مكونات الدائرة الكهربائية Electric Circuit Components

يتم تقسيم المكونات الكهربائية أثناء عملية تصميم الدوائر لنوعين (( فعالة وغير فعالة Active & Passive )) حيث تمثل العناصر الفعالة التى توفر لنا الكهرباء كالـ Voltage,Current Source ..
فى حيث تمثل العناصر الغير فعالة نوعين (( خطية وغير خطية Linear & Non Linear )) حيث أن الخطية هى تلك التى تحتفظ بقيمتها دوماً مع تغير فرق الجهد المؤثر على طرفيها كالـ (( المقاومات، الملفات، المكثفات )) وتعتبر المكون الأساسى للدوائر الكهربائية ولا يمنع ذلك أستخدامها فى الدوائر الألكترونية عند الحاجة فى بعد التطبيقات الهامة كعملية شحن البطارية على سبيل المثال. فى حين أن العناصر الغير خطية أو الألكترونية المصنعة من أشباه الموصلات فتتغير قيمتها طبقاً لفرق الجهد المؤثر على طرفيها كـ Diode, Transistor وتستخدم فى الدوائر الألكترونية فحسب ..
ولمن يجد صعوبة فى أستيعاب هذه الأمور لعدم دراسته لها بعد، الدائرة الكهربائية Electric Circuit هى دائرة حجمها كبير نسبياً تتعامل مع قيم فرق جهد وتيار مرتفعة (( 120V,10A كبداية )) وهى ما يُطلق عليها دوائر الجهد العالى، فى حين أن الدائرة الألكترونية Electronic Circuit هى دائرة صغيرة نظراً لصغر حجم مكونتها (( Notebook مثلاً أو هاتف خلوى )) ولا تستطيع تحمل مرور تيار الـ 1A فى أسوء الظروف والأ أحترقت المركبات التى لا تحتمل هذا التيار المرتفع لذا يُطلق عليها دوائر الجهد المنخفض ..
سيتم تناول مركبات الدائرة الكهربائية الثلاث مع توضيح زوايا الطور Phase Angle الخاصة بهم عند أستخدام التيار المتردد AC ..

1] المقاومة Resistance
هى عبارة عن عنصر فى الدائرة الكهربائية يقوم بإعاقة التيار والتقليل من قيمته التى تمر فى الأسلاك، و يتم قياسها بوحدة النظام الدولى أوم Ohm Ω، ويرُمز إليها بالرمز (R) أثناء رسم الدائرة على الورق، تعتمد المقاومات على المادة التى يتم تصنعيها منها طبقاً لمقاومة المادة الداخلية Restivity ρ أو معكوسها شدة التوصيلConductivity σ. ويتم تصنيع المقاومات من خلال العلاقة الرياضية:
حيث الـ L هو طول المقاومة ، والـ A هى مساحة المقطع كما هو موضح فى الصورة ..


  • شكل المقاومة المكافىء فى الدائرة وطرق إختزالها Reduction:

: مقاومة ثابتة لا تتغير قيمتها .
: مقاومة متغيرة وتتغير هذه القيم على حسب نوع المقاومة (( مقاومة بتدريج، حسب الحرارة، حسب الضوء الواصل إليها إلخ )) ..
المقاومات تكون موصولة مع بعضها بثلاث طرق على التوالى Series (( يمر بها نفس التيار ))، على التوازى Parallel (( عليها نفس فرق الجهد )) وأخيراً Star-Delta (( ليست من الحالتين السابقتين )) .

على التوالى ويتم الجمع ببساطة Req= R1+R2...+Rn

على التوازى يكون مقلوب المقاومة المكافئة هو مجموع مقلوب مقاومة كل مقاومة:

Star-Delta ولها قوانين طويلة ومملة للغاية الحقيقة (( للأطلاع عليها Wiki )) ..


  • Phasor

بالنسبة للمقاومات فتأثيرها واحد بالنسبة للتيار الثابت DC أو التيار المتردد AC ..
فكما سنتعرف بعد لحظات أنه فى حالة وضع المكثف والملف تأثيرهم فى الـ DC لا يعتمد على القيم قط، بل إن المكثف يعمل كـ Open Circuit ولا يمرر تيار، أما الملف فيعمل كـ Short Circuit ولا يكون له تأثير . أما بالنسبة للـ AC فهنالك ما يُدعى بالممناعة Impedance Z، تعتمد على قيم تردد Frequency للمصدر الكهربى لكنها تؤثر فحسب على المكثفات والملفات فى حين تأخذ المقاومات نفس القيم الـ DC.
أى أن الـ Phase Angle (( الفارق بين ظهور التيار و فرق الجهد أو العكس )) فى حالة الـ AC فى حالة أستخدام مقاومة فحسب هى 0 .


2] المكثف Capacitor
المكثف هو عبارة عن لوحين من المعدن تفصل بينهما مادة عازلة، ولا يوجد تقريباً مكون كهربى حالياً لا يحتوى عليها. وتقُاس سعة المكثف بوحدة الـ Farad F المعرفة دولياً على أنها: (( هى سعة المكثف التى من خلالها يقوم فرق جهد 1 فولت بتوفير شحنة كهربية ستاتكية قيمتها 1 كولوم )). يعمل المكثف كشاحن ومُفرغ للشحنات الكهربائية، فعندما يتم توصيل طرفى بطارية له يحدث فرق جهد على طرفيه ويؤدى ذلك إلى خلق مجال كهربى Electric Field يتناسب مع عدد الشحنات التى تحركت بين طرفى المكثف. وقيمة فرق الجهد على طرفى المكثف تأخذ قيمة V=Ed حيث الـ E هى قيمة المجال الكهربى والـ d هى المسافة بين الطرفين. أما سعة المكثف C فكما رأينا من منطوق تعريفها الدولى فتأخذ الشكل C=Q/V .

- الشكل الأيمن يوضح المكثف كـ 3D، والشكل الأيسر يوضح حركة الشحنات حينما يؤثر فرق جهد على طرفى المكثف -


  • شكل المكثف المكافىء فى الدائرة الكهربية :

مكثف عادى : مكثف متغير (( تدريج من الفرد )):
مكثف مستقطب Polarized (( يتم تحديد إشارة أحد طرفيه مسبقاً و لا يعتمد على المصدر الخارجى )) :

  • أختزال المكثفات Reduction:

على عكس المقاومات والملفات كما سنرى لاحقاً، تعتبر عملية جمع مجموعة من المكثفات على التوالى وأختزالها إلى مكثف وحيد هى مجموع مقلوب كل مكثف !
حيث: ..
فى حين أنه فى حالة جمع مجموعة من المكثفات على التوازى فأنها تجمع جميعاً عادياً حيث Ceq=C1+C2...+Cn ..
أما فى حالة لو كان التوصيل لا على التوازى أو على التوالى فلا يمكن تطبيق تحويلات Star-Delta كما فعلنا فى المقاومات، وليس لها أسلوب محدد فى التعامل ..



  • Phasor

بالنسبة للتيار المتردد فإن قيمة ممناعة المكثف Imepdance تحُسب من خلال معرفة قيمة Xc (( الجزء التخيلى من الممناعة Reactance )) التى تعتمد على تردد الموجة، وقيمة Xc=1/WC حيث الـ W هى الـ Angular Frequency، والـ C هى سعة المكثف، ومنها تكون ممناعة المكثف Zc=-J/WC أما الـ J هو العدد التخيلى (( جذر 1- ))، وبعض المراجع تعتبره i ..
معنى هذا الكلام أنه لو كان لدينا مكثف سعته هى 1µf، وتردد الموجة 60Hz ستكون ممناعة المكثف بالأوم وقيمتها 2.65KΩ (( كأن المكثف صار مكافىء لمقاومة كهربية )) ..
أما من جانب سلوك الدوائر التى تحتوى على مكثفات فحسب فى حالة الـ AC يُلاحظ فيه أن التيار الكهربى يَسبق فرق الجهد بزاوية 90 درجة، بمعنى أنه هنالك تأخير لفرق الجهد عن التيار بربع دورة (( دورة كاملة 2π )).
السبب البسيط لكى لا ينساه أى شخص قط، هو أنه لأبد للتيار أن يمر أولاً بين لوحى المعدن فى المكثف ويقوم بالشحن و يولد الشحنات والتى بدورها تتسب فى وجود فرق جهد بين الطرفين ، وهذا معناه أنه لأبد أولاً من وجود تيار حتى نرى تأثير ويكون هنالك وجود لفرق الجهد ..
إذاً فى حالة وجود مكثف فى الدائرة ونود رؤية شكل موجة فرق الجهد لأبد أن نرى شكل التيار أولاً ومن ثم نرى شكل موجة فرق الجهد والذى سيتأخر عنه بمقدار 90 درجة أو π/2 .. بعض الصور :



3] الملف Coil
الملف هو عبارة عن عدد معين من اللفات من موصل معين ويطُلق عليه أيضاً مُحث Inductor، وهذا الموصل يجب أن يكون معلوم نوعه (( المادة التى يُصنع منها ))، وعدد لفاته Number of Turns N، مساحة مقطع Cross Sectional Area هذا الموصل، كما يختلف الحث نتيجة القلب الملفوف عليه الملف (( حديد أو مادة مغناطسية قوية )) حتى اذا كان بدون قلب Core فيعتبر هنا الهواء. و يرمزله للملف بالرمز L ويقاس حثه بوحدات الـ Henry H المعرف فى النظام الدولى SI على أنه: (( لو كان معدل تغير التيار فى دائرة كهربائية 1 أمبير فى الثانية، وكانت القوى الدافعة الكهربائية المستحثة Induced E.M.F بـ 1 فولت، فإن الحث المغناطيسى بـ 1 هنرى )) ..


من أبرز الأستخدامات التى يتم فيها اللجوء إلى الملفات هو تصميم المحولات الكهربائية Transformes، فهذه المحولات لها فؤائد جمة فى عملية زيادة أو تقليل قيمة فرق الجهد. فعادة يتم أستخدام المحولات فى المحطات الكهربائية لتقليل قيمة الفولت القادم إليها، فمصر يأتى إليها من السد العالى قيمة فولت عالية جداً، ومع أستخدام المحولات يتم تقليل هذا الفولت والذى من ثم يتم توزيعه على أنحاء المحافظات ..
أيضاً يتم اللجوء إلى الملفات مع المكثفات فى دوائر الرنين Resonance والتى يُطلق عليها أيضاً RLC، كما يتم أستعمال هذه الملفات بشكل أساسى لتصنيع أجهزة القياس الكهربية كأجهزة المعدن المتحرك Moving Iron (( لقياس التيارات وفرق الجهد ))، أجهزة الـ PMMC (( لقياس المقاومات )) وأجهزة الـ Dynanometre (( لقياس القدرة الكهربائية Power )).

  • طرق أختزال الملفات:

أساليب أختزال الملفات هى نفسها الخاصة بالمقاومات الكهربائية حيث يتم جمع بشكل عادى فى حالة التوصيل على التوالى ، فى حين مجموع المقلوب جميع الملفات هو مقلوب المحصلة ..
وأيضاً يمكن تطبيق تحويلات Star-Delta على عكس المكثفات !


  • Phasor

بالنسبة للتيار الثابت DC فإن الملفات ليست لها تأثير على الأطلاق وكأنها غير موجودة من الأساس داخل الدائرة، لعدم تغير قيم التيار الكهربى مع الزمن مما يؤدى إلى عدم عمله !
بالنسبة للتيار المتردد AC فهنالك قيمة ممناعة للملف كحال المكثفات، وقيمة هذه الممناعة Imepdance تحُسب من خلال معرفة قيمة Xl (( الجزء التخيلى من الممناعة Reactance )) التى تعتمد على تردد الموجة الخاصة بالمصدر الكهربى. وهذه القيمة Xl=WL حيث الـ W هى الـ Angular Frequency، والـ L هى قيمة حث المكثف ومنها تكون ممناعة المكثف Zl=JWL..

هذا يعنى أنه لو كان لدينا ملف حثه 1H وتردد الموجة 60Hz ستكون ممناعة الملف بالأوم وقيمتها 3.77KΩ (( كأن المكثف صار مكافىء لمقاومة كهربائية )).
سلوك الدوائر التى تحتوى على ملفات فحسب فى حالة التيار المتردد AC، سوف نلاحظ أنه هنالك تأخير للتيار عن فرق الجهد بمقدار 90 درجة على عكس المكثفات التى يكون فيها التيار متقدماً ..
السبب فى ذلك يعود إلى قانون Lenz وهو القانون المعدل من خلال الأشارة السالبة لقانون Farady و يمكن إثباتها من خلال تحويلات لابلاس Laplace Transform (( لن نتعمق فى التفاصيل لأنها لا تهمنا فى موضوعنا الحالى )). و الأهم أنه كخلاصة لو لدينا ملف كهربى نعرف أن فرق الجهد هو الذى يسبق التيار، أما المكثف فيحدث عكس ذلك ..
أخيراً كنظام دولى SI يتم دوماً القياس من خلال تأخر أو تقدم التيار، فنقول فى حالة المكثف أن التيار يتقدم Lead ، أما فى الملف الكهربى فنقول التيار يتأخر Lag.