ورقة تلخيصية – مبادئ الكهرباء

هذه هي الورقة التلخيصية الأولى و التي تتناول بعض أساسيات الكهرباء التي لا بدء منها ، هذه الورقة هي محاكاة و تطوير لنمط سائد يسمى cheat sheet (أي أوراق الغش :P) و هي أوراق و جداول معينة يرجع لها المطور عند الحاجة ، و لكي نبدأ السلسلة بشكل منطقي بدأنا بالأساسيات .

 

المبدأ العام للتيار

تتألف الذرات عموماَ من نواة و مجموعة من الإلكترونيات 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 (+) .

current

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 .

URI

voltage_ex

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

ohm

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

ex1

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 .

OHM

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 .

voltage_div

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 .

powersupply

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)

ex2

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 .

power

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 .

capacitor1

capacitor2

الوصل التفرعي و التسلسلي

بهذه الطريقة يمكن تشكيل قيمة جديدة من مجموعة قيم سابقة . مع الملاحظة أن التيار في الوصل التسلسلي متساوي ، أما في التفرعي فإنه ينقسم لجزئين كل جزء يمر في فرع ليعود و ينجمع بعد انتهاء التفرع . بينما الجهد فهو معاكس إذن أنه متساوي في حالة التفرع و يتجزء في حالة الوصل التسلسلي .


ser_shunt

الديود

الديود diode هو العنصر الأساسي الذي يمثل مفهوم أنصاف النواقل في الدارات الإلكترونية و هو عنصر يتألف من مادتين : نوع n (ذات شحنات حرة سالبة) و نوع p (ذات شحنات حرة موجبة) .

يكون بين المنطقتين بالحالة العادية (دون تطبيق جهد خارجي منطقة خالية من الشحنات الحرة (منطقة عازلة) ، و عند تطبيق جهد كهربائي خارجي بين طرفي الديود تتقلص هذه المسافة حتى تنعدم و يتحول العنصر إلى ناقل تقريباً ، و تكون قيمة الجهد الذي يجب تطبيقه لكي “يفتح” الديود هو 0.7 فولت بالنسبة لأنصاف النواقل من نوع السيليكون .

إن أحد الأشكال العملية للديود هو الليد LED و هو هذا العنصر الذي يعطي ألوان مختلفة (أحمر – أصفر- … إلخ) و الذي يميزه عن الليدات العادية الأخرى أن استطاعته تتحول إلى ضوء .

diode1 diode2