مكونات الدائرة الكهربائية

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، ومع المقاومة القليلة تسمح المعادن ذات الموصلية العالية والمقاومة المنخفضة كالفضة والنحاس تنقل الإلكترونات بحرية بين الذرات، ويعتمد عدد المقاومات اللازم وضعها في الدارة على حساب قيمة التيار المتدفق المُراد مقاومته، وكلما زادت المقاومة، زادت قدرة الدارة على مقاومة التيار.

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:

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:

• 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، ومن الأمثلة على أنواع المفاتيح الكهربائية ما يأتي:

• مبدل التردد أو مفتاح الفصل الكهربائي (بالإنجليزية: Toggle Switch).
• المفتاح الدوّار (بالإنجليزية: Rotary Switch).
• مفتاح المبدل المزدوج (بالإنجليزية: DIP Switch).
• مفتاح بزِر ضاغط (بالإنجليزية: Push-Button Switch).
• المفتاح الردّاد (بالإنجليزية: Rocker Switch).

المُكثّف الكهربائي

المُكثّف أو المواسع الكهربائي (بالإنجليزية: Capacitor) هو المكون الثاني الأكثر استخدامًا في تصميم الدارات الكهربائية، ويشبه في آلية عمله البطارية، ويُستخدم لتخزين الشحنة الكهربائية، ويتكون من لوحين مسطحين موصلين تفصل بينهما فجوة صغيرة، ويتناسب فرق الجهد بين اللوحين طردياً مع اختلاف كمية الشحنة عليهما، وتُقاس سعة المُكثّف بالميكروفاراد "μF"، ويمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة رياضية كالآتي:

ش = س × جـ ش: مقدارالشحنة الكهربائية س: السعة الكهربائية جـ: فرق الجهد بين اللوحين

تتواجد المُكثّفات في أغلب الأحيان في الدارات الكهربائية الفعالة التي تستخدم إشارات كهربائية متذبذبة، كالموجودة في أجهزة الراديو والصوت، وفي الدارات الكهربائية التي تمّ تصميمها بطريقة لا تسمح لها بالحصول على الطاقة مباشرة من مصدر التيار المستمر، بل يشحن مصدر التيار المستمر المُكثّف، ثمّ تُستخدَم الطاقة المخزنة فيه بشكل أساسي، وتتواجد المُكثّفات بعدة أشكال، من أشهرها: المُكثّف الخزفي القرصي، والمكثف الكهرلي.

المِحث

المِحث أو الملف الكهربائي (بالإنجليزية: Inductor) عبارة عن لفافة من سلك تستخدم في العديد من الدارات الكهربائية، ويخزن مجاله المغناطيسي الطاقة الناتجة عن تدفق التيار الكهربائي خلاله، ومن الجدير بالذكر أنّه لا يسمح إلّا للتيار المباشر (DC) بالمرور خلاله بينما يمنع التيار المتردد (AC) من المرور، ويستخدم في المرشحات لفصل الإشارات ذات الترددات المختلفة، لذا غالبًا ما يُستخدَم في الدارات الفعّالة التي تسمح للذبذبات ذات الترددات المنخفضة بالمرور، بينما تحجب الإشارات ذات الترددات العالية، كما أنّ دمج محثين في نفس الدارة يؤدي إلى ترشيح أو توليد ذبذبات بأيّ تردد مطلوب، ومن الملاحظ هنا، أنّ طريقة عمل المِحث هي عكس طريقة عمل المُكثف، وتُقاس المحاثات بوحدة هنري (H) نسبة إلى العالم الفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري (بالإنجليزية: Joseph Henry)، وهي عبارة عن مقدار الحث اللازم لتوليد فرق جهد قيمته 1 فولت من القوة الدافعة الكهربائية عند تغيّر مرور 1 أمبير من التيار لكل ثانية.

الصمام الثنائي

الصمّام الثنائي أو الديود (بالإنجليزية: Diode) هو جهاز يتكون من مصعد (Anode) ومهبط (Cathode) يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط، بشرط أن يكون طرف الجهد الموجب على المصعد، والجهد السالب على المهبط، مثال ذلك الصمام الثنائي المشع للضوء ( LED ) الذي يعمل فقط حين يمر التيار الكهربائي عبره، ويتمّ توصيله بالدارة الكهربائية على التوالي، ويستخدم بشكل رئيسي للتأكد من أن ّالدارة تعمل بشكل صحيح من خلال الضوء المنبعث منه، ويرمز للصمام الثنائي بمثلث وخط يخرج من أحد رؤوسه.

الترانزستور

الترانزستور أو المقحل (بالإنجليزية: Transistor) هو جهاز وظيفته تنظيم تدفق التيار أو الجهد،ويُستخدم بشكل رئيسي في تبديل أو تضخيم الإشارات الإلكترونية، ويتكون من ثلاثة عناصر هي: الباعث، والقاعدة، والمُجمِّع، ويعمل حين يمر جهد مقداره 0.7 فولت بين القاعدة والباعث، كما أنّ مرور مقدار قليل من التيار على قاعدته يجعله قادرًا على التحكم بكمية كبيرة من التيار على كل من الباعث والمُجمِّع، وتستخدم هذه الخاصية بهدف التضخيم، أي تحويل إشارة ذات طاقة قليلة إلى إشارة مماثلة ذات طاقة أعلى دون التغيير من خصائصها، وتُصنّف الترانزستورات إلى نوعين، هما:

• ترانزسور ثنائي القطب (BJT)، ويُصنّف إلى:
  • NPN أو طبقة سالبة - طبقة موجبة - طبقة سالبة.
  • PNP أو طبقة موجبة - طبقة سالبة - طبقة موجبة.
• ترانزستور الأثر الحقلي للأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات (MOSFET).

تُصنّع الترانزستورات من حزمة تتكون من ثلاث طبقات من مواد شبه موصلة ، وتحتوي بعض الطبقات على إلكترونات إضافية، وتسمى هذه العملية التطعيم أو الإشابة (بالإنجليزية: Doping)، بينما تتمّ إزالة الإلكترونات في بعض الطبقات الأخرى مُخلّفةً ثقوباً مكانها، وتسمى المواد شبه الموصلة التي تحتوي على إلكترونات إضافية مشحونة بشحنة سالبة بالنوع (س)، بينما تسمى المواد التي تمّت إزالة الإلكترونات منها بالنوع (م) نسبة إلى شحنتها الموجبة، فتُصنع عن طريق تجميع طبقة من النوع (م) فوق طبقة من النوع (س) فوق طبقة من النوع (م)، أو طبقة من النوع (س) فوق طبقة من النوع (م) فوق طبقة من النوع (س).

الدارة الإلكترونية المتكاملة

الدارة الإلكترونية المتكاملة هي عبارة عن رقاقة مربعة صغيرة من السيليكون مساحتها تقدّر ببعض السنتيمترات أو الملمترات المربعة، تستخدم بشكل كبير في الأجهزة الإلكترونية كالحاسوب ، والحاسوب المحمول، والأجهزة الخلوية، وتتكون الدارة الكاملة من آلاف أو ملايين الترانستورات، والصمامات الثنائية، والمُكثفات، والمقاومات ذات الحجم المجهري، ولها العديد من التطبيقات، إذ تعمل كمُضخم، أو مذبذِب، أو مؤقت، أو عداد، أو ذاكرة حاسوب، أو معالج دقيق.

المرحل أو الريليه

المرحل أو الريليه (بالإنجليزية: Relay) هو مفتاح كهرومغناطيسي يحمي الدارات الكهربائية الكبيرة من التلف، ويبدأ بالعمل عند تدفق مقدار ضئيل من التيار خلاله، وبعبارة أخرى هو مفتاح يتحكم بعمليتي فتح وإغلاق الدارات الكهربائية بشكل كهروميكانيكي دون تدخل البشر في هذه العملية، إذ تتحكم الإشارات المُستقبلة من أحد الأطراف في عملية الفتح والإغلاق على الطرف الآخر، وعادة يستخدم إشارة ذات طاقة منخفضة للتحكم في الدارات ذات الطاقة المرتفعة.

المحول

المحول (بالإنجليزية: Transformer) هو جهاز ينقل الطاقة الكهربائية من الدارة ذات التيار المتردد إلى دارة أخرى أو أكثر، وذلك عن طريق زيادة أو تقليل الجهد، وتستخدم المحولات في تقليل جهد الدارات الكهربائية التقليدية لتشغيل أجهزة الجهد المنخفض، مثل: أجراس الأبواب، ولعبة القطار الكهربائي، كما تستخدم في زيادة جهد المولدات الكهربائية؛ بهدف توصيل الطاقة الكهربائية لأكبر مساحة ممكنة.

قاطع التيار الكهربائي

القاطع الكهربائي (بالإنجليزية: Circuit Breaker) مفتاح كهربائي يعمل تلقائياً يحمي الدارات الكهربائية من التلف الناتج عن التيار الزائد، ويُعدّ القاطع ضرويًا للغاية، ولا يكاد يخلو أي منزل منه؛ من أجل سلامة أفراده من مخاطر الكهرباء ، فبمجرد تدفق تيار كهربائي أكثر من اللازم عبر أحد الأسلاك الكهربائية فإنّه يقطع الطاقة الكهربائية في المكان، بالتالي تبقى الطاقة الكهربائية مقطوعة حتى يصلح الشخص المسؤول المشكلة، وعليه يرتبط وجود الطاقة الكهربائية في أي مكان بوجود القاطع الكهربائي؛ تجنبًا لحدوث الحرائق أو تعطل الأجهزة، وغيرها من المخاطر التي يمكن أن تسببها مشكلة بسيطة في الأسلاك.

هناك أنواع للقواطع الكهربائية، هي:

• القواطع المغناطيسية: تستجيب هذه القواطع بشكل أسرع للتيارات الكهربائية الزائدة الكبيرة وذات المدة الزمنية القصيرة.
• القواطع الحرارية: تستجيب هذه القواطع بشكل أسرع للتيارات الكهربائية الزائدة الصغيرة ذات المدة الزمنية الطويلة.
• القواطع المغناطيسية الحرارية: تجمع بين ميزة كل من القواطع المغناطيسية والحرارية معًا، إذ يستجيب للتيارات المفاجئة، والممتدة لفترات زمنية طويلة.

يختلف تصميم القواطع الكهربائية، لكن هناك بعض السمات الأساسية التي يجب أن تتواجد في معظمها، وهي:

• يجب أن يكون القاطع موصولاً على التوالي مع سلك أو سلكين في النظام الكهربائي الخاص في المنازل.
• يجب أن يكون هناك مكان لكل سلك يدخل علبة القاطع الكهربائي، ومكان لكل سلك يخرج منها.
• يجب أن يكون داخل علبة القاطع جزء من الموصل لإكمال الدارة، وعادة ما يبقيه نابض في مكانه.

الفاصمة الكهربائية أو الفيوز

الفاصمة أو الفيوز الكهربائي (بالإنجليزية: Fuse) هو جهاز مصنوع من شرائط رفيعة أو حبال مجدولة من المعدن كالألومنيوم، أو النحاس، أو الزنك، ويكون دائماً موصول على التوالي، ويستخدم بهدف حماية الأجهزة الكهربائية كالتلفاز، والثلاجة، الحواسيب من التلف الذي قد يسببه الجهد العالي لهذه الأجهزة، فعند تدفق تيار كهرائي زائد في الدارة الكهربائية فإنّه يذوب ما يؤدي إلى فصل الدارة الكهربائية، بالتالي فإنّه يعمل مثل القاطع الكهربائي، وإذا لم يتمّ استخدام الفيوزات في الأجهزة قد تؤدي الأخطاء الإلكترونية إلى حرق الأسلاك والأجهزة الكهربائية، مما قد يؤدي إلى حدوث حرائق داخل المنازل.

تعريف الدارة الكهربائية

تعرّف الدارة الكهربائية على أنّها المسار الذي ينتقل فيه التيار الكهربائي، وتشمل: أسلاك التوصيل أو خطوط نقل الكهرباء، والأجهزة التي تولد الطاقة الكهربائية للجسيمات المشحونة المكونة التيار الكهربائي، كالبطارية أو المولد الكهربائي، والأجهزة التي تستهلك التيار الكهربائي، مثل: المصابيح أو المحركات الكهربائية، والحواسيب، ويستخدم قانوني أوم وكيرتشوف لشرح آلية عمل الدارة الكهربائية.

أنواع الدارات الكهربائية

تصنف الدارات الكهربائية كالآتي:

• وفقاً للتيار الكهربائي:
  • دارة التيار المباشر: يتدفق التيار في هذا النوع باتجاه واحد فقط.
  • دارة التيار المتردد: يتذبذب التيار ذهاباً وإياباً بشكل متكرر كل ثانية، ومن الأمثلة عليها الدارات الموجودة في المنازل.

• وفقاً للتوصيل :
  • الدارة الموصولة على التوالي: يتدفق التيار كاملاً في مسار واحد في جميع عناصر الدارة.
  • الدارة الموصولة على التوازي: ينفصل التيار ويمر في عدة فروع لكي يتدفق في جميع عناصر الدارة، مما يجعل قيمته تنقسم وتتغير حسب التفرع والعناصر الموجودة فيه، بينما يكون الجهد المار في كل فرع نفس المقدار.

للتعرف أكثر على الكهرباء بشكل عام يمكنك قراءة المقال بحث عن الكهرباء