دراسة الهندسة الكهربية والإلكترونية خطوة بخطوة عن بعد

[F.Abdelaziz]

دراسة الهندسة الكهربية والإلكترونية خطوة بخطوة عن بعد

الجزء الأول

أساسيات الهندسة الكهربية

1- نظرية الإلكترون
Electron Theory

عناصر الذرة

تتكون جميع المواد من الجزيئات والتي تتكون من مزيج من الذرات. الذرات لها نواة وإلكترونات تدور حولها.وتتكون النواة من البروتونات والنيوترونات(غير ظاهرة بالشكل).معظم الذرات بها عدد متساوى من الإلكترونات والبروتونات.

الإلكترونات لها شحنة سالبة (-),والبروتونات لها شحنة موجبة (+).النيوترونات بدون شحنة أى متعادلة .
الشحنة السالبة للإلكترونات تتوازن مع الشحنة الموجبة للبروتونات.
تقيد الإلكترونات في مدارها عن طريق جذب البروتونات. وتعرف هذه بالالكترونات المقيدة .








الإلكترونات الحرة

الإلكترونات الموجودة في النطاق الخارجي يمكن أن تصبح حرة من مدارها عند تعرضها لبعض القوة الخارجية مثل الحركة فى مجال مغناطيسي ،أوالاحتكاك ، أو التأثير الكيميائى .وتعرف هذه الإلكترونات بالإلكترونات الحرة.والإلكترون الحر يترك فراغا يمكن أن يشغله إلكترون أجبرعلى الخروج من مداره من ذرة أخرى.عندما تتحرك الإلكترونات الحرة من ذرة إلى أخرى ينتج تدفق(سريان) للألكترونات . وهذا هو أساس الكهرباء.





المرجع :

http://eeecb.com/vb/forumdisplay.php?f=37

[F.Abdelaziz]

2- الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات
Conductors, Insulators and Semiconductors

الموصلات conductors

يتم إنتاج التيار الكهربائي عندما تتحرك الإلكترونات الحرة من ذرة إلى أخرى.المواد التي تسمح لكثير من الإلكترونات بالتحرك بحرية تسمى الموصلات.ويعتبر النحاس والفضة والألومنيوم والزنك والحديد موصلات جيدة.النحاس هو المعدن الأكثر شيوعا كموصل وهو رخيص نسبيا .





العوازل Insulators

المواد التي تسمح فقط بعدد قليل من الإلكترونات الحرة تسمى العوازل.المواد مثل البلاستيك والمطاط والزجاج والميكا والسيراميك عوازل جيدة.




الكابل كهربائي أحد الأمثلة على كيفية استخدام الموصلات والعوازل.تتدفق الالكترونات على طول موصل النحاس لتوفير الطاقة للأجهزة الكهربائية مثل الراديو والمصباح والمحرك.يوجد عازل حول السطح الخارجي موصل النحاس للحفاظ على الالكترونات في الموصل.






أشباه الموصلات Semiconductors

يمكن استخدام المواد شبه الموصلة مثل السيليكون لتصنيع أجهزة لها خصائص كل من الموصلات والعوازل.العديد من أجهزة أشباه الموصلات تتصرف كموصل عندما يتم تطبيق قوة خارجية في اتجاه واحد(معين) .عندما يتم تطبيق قوة خارجية في الاتجاه المعاكس فإن أجهزة أشباه الموصلات تتصرف كالعازل.هذا المبدأ هو أساس اللترانزستورات والثنائيات (الدايودات) وغيرها من الأجهزة الإلكترونية ذات الحالة الصلبة solid state.

[F.Abdelaziz]

3- الشحنات الكهربائية
Electric Charges

الحالة المتعادلة للذرة :

غالبا ما تعرف المواد بعدد الألكترونات الموجودة فى المدارات حول نواه الذرات المكونة للمادة وبعدد البروتونات فى النواه . ذرة الهيروجين – على سبيل المثال – بها الكترون واحد وبروتون واحد وذرة الألمنيوم – الموضحة بالشكل – بها 13 الكترون و13 بروتون . الذرة التى بها عدد متساوى من الألكترونات والبروتونات تعرف تسمى متعادلة كهربائيا .





الشحنات الموجبة والسالبة :

الألكترونات الموجودة بالمدار الخارجى تكون سهلة الإزاحةdisplacedبالتعرض لبعض القوة الخارجية .الألكترونات التى تجبر على ترك مداراتها تتسبب فى نقصان (عجز) lack الألكترونات عند مغادرتها وزيادة (وفرة) excess فى الألكترونات حيث تستقر . نقص الألكترونات يسمى الشحنة الموجبة لوجود بروتونات أكثر من الألكترونات .الزيادة فى الألكترونات يسمى شحنة سالبة . الشحنة الموجبة أو السالبة تتسبب نتيجة نقصان أو زيادة الألكترونات .عدد البروتونات يظل ثابتا .





جذب وتنافر الشحنات الكهربائية :

المثل القديم "الأضاد تتجاذب" صحيح عند تناول الشحنات الكهربية . يوجد حول الأجسام المشحونة مجال كهربائى غير مرئى . عند إقتراب جسمين متماثلين فى الشحنة فإن مجاليهما الكهربائية تعمل على حدوث تنافر بينهما . عند إقتراب جسمين غير متماثلين فى الشحنة فإن مجاليهما الكهربائية تعمل على حدوث تجاذب بينهما. يمثل المجال الكهربائى حول الجسم المشحون بخطوط قوى غير مرئية . خطوط القوى الغير مرئية التى تمثل مجال كهربائى غير مرئى تتسبب فى التجاذب والتنافر . خطوط القوى تظهر مغادرة (مبتعدة) عن الجسم المشحون بشحنة موجبة وداخلة إلى (مقتربة) من الجسم المشحون بشحنة سالبة .









قانون كولوم Coulomb’s Law :

درس العالم الفرنسى كولوم مجالات القوة المحيطة باأجسام المشحونة واكتشف أن الأجسام المشحونة تتجاذب أو تتنافر مع بعضها البعض بقوة تتناسب مباشرة مع حاصل ضرب الشحنتين وتتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما وتسمى هذه العلاقة بقانون كولوم للشحنات .
ببساطة يمكننا القول أن قوة التجاذب أو التنافر تعتمد على شدة الشحنات وعلى المسافة بينهما .

المرجع :

http://eeecb.com/vb/forumdisplay.php?f=37

[F.Abdelaziz]

4- التيار Current

الكهرباء هى سريان الألكترونات الحرة فى الموصل من ذرة إلى أخرى فى نفس الاتجاه العام . يعرف هذا السريان للألكترونات بالتيار ويرمز له بالرمز “I” . تتحرك الألكترونات خلال الموصل بمعدلات مختلفة ومن ثم يكون التيار الكهربائى بقيم مختلفة . يتحدد التيار بعدد الألكترونات التى تمر خلال مقطع الموصل فى الثانية . يجب أن نتذكر أن الذرة صغيرة جدا . لملىء 1 سنتيمتر مكعب من موصل النحاس نحتاج إلى عدد من الذرات قدره 1,000,000,000,000,000,000,000,000 . أى قيمة صغيرة من التيار تنتج عن عدد تخيلى من الألكترونات ولهذا السبب يقاس التيار بالأمبير واختصاره “amps” ورمزه الحرف “A” . تيار واحد أمبير يعنى أنه خلال ثانية واحدة يتحرك 6.24 x 1018 ألكترون من خلال مقطع الموصل .هذه الأرقام للمعلومية فقط ولا تحتاج إلى التركيز عليها.من المهم فهم سريان (مرور)التيار .





وحدات القياس :

فيما يلى اللاحقات المستخدمة فى وحدات قياس قيم التيار الصغيرة جدا والكبيرة جدا :





إتجاه سريان(مرور) التيار :

هناك فرق بين سريان الألكترونات وسريان التيار . نظرية سريان التيار الاصطلاحى تهمل سريان الألكترونات وتنص على أن التيار يمر من الموجب إلى السالب . لتجنب الخلط فإن هذه الجزء يستخدم طريقة سريان الألكترونات والتى تنص على أن الألكترونات تمر من السالب إلى الموجب .

[F.Abdelaziz]

5- الجهد voltage

يمكن مقارنة (تشبيه) الكهرباء بتدفق المياه عبر الأنابيب.لجعل المياة تتدفق عبر الأنابيب نحتاج إلى قوة وهذه القوة تأتي إما من مضخة مياه أو نتيجة الجاذبية الأرضية . الجهد هو القوة التي يتم تطبيقها على موصل التيار الكهربائي فيؤدي إلى تدفق التيار .





الألكترونات سالبة الشحنة وتنجذب بالشحنات الموجبة .وسوف تجذب دائما من مصدر يوجد به فائض من الإلكترونات وبذلك يكون له شحنة سالبة إلى مصدر يوجد به نقص فى الإلكترونات أى الذى يكون له شحنة موجبة.القوة اللازمة لجعل الكهرباء تتدفق من خلال موصل تسمى الفرق في الجهد والقوة الدافعة الكهربائية (emf) أو ببساطة "الجهد".يرمز للجهد بالحرف “E” أو بالحرف “V” . وحدة قياس الجهد هى الفولت ويرمز لها أيضا بالحرف “V” .

مصادر الجهد :

يمكن توليد الجهد الكهربائى بعدة طرق ,فالبطارية تستخدم عملية كهروكيميائية , ومولد السيارة ومولد محطة توليد الطاقة يستخدم عملية الحث المغناطيسي.جميع مصادر الجهد مشتركة فى خاصية وجود فائض من الإلكترونات في أحد الأطرف ونقص فى الطرف الآخر وهذا يؤدى إلى وجود فرق جهد بين الطرفين .



رمز دائرة الجهد :

يعبر عن طرفى البطارية بشكل رمزي فى الرسومات الكهربائية بخطين.الخط الأطول يشير إلى الطرف الموجب والخط الأقصر يشير إلى الطرف السالب.



وحدات القياس :

[F.Abdelaziz]

6- المقاومة Resistance

العامل الثالث الذي يلعب دورا في الدائرة الكهربائية هو المقاومة . جميع المواد يعيق تدفق التيار الكهربائي إلى حد ما.مقدار المقاومة يعتمد على التركيب الطول ومساحة المقطع العرضي ودرجة حرارة مادة المقاومة .
وكقاعدة : مقاومة الموصل تزيد بزيادة الطول وتنقص بنقصان مساحة المقطع العرضي.
تعرف المقاومة بالرمز “R” ووحدات قياسها هى الأوم (Ω) .


رموز المقاومة بالدائرة الكهربية :

عادة يعرف رمز المقاومة فى الرسومات الكهربائية بأحد طريقتين . الطريقة الشائعة هى مستطيل مفرغ والطريقة الأخرى هى خط زجزاج (متعرج)




يمكن للمقاومة أن تأخد العديد من الأشكال فقد توضع فى الدائرة كمقاومة أو تكون ضمنية لأجهزة أخرى له مقاومة .

وحدات القياس :

[F.Abdelaziz]

7- الدائرة الكهربية البسيطة

الدائرة الكهربية :

توجد علاقة أساسية بين التيار والجهد والمقاومة . تتكون الدائرة الكهربية البسيطة من مصدر للجهد بعض أنواع الأحمال load وموصل للسماح بالألكترونات بالمرور بين مصدر الجهد والحمل .فى الدائرة التالية مصدر الجهد هو البطارية والأسلاك الكهربائية تستخدم للتوصيل والمصباح يمثل الحمل أو المقاومة . أضيف عنصر أخر إلى الدائرة هو المفتاح .
يجب أن يكون هناك مسار كامل (مغلق) لكى يمر التيار . إذا كان المفتاح مفتوح (غير موصل) فإن المسار يكون غير كامل وسوف لا يضيء المصباح .
إغلاق (توصيل) المفتاح يكمل المسار مما يسمح للالكترونات بترك الطرف السالب والتدفق من خلال المصباح إلى الموجب.





مخطط الدائرة الكهربائية :

المخطط التالي هو تمثيل للدائرة الكهربائية ويتكون من بطارية والمقاومة والفولتميتر(مقياس الجهد) والأميتر (مقياس التيار) . يوصل الأميتر بالدائرة على التوالى ليبين قسمة التيار المار بالدائرة . يوصل الفولتميتر عبر مصدر الجهد ليبين قيمة جهد التغذية من البطارية . قبل إجراء تحليل للدائرة نحن بحاجة لفهم قانون أوم.

[F.Abdelaziz]

8- قانون أوم Ohm’s Law

جورج سيمون أوم وقانون أوم :

درس عالم الرياضيات الألمانى جورج سيمون أوم العلاقة بين التيار والجهد والمقاومة وصاغ قانون ينص على أن التيار يتناسب طرديا مع الجهد وعكسا مع المقاومة . وصيغة القانون هى :






قانون أوم هو الصيغة الأساسية المستخدمة في جميع الدوائر الكهربائية. يجب على مصمم الدوائر الكهربائية تحديد قيمة الجهد اللآزم لحمل معين مثل أجهزة الكومبيوتروالساعات والمصابيح والمحركات. يجب أن يتخذ القرارات أخذا فى الاعتبار العلاقة بين التيار والجهد والمقاومة .جميع التصميمات والتحليلات الكهربائية تبدأ بقانون أوم.هناك ثلاث طرق رياضية للتعبير عن قانون أوم.الصيغة التى يتم استخدامها تعتمد على المعطيات المعروفة والبيانات المطلوب معرفتها.





مثلث قانون أوم :

هناك طريقة سهلة لنتذكر أى الصيغ نستخدم , عن طريق ترتيب التيار والجهد والمقاومة في شكل المثلث ويمكن بسرعة تحديد الصيغة الصحيحة.






استخدام المثلث :

لاستخدام المثلث : يتم تغطية القيمة المطلوب حسابها .الأحرف المتبقية تشكل الصيغة.






قانون أوم يعطى الإجابة الصحيحة فقط عندما يتم استخدام القيم الصحيحة.

تذكر القواعد الثلاثة الآتية:
1- دائما يعبر(يعوض) عن التيار بالأمبير .
2- دائما يعبر(يعوض) عن الجهد بالفولت .
3- دائما يعبر(يعوض) عن المقاومة بالأوم .

أمثلة على استخدام قانون أوم :

استخدم الدائرة البسيطة الآتية بفرض أن جهد التغذية من البطارية هو 10 volts والمقاومة 5 Ω





لإيجاد قيمة التيار المار بالدائرة , غطى (إخفى)الحرف “I” بالمثلث فتنتج المعادلة




استخدم نفس الدائرة بفرض أن قراءة مقياس التيارammeter هى 200 mA والمقاومة بالقيمة 10 Ω .
لإيجاد الجهد غطى الحرف “E” فى المثلث فتنتج المعادلة :





تذكر جيدا العلاقة بين الملىmilli (m) والميكرو micro () والكيلو kilo (k).