تطبيقات على الدوائر الكهربائية

ما هي الدوائر الكهربائية الأساسية في الأنظمة الكهربائية؟

تعمل المعرفة والمهارات الأساسية للدوائر الكهربائية الأساسية دائماً كأساس قوي لتجربة سليمة من الناحية الفنية للدوائر الكهربائية، يمكن أن تصبح أيضاً على دراية قوية بهذه الدوائر الأساسية خاصة من خلال الخبرة العملية. وبالتالي تساعد الدائرة الأساسية المتعلم على اكتساب فهم للمكونات الأساسية وخصائص الدائرة أثناء تشغيلها.

سنتحدث في هذا المقال عن مفاهيم أساسية حول نوعين من الدوائر الكهربائية: دوائر التيار المتردد (AC) ودوائرالتيار المستمر (DC). اعتمادًا على نوع المصدر، تختلف الكهرباء حسب التيار المتردد (AC) والتيار المباشر (DC).

دائرة التيار المستمر:

في دوائر التيار المستمر، تتدفق الكهرباء في اتجاه ثابت بقطبية ثابتة لا تتغير بمرور الوقت. تستخدم دائرة التيار المستمر مكونات ثابته لا تتغير للتيار مثل المقاومات ومجموعات المقاومات المركبة مع بعضها البعض، وأيضاً تستخدم مكونات أخرى مؤقتة مثل المحاثّات والمكثفات، وأيضاً تستخدم عداد لقياس التيار الكهربائي (الأميتر)، وعداد لقياس الجهد الكهربائي (الفولتميتر)، وتستخدم أيضاً مصادر إمدادات الطاقة مثل البطاريّة.

لتحليل الدوائر الكهربائية يتم إستخدام قوانين مختلفة مثل قانون أوم وقانون الجهد الكهربائي والقوانين الحالية، مثل (KCL) و(KVL) ونظريات الشبكات مثل (Thevinens) و(Nortons) و(Mesh analysis). فيما يلي بعض دوائر التيار المستمر الأساسية التي تعبر عن طبيعة التشغيل لدائرة التيار المستمر.

الدوائر الكهربائية الموصولة على التوالي وعلى التوازي:

طريقة توصيل المقاومات في الدائرة الكهربائية تغير بالتأكيد من خصائص الدائرة، في دائرة التيار المستمر (DC) البسيطة، يتم توصيل الحمل المقاوم مثل المصباح بين الطرفين الموجب والسالب للبطارية، توفر البطارية الطاقة المطلوبة للمصباح وتسمح للمستخدم بوضع مفتاح للتشغيل أو الإيقاف وفقًا للمتطلبات التي يحتاجها.

الأحمال أو المقاومات المتصلة على التوالي بمصدر التيار المستمر، تشترك الدائرة في التيار نفسه، لكن الجهد عبر الأحمال أو المقاومات الفردية يختلف ويتم إضافته للحصول على الجهد الكلي. لذلك يوجد انخفاض في الجهد في نهاية المقاومة مقارنة بالعنصر الأول في الدائرة الموصولة على التوالي. وإذا خرجت أي مقاومة أو حمل من الدائرة، فستكون الدائرة بأكملها مفتوحة.

أما في التوصيل على التوازي، يكون الجهد نفسه لكل حمل أو مقاومة، لكن التيار يختلف إعتمادًا على تصنيف المقاومة. لا توجد مشكلة في الدائرة المفتوحة حتى لو كان هناك حمل واحد أو مقاومة خارج الدائرة. هناك العديد من التطبيقات من هذا النوع، على سبيل المثال توصيل الأسلاك المنزلية. لذلك يمكن للمرء بسهولة العثور على إجمالي استهلاك المقاومة والجهد والتيار وتوزيع الطاقة في دائرة التيار المستمر.

دائرة التيار المتردد:

على عكس التيار المستمر، يغير جهد التيار المتردد أو التيار إتجاهه بشكل دوري حيث يزداد من الصفر إلى الحد الأقصى، وينخفض مرة أخرى إلى الصفر، ثمّ يستمر سلبياً إلى الحد الأقصى، ثمّ يعود مرة أخرى إلى الصفر. يبلغ معدل تكرار هذه الدورة حوالي 50 دورة في الثانية. بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، يعتبر التيار المتردد مصدرًا أكثر انتشارًا وفعاليّة من التيار المستمر. الطاقة ليست نتاجًا بسيطًا للجهد والتيار كما هو الحال في التيار المستمر، ولكنّها تعتمد على مكونات الدائرة. دعونا نرى سلوك دائرة التيار المتردد مع المكونات الأساسية.

دائرة التيار المتردد بمقاومة:

في هذا النوع من الدوائر، يكون الجهد المتناقص عبر المقاومة متطابقاً تماماً مع التيار، هذا يعني أنّه عندما تكون القيمة اللحظية للجهد صفر، فإنّ القيمة الحالية في تلك اللحظة هي أيضًا صفر. وأيضًا، عندما يكون الجهد موجبًا أثناء الموجة النصف الموجبة لإشارة الإدخال، يكون التيار موجبًا أيضًا، وبالتالي تكون الطاقة موجبة حتى عندما تكون في موجة نصف سالبة من الدخول (input). هذا يعني أنّ طاقة التيار المتردد في المقاومة تتبدد دائمًا كحرارة أثناء أخذها من المصدر، بغض النظر عمّا إذا كان التيار موجبًا أم سالبًا.

دائرة التيار المتردد مع المحث:

المحاثات تعارض التغيير في التيار من خلالها ليس مثل المقاومات التي تعارض تدفق التيار. هذا يعني أنّه عند زيادة التيار، يحاول الجهد المستحث معارضة هذا التغيير في التيار عن طريق خفض الجهد، يتناسب الجهد الهابط عبر المحرِّض مع معدل التغير في التيار، لذلك عندما يكون التيار في ذروته القصوى، فإنّ الجهد اللحظي في تلك اللحظة هو صفر، والعكس يحدث عندما يبلغ التيار ذروته عند الصفر (أقصى تغير في ميله)، لذلك لا يوجد تبديد للطاقة في دائرة التيار المتردد للمحث.

وبالتالي، فإنّ القوة اللحظية للمحث في هذه الدائرة، تختلف تماماً عن دائرة التيار المستمر، حيث تكون في نفس المرحلة. لكن في هذه الدائرة تكون المسافة بينهما 90 درجة، وبالتالي تكون القوة سالبة، في بعض الأحيان. تعني الطاقة السالبة أنّ الطاقة تعود إلى الدائرة حيث تمتصها في بقية الدورة. تسمى معارضة التغيير الحالي بالمفاعلة، وتعتمد على تردد دائرة التشغيل.

دائرة التيار المتردد مع المكثف:

يقاوم المكثف تغيير الجهد، والذي يختلف عن المحث الذي يقاوم التغيير في التيار. من خلال توفير أو سحب التيار يحدث هذا النوع من المقاومة، ويتناسب هذا التيار مع معدل تغير الجهد عبر المكثف. يكون التيار عبر المكثف هو نتيجة التغير في الجهد في الدائرة. لذلك، فإنّ التيار اللحظي يكون صفراً عندما يكون الجهد في ذروته (لا يوجد تغيير في منحدر الجهد)، ويكون الحد الأقصى عندما يكون الجهد عند الصفر، وبالتالي فإنّ الطاقة تتغير أيضاً في دورات موجبة وسالبة. هذا يعني أنّه لا يبدد الطاقة بل يمتص الطاقة ويطلقها. يمكن أيضًا تحليل سلوك دائرة التيار المتردد من خلال الجمع بين الدوائر المذكورة أعلاه مثل دوائر (RL) و(RC) و(RLC) وتوصيلها على التوالي أو التوازي.