ما هي نظرية دائرة التيار المستمر؟

 

تسمى العلاقة الأساسية بين الجهد والتيار والمقاومة في دائرة كهربائية أو إلكترونية بقانون أوم. تتكون جميع المواد من الذرات، وتتكون جميع الذرات من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. البروتونات لها شحنة كهربائية موجبة. ليس للنيوترونات شحنة كهربائية (أي أنّها محايدة)، بينما للإلكترونات شحنة كهربائية سالبة. ترتبط الذرات ببعضها البعض بواسطة قوى الجذب القوية الموجودة بين نواة الذرات والإلكترونات في غلافها الخارجي.

 

عندما تكون هذه البروتونات والنيوترونات والإلكترونات معاً داخل الذرة تكون مستقرة. لكن إذا فصلناهم عن بعضهم البعض، فإنّهم يريدون الإصلاح والبدء في ممارسة قوة جذب تسمى اختلاف الجهد (potential difference). الآن إذا أنشأنا دائرة مغلقة، فإنّ هذه الإلكترونات السالبة ستبدأ في التحرك والعودة إلى البروتونات بسبب جاذبيتها مما يخلق تدفقاً للإلكترونات. يسمى هذا التدفق للإلكترونات بالتيار الكهربائي.

 

لا تتدفق الإلكترونات بحرية عبر الدائرة لأنّ المادة التي تتحرك خلالها تخلق قيوداً على تدفق الإلكترون. هذا القيد يسمى المقاومة. ثم تتكون جميع الدوائر الكهربائية أو الإلكترونية الأساسية من ثلاث كميات كهربائية منفصلة ولكنّها شديدة الصلة تسمى: الجهد (V)، والتيار (I)، والمقاومة (Ω).

 

مكونات الدائرة الكهربائية:

 

الجهد الكهربائي – Electrical Voltage:

 

الجهد (V): هو الطاقة الكامنة لإمدادات كهربائية مخزنة في شكل شحنة كهربائية. يمكن اعتبار الجهد على أنّه القوة التي تدفع الإلكترونات عبر موصل وكلما زاد الجهد، زادت قدرته على “دفع” الإلكترونات عبر دائرة معينة. نظراً لأنّ الطاقة لديها القدرة على القيام بالعمل، يمكن وصف هذه الطاقة الكامنة بأنّها الشغل المطلوب بالجول (joules) لتحريك الإلكترونات في شكل تيار كهربائي حول دائرة من نقطة أو عقدة إلى أخرى.

 

ثمّ يُعرف الفرق في الجهد بين أي نقطتين أو وصلات أو تقاطعات “تسمى العقد” في الدائرة باسم “الفرق في الجهد” (Potential Difference)، المعروف باسم انخفاض الجهد. يُقاس الفرق في الجهد بين نقطتين بالفولت برمز الدائرة (V)، أو الحرف الصغير (v)، على الرغم من استخدام الطاقة، (E) والصغيرة (e) أحياناً للإشارة إلى (emf) “القوة الدافعة الكهربائية“. وكلما زاد الجهد، زاد الضغط “أو قوة الدفع” وزادت القدرة على القيام بالعمل.

 

جهد التيار المستمر وجهد التيار المتردد:

 

يسمى مصدر الجهد الثابت بجهد التيار المستمر مع الجهد الذي يتغير بشكل دوري مع الوقت يسمى جهد التيار المتردد. يُقاس الجهد بالفولت، حيث يُعرَّف الفولت بأنّه الضغط الكهربائي المطلوب لفرض تيار كهربائي من أمبير واحد من خلال مقاومة مقدارها أوم واحد.

 

يتم التعبير عن الفولتية عموماً بالفولت مع البادئات المستخدمة للدلالة على المضاعفات الفرعية للجهد مثل (microvolts) أو  (μV = 10-6 V) أو الميلي فولت (mV = 10-3 V) أو الكيلوفولت (kV = 103 V). يمكن أن يكون الجهد موجباً أو سالباً.

 

تستخدم البطاريات أو مزودات الطاقة في الغالب لإنتاج مصدر جهد ثابت “تيار مباشر” (DC) مثل (5) فولت، (12) فولت، (24) فولت، في الدوائر والأنظمة الإلكترونية. بينما تتوفر مصادر جهد التيار المتردد “التيار المتردد” للمنازل والطاقة الصناعية والإضاءة وكذلك نقل الطاقة.

 

تعمل الدوائر الإلكترونية على إمدادات بطارية ذات جهد كهربائي منخفض تتراوح ما بين (1.5) فولت و(24) فولت تيار مستمر. رمز الدائرة لمصدر جهد ثابت يُعطى عادةً كرمز للبطارية مع إشارة موجبة وسالبة، تشير إلى اتجاه القطبية. رمز الدائرة لمصدر الجهد المتردد هو دائرة بها موجة جيبية بداخلها.

 

التيار الكهربائي – Electrical Current:

 

التيار الكهربائي (I)، هو حركة أو تدفق الشحنة الكهربائية ويقاس بالأمبير، الرمز (i)، يرمز للكثافة، إنّه التدفق المستمر والمنتظم (يسمى الانجراف) للإلكترونات (الجسيمات السالبة للذرة) حول الدائرة التي يتم “دفعها” بواسطة مصدر الجهد.

 

في الواقع، تتدفق الإلكترونات من الطرف السالب (ve-) إلى الطرف الموجب (ve+) للإمداد ولسهولة فهم الدائرة لتدفق التيار التقليدي، يفترض أنّ التيار يتدفق من الطرف الموجب إلى الطرف السالب.

 

بشكل عام، في الرسوم البيانية للدائرة، عادة ما يكون لتدفق التيار عبر الدائرة سهم مرتبط بالرمز (I)، أو الحرف الصغير (i) للإشارة إلى الاتجاه الفعلي لتدفق التيار. ومع ذلك، يشير هذا السهم عادةً إلى اتجاه التدفق للتيار التقليدي وليس بالضرورة اتجاه التدفق الفعلي.

 

تدفق الإلكترون – Electron Flow:

 

يكون تدفق الإلكترونات حول الدائرة عكس اتجاه تدفق التيار التقليدي من سالب إلى موجب، ويتكون التيار الفعلي المتدفق في دائرة كهربائية من إلكترونات تتدفق من القطب السالب للبطارية (الكاثود) وتعود للخلف إلى القطب الموجب (الأنود) للبطارية.

 

هذا لأنّ الشحنة على الإلكترون سالبة وبالتالي تنجذب إلى الطرف الموجب. يسمى تدفق الإلكترونات هذا تدفق التيار للإلكترون. لذلك، تتدفق الإلكترونات في الواقع حول دائرة من الطرف السالب إلى الموجب. يتم استخدام كل من تدفق التيار التقليدي وتدفق الإلكترون في العديد من الكتب.

 

في الواقع، لا فرق في الطريقة التي يتدفق بها التيار حول الدائرة طالما يتم استخدام الاتجاه باستمرار. لا يؤثر اتجاه تدفق التيار على ما يفعله التيار داخل الدائرة. بشكل عام، من الأسهل بكثير فهم تدفق التيار التقليدي من الموجب إلى السالب.

 

في الدوائر الإلكترونية، مصدر التيار هو عنصر دائرة يوفر مقداراً محدداً من التيار على سبيل المثال، (1A ، 5A ، 10 Amps) وما إلى ذلك، مع رمز الدائرة لمصدر تيار ثابت يُعطى كدائرة مع سهم بداخلها يشير إلى اتجاهه. يُقاس التيار بالأمبير ويُعرَّف الأمبير على أنّه عدد الإلكترونات أو الشحنة (Q) بالكولوم التي تمر بنقطة معينة في الدائرة في ثانية واحدة (t)في ثوانٍ.

 

المقاومة – Resistance:

 

المقاومة (R) هي قدرة المادة على مقاومة أو منع تدفق التيار أو بشكل أكثر تحديداً يمنع تدفق الشحنة الكهربائية داخل الدائرة. عنصر الدائرة الذي يقوم بذلك بشكل مثالي يسمى “المقاومة”. المقاومة هي عنصر دائرة ويقاس بالأوم، الرمز اليوناني (Ω، أوميغا) مع البادئات المستخدمة للدلالة على كيلو أوم (kΩ = 103Ω) وميجا أوم (MΩ = 106Ω). لاحظ أنّ المقاومة لا يمكن أن تكون سالبة في القيمة فقط تكون موجبة.

 

يتم تحديد مقدار المقاومة التي تحددها المقاومة من خلال علاقة التيار من خلاله بالجهد عبره والذي يحدد ما إذا كان عنصر الدائرة “موصل جيد” أي مقاومة منخفضة، أو “موصل سيء” أي مقاومة عالية. تشير المقاومة المنخفضة، على سبيل المثال (1Ω) أو أقل، إلى أنّ الدائرة موصل جيد مصنوع من مواد مثل النحاس أو الألومنيوم أو الكربون بينما تشير المقاومة العالية، (1MΩ) أو أكثر إلى أنّ الدائرة موصل سيء مصنوع من مواد عازلة مثل الزجاج والبورسلين أو البلاستيك.

 

من ناحية أخرى، فإنّ “أشباه الموصلات” مثل السيليكون أو الجرمانيوم، هي مادة تكون مقاومتها في منتصف المسافة بين مقاومة الموصل الجيد والعازل الجيد. ومن هنا جاء اسم “أشباه الموصلات”. تستخدم أشباه الموصلات في صنع الثنائيات “الدايود” والترانزستورات وما إلى ذلك. يمكن أن تكون المقاومة خطية أو غير خطية بطبيعتها، ولكنّها ليست ذات قيمة سالبة أبداً.

 

تخضع المقاومة الخطية لقانون أوم حيث أنّ الجهد عبر المقاومة يتناسب خطياً مع التيار المار فيه. المقاومة غير الخطية، لا تمتثل لقانون أوم ولكن لديها انخفاض في الجهد عبرها يتناسب مع بعض قوة التيار.

 

خصائص المقاومة:

 

المقاومة نقية ولا تتأثر بالتردد مع مقاومة التيار المتردد للمقاومة التي تساوي مقاومتها للتيار المستمر ونتيجة لذلك لا يمكن أن تكون سالبة. تذكر أنّ المقاومة دائماً موجبة وليست سالبة أبداً. تصنف المقاومة كعنصر دائرة غير فعّال وبالتالي لا يمكنه توصيل الطاقة أو تخزين الطاقة. بدلاً من ذلك، تمتص المقاومات الطاقة التي تظهر على شكل حرارة وضوء. دائماً ما تكون القوة في المقاومة موجبة بغض النظر عن قطبية الجهد واتجاه التيار.

 

بالنسبة لقيم المقاومة المنخفضة للغاية، على سبيل المثال الملي أوم (milli-ohms) ،(mΩ) يكون من الأسهل أحياناً استخدام متبادل المقاومة (1 / R) بدلاً من المقاومة (R) نفسها. يُطلق على المعاملة بالمثل اسم الموصلية، ورمزها (G) ويمثل قدرة الموصل أو الجهاز على توصيل الكهرباء. بمعنى آخر السهولة التي يتدفق بها التيار.

 

تشير القيم العالية للتوصيل إلى وجود موصل جيد مثل النحاس بينما تشير القيم المنخفضة للتوصيل إلى وجود موصل سيئ مثل الخشب. وحدة القياس المعيارية للتوصيل هي (Siemen) ورمزها (S). الوحدة المستخدمة للتوصيل هي mho (أوم تهجئة للخلف)، والتي يرمز لها بعلامة أوم مقلوبة (℧). يمكن أيضاً التعبير عن القوة باستخدام الموصلية على النحو التالي:

 

p = i2 / G = v2G