المبادىء الأساسية للهندسة الكهربية والالكترونية -2- المدخل إلى الدوائر الكهربية

[F.Abdelaziz]

المبادىء الأساسية للهندسة الكهربية والالكترونية -2- المدخل إلى الدوائر الكهربية
فى نهاية هذا الجزء يجب أن تكون قادرؤا على :
· تقدير قيمة تمثيل الأنظمة الهندسية بالمخططات الصندوقية block diagrams .
· التعرف على رموز مخططات الدوائر الكهربية الشائعة .
· تفهم أن التيار الكهربى هو معدل حركة الشحنة ويقاس بالأمبير .
· تقدير قيمة أن وحدة الشحنة هى الكولوم .
· حساب الشحنة أو كمية الكهرباء Q من العلاقة Q=It .
· تفهم أن هناك حاجة لوجود فرق فى الجهد بين نقطتين فى الدائرة حتى يكون هناك مرور للتيار .
· تقديرقيمة أن وحدة فرق الجهد p.d. هى الفولت volt .
· تفهم أن المقاومة تعارض (تعاكس) مرور التيار وأنها تقاس بالأوم ohms.
· تقدير قيمة أجهزة جهاز قياس التيار (الأميتر) ammeter وجهاز قياس الجهد (الفولتميتر) voltmeter وجهاز قياس المقاومة (الأومميتر) ohmmeter وجهاز القياس المتعدد (الأفوميتر) multimeter و.......
· التمييز بين الأجهزة الخطية وغير الخطية .
· صيغ قانون أوم V =IR or I =V/R or R=V/I .
· استخدام قانون أوم فى الحسابات , بما فى ذلك مضاعفات الوحدات .
· وصف الموصل والعازل , وإعطاء أمثلة لكل منهما .
· تقدير قيمة أن القدرة الكهربية P تعطى بالعلاقة P=VI =I 2R=V 2/R watts .
· حساب القدرة الكهربية .
· تعريف الطاقة الكهربية ووحداتها .
· حساب الطاقة الكهربية .
· معرفة التأثيرات الثلاثة الرئيسية للتيار الكهربى , وإعطاء أمثلة عملية على لكل منها .
· شرح أهمية الفيوزات (المصهرات) fuses فى الدوائر الكهربية .
· تقدير مخاطر مرور تيار مرتفع ثابت مع المواد العازلة .

[F.Abdelaziz]

1- المخططات الصندوقية block diagrams للنظام الكهربى / الالكترونى :
النظام الكهربى / الالكترونى هو مجموعة من المكونات (العناصر) مرتبطة (متصلة) معا لأداء الوظيفة المطلوبة .
الشكل 2-1 يبين نظام مخاطبة (محادثة) public address بسيط , حيث يتم استخدام الميكروفون لتجميع الطاقة الصوتية على شكل موجات تضاغط صوتى , وتحويلها إلى طاقة كهربية فى شكل جهود وتيارات صغيرة , بعد ذلك يتم تكبير (تضخيم) إشارة الميكروفون عن طريق دائرة كهربية تحتوة على نرانزستورات / دوائر متكاملة قبل أن يتم تطبيقها على السماعة loudspeaker .

النظام الفرعى sub-system هو جزء من النظام والذى يؤدى وظيفة محددة ضمن النظام بكامله , المكبر amplifier بالشكل 2-1 مثال لنظام فرعى .
المكون أو العنصر عادة ما يكون أبسط جزء من النظام ويكون له وظيفة محددة تحديدا جيدا , على سبيل المثال , الميكروفون بالشكل 2-1 .
الرسم التوضيحى فى بالشكل 2-1 يسمى المخطط الصندوقى والأنظمة الكهربية / الالكترونية , والتى فى كثير من الأحيان تكون معقدة جدا , يمكن أن تفهم على نحو أفضل عند تقسيمها بهذه الطريقة . ليس من الضرورى دائما أنة تعرف بالضبط ما هو داخل كل نظام فرعى لمعرفة كيفية عمل النظام بأكمله .
مثال آخر لنظام هندسى , الشكل 2-2 يوضح نظام للتحكم فى درجة حرارة يحتوى على مصدر للحرارة ( مثل مرجل الغاز) , ووحدة تحكم بالوقود ( مثل صمام ذو ملف لولبى كهربائى solenoid valve) , و ثرموستات thermostat ( مستشعر لدرجة الحرارة) , و ومصدر للطاقة الكهربية . هذا النظام يمكن تمثيله بمخطط صندوقى كما فى الشكل 2-3 . تقوم الثرموستات بمقارنة درجة الحرارة الفعلية للغرفة مع درجة الحرارة المطلوبة ومن ثن توصيل وفصل التسخين .

[F.Abdelaziz]

2- الرموز القياسية للمكونات الكهربية :
تستخدم الرموز لتمثيل المكونات بمخططات الدائرة الكهربية , الشكل 2-4 يبين بعض الرموز الأكثر انتشارا .

3- التيار الكهربى Electric current وكمية الكهرباءQuantity of electricity :

[F.Abdelaziz]

3- التيار الكهربى Electric current وكمية الكهرباءQuantity of electricity :
كل الذراتatoms تتكون من بروتونات protons ونيوترونات neutrons والكترونات electrons . توجد كل من البروتونات , والتى لها شحنة كهربية موجبة , والنيوترونات , والتى ليس لها شحنة كهربية , داخل نواة nucleus . بعيدا عن النواة يوجد جسيمات دقيقة مشحونة بشحنة سالبة تسمى الالكترونات .

ذرات المواد المختلفة تختلف عن بعضها البعض من خلال وجود أعداد مختلفة من البروتونات والنيوترونات والالكترونات . يوجد عدد متساوى من البروتونات والالكترونات داخل الذرة ويقال أنها متزنة أو متعادلة كهربيا , لأن الشحنات الموجبة واسالبة يلاشى تأثير بعضها البعض . عندما يكون هناك أكثر من الكترونين فى الذرة يتم ترتيب الالكترونات فى مدارات shells على مسافات مختلفة من النواة . كل الذرات ترتبط ( تقيد) معا عن طريق قوت الجذب القوية الموجودة بين النواة والكتروناتها .

ومع ذلك , فإن الكترونات المدار (الغلاف) الخارجى للذرة تنجذب إلى نواتها بقوة أقل من تلك التى مداراتها أقرب للنواة . فمن الممكن لذرة أن تفقد الكترون , عندئذ تسمى الذرة أيون ion , ومن ثم لا تكون الذرة متزنة كهربيا , بل تصبح موجبة الشحنة , وبالتالى تكون قادرة على جذب الكترون إليها من ذرة أخرى . يطلق على الالكترونات التى تتحرك من درة إلى أخرى الالكترونات الحرة free electrons وهذه الحركة العشوائية random motion يمكن أن تستمر هكذا إلى أجل غير مسمى .
ومع ذلك , إذا تم تطبيق ضغط أو جهد عبر إى مادة يكون هناك ميل للالكترونات للانتقال (الحركة) فى اتجاه معين . لحركة الالكترونات الحرة هذه , تعرف بالانحراف drift , تشكل تدفق (سريان) flow للتيار الكهربى. وبالتالى فإن التيار هو معدل حركة (انتقال) الشحنة .
الموصلات Conductors هى تلك المواد التى تحتوى على الكترونات يكون ارتباطها بالنواة ضعيف , ويمكن انتقالها بسهولة خلال المادة من ذرة إلى أخرى .
العوازل Insulators هى تلك المواد التى ترتبط الكتروناتها بالنواة بقوة .
وحدة قياس كمية الشحنة الكهربية Q تسمة الكولوم coulomb C حيث :

1 coulomb=6.24×1018 electrons

إذا كان انحراف الاكترونات فى موصل يحدث بمعدل واحد كولوم لكل ثانية فإن التيار الناتج يقال أنه تيار قيمته واحد أمبير . وبالتالى يكون 1ampere = 1coulomb per second أو 1A = 1C/s ومن ثم
1coulomb = 1ampere second أو 1C = 1As :

عموما , إذا كان I هو التيار بالأمبير وtالزمن بالثوانى والذى يمر خلاله التيار , عندئذ فإن I ×t يمثل كمية الشحنة الكهربية بالكولوم , إى أن كمية الشحنة الكهربية المنتقلة Q = I×t coulombs :

مثال 1 :
ما هو التيار الذى يجب أن يمر إذا تم انتقال 0.24 coulombs لمدة 15ms ؟
حيث أن كمية الكهرباء Q=It لذلك :

مثال 2 :
إذا مر تيار قيمته 10A لمدة أربع دقائق , أوجد كمية الكهرباء المنتقلة .

[F.Abdelaziz]

4-فرق الجهد Potential difference والمقاومة Resistance :
حتى يستمر التيار فى التدفق بين نقطتين فى دائرة لا بد من وجود فرق جهد (p.d.) بينهما , من الضرورى مسار موصل كامل من وإلى مصدر الطاقة الكهربية . وحدة فرق الجهد هى الفولت volt ,V .
الشكل التالى يبين خلية (بطارية) موصلة عبر مصباح ذو فتيلة . يمر التيار , المصطلح عليه , من الطرف الموجب للخلية حول الدائرة إلى الطرف السالب .

يتعرض مرور التيار للاحتكاك . هذا الاحتكاك , أو المعارضة , يسمى المقاومة resistance R وهى خاصية للموصل والتى تحد من مرور التيار . وحدات المقاومة هى الأوم ohm, Ω . يعرف الأوم الواحد بأنه المقاومة التى يمر بها تيار قيمته واحد أمبير عند تطبيق فرق جهد قيمته واحد فولت عبرها أى أن :



5-أجهزة القياس الأساسية :

[F.Abdelaziz]

5-أجهزة القياس الأساسية Basic electrical measuring instruments :
مقياس التيار (الأمبير ميتر أو الأميتر ammeter ) :
هو جهاز يستخدم لقياس التيار current ويجب أن يتم توصيله على التوالى in series مع الدائرة .
فى الشكل السابق مقياس التيار متصل على التوالى مع مكصباح لقياس التيار المار خلاله . حيث أن كل تيار الدائرة يمر خلال مقياس التيار فيجب أن يكون له مقاومة منخفضة جدا .
مقياس الجهد (الفولت ميتر voltmeter ) :
هو جهاز يستخدم لقياس فرق الحهد p.d ويجب أن يتم توصيله على التوازى in parallel مع الجزء من الدائرة المطلوب فرق جهده . فى الشكل السابق مقياس جهد متصل على التوازى مع مصباح لقياس فرق الجهد عبره (بين طرفيه) . لتجنب مرور تيار كبير خلاله يجب أن يكون له مقاومة مرتفعة جدا .
مقياس المقاومة ( الأوم ميتر ohmmeter ) :
هو جهاز يستخدم لقياس المقاومة .
المقياس المتعدد multimeter أو العام universal :
هو جهاز يستخدم فى قياس الجهد والتيار والمقاومة .
راسم الذبذبات (الأوسيلوسكوب oscilloscope ) :
هو جهاز يستخدم لمراقبة الأشكال الموجية ولقياس الجهود والتيارات . شاشة الأوسيلوسكوب بها بقعة من الضوء تتحرك عبر الشاشة . مقدار إنحراف البقعة عن الموقع الابتدائى يعتمد على فرق الجهد المطبق على طرفى الأوسيلوسكوب وعلى المدى المختار . يتم معايرة الانحراف بالفولت لكل سنتيمتر ‘volts per cm’ . على سبيل المثال , إذا انحرفت البقعة 3cm وكان المدى المختار 10V/cm يكون فرق الجهد 3cm×10V/cm= 30V .
جهاز قياس القدرة (الوات ميتر wattmeter ) :
هو جهاز يستخدم فى قياس القدرة بالدائرة الكهربية .
جهاز قياس العزل (الميجر megger ) :
هو جهاز يستخدم فى قياس كل من الاستمرارية continuity ومقاومة العزل insulation resistance. اختبار الاستمرارية هو قياس مقاومة الكابل لاكتشاف ما إذا كان الكابل مستمر أى ليس به قطع أو وصلات ذات مقاومة مرتفعة . اختبار مقاومة العزل هو قياس مقاومة العزل بين الكابلات وبعضها البعض وبين كل كابل والأرضى أو الجسم المعدنى وما إلى ذلك . مقاومة العزل التى نزيد عن 1MΩ تعتبر مقبولة .
مقياس السرعة (التاكوميترtachometer) :
هو جهاز لبيان السرعة وعادة تكون بعدد اللفات (الدورات) بكل دقيقة التى يدور بها عامود الماكينة .

6- الأجهزة الخطية وغير الخطية Linear and non-linear devices

[F.Abdelaziz]

6- الأجهزة الخطية وغير الخطية Linear and non-linear devices
الشكل التالى يبين دائرة والتى يمكن تغيير التيار بواسطة المقاومة المتغيرة R2 .

للأوضاع المختلفة للمقاومة R2 , يتم قياس التيار المار بالمقاومة R1 بمقياس التيار وقياس فرق الجهد عبر المقاومة R1 بمقياس الجهد ثم رسم مخطط بيانى لفرق الجهد مع التيار . النتيجة تكون كما هو موضح بالشكل (a) وهى عبارة عن خط مستقيم يمر بنقطة الأصل ويدل على أن التيار يتناسب طرديا مع فرق الجهد . وحيث أن الميل (يساوى خارج قسمة فرق الجهد على التيار) ثابت فإن المقاومة R1 تكون ثابتة . مثل هذه المقاومة تعتبر مثال لجهاز خطى .

إذا تم تغيير المقاومة R1 بعنصر آخر مثل المصباح عندئذ عند تسجيل فرق الجهد عند قيم مختلفة للتيار نحصل على الشكل "b". زنظرا لأن الميل (الانحدار) متغير فإن المصباح يعتبر مثال لجهاز غير خطى .

7- قانون أوم Ohm’s law :

[F.Abdelaziz]

7- قانون أوم Ohm’s law :

ينص قانون أوم على أن التيار المار فى دائرة يتناسب طرديا مع الجهد المطبق ويتناسب عكسيا مع المقاومة , مع ثبات درجة الحرارة . وبالتالى :

مثال :
يمر تيار قيمته 0.8A فى مقاومة عند تطبيق فرق الجهد 20V بين طرفيها . أوجد قيمة المقاومة .

من قانون أوم

8- المضاعفات ودون المضاعفات (القواسم) Multiples and sub-multiples :