات توزيع الشحن، وفي المقابل، تظل قيم الجهد الكهربائي دون تغيير مع مرور الوقت، أي جهاز قادر على الحفاظ على إمكانات الأقطاب الكهربائية دون تغيير مع تدفق الشحنة من قطب كهربائي إلى آخر يسمى مصدر القوة الدافعة الكهربائية، أو ببساطة (emf).

في سلك مصنوع من مادة موصلة مثل النحاس، وبواسطة بعض الوسائل الخارجية، يتم إنشاء مجال كهربائي داخل السلك في اتجاه بطوله، ستكتسب الإلكترونات الحرة الحركة بعض السرعة، ونظرًا لأن لديهم شحنة سالبة، فإنهم يتحركون في الاتجاه المعاكس لاتجاه المجال الكهربائي.

يتم تعريف التيار i على أنه قيمة موجبة في اتجاه تدفق الشحنات الموجبة، وإذا كانت الشحنات المتحركة التي تشكل التيار i في السلك عبارة عن إلكترونات، فإن التيار رقم موجب عندما يكون في اتجاه معاكس لحركة الإلكترونات سالبة الشحنة، (إذا تم اختيار اتجاه حركة الإلكترونات ليكون اتجاه التيار، فسيكون للتيار قيمة سالبة، حيث أن التيار هو مقدار الشحنة التي تعبر المستوى المستعرض مع السلك لكل وحدة زمنية – أي في فترة ثانية واحدة.

التيارات الكهربائية المتناوبة:

تتضمن العديد من تطبيقات الكهرباء والمغناطيسية الفولتية التي تختلف بمرور الوقت، الطاقة الكهربائية المنقولة عبر مسافات كبيرة من محطات التوليد إلى المستخدمين الفولتية التي تتغير جيبيًا بمرور الوقت، بتردد 60 هرتز (هرتز) في الولايات المتحدة وكندا و 50 هرتز في أوروبا، حيث واحد هرتز يساوي دورة واحدة في الثانية، هذا يعني أنه في الولايات المتحدة، على سبيل المثال، يغير التيار اتجاهه في الأسلاك الموصلة للكهرباء بحيث يتدفق التيار في كل ثانية 60 مرة في اتجاه واحد و 60 مرة في الاتجاه المعاكس.

تستخدم التيارات المتناوبة (AC) أيضًا في البث الإذاعي والتلفزيوني، ففي البث الإذاعي AM (تعديل السعة)، يتم توليد الموجات الكهرومغناطيسية بتردد حوالي مليون هرتز بواسطة تيارات من نفس التردد تتدفق ذهابًا وإيابًا في هوائي المحطة، ويتم ترميز المعلومات التي تنقلها هذه الموجات في التباين السريع لسعة الموجة.

عندما يتم بث الأصوات والموسيقى، تتوافق هذه الاختلافات مع التذبذبات الميكانيكية للصوت ولها ترددات من 50 إلى 5000 هرتز، وفي نظام FM (تعديل التردد)، الذي تستخدمه كل من محطات راديو FM والتلفزيون، يتم تضمين المعلومات الصوتية في التقلب السريع للتردد في نطاق ضيق حول تردد الموجة الحاملة.

تسمى الدوائر التي يمكنها توليد مثل هذه التيارات المتذبذبة بالمذبذبات وهي تشمل، بالإضافة إلى الترانزستورات، المكونات الكهربائية الأساسية مثل المقاومات والمكثفات والمحاثات.

تقوم المقاومات بتبديد الحرارة أثناء حمل التيار، وتخزن المكثفات الطاقة في شكل مجال كهربائي في الحجم بين أقطاب كهربائية مشحونة بشكل معاكس، أما المحاثات هي في الأساس ملفات من الأسلاك الموصلة؛ يقومون بتخزين الطاقة المغناطيسية في شكل مجال مغناطيسي يولده التيار في الملف، حيث توفر المكونات الثلاثة بعض المقاومة لتدفق التيارات المتناوبة، وفي حالة المكثفات والمحاثات، تعتمد الممانعة على تردد التيار مع المقاومات، إذ تكون المقاومة مستقلة عن التردد وهي ببساطة المقاومة.

طرق توصيل الدارات الكهربائية:

تشتمل دائرة السلسلة على مسار يتدفق فيه التيار بأكمله عبر كل مكون، بينما تتكون الدائرة المتوازية من فروع بحيث ينقسم التيار وجزء منها فقط يتدفق عبر أي فرع، ويكون فرق الجهد، عبر كل فرع من فروع الدائرة المتوازية هو نفسه، لكن التيارات قد تختلف.

في الدائرة الكهربائية المنزلية، على سبيل المثال، يتم تطبيق نفس الجهد عبر كل مصباح أو جهاز، ولكن كل من هذه الأحمال تسحب كمية مختلفة من التيار، وفقًا لمتطلبات الطاقة الخاصة بها، إذ يعرف التيار الكهربائي، بأنه أي حركة لحاملات الشحنة الكهربائية، مثل: الجسيمات المشحونة دون الذرية (على سبيل المثال، الإلكترونات ذات الشحنة السالبة، والبروتونات ذات الشحنة الموجبة)، والأيونات (الذرات التي فقدت أو اكتسبت إلكترونًا واحدًا أو أكثر)، أو الثقوب (عيوب الإلكترون التي قد يمكن اعتبارها جسيمات إيجابية).

التيار الكهربائي في السلك، حيث تكون حاملات الشحنة عبارة عن إلكترونات، هو مقياس لكمية الشحنة التي تمر بأي نقطة من السلك لكل وحدة زمنية، وفي التيار المتردد تنعكس حركة الشحنات الكهربائية بشكل دوري؛ ولكن في التيار المباشر ليس كذلك، وفي العديد من السياقات يتم أخذ اتجاه التيار في الدوائر الكهربائية على أنه اتجاه تدفق الشحنة الموجبة، وهو الاتجاه المعاكس لانجراف الإلكترون الفعلي، وعندما يتم تحديد ذلك يسمى التيار التيار التقليدي.

تتكون الدائرة المتوازية من فروع بحيث ينقسم التيار وجزء منها فقط يتدفق عبر أي فرع، ويكون فرق الجهد، عبر كل فرع من فروع الدائرة المتوازية هو نفسه، لكن التيارات قد تختلف، في شبكة الترانزستورات والمحولات والمكثفات وأسلاك التوصيل والمكونات الإلكترونية الأخرى داخل جهاز واحد مثل الراديو هي أيضًا دائرة كهربائية، التي قد تتكون هذه الدوائر المعقدة من فرع واحد أو أكثر في مجموعات من الترتيبات المتسلسلة والمتسلسلة المتوازية.