 |
|
|
|
||||||
دروس أسس الإلكترونيات بغرض فهم وتحليل وتصميم الدوائر الإلكترونية
دروس أسس الإلكترونيات الفصل الأول : نظرية دوائر التيار المستمر DC Circuit Theory أولا : العلاقة بين الجهد ، والتيار ، والمقاومة Relationship between Voltage Current and Resistance تتكون جميع المواد من ذرات atoms ، وتتكون جميع الذرات من بروتونات protons ، ونيوترونات neutrons ، وإلكترونات electrons . البروتونات تمتلك شحنة كهربية موجبة ، والنيوترونات لا تمتلك أى شحنة كهربية فى حين أن الإلكترونات تمتلك شحنة كهربية سالبة . ترتبط الذرات معا عن طريق قوى التجاذب القوية الموجودة بين نواة الذرات والإلكترونات الموجودة فى غلافها الخارجى . عندما تكون هذه البروتونات والنيوترونات والإلكترونات داخل الذرة فإنها تكون مستقرة stable ،. لكن إذا فصلناها عن بعضها البعض فإنا تميل إلى العودة وتبدأ فى بذل جهد potential أو قوة تجاذب تسمى فرق الجهد potential difference . الآن إذا قمنا بعمل دائرة مغلقة فإن هذه الإلكترونات الفضفاضة (الحرة) سوف تبدأ فى التحرك والانجراف إلى البروتونات ونتيجة انجذابها ينشأ سريان (تدفق) flow من الإلكترنات . هذا السريان من الإلكترونات يسمى التيار الكهربى electrical current . هذه الإلكترونات لا تتدفق بحرية عبر الدائرة لأن المادة التى تتحرك خلالها تقوم بإنشاء معارضة لتدفق الإلكترونات . هذه المعارضة تسمى المقاومة resistance . ومن ثم فإن جميع الدوائر الكهربية أو الإلكترونية الأساسية تتكون من ثلاثة كميات مستقلة ولكنها مرتبطة بشدة ، وتسمى : الجهد والتيار والمقاومة Voltage, ( v ), Current, ( i ) and Resistance, (  ) . 
التعديل الأخير تم بواسطة : F.Abdelaziz بتاريخ 21-03-2017 الساعة 03:40 PM |
| اعلانات |
|
||||||
|
الجهد الكهربائي Electrical Voltage الجهد Voltage, ( V ) هو الطاقة الكامنة لمصدر الكهرباء المخزنة فى شكل شحنة كهربية . يمكن التفكير فى الجهد باعتباره القوة التى تدفع الإلكترونات خلال موصل ، وكلما زاد الجهد زادت قدرته على دفع الإلكترونات خلال دائرة معينة . وكما أن الطاقة تمتلك القدرة لعمل شغل فإن طاقة الجهد هذه يمكن وصفها على أنها الشفل المطلوب بالجول لتحريك الإلكترونات فى شكل تيار كهربائى حول دائرة من نقطة ما (تسمى عقدة node) إلى نقطة أخرى. من ثم يعرف الفرق فى الجهد بين أى نقطتين فى دائرة "بفرق الجهد" Potential Difference, ( p.d. ) وعادة ما يطلق عليه "هبوط الجهد" Voltage Drop . يقاس فرق الجهد بين نقطتين "بالفولت" Volts ويرمز له بالرمز V ، أو v (على الرغم من أن الطاقة يرمز لهل بالرمز E إلا أن الرمز e يستخدم أحيانا للدلالة على القوة الدافعة الكهربية emf ). كلما زاد الجهد يزداد الضغط (قوة الدفع) وتزداد القدرة على بذل الشغل . مصدر الجهد الثابت يسمى "جهد التيار المستمر" ، فى حين أن مصدر الجهد الذى يتغير دوريا مع الزمن يسمى "جهد التيار المتردد " AC voltage . يقاس الجهد بالفولتات volts ، ويعرف الفولت الواحد بأنه الضغط الكهربائى الازم لدفع تيار كهربائى قيمته واحد أمبير Ampere خلال مقاومة قيمته واحد أوم Ohm . عادة يتم التعبيير عن الجهود بالفولت ويمكن استخدام سابقات prefixes للدلالة على الوحدات الأصغر أو الأكبر من الفولت ، على سبيل المثال الميكروفولت ( μV = 10-6 V ) ، والملى فولت ( mV = 10-3 V ) أو الكيلوفولت ( kV = 103 V ) . الجهد يمكن أن يكون إما موجبا أو سالبا . البطاريات ومصادر القدرة غالبا ما تستخدم فى إمداد الدوائر الإلكترونية والأنظمة بجهد تيار مستمر DC مثل 5v, 12v, 24v وغيرها . فى حين أن مصادر الجهد المتردد AC تكون متاحة من أجل الأجهزة المنزلية والصناعية والإضاءة بالإضافة إلى نقل القدرة . مصدر جهد الشبكة الرئيسية mains فى الشرق الأوسط يكون 220 volts a.c. وفى انجلترا 230 volts a.c. وفى الولايات المتحدة 110 volts a.c. تعمل الدوائر الإلكترونية العامة على جهد منخفض من بطاريات بجهد بين 1.5V و 24V dc . رمز الدائرة لمصدر الجهد الثابت عادة يعطى كرمز البطارية مع علامة “+” و “-“ للإشارة إلى اتجاه القطبية . رمز الدائرة لمصدر الجهد المتردد عبارة عن دائرة بداخلها موجة جيبية . الشكل التالى يبين رموز الجهد Voltage Symbols :  يمكن عمل تناظر بسيط بين خزان المياه ومصدر الجهد . كلما زاد ارتفاع المياه فوق المخرج كلما زاد ضغط المياه بسبب زيادة الطاقة ، وكلما ارتفع الجهد تزداد طاقة الجهد وتحرير المزيد من الكترونات . دائما ما يتم قياس الجهد كفرق بين أى نقطتين فى دائرة ، والجهد بين هاتين النقطتين عادة ما يشار إليه باسم " هبوط أو انخفاض الجهد" “Voltage drop“ . لاحظ أن الجهد يمكن أن يتواجد عبر الدائرة بدون تيار ، لكن التيار لا يمكن أن يتواجد بدون جهد ، هذا يعنى أن مصدر الجهد سواء المستمر أو المتردد يفضل الدوائر المفتوحة open circuit أو شبه المفتوحة ولكن دائرة القصر short circuit يمكن أن تؤدى إلى تلفه . |
| اعلانات اضافية ( قم بتسجيل الدخول لاخفائها ) | |
|
|
|
||||||
|
التيار الكهربائى Electrical Current التيار الكهربائى (I) هو حركة أو تدفق الشحنة الكهربائية ، ويقاس بوحدة "الأمبير" Amperes . وهو التدفق المنتظم والمستمر (يسمى إنجراف drift) للإلكترونات ( الجزيئات السالبة للذرات) حول دائرة والذى يتم دفعه عن طريق مصدر الجهد . فى الواقع ، تتدفق الإلكترونات من الطرف السالب (-ve) إلى الطرف الموجب (+ve) للمصدر ، ولسهولة فهم الدائرة فلقد اصطلح على مسمى "التيار التقليدى" conventional current أو المتفق عليه (الاصطلاحى)، وهو التيار الذى يتدفق من الطرف الموجب إلى الطرف السالب . عامة ، فى المخططات الكهربائية عادة ما يكون للتيار المار بالدائرة "سهم" مصحوب بالرمز (I) أو الرمز (i) للإشارة إلى اتجاه تدفق التيار التقليدى . الشكل التالى يبين تدفق التيار التقليدى :  هذا الاتجاه الاصطلاحى هو تدفق الشحنة الموجبة حول الدائرة ، من الطرف الموجب إلى الطرف السالب . الشكل أعلاه يبين حركة الشحنة الموجبة (تسمى الثقوب holes) حول دائرة مغلقة والتدفق من الطرف الموجب للبطارية ، خلال الدائرة والعودة إلى الطرف السالب للبطارية . هذا التدفق للتيار من الطرف الموجب إلى الطرف السالب يعرف بتدفق التيار الاصطلاحى . لمواصلة هذا الخط من الفكر ، فإنه فى جميع مخططات الدوائر ، الأسهم المبينة على رموز المكونات مثل الدايودات والترانزستورات تشير إلى اتجاه تدفق التيار الاصطلاحى . وهكذا فإن تدفق التيار الاصطلاحى يعطى تدفق التيار الكهربائى من الموجب إلى السالب وهو عكس اتجاه التدفق الفعلى للإلكترونات . الشكل التالى يبين اتجاه تدفق الإلكترون Electron Flow  فى الدوائر الإلكترونية ، "مصدر التيار" current source هو عنصر الدائرة الذى يوفر كمية معينة من التيار ، على سبيل المثال 1A, 5A, 10 A , …، رمز الدائرة لمصدر التيار الثابت هو دائرة مع وجود سهم بداخلها يشير إلى اتجاه تدفق التيار . يقاس التيار بوحدات الأمبيرات Amps ، وعرف الأمبير على أنه عدد الإلكترونات أو الشحنة ( يرمز لها بالرمز Q وتقاس بوحدات الكولوم ) التى تعبر نقطة معينة فى الدائرة فى الثانية الواحدة . عامة يتم التعبير عن التيار الكهربائى بالأمبيرات Amps مع استخدام سابقات prefixes للدلالة على الميكروأمبير ( μA = 10-6A ) أو الملى أمبير ( mA = 10-3A ) . لاحظ أن التيار الكهربائى يمكن أن يكو إما موجب القيمة أو سالب القيمة بناء على اتجاه التدفق . التيار الذى يتدفق فى اتجاه واحد يسمى التيار المستمر Direct Current أو D.C. ، والتيار الذى يتناوب أو يتردد خلال دائرة يعرف باسم التيار المتناوب أو المتردد Alternating Current أو A.C. . وسواء أكان التيار مستمر أو متردد فإن يتدفق فقط خلال الدائرة عندما يتم توصيل مصدر جهد بالدائرة ويتم تحديد التدفق عن طريق كل من مقاومة الدائرة ومصدر الجهد المستخدم . ونظرا لأن التيارات المترددة (والجهود) تكون دورية وتتغير مع الزمن فإنها تقاس بالقيمة التأثيرية “effective” أو قيمة RMS ويرمز لها بالرمز Irms وهى القيمة التى تنتج نفس متوسط فقد القدرة المكافىء لمتوسط التيار المستمر Iaverage . مصادر التيار تكون عكس مصادر الجهد فى أنها تحب حالة دائرة القصر أو الدائرة المغلقة ولكنها تكره حالة الدائرة المفتوحة لأنه سوف لا يمر (يتدفق) تيار كهربائى . بالنظر إلى التماثل مع علاقة تنك المياه ، فإن التيار يكافىء تدفق المياه خلال إنبوبة يمر بها نفس التدفق . كلما زادت سرعة تدفق المياه كلما زاد التيار . لاحظ أن التيار لا يمكن أن يتواجد من دون جهد لذلك فإن أى مصدر تيار سواء أكان مستمر أو متردد يحب حالة الدائرة شبة المقصورة semi-shortولكنه يكره أى حالة دائرة مفتوحة لإنها تمنعه من التدفق . |
|
||||||
|
المقاومة Resistance المقاومة (R) هى قدرة المادة على مقاومة أو منع مرور التيار ، أو ، على وجه التحديد ، تدفق الشحنة الكهربائية داخل الدائرة . عنصر الدائرة الذى يفعل ذلك يسمى "المقاوم" “Resistor” . المقاومة هى عنصر من عناصر الدائرة وتقاس بوحدات الأوم Ohms ويرمز له بالرمز ( , Omega ) مع سابقات للإشارة إلى الكيلوأوم Kilo-ohms ( k = 103 ) والميجاأوم Mega-ohms ( M = 106 ) . لاحظ أن المقاومة لا يمكن أن تكون سالبة القيمة بل تكون موجبة القيمة فقط . الشكل التالى يبين رموز المقاوم Resistor Symbols  يتم تحديد مقدار مقاومة المقاوم عن طريق علاقة التيار المار خلالها والجهد بين طرفيها (عبرها) والتى تحدد ما إذا عنصر الدائرة "موصل جيد" (مقاومة منخفضة) أو "ردىء التوصيل" (مقاومة مرتفعة) . المقاومة المنخفضة ، على سبيل المثال واحد أوم 1 أو أقل تعنى أن الدائرة موصل جيد مصنوعة من مواد موصلة مثل النحاس أو الالومنيوم أو الكربون ، فى حين أن المقاومة المرتفعة ، على سبيل المثال واحد ميجاأوم 1M أو أكثر تعنى أن الدائرة رديئة التوصيل مصنوعة من مواد عازلة مثل الزجاج ، أوالخزف أو البلاستيك . من الناحية الأخرى ، "شبه الموصل" “semiconductor” مثل السليكون أو الجرمانيوم هى مواد لها مقاومة فى منتصف الطريق بين تلك التى تكون موصل جيد والتى تكون عازل جيد . ومن ثم جاء اسم "شبه الموصل" . تستخدم أشباه الموصلات فى عمل الدايودات Diodes والترانزستورات Transistors وغيرها . يمكن للمقاومة أن تكون ذات طبيعة خطية linear أو غير خطية non-linear . المقاومة الخطية تخضع لقانون أوم Ohm’s Law والذى ينص على أن الجهد عبر المقاوم (المقاومة) تتناسب طرديا (خطيا) مع التيار المار خلاله . المقاومة غير الخطية لا تخضع لقانون أوم ولكن يكون لها هبوط جهد عبرها والذى يتناسب مع التيار بشكل ما . المقاومة تكون نقية ولا تتأثر بالتردد حيث أن معاوقة impedance المقاومة للتيار المتردد AC تكون مساوية لمقاومة التيار المستمر DC ونتيجة لذلك لا يمكن أن تكون سالبة . تذكر أن المقاومة تكون دائما موجبة ولا تكون أبدا سالبة . يصنف المقاوم على أنه عنصر دائرة "غير فعال" passive وعلى هذا النحو لا يمكنه أن يعطى deliver قدرة أو تخزين store طاقة . بدلا من ذلك فإن المقاومات تمتص القدرة والتى تظهر فى شكل حرارة أو ضوء . القدرة فى المقاومة تكون دائما موجبة بغض النظر عن قطبية الجهد واتجاه التيار . لقيم المقاومة الصغيرة جدا ، على سبيل المثال الملى أوم ( m ) يكون أحيانا من الأسهل استخدام معكوس المقاومة reciprocal أى ( 1/R ) عن استخدام المقاومة ( R ) نفسها معكوس المقاومة يسمى "الموصلية" Conductance ورمزها (G) وهى تمثل قدرة الموصل أو الجهاز على توصيل الكهرباء . وبعبارة أخرى السهولة التى من خلالها يتدفق التيار . القيم المرتفعة للموصتعنى موصل جيد مثل النحاس فى حين أن القيم المنخفضة للموصلية تعنى موصل ردىء مثل الخشب . الوحدات القياسية لقياس الموصلية هى "سيمين" Siemen ورمزها (S) . الوحدة المستخدمة للموصلية هى "الموه" mho(عكس ترتيب كلمة ohm ) ورمزه ℧ (عكس رمز الأوم) . يمكن أيضا التعبير عن القدرة باستخدام التوصيلية بالعلاقة p = i2/G = v2G . العلاقة بين الجهد Voltage, ( v ) والتيار Current, ( i ) فى دائرة مقاومة ثابتة ( R ) سوف تكون على شكل خط مستقيم i-v بميل slope يساوى قيمة المقاومة كما هو مبين بالشكل التالى :  ملخص الجهد والتيار والمقاومة : الآن نأمل أن يكون لديك فكرة ما عن كيفية ارتباط الجهد الكهربائى والتيار والمقاومة معا ارتباطا وثيقا . العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة تشكل أساس "قانون أوم" Ohm’s law . فى دائرة خطية ثابتة المقاومة ، إذا قمنا بزيادة الجهد ، يزداد التيار ، وبالمثل ، إذا قمنا بخفض الجهد ، ينخفض التيار . وهذا يعنى أنه إذا كان الجهد مرتفع يكون التيار مرتفع ، وإذا كان الجهد منخفض يكون التيار منخفض . وبالمثل إذا قمنا بزيادة المقاومة ، ينخفض التيار لجهد معين ، وإذا قمنا بخفض المقاومة يزداد التيار . وهو ما يعنى أنه إذا كانت المقاومة مرتفعة يكون التيار منخفض وإذا كانت المقاومة منخفضة يكون التيار مرتفع . ومن ثم يمكننا أن ندرك أن مرور التيار حول دائرة يكون متناسب تناسب مباشر ( ∝ ) للجهد ( V↑ causes I↑ ) ، ولكنه يكون متناسب تناسب عكسى ( 1/∝ ) للمقاومة ( R↑ causes I↓ ) . • الجهد Voltage أو فرق الجهد potential difference هو مقياس للطاقة الكامنة بين نقطتين فى دائرة وعادة يشار إليه "بهبوط أو انخفاض الجهد" ” volt drop “ . • عندما يتم توصيل مصدر جهد إلى دائرة مغلقة فإن الجهد سوف يتسبب فى مرور تيار حول الدائرة . • فى مصادر جهد التيار المستمر DC ، تستخدم الرموز +ve (positive) و -ve (negative) للإشارة لقطبية مصدر الجهد . • يقاس الجهد بوحدات الفولت ” Volts ” ويرمز لها بالرمز ” V ” . • مرور (تدفق)التيار هو مزيج من تدفق الإلكترونات electron وتدفق الثقوب hole خلال دائرة . • التيار هو التدفق المستمر والمنتظم للشحنة الكهربائية حول الدائرة ويقاس بوحدات الأمبير ” Amperes ” أو Amps ” ويرمز له بالرمز ” I “ . • التيار يتناسب تناسبا مباشرا (طريا) مع الجهد ( I ∝ V ) . • القيمة التأثيرية (rms) للتيار المتردد لها نفس المكافىء من متوسط فقد القدرة للتيار المستمر المار خلال عنصر مقاومة . • المقاومة هى المعارضة (الممانعة) لمرور التيار حول دائرة . • القيم المنخفضة للمقاومة تعنى موصل والقيم المرتفعة للمقاومة تعنى عازل . • التيار يتناسب تناسبا عكسيا مع المقاومة ( I 1/∝ R ) . • تقاس المقاومة بوحدات الأوم ” Ohms ” ويرمز لها بالرمز ” ” أو الحرف ” R “ .  الدرس القادم يدور حول دوائر التيار المستمر DC وسوف نلقى نظرة على قانون أوم Ohms Law وهو معادلة رياضية تشرح العلاقة بين الجهد Voltage ، والتيار Current ، والمقاومة Resistance داخل الدوائر الكهربائية وهى أساس الإلكترونيات والهندسة الكهربائية . ويعرف قانون أوم على النحو التالى V = I x R . |
|
||||||
|
قانون أوم والقدرة فى الدوائر الكهربائية Ohms Law and Power in Electrical Circuits وجد "جورج أوم" Georg Ohm أنه : عند ثبات درجة الحرارة ، التيار الكهربائى المار خلال مقاومة خطية ثابتة يتناسب تناسبا طرديا مع الجهد المطبق عبرها ، وأيضا يتناسب تناسبا عكسيا مع المقاومة . هذه العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة تشكل أساس قانون أوم كما هو موضح فيما يلى :  عن طريق معرفة أى قيمتين من كميات الجهد والتيار والمقاومة يمكننا استخدام قانون أوم فى إيجاد القيمة الثالثة الناقصة . يستخدم قانون أوم على نظاق واسع فى الصيغ والحسابات الإلكترونية ، لذلك فإنه " من المهم جدا أن نفهم ونتذكر بدقة هذه الصيغ " . من خلال معرفة أي قيمتين من الجهد، الحالية أو المقاومة كميات يمكننا استخدام قانون أوم للعثور على القيمة المفقودة الثالثة. يستخدم قانون أوم على نطاق واسع في الصيغ الإلكترونية والحسابات لذلك فمن المهم جدا أن نفهم وتذكر بدقة هذه الصيغ ". لإيجاد الجهد V : [ V = I x R ] V (volts) = I (amps) x R ( لإيجاد التيار I : ) [ I = V ÷ R ] I (amps) = V (volts) ÷ R ( لإيجاد المقاومة R : ) [ R = V ÷ I ] R ( ) = V (volts) ÷ I (amps)فمن السهل في بعض الأحيان أن نتذكر علاقة قانون أوم هذه باستخدام الصور. هنا تم تركيب الكميات الثلاثة V,I,R فى مثلث (يسمى مثلث قانون أوم) ، يوضع الجهد في الجزء العلوي والتيار والمقاومة فى الجزء السفلى . يمثل هذا الترتيب الموضع الفعلي لكل كمية ضمن صيغ قانون أوم ، كما هو موضح بالشكل التالى :  بالمقارنة مع معادلة قانون أوم القياسية سوف نحصل على المجموعات التالية لنفس المعادلة : إن نقل معادلة قانون أوم القياسية أعلاه سيعطينا المجموعات التالية من المعادلة نفسها:  ومن ثم باستخدام قانون أوم يمكننا أن نرى أن جهد قيمته 1V مطبق على مقاومة قيمتها 1 سوف يتسبب فى مرور تيار قيمته 1A ، وكلما زادت المقاومة كلما قل التيار الذى يمر عند تطبيق جهد معين . أى جهاز أو عنصر كهربائى يطبق عليه قانون أوم ، أى أن التيار المار خلاله يكون متناسبا للجهد عبره ( I  V ) ، مثل المقاومات أو الكابلات ، يقال أنه ذات طبيعة "أومية "“Ohmic” ، والجهاز الذى لا يطبق علية قانون أوم ، مثل الترانزستورات والدايودات ، يقال أنها أجهزة ذات طبيعة "غير أومية" “Non-ohmic” . التعديل الأخير تم بواسطة : F.Abdelaziz بتاريخ 25-03-2017 الساعة 02:03 PM |
|
||||||
|
القدرة الكهربائية فى الدوائر Electrical Power in Circuits القدرة الكهربائية Power(P) فى دائرة هى معدل الطاقة Energy الممتصة(المستهلكة) أو المنتجة (المتولدة) داخل الدائرة . مصدر الطاقة مثل الجهد سوف ينتج أو يعطى طاقة فى حين أن الحمل المتصل يمتصها . مصابيح الإضاءة والسخانات ، على سبيل المثال ، تمتص الطاقة الكهربائية وتحولها إلى أى من الحرارة أو الضوء أو كليهما . كلما زاد قيم الطاقة أو معدلها بالوات watts كلما زادت القدرة الكهربائية التى تستهلكها . رمز كمية الطاقة هو (P) وهو ناتج حاصل ضرب الجهد فى التيار ويقاس بوحدات الوات Watt ( W ) . يتم استخدام سابقات للإشارة إلى الملى وات milliwatts (mW = 10-3W) أو الكيلو وات kilowatts (kW = 103W) . باستخدام قانون أوم والتعويض عن قيم V,I,R نحصل على صيغ القدرة الكهربائية كما يلى : ورمز الكمية للسلطة هو P وهو نتاج جهد مضروبا في التيار مع وحدة القياس كونها الواط (W). وتستخدم البادئات للدلالة على المضاعفات المتعددة أو المضاعفات الفرعية للواط، مثل: ميليوات (مو = 10-3W) أو كيلووات (كو = 103W). ثم باستخدام قانون أوم والاستعاضة عن قيم V و I و R صيغة الطاقة الكهربائية ويمكن الاطلاع على النحو التالي: [ P = V x I ] P (watts) = V (volts) x I (amps) Also, [ P = V2 ÷ R ] P (watts) = V2 (volts) ÷ R ( )Also, [ P = I2 x R ] P (watts) = I2 (amps) x R ( )مثلث القدرة :  يمكننا أن نرى أن هناك ثلاثة صيغ ممكنة لحساب القدرة الكهربية فى الدائرة . إذا كانت القدرة المحسوبة موجبة القيمة (+P) فى أى صيغة ، فإن العنصر يمتص (يستهلك) القدرة ، أى أنه يستهلك أو يستخدم القدرة . ولكن إذا كانت القدرة المحسوبة سالبة القيمة (-P) فلإن العنصر ينتج (يولد) قدرة ، وبعبارة أخرى يكون مصدر للقدرة الكهربائية مثل البطتريات والمولدات . معدل القدرة الكهربائية Electrical Power Rating تعطى المكونات الكهربائية "معدل القدرة" بالوات والذى يشير إلى الحد الأقصى للمعدل الذى يقوم فيه المكون بتحويل القدرة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة مثل الحرارة أو الإضاءة أو الحركة . على سبيل المثال ، مقاومة ربع وات 1/4W ، و مصباح إضاءة 100 وات 100W ، وغير ذلك . الأجهزة الكهربائية تقوم بتحويل واحد من أشكال الالقدرة إلى شكل آخر . على سبيل المثال ، المحرك الكهربائى motor سوف يحول الطاقة الكهربائية إلى قوة force ميكانيكية ، فى حين أن المولد الكهربائى generator يحول القوة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية . مصباح الإضاءة يحول الطاقة الكهربائية إلى كل من الضوء والحرارة . بعض الأجهزة الكهربائية مثل المحركات الكهربائية يمكن أن يكون لها معدل قدرة بوحدات قياس قديمة تسمى الحصان “Horsepower أو hp . العلاقة بين الحصان والوات تعطى بالمعادلة 1hp = 746W . فعلى سبيل المثال ، محرك له معدل قدرة بالقيمة 2 حصان يكون معدل قدرته بالوات 1492W, (2 x 746) أو تقريبا 1.5kW . مخطط قانون أوم Ohms Law Pie Chart للمساعدة أكثر على فهم العلاقة بين القيم المختلفة ، يمكننا أن نأخذ جميع معادلات قانون أوم المذكورة أعلاه لإيجاد الجهد ، والتيار ، والمقاومة ، وبالطبع القدرة ، وتلخيصا فى مخطط بسيط يسمى Ohms Law Pie Chart للاستخدام فى دوائر التيار المستمر DC والمتردد AC وفى الحسابات كما هو موضح بالشكل التالى :  فضلا عن استخدام المخطط المبين أعلاه ، يمكننا أيضا وضع معادلات قانون أو الفردية فى شكل جدول ، يسمى Ohms Law Matrix Table لسهولة الرجوع إليه عند حساب قيمة غير معروفة .  مثال على قانون أوم : للدائرة المبينة أدناه ، أوجد الجهد V ، والتيار I والمقاومة R والقدرة P .  Voltage [ V = I x R ] = 2 x 12 = 24VCurrent [ I = V ÷ R ] = 24 ÷ 12 = 2AResistance [ R = V ÷ I ] = 24 ÷ 2 = 12 Power [ P = V x I ] = 24 x 2 = 48W القدرة داخل دائرة كهربائية تكون موجودة فقط عن وجود كل من الجهد والتيار . على سبيل المثال ، فى حالة الدائرة المفتوحة open ، يكون الجهد موجود ولكن لا يمر تيار I = 0 (zero) ، وبالتالى يكون V x 0 = 0 ، ومن ثم يجب أن تكون القدرة المشتتة داخل الدائرة أيضا بصفر . وبالمثل ، فى حالة دائرة القصر short ، يوجد مرور للتيار الكهربائى ولكن لا يوجد جهد V=0 ، وبالالى يكون 0xI=0 ، ومن ثم ، مرة أخرى ،يجب أن تكون القدرة المشتتة داخل الدائرة أيضا بصفر . وبما أن القدرة الكهربائية هى حاصل ضرب الجهد فى التيار VxI ، فإن القدرة التى تبدد فى دائرة تكون نفسها سواء أكان الجهد مرتفع والتيار منخفض أو كان الجهد منخفض والتيار مرتفع . |
|
||||||
|
الطاقة الكهربائية فى الدوائر Electrical Energy in Circuits الطاقة الكهربائية energy هى القدرة على القيام أو بذل الشغل work ،ووحدات الشغل أو الطاقة هى الجول joule ( J ) . الطاقة الكهربائية هى ناتج حاصل ضرب القدرة فى طول الزمن الذى تم فيه استهلاكها . لذلك إذا كنا نعرف كم من القدرة ، بالوات ، تم استهلاكها , والزمن ، بالثوانى ، الذى تم استخدامها ، يمكننا إيجاء الطاقة الكلية المستخدم بالوات- ثانية . وبعبارة أخرى ، الطاقة Energy = power x time ، والقدرة Power = voltage x current . لذلك ترتبط القدرة الكهربائية بالطاقة ، وحدات قياس الطاقة الكهربائية هى الوات-ثانية watt-seconds أو الجول joules .  يمكن أيضا تعريف القدرة الكهربية على أنه معدل انتقال الطاقة . إذا تم امتصاص أو إعطاء شغل قدرة واحد وات بمعدل ثابت قدره واحد ثانية ، عندئذ تكون القدرة المناظرة سوف تكافىء واحد وات ، لذلك يمكن تعريف القدرة “1Joule/sec = 1Watt” ومن ثم يمكننا القول بأن واحد وات يساوى واحد جول كل ثانية ، وتعرف القدرة الكهربائية على أنها معدل بذل الشغل أو معدل انتقال الطاقة . مثلث القدرة والطاقة الكهربائية : Electrical Power and Energy Triangle  لقد قلنا سابقا أن الطاقة الكهربائية تعرف على أنها الوات لكل ثانية أو الجول . على الرغم من أن الطاقة الكهربائية تقاس بالجول إلا أنها يمكن أن تصبح قيمة كبيرة جدا عندما تستخدم لحساب الطاقة الكهربية المستهلكة بواسطة المكونات . على سبيل المثال ، إذا ترك مصباح كهربائى 100 وات فى حالة توصيل on لمدة 24 ساعة ، فإن الطاقة المستهلكة سوف تكون 8,640,000 Joules (100W x 86,400 seconds) ، لذلك ، بدلا من ذلك تستخدم سابقات مثل الكيلو جول kilojoules (kJ = 103J) أو الميجا جول megajoules (MJ = 106J) ، وفى هذا المثال البسيط ، الطاقة المستهلكة سوف تكون 8.64MJ (mega-joules) . لكن التعامل بالجول أو الكيلو جول أو الميجا جول للتعبير عن الطاقة الكهربائية ، سوف ينتج رقم كبير به الكثير من الأصفار ، لذلك فإنه يكون من الأسهل كثيرا التعبير عن الطاقة الكهربائية المستهلكة بالكيلووات-ساعة Kilowatt-hours . إذا تم قياس القدرة الكهربية المستهلكة (أو المتولدة) بالوات أو الكيلووات(ألف وات) وقياس الزمن بالساعات وليس بالثوانى ، عندئذ فإن الطاقة الكهربائية سوف تكون بوحدات الكيلووات-ساعة kilowatt-hours,(kWhr) . لذلك مصباح الإضاءة ، 100 وات ، المبين أعلاه ، سوف يستهلك 2,400 watt hours أو 2.4kWhr وهو يكون أسهل بكثير للفهم من 8,640,000 joules . واحد كيلووات-ساعة 1 kWhr هى كمية الكهرباء المستخدمة بواسطة جهاز معدله 1000وات فى ساعة واحدة ويسمى عادة "وحدة الكهراء" “Unit of Electricity” . هذه الوحدة هى التى يتم قياسها بواسطة مقياس الخدمة وهو ما نقوم نحن بشراءه كمستهلكين من شركات الكهرباء عن طريق فاتورة الكهرباء . الكيلووات ساعة هى الوحدات القياسية للطاقة المستخدمة عن طريق عداد الكهرباء فى منازلنا لحساب كمية الطاقة الكهربائية التى نستخدمها ، وبالتالى ما نقوم بدفعه . لذلك إذا قمت بتشغيل عنصر حرارى (شعلة) لبوتجاز كهربائى معدله 1000وات وتركه لمدة ساعة واحدة فسوف تستهلك 1 kWhr من الكهرباء . والآ بعد أن تعرفنا على العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة فى الدائرة ، فى الدرس القادم من دوائر التيار المستمر DC ، سوف نتناول الوحدات الكهربائية القياسية المستخدمة فى الهندسة الكهربية والإلكترونية لنتمكن من حساب هذه القيم وسوف نرى أن كل قيمة يمكن تمثيلها أما بالمضاعفات الأعلى أو المضاعفات الأدنى للوحدات القياسية . |
|
||||||
|
قانون كيرشوف الأول أو قانون كيرشوف للتيار KCL : ينص قانون كيرشوف للتيار على أن " مجموع التيار أو الشحنة الداخلة الداخلة إلى نقطة إتصال junction أو عقدة node يساوى بالضبط التيار الخارج من العقدة ، لأنه ليس لديه مكان آخر يذهب إليه إلا الخروج ، حيث لا يتم فقد للشخنة داخل العقدة " . وبعبارة أخرى ، المجموع الجبرى لجميع التيارات الداخلة إلى والخارجة من عقدة يجب أن يساوى صفر أى I(exiting) + I(entering) = 0 . فكرة كيرشوف هذه عادة تعرف باسم "الحفاظ على الشحنة" .  الشكل أعلاه يبين ثلاثة تيارات تدخل العقدى I1,I2,I3 وجميعها يكون موجب القيمة ، وتياران تخرجان من العقدة I4,I5 وتكون سالبة القيمة . هذا يعنى أنه يمكننا إعادة كتابة المعادلة بالشكل التالى I1 + I2 + I3 – I4 – I5 = 0 . المصطلح "عقدة" node فى الدائرة الكهربائية عادة يشير إلى توصيل وصلة لاثنين أو أكثر من الممرات التى تحمل تيار أو العناصر مثل الكابلات أو المكونات . أيضا من أجد أن دخول أو خروج تيار العقدة يجب وجود ممر لدائرة مغلقة . يمكننا استخدام قانون كيرشوف للتيار عن تحليل الدوائر المتوازية parallel circuits . قانون كيرشوف الثانى أو قانون كيرشوف للجهد KVL : ينص قانةن كيرشوف للجهد على أنه "فى أى شبكة network حلقة مغلقة ، الجهد الكلى حول الحلقة يساوى مجموع جميع انخفاضات الجهد voltage drops داخل الدائرة " وهو أيضا يساوى صفر . بعبارة أخرى المجموع الجبرى للجهود داخل حلقة يجب أن يساوى صفر . فكرة كيرشوف هذه تعرف باسم "الحفاظ على الطاقة" .  بدءا من أى نقطة فى الحلقة وتستمر فى نفس الاتجاه ملاحظا اتجاه جميع انخفاضات الجهد ، إما موجب أو سالب ، والعودة إلى نفس نقطة البداية . من المهم الحفاظ على نفس الاتجاه إما فى اتجاه عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة . يمكننا استخدام قانون كيرشوف للجهد عند تحليل دوائر التوالى series circuits . عند تحليل أى من دوائر التيار المستمر DC أو التيار المتردد AC باستخدام قوانين كيرشوف للدوائر يتم استخدام عدد من التعريفات والمصطلحات لوصف أجزاء الدائرة التى يتم تحليلها مثل : العقدة node ، الممرات paths ، الفروع branches ، الحلقات loops ، والشبكات meshes . وتستخدم هذه المصطلحات فى كثير من الأحيان فى تحليل الدوائر لذلك فمن المهم أن نفهمها . المصطلحات الشائعة فى نظرية دائرة التيار المستمر : • الدائرة circuit وهى حلقة مغلقة لممر توصيل حيث يمر التيار الكهربائى . • الممر path هو خط مفرد من العناصر المتصلة أو المصادر . • العقدة node هى وصلة أو توصيلة أو طرف داخل الدائرة يتم توصيل عنصرين أو أكثر معا لتعطى نقطة توصيل بين فرعين أو أكثر . يشار للعقدة بنقطة dot . • الفرع branch عنصر أو مجموعة عناصر مثل المقاومات أو المصادر والتى يتم توصيلها بين عقدتين . • الحلقة loop هى ممر مغلق بسيط فى الدائرة التى لا يوجد بها عنصر دائرة أو عقدة أكثر من مرة . • الشبكة mesh هى حلقة مفتوحة مفردة والتى ليس لها ممر مغلق .لايوجد أى مكونات داخل الشبكة . ملاحظة : يقال أن المكونات متصلة معا على التوالى in Series إذا مر نفس التيار خلال جميع المكونات . ويقال أن المكونات متصلة معا على التوازى in Parallel إذا كان لها نفس الجهد مطبق عبرها . الشكل التالى يبين دائرة تيار مستمر :  مثال على قانونى كيرشوف للدائرة : فى الشكل أدناه أوجد التيار المار فى المقاومة R3 ، 40 :  الدائرة بها 3 فروع ، و2 عقدى (A,B) ، و 2 حلقة مستقلة . باستخدام قانون كيرشوف للتيار نحصل على : At node A : I1 + I2 = I3 At node B : I3 = I1 + I2 وباستخدام قانون كيرشوف للجهد نحصل على : Loop 1 is given as : 10 = R1 I1 + R3 I3 = 10I1 + 40I3 Loop 2 is given as : 20 = R2 I2 + R3 I3 = 20I2 + 40I3 Loop 3 is given as : 10 – 20 = 10I1 – 20I2 وحيث أن I3 هو مجموع I1+I2 يمكننا إعادة كتابة المعادلات كما يلى : Eq. No 1 : 10 = 10I1 + 40(I1 + I2) = 50I1 + 40I2 Eq. No 2 : 20 = 20I2 + 40(I1 + I2) = 40I1 + 60I2 الآن لدينا معادلتان أنيتان Simultaneous Equations والتى يمكن حلهما للحصول على قيم I1 و I2 : بالتعويض عن I1 بدلالة I2 نحصل على القيمة I1 = -0.143 Amps . وبالتعويض عن I2 بدلالة I1 نحصل على القيمةI2 = +0.429 Amps . وحيث أن I3 = I1 + I2 . فإن التيار المار فى المقاومة R3 يكون -0.143 + 0.429 = 0.286 Amps . والجهد عبر المقاومة R3 يكون 0.286 x 40 = 11.44 volts . الإشارة السالبة للتيار I1 تعنى أن اتجاه التيار الذى تم اختياره فى البداية خطأ ، لكنه فى الاتجاه العكسى . فى الحقيقة فإن البطارية 20V تقوم بشحن البطارية 10V . تطبيق قانونى كيرشوف : هذان القانونان يمكنان من إيجاد التيارات والجهود فى دائرة ، وتسمى هذه العملية "بتحليل"الدائرة ، والخطوات الأساسية لاستخدام قانونى كيرشوف تكون كما يلى : 1- يفترض أن الجهود والمقاومات معطاة . ( إذا لم تكن معطاة قم بتسيمتها V1, V2,… R1, R2,….. ) . 2- قم بتسمية كل فرع باسم تيار الفرع ( I1, I2, I3 …... ) . 3- أوجد معادلات قانون كيرشوف للتيار لكل عقدة . 4- أوجد معادلات قانون كيرشوف للجهدلكل الحلقات المستقلة بالدائرة . 5- استخدم المعادلات الآنية فى إيجاد التيارات المجهولة . فضلا عن استخدام قانونى كيرشوف لحساب الجهود والتيارات المختلفة المتداولة حول الدائرة الخطية ، يمكننا أيضا استخدام تحليل حلقة لحساب التيارات فى كل حلقة مستقلة مما يساعد على تقليل كمية الرياضيات المطلوبة باستخدام قانونى كيرشوف فقط . |
