أساسيات الهندسة الكهربائية للمبتدئين. أساسيات الهندسة الكهربائية النظرية للمبتدئين. وصف تخصص "الأسس النظرية للهندسة الكهربائية"

إنها ليست مهمة تافهة، سأخبرك. :) لتسهيل استيعاب المادة، قمت بإدخال عدد من التبسيطات. وهمي تمامًا ومعادٍ للعلم، ولكنه يُظهر بشكل أو بآخر جوهر العملية. لقد أثبتت تقنية "كهرباء الصرف الصحي" نفسها بنجاح في الاختبارات الميدانية، وبالتالي سيتم استخدامها هنا أيضًا. أريد فقط أن أشير إلى أن هذا مجرد تبسيط بصري، صالح للحالة العامة ولحظة محددة لفهم الجوهر وليس له أي علاقة عمليًا بالفيزياء الحقيقية للعملية. لماذا إذن؟ ولتسهيل تذكر ما هو الأمر وعدم الخلط بين الجهد والتيار وفهم كيفية تأثير المقاومة على كل هذا، وإلا فقد سمعت ما يكفي من هذا من الطلاب...

التيار، الجهد، المقاومة.

إذا قارنت دائرة كهربائية بنظام صرف صحي، فإن مصدر الطاقة هو خزان الصرف، والمياه المتدفقة هي التيار، وضغط الماء هو الجهد، والقرف المندفع عبر الأنابيب هو الحمولة. كلما ارتفع الصهريج، زادت الطاقة الكامنة للمياه فيه، وأصبح تيار الضغط الذي يمر عبر الأنابيب أقوى، مما يعني أنه يمكن غسل المزيد من الحمولة.
بالإضافة إلى الفضلات المتدفقة، يتم إعاقة التدفق بسبب الاحتكاك بجدران الأنابيب، مما يؤدي إلى حدوث خسائر. كلما زادت سماكة الأنابيب، قلت الخسارة (حسنًا، الآن تتذكر لماذا يستخدم عشاق الموسيقى أسلاكًا أكثر سمكًا للحصول على صوتيات قوية؛)).
لذلك، دعونا نلخص. تحتوي الدائرة الكهربائية على مصدر يُحدث فرق جهد - جهد - بين قطبيها. وتحت تأثير هذا الجهد، يندفع التيار عبر الحمل إلى حيث تكون الإمكانات أقل. يتم إعاقة تدفق التيار بسبب المقاومة التي تشكلها الحمولة والخسائر. ونتيجة لذلك، يضعف ضغط التوتر بقوة أكبر، وكلما زادت المقاومة. حسنًا، الآن، دعونا نضع نظام الصرف الصحي لدينا في اتجاه رياضي.

قانون أوم

على سبيل المثال، دعونا نحسب أبسط دائرة تتكون من ثلاث مقاومات ومصدر واحد. سأرسم الدائرة ليس كما هو معتاد في الكتب المدرسية حول TOE، ولكن أقرب إلى مخطط الدائرة الحقيقي، حيث يأخذون نقطة الصفر المحتمل - الجسم، الذي يساوي عادةً ناقص العرض، وتعتبر علامة الزائد نقطة مع احتمال يساوي الجهد العرض. في البداية، نفترض أننا نعرف الجهد والمقاومة، مما يعني أننا بحاجة إلى إيجاد شدة التيار. دعونا نجمع كل المقاومات (اقرأ الشريط الجانبي لقواعد إضافة المقاومات) للحصول على الحمل الإجمالي وتقسيم الجهد على النتيجة الناتجة - تم العثور على التيار! الآن دعونا نرى كيف يتم توزيع الجهد عبر كل مقاومة. دعونا نقلب قانون أوم رأسًا على عقب ونبدأ بالحساب. ش=أنا*ربما أن التيار في الدائرة هو نفسه بالنسبة لجميع المقاومات المتسلسلة، فسيكون ثابتًا، لكن المقاومات ستكون مختلفة. وكانت النتيجة ذلك يوسورس = U1 +U2 +U3. واستنادًا إلى هذا المبدأ، يمكنك، على سبيل المثال، توصيل 50 مصباحًا كهربائيًا بقدرة 4.5 فولت على التوالي وتشغيلها بسهولة من منفذ بقوة 220 فولت - ولن يحترق أي مصباح كهربائي. ماذا سيحدث إذا قمت في هذا الصدد، في المنتصف، بإدخال مقاومة كبيرة واحدة، على سبيل المثال كيلو أوم واحد، وأخذت المقاومة الأصغر الأخرى - واحد أوم؟ ومن الحسابات سيتضح أن كل الجهد تقريبًا سينخفض ​​عبر هذه المقاومة الكبيرة.

قانون كيرتشوف.

وفقًا لهذا القانون، فإن مجموع التيارات الداخلة والخارجة من العقدة يساوي صفرًا، وعادةً ما يتم تحديد التيارات المتدفقة إلى العقدة بعلامة زائد، والتيارات المتدفقة خارجًا بعلامة ناقص. وقياسا على نظام الصرف الصحي لدينا، فإن الماء من أنبوب واحد قوي ينتشر إلى مجموعة من الأنابيب الصغيرة. تسمح لك هذه القاعدة بحساب الاستهلاك الحالي التقريبي، وهو أمر ضروري في بعض الأحيان عند حساب مخططات الدوائر الكهربائية.

القوة والخسائر
يتم التعبير عن الطاقة المستهلكة في الدائرة كمنتج للجهد والتيار.
ف = ش * أنا
لذلك، كلما زاد التيار أو الجهد، زادت الطاقة. لأن لا يؤدي المقاوم (أو الأسلاك) أي حمل مفيد، فإن الطاقة المتساقطة منه تعتبر خسارة في شكلها النقي. وفي هذه الحالة يمكن التعبير عن القوة من خلال قانون أوم على النحو التالي:
ف= ص * أنا 2

كما ترون، فإن زيادة المقاومة تؤدي إلى زيادة الطاقة المستهلكة على الخسائر، وإذا زاد التيار، فإن الخسائر تزيد بشكل تربيعي. في المقاوم، كل الطاقة تذهب إلى التدفئة. لنفس السبب، بالمناسبة، تسخن البطاريات أثناء التشغيل - فهي تتمتع أيضًا بمقاومة داخلية يتبدد فيها جزء من الطاقة.
ولهذا السبب يستخدم عشاق الموسيقى أسلاكًا نحاسية سميكة ذات مقاومة قليلة لأنظمتهم الصوتية شديدة التحمل من أجل تقليل فقد الطاقة، نظرًا لوجود تيارات كبيرة هناك.

يوجد قانون للتيار الإجمالي في الدائرة، على الرغم من أنه لم يكن مفيدًا بالنسبة لي من الناحية العملية، لكن لا يضر أن أعرفه، لذا احصل على بعض الكتب المدرسية حول TOE (الأسس النظرية للهندسة الكهربائية) من الشبكة، إنها من الأفضل بالنسبة للمدارس الثانوية، يتم وصف كل شيء هناك بشكل أسهل بكثير وأكثر وضوحا - دون الخوض في الرياضيات العليا.

كل واحد منا، عندما نبدأ في الانخراط في شيء جديد، يندفع على الفور إلى "هاوية العاطفة"، في محاولة لإكمال أو تنفيذ المشاريع الصعبة محلي الصنع. حدث هذا لي عندما أصبحت مهتمًا بالإلكترونيات. ولكن كما يحدث عادةً، أدت الإخفاقات الأولى إلى تقليص الشغف. ومع ذلك، لم أكن معتادًا على التراجع وبدأت في فهم أسرار عالم الإلكترونيات بشكل منهجي (حرفيًا منذ البداية). وهكذا وُلد "دليل التقنيين المبتدئين".

الخطوة 1: الجهد والتيار والمقاومة

هذه المفاهيم أساسية وبدون الإلمام بها، فإن الاستمرار في تدريس الأساسيات سيكون بلا معنى. دعونا نتذكر فقط أن كل مادة تتكون من ذرات، ولكل ذرة بدورها ثلاثة أنواع من الجزيئات. والإلكترون هو أحد هذه الجسيمات التي لها شحنة سالبة. البروتونات لها شحنة موجبة. تحتوي المواد الموصلة (الفضة والنحاس والذهب والألومنيوم وغيرها) على العديد من الإلكترونات الحرة التي تتحرك بشكل عشوائي. الجهد هو القوة التي تجعل الإلكترونات تتحرك في اتجاه معين. يسمى تدفق الإلكترونات الذي يتحرك في اتجاه واحد بالتيار. عندما تتحرك الإلكترونات عبر موصل، فإنها تواجه نوعًا من الاحتكاك. ويسمى هذا الاحتكاك بالمقاومة. المقاومة "تضغط" على الحركة الحرة للإلكترونات، مما يقلل من كمية التيار.

التعريف الأكثر علمية للتيار هو معدل التغير في عدد الإلكترونات في اتجاه معين. وحدة التيار هي أمبير (I). في الدوائر الإلكترونية، يكون التيار المتدفق في نطاق المللي أمبير (1 أمبير = 1000 ملي أمبير). على سبيل المثال، التيار النموذجي لمصباح LED هو 20 مللي أمبير.

وحدة قياس الجهد هي فولت (V). البطارية هي مصدر للجهد. تعد الفولتية 3V و3.3V و3.7V و5V هي الأكثر شيوعًا في الدوائر والأجهزة الإلكترونية.

الجهد هو السبب والتيار هو النتيجة.

وحدة المقاومة هي أوم (Ω).

الخطوة 2: مصدر الطاقة

البطارية هي مصدر جهد أو مصدر "مناسب" للكهرباء. تنتج البطارية الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي داخلي. لديها محطتين في الخارج. أحدهما هو الطرف الموجب (+ V)، والآخر هو الطرف السالب (-V)، أو "الأرض". عادة هناك نوعان من مصادر الطاقة.

• البطاريات؛
• البطاريات.

يتم استخدام البطاريات مرة واحدة ثم يتم التخلص منها. يمكن استخدام البطاريات عدة مرات. تأتي البطاريات بأشكال وأحجام عديدة، بدءًا من البطاريات المصغرة المستخدمة لتشغيل أجهزة السمع وساعات اليد وحتى البطاريات بحجم الغرفة التي توفر طاقة احتياطية لمبادلات الهاتف ومراكز الكمبيوتر. اعتمادًا على التركيب الداخلي، يمكن أن تكون مصادر الطاقة من أنواع مختلفة. بعض الأنواع الأكثر شيوعًا المستخدمة في مشاريع الروبوتات والهندسة هي:

البطاريات 1.5 فولت

يمكن أن تأتي البطاريات بهذا الجهد بأحجام مختلفة. الأحجام الأكثر شيوعًا هي AA وAAA. تتراوح السعة من 500 إلى 3000 مللي أمبير.

عملة الليثيوم 3V

يتم تصنيف جميع خلايا الليثيوم هذه بجهد اسمي 3 فولت (عند التحميل) وبجهد دائرة مفتوحة يبلغ حوالي 3.6 فولت. يمكن أن تصل السعة من 30 إلى 500 مللي أمبير. تستخدم على نطاق واسع في الأجهزة المحمولة بسبب حجمها الصغير.

هيدريد معدن النيكل (NiMH)

تتمتع هذه البطاريات بكثافة طاقة عالية ويمكن شحنها على الفور تقريبًا. ميزة أخرى مهمة هي السعر. هذه البطاريات رخيصة الثمن (مقارنة بحجمها وقدرتها). غالبًا ما يستخدم هذا النوع من البطاريات في الروبوتات منتجات محلية الصنع.

بطاريات ليثيوم أيون وليثيوم بوليمر 3.7 فولت

لديهم قدرة تفريغ جيدة، وكثافة طاقة عالية، وأداء ممتاز وحجم صغير. تستخدم بطارية ليثيوم بوليمر على نطاق واسع في مجال الروبوتات.

بطارية 9 فولت

الشكل الأكثر شيوعًا هو المنشور المستطيل ذو الحواف الدائرية والأطراف الموجودة في الأعلى. القدرة حوالي 600 مللي أمبير.

حمض الرصاص

بطاريات الرصاص الحمضية هي العمود الفقري لصناعة الإلكترونيات بأكملها. فهي رخيصة بشكل لا يصدق، وقابلة لإعادة الشحن، وسهلة الشراء. تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية في الهندسة الميكانيكية وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) والروبوتات والأنظمة الأخرى التي تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة ولا يكون الوزن مهمًا جدًا. الفولتية الأكثر شيوعًا هي 2V، 6V، 12V و24V.

التوصيل المتوازي للبطاريات

يمكن توصيل مصدر الطاقة على التوالي أو بالتوازي. عند التوصيل على التوالي يزيد الجهد، وعند التوصيل على التوازي تزداد قيمة التيار.

هناك نقطتان مهمتان فيما يتعلق بالبطاريات:

السعة هي مقياس (عادةً بـ Amp-h) للشحنة المخزنة في البطارية ويتم تحديدها من خلال كتلة المادة النشطة الموجودة فيها. تمثل السعة الحد الأقصى لكمية الطاقة التي يمكن استخراجها في ظل ظروف محددة معينة. ومع ذلك، قد تختلف سعة تخزين الطاقة الفعلية للبطارية بشكل كبير عن القيمة الاسمية المعلنة، وتعتمد سعة البطارية بشكل كبير على العمر ودرجة الحرارة وظروف الشحن أو التفريغ.

يتم قياس سعة البطارية بالواط/ساعة (Wh)، أو كيلوواط/ساعة (kWh)، أو أمبير/ساعة (Ah) أو ملي أمبير/ساعة (mAh). الواط ساعة هو الجهد (V) مضروبًا في التيار (I) (نحصل على الطاقة - وحدة القياس هي الواط (W)) التي يمكن أن تنتجها البطارية لفترة زمنية معينة (عادةً ساعة واحدة). نظرًا لأن الجهد ثابت ويعتمد على نوع البطارية (قلوية، أو ليثيوم، أو حمض الرصاص، وما إلى ذلك)، فغالبًا ما يتم وضع علامة Ah أو mAh فقط على الغلاف الخارجي (1000 mAh = 1Ah). لتشغيل جهاز إلكتروني لفترة أطول، من الضروري تناول بطاريات ذات تيار تسرب منخفض. لتحديد عمر البطارية، قم بتقسيم السعة على تيار الحمل الفعلي. الدائرة التي تسحب 10 مللي أمبير ويتم تشغيلها ببطارية 9 فولت سوف تعمل لمدة 50 ساعة تقريبًا: 500 مللي أمبير / 10 مللي أمبير = 50 ساعة.

مع العديد من أنواع البطاريات، لا يمكنك "استنزاف" الطاقة بالكامل (وبعبارة أخرى، لا يمكن تفريغ البطارية بالكامل) دون التسبب في أضرار جسيمة، وغير قابلة للإصلاح في كثير من الأحيان، للمكونات الكيميائية. يحدد عمق التفريغ (DOD) للبطارية جزء التيار الذي يمكن سحبه. على سبيل المثال، إذا تم تعريف DOD من قبل الشركة المصنعة على أنها 25%، فيمكن استخدام 25% فقط من سعة البطارية.

تؤثر معدلات الشحن/التفريغ على سعة البطارية الاسمية. إذا كان مصدر الطاقة يتم تفريغه بسرعة كبيرة (أي أن تيار التفريغ مرتفع)، فإن كمية الطاقة التي يمكن استخلاصها من البطارية تنخفض وستكون السعة أقل. من ناحية أخرى، إذا تم تفريغ البطارية ببطء شديد (يتم استخدام تيار منخفض)، فستكون السعة أعلى.

سوف تؤثر درجة حرارة البطارية أيضًا على السعة. في درجات الحرارة المرتفعة، تكون سعة البطارية أعلى عمومًا منها في درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، فإن زيادة درجة الحرارة عمدًا ليست طريقة فعالة لزيادة سعة البطارية، لأنها تقلل أيضًا من عمر مصدر الطاقة نفسه.

القدرة ج:يتم قياس تيارات الشحن والتفريغ لأي بطارية بالنسبة لسعتها. يتم تصنيف معظم البطاريات، باستثناء حمض الرصاص، عند 1 درجة مئوية. على سبيل المثال، بطارية بسعة 1000 مللي أمبير تنتج 1000 مللي أمبير لمدة ساعة واحدة إذا كان المستوى 1C. نفس البطارية عند 0.5 درجة مئوية تنتج 500 مللي أمبير لمدة ساعتين. مع مستوى 2C، تنتج نفس البطارية 2000 مللي أمبير لمدة 30 دقيقة. غالبًا ما يُشار إلى 1C بالتفريغ لمدة ساعة واحدة؛ 0.5 درجة مئوية تشبه ساعة مكونة من ساعتين، و0.1 درجة مئوية تشبه ساعة مكونة من 10 ساعات.

عادة ما يتم قياس سعة البطارية باستخدام محلل. تعرض أجهزة التحليل الحالية المعلومات كنسبة مئوية بناءً على قيمة السعة المقدرة. تنتج البطارية الجديدة في بعض الأحيان تيارًا يزيد عن 100%. في هذه الحالة، يتم تصنيف البطارية بشكل متحفظ ويمكن أن تدوم لفترة أطول مما تحدده الشركة المصنعة.

يمكن اختيار الشاحن من حيث سعة البطارية أو قيمة C. على سبيل المثال، الشاحن ذو التصنيف C/10 سوف يشحن البطارية بالكامل خلال 10 ساعات، والشاحن ذو التصنيف 4C سوف يشحن البطارية في 15 دقيقة. تتطلب معدلات الشحن السريعة جدًا (ساعة واحدة أو أقل) عادةً من الشاحن مراقبة معلمات البطارية بعناية، مثل حدود الجهد ودرجة الحرارة، لمنع الشحن الزائد وتلف البطارية.

يتم تحديد جهد الخلية الجلفانية من خلال التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها. على سبيل المثال، الخلايا القلوية 1.5 فولت، وجميع خلايا الرصاص الحمضية 2 فولت، وخلايا الليثيوم 3 فولت. يمكن أن تتكون البطاريات من خلايا متعددة، لذلك نادرًا ما ترى بطارية حمض الرصاص 2 فولت. عادةً ما يتم توصيلها معًا داخليًا لتوفير 6 فولت أو 12 فولت أو 24 فولت، ضع في اعتبارك أن الجهد الاسمي لبطارية AA "1.5 فولت" يبدأ فعليًا عند 1.6 فولت، ثم ينخفض ​​بسرعة إلى 1.5، ثم ينخفض ​​ببطء إلى 1.0 فولت. وعند هذه النقطة تعتبر البطارية "فارغة الشحن".

كيفية اختيار أفضل بطارية ل الحرف?

كما تعلم بالفعل، هناك العديد من أنواع البطاريات ذات التركيبات الكيميائية المختلفة المتاحة في المجال العام، لذلك ليس من السهل اختيار الطاقة الأفضل لمشروعك الخاص. إذا كان المشروع يعتمد بشكل كبير على الطاقة (أنظمة صوتية كبيرة ومجهزة بمحركات منتجات محلية الصنع) يجب أن تختار بطارية الرصاص الحمضية. إذا كنت ترغب في بناء المحمولة تحت الشجرةوالتي ستستهلك تيارًا قليلًا، لذا يجب عليك اختيار بطارية الليثيوم. بالنسبة لأي مشروع محمول (خفيف الوزن ومصدر طاقة متوسط)، اختر بطارية ليثيوم أيون. يمكنك اختيار بطارية أرخص من هيدريد معدن النيكل (NIMH)، على الرغم من أنها أثقل، ولكنها ليست أقل شأنا من ليثيوم أيون في خصائص أخرى. إذا كنت ترغب في القيام بمشروع متعطش للطاقة، فإن بطارية الليثيوم أيون القلوية (LiPo) ستكون الخيار الأفضل لأنها صغيرة الحجم، وخفيفة الوزن مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى، ويتم إعادة شحنها بسرعة كبيرة وتوفر تيارًا عاليًا.

هل تريد أن تدوم بطارياتك لفترة طويلة؟ استخدم شاحنًا عالي الجودة يحتوي على أجهزة استشعار للحفاظ على مستويات شحن مناسبة وشحن تيار منخفض. الشاحن الرخيص سوف يقتل البطاريات الخاصة بك.

الخطوة 3: المقاومات

المقاوم هو عنصر بسيط جدًا وأكثر شيوعًا في الدوائر. يتم استخدامه للتحكم أو الحد من التيار في الدائرة الكهربائية.

المقاومات هي مكونات سلبية تستهلك الطاقة فقط (ولا يمكنها إنتاجها). تتم إضافة المقاومات عادةً إلى الدائرة حيث تكمل المكونات النشطة مثل المضخمات التشغيلية وأجهزة التحكم الدقيقة والدوائر المتكاملة الأخرى. يتم استخدامها عادةً للحد من التيار، والفولتية المنفصلة، ​​وخطوط الإدخال / الإخراج المنفصلة.

يتم قياس مقاومة المقاوم بالأوم. يمكن ربط القيم الأكبر بالبادئة كيلو أو ميجا أو جيجا لتسهيل قراءة القيم. يمكنك غالبًا رؤية المقاومات التي تحمل علامة kOhm وMOhm range (مقاومات mOhm أقل شيوعًا). على سبيل المثال، المقاومة التي تبلغ 4700 أوم تعادل مقاومة 4.7 كيلو أوم، ويمكن كتابة المقاومة 5600000 أوم على أنها 5600 كيلو أوم أو 5.6 ميجا أوم (الأكثر شيوعًا).

هناك الآلاف من أنواع المقاومات المختلفة والعديد من الشركات التي تصنعها. إذا أخذنا تدرجًا تقريبيًا، فهناك نوعان من المقاومات:

• ذات خصائص محددة بوضوح؛
• للأغراض العامة، والتي قد "تسير" خصائصها (يشير المصنع نفسه إلى الانحراف المحتمل).

مثال على الخصائص العامة:

• معامل درجة الحرارة؛
• عامل الجهد
• نطاق الترددات؛
• قوة؛
• قياس فيزيائي.

يمكن تصنيف المقاومات حسب خصائصها إلى:

المقاوم الخطي- نوع من المقاومات التي تظل مقاومتها ثابتة مع زيادة فرق الجهد (الجهد) المطبق عليها (لا تتغير المقاومة والتيار الذي يمر عبر المقاوم مع الجهد المطبق). ميزات خاصية الجهد الحالي لمثل هذا المقاوم هي خط مستقيم.

المقاوم غير الخطيهو المقاوم الذي تتغير مقاومته تبعا لقيمة الجهد المطبق أو التيار المتدفق من خلاله. يتميز هذا النوع بخاصية جهد التيار غير الخطي ولا يتبع قانون أوم بشكل صارم.

هناك عدة أنواع من المقاومات غير الخطية:

• مقاومات NTC (معامل درجة الحرارة السلبية) - تقل مقاومتها مع زيادة درجة الحرارة.
• مقاومات PEC (معامل درجة الحرارة الإيجابية) - تزداد مقاومتها مع زيادة درجة الحرارة.
• مقاومات LZR (المقاومات المعتمدة على الضوء) - تتغير مقاومتها مع التغيرات في شدة تدفق الضوء.
• مقاومات VDR (المقاومات المعتمدة على الجهد) - تنخفض مقاومتها بشكل خطير عندما تتجاوز قيمة الجهد قيمة معينة.

تستخدم المقاومات غير الخطية في مشاريع مختلفة. يتم استخدام LZR كجهاز استشعار في مشاريع الروبوتات المختلفة.

بالإضافة إلى ذلك، تأتي المقاومات بقيمة ثابتة ومتغيرة:

المقاومات الثابتة- أنواع المقاومات التي تم تحديد قيمتها بالفعل أثناء الإنتاج ولا يمكن تغييرها أثناء الاستخدام.

المقاوم المتغير أو الجهد –نوع من المقاومات يمكن تغيير قيمتها أثناء الاستخدام. يحتوي هذا النوع عادةً على عمود يتم تدويره أو تحريكه يدويًا لتغيير قيمة المقاومة عبر نطاق ثابت، على سبيل المثال. 0 كيلو أوم إلى 100 كيلو أوم.

متجر المقاومة:

يتكون هذا النوع من المقاومات من "حزمة" تحتوي على مقاومتين أو أكثر. لديها عدة محطات يمكن من خلالها تحديد قيمة المقاومة.

تكوين المقاومات هو:

كربون:

يتكون قلب هذه المقاومات من الكربون والمواد الرابطة، مما يخلق المقاومة المطلوبة. يحتوي القلب على نقاط اتصال على شكل كوب تحمل قضيب المقاومة على كل جانب. يمتلئ القلب بالكامل بمادة (مثل الباكليت) في غلاف معزول. يتميز الهيكل ببنية مسامية، لذا فإن المقاومات المركبة من الكربون حساسة للرطوبة المحيطة النسبية.

عادة ما تنتج هذه الأنواع من المقاومات ضوضاء في الدائرة بسبب مرور الإلكترونات عبر جزيئات الكربون، لذلك لا يتم استخدام هذه المقاومات في الدوائر "المهمة"، على الرغم من أنها أرخص.

ترسيب الكربون:

يُطلق على المقاوم الذي يتم تصنيعه عن طريق ترسيب طبقة رقيقة من الكربون حول قضيب خزفي اسم المقاوم المترسب بالكربون. يتم تصنيعه عن طريق تسخين قضبان السيراميك داخل دورق الميثان وترسيب الكربون حولها. يتم تحديد قيمة المقاوم من خلال كمية الكربون المترسبة حول قضيب السيراميك.

مقاوم الفيلم:

يتم تصنيع المقاوم عن طريق ترسيب المعدن المرشوش في الفراغ على قاعدة قضيب من السيراميك. هذه الأنواع من المقاومات موثوقة للغاية، ولها ثبات عالي ولها أيضًا معامل درجة حرارة عالية. وعلى الرغم من أنها باهظة الثمن مقارنة بغيرها، إلا أنها تستخدم في الأنظمة الأساسية.

المقاوم السلكي:

يتم تصنيع المقاوم السلكي عن طريق لف سلك معدني حول قلب من السيراميك. السلك المعدني عبارة عن سبيكة من معادن مختلفة تم اختيارها وفقًا للميزات المذكورة ومقاومة المقاوم المطلوب. يتمتع هذا النوع من المقاومات بثبات عالي ويمكنه أيضًا التعامل مع طاقة عالية، ولكنها عمومًا أكبر حجمًا من الأنواع الأخرى من المقاومات.

معدن السيراميك:

يتم تصنيع هذه المقاومات عن طريق تحميص بعض المعادن المخلوطة بالسيراميك على ركيزة خزفية. تحدد نسبة الخليط في المقاوم المعدني الخزفي المختلط قيمة المقاومة. هذا النوع مستقر جدًا ولديه أيضًا مقاومة تم قياسها بدقة. وهي تستخدم بشكل رئيسي للتركيب السطحي على لوحات الدوائر المطبوعة.

المقاومات الدقيقة:

المقاومات التي تقع قيمة مقاومتها ضمن التسامح، لذا فهي دقيقة جدًا (القيمة الاسمية في نطاق ضيق).

جميع المقاومات لديها التسامح، والتي تعطى كنسبة مئوية. يخبرنا التسامح عن مدى قرب المقاومة من القيمة الاسمية. على سبيل المثال، يمكن أن يكون للمقاومة التي تبلغ قيمتها 500 أوم والتي تبلغ قيمة السماح بها 10% مقاومة تتراوح بين 550 أوم أو 450 أوم. إذا كان المقاوم لديه تسامح 1٪، فإن المقاومة سوف تتغير فقط بنسبة 1٪. لذلك يمكن أن تتراوح قيمة المقاومة 500 أوم من 495 أوم إلى 505 أوم.

المقاومة الدقيقة هي مقاومة ذات مستوى تحمل يبلغ 0.005% فقط.

المقاوم منصهر:

تم تصميم المقاوم السلكي بحيث يحترق بسهولة عندما تتجاوز الطاقة المقدرة الحد الأقصى. وبالتالي فإن المقاوم المنصهر له وظيفتين. عندما لا يتم تجاوز العرض، فإنه بمثابة المحدد الحالي. عندما يتم تجاوز الطاقة المقدرة، يعمل oa كمصهر؛ بمجرد نفخه، تصبح الدائرة مفتوحة، مما يحمي المكونات من دوائر قصيرة.

الثرمستورات:

مقاوم حساس للحرارة تتغير قيمة مقاومته مع درجة حرارة التشغيل.

تعرض الثرمستورات إما معامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) أو معامل درجة الحرارة السلبية (NTC).

يعتمد مقدار تغير المقاومة مع التغيرات في درجة حرارة التشغيل على حجم وتصميم الثرمستور. ومن الأفضل دائمًا التحقق من البيانات المرجعية لمعرفة جميع مواصفات الثرمستورات.

المقاومات الضوئية:

مقاومات تتغير مقاومتها تبعا لتدفق الضوء الساقط على سطحها. في بيئة مظلمة، تكون مقاومة المقاوم الضوئي عالية جدًا، عدة M أوم. عندما يسقط ضوء شديد على السطح، تنخفض مقاومة المقاوم الضوئي بشكل ملحوظ.

وبالتالي، فإن المقاومات الضوئية هي مقاومات متغيرة، تعتمد مقاومتها على كمية الضوء التي تسقط على سطحها.

أنواع المقاومات الرصاصية والخالية من الرصاص:

المقاومات الطرفية: تم استخدام هذا النوع من المقاومات في الدوائر الإلكترونية المبكرة. تم توصيل المكونات بمحطات الإخراج. بمرور الوقت، بدأ استخدام لوحات الدوائر المطبوعة، في فتحات التثبيت التي تم لحام أسلاك عناصر الراديو فيها.

مقاومات التثبيت على السطح:

لقد أصبح هذا النوع من المقاومات مستخدمًا بشكل متزايد منذ إدخال تقنية التركيب السطحي. عادةً ما يتم إنشاء هذا النوع من المقاومات باستخدام تقنية الأغشية الرقيقة.

الخطوة 4: قيم المقاوم القياسية أو المشتركة

تعود أصول نظام التصنيف إلى بداية القرن الماضي، عندما كانت معظم المقاومات مصنوعة من الكربون مع تفاوت تصنيعي ضعيف نسبيًا. الشرح بسيط للغاية - باستخدام نسبة تسامح قدرها 10%، يمكنك تقليل عدد المقاومات المنتجة. سيكون من غير الفعال إنتاج مقاومات 105 أوم، حيث أن 105 تقع ضمن نطاق التسامح 10% لمقاومة 100 أوم. فئة السوق التالية هي 120 أوم لأن المقاوم 100 أوم بتسامح 10% سيكون له نطاق يتراوح بين 90 و110 أوم. المقاومة 120 أوم لها مدى يتراوح بين 110 و 130 أوم. وبهذا المنطق، من الأفضل إنتاج مقاومات بتفاوت 10% يبلغ 100، 120، 150، 180، 220، 270، 330 وهكذا (تقريبًا وفقًا لذلك). هذه هي سلسلة E12 الموضحة أدناه.

التسامح 20% E6،

التسامح 10% E12،

التسامح 5% E24 (وعادة 2% التسامح)

التسامح 2% E48،

E96 1% التسامح،

E192 0.5، 0.25، 0.1% وتفاوتات أعلى.

قيم المقاوم القياسية:

سلسلة E6: (تسامح 20%) 10، 15، 22، 33، 47، 68

سلسلة E12: (تسامح بنسبة 10%) 10، 12، 15، 18، 22، 27، 33، 39، 47، 56، 68، 82

سلسلة E24: (التسامح 5٪) 10، 11، 12، 13، 15، 16، 18، 20، 22، 24، 27، 30، 33، 36، 39، 43، 47، 51، 56، 62، 68، 75، 82، 91

سلسلة E48: (2٪ التسامح) 100، 105، 110، 115، 121، 127، 133، 140، 147، 154، 162، 169، 178، 187، 196، 205، 215، 226، 237، 249، 261، 274، 287، 301، 316، 332، 348، 365، 383، 402، 422، 442، 464، 487، 511، 536، 562، 590، 619، 649، 681، 715، 750، 787، 825، 866 , 909، 953

سلسلة E96: (التسامح 1٪) 100، 102، 105، 107، 110، 113، 115، 118، 121، 124، 127، 130، 133، 137، 140، 143، 147، 150، 154، 158، 162، 165، 169، 174، 178، 182، 187، 191، 196، 200، 205، 210، 215، 221، 226، 232، 237، 243، 249، 255، 261، 267، 274، 280، 287، 294 , 301، 309، 316، 324، 332، 340، 348، 357، 365، 374، 383، 392، 402، 412، 422، 432، 442، 453، 464، 475، 487، 491، 511، 523، 536 , 549 ، 562 ، 576 ، 590 ، 604 ، 619 ، 634 ، 649 ، 665 ، 681 ، 698 ، 715 ، 732 ، 750 ، 768 ، 787 ، 806 ، 825 ، 845 ، 866 ، 887 ، 931 ، 959 ، 976

سلسلة E192: (0.5، 0.25، 0.1 و 0.05٪ التسامح) 100، 101، 102، 104، 105، 106، 107، 109، 110، 111، 113، 114، 115، 117، 118، 120، 121، 123، 124, 126, 127, 129, 130, 132, 133, 135, 137, 138, 140, 142, 143, 145, 147, 149, 150, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164, 16 5، 167، 169، 172، 174، 176، 178، 180، 182، 184، 187، 189، 191، 193، 196، 198، 200، 203، 205، 208، 210، 213، 215، 218، 221، 22 3، 226, 229, 232, 234, 237, 240, 243, 246, 249, 252, 255, 258, 261, 264, 267, 271, 274, 277, 280, 284, 287, 291, 294, 298, 30 1, 305، 309، 312، 316، 320، 324، 328، 332، 336، 340، 344، 348، 352، 357، 361، 365، 370، 374، 379، 383، 388، 392، 397، 402، 40 7, 412، 417، 422، 427، 432، 437، 442، 448، 453، 459، 464، 470، 475، 481، 487، 493، 499، 505، 511، 517، 523، 530، 536، 542، 54 9, 556، 562، 569، 576، 583، 590، 597، 604، 612، 619، 626، 634، 642، 649، 657، 665، 673، 681، 690، 698، 706، 715، 723، 732، 74 1, 750، 759، 768، 777، 787، 796، 806، 816، 825، 835، 845، 856، 866، 876، 887، 898، 909، 920، 931، 942، 953، 965، 976، 988

عند تصميم الأجهزة، فمن الأفضل الالتزام بالقسم الأدنى، أي. من الأفضل استخدام E6 بدلاً من E12. بطريقة يتم فيها تقليل عدد المجموعات المختلفة في أي جهاز.

يتبع

هناك العديد من المفاهيم التي لا يمكن رؤيتها بعينيك أو لمسها بيديك. المثال الأكثر وضوحا هو الهندسة الكهربائية، التي تتكون من دوائر معقدة ومصطلحات غامضة. لذلك، يتراجع الكثير من الناس ببساطة أمام صعوبات الدراسة القادمة لهذا التخصص العلمي والتقني.

ستساعدك أساسيات الهندسة الكهربائية للمبتدئين، المقدمة بلغة يسهل الوصول إليها، على اكتساب المعرفة في هذا المجال. وبدعم من الحقائق التاريخية والأمثلة الواضحة، تصبح رائعة ومفهومة حتى بالنسبة لأولئك الذين يواجهون مفاهيم غير مألوفة لأول مرة. الانتقال تدريجيا من البسيط إلى المعقد، من الممكن تماما دراسة المواد المقدمة واستخدامها في الأنشطة العملية.

مفاهيم وخصائص التيار الكهربائي

القوانين والصيغ الكهربائية مطلوبة ليس فقط لإجراء أي حسابات. وهي ضرورية أيضًا لأولئك الذين يقومون عمليًا بالعمليات المتعلقة بالكهرباء. بمعرفة أساسيات الهندسة الكهربائية، يمكنك تحديد سبب العطل بشكل منطقي والقضاء عليه بسرعة كبيرة.

جوهر التيار الكهربائي هو حركة الجزيئات المشحونة التي تنقل الشحنة الكهربائية من نقطة إلى أخرى. ومع ذلك، مع الحركة الحرارية العشوائية للجسيمات المشحونة، على غرار الإلكترونات الحرة في المعادن، لا يحدث نقل الشحنة. تحدث حركة الشحنة الكهربائية عبر المقطع العرضي للموصل فقط إذا شاركت الأيونات أو الإلكترونات في الحركة المنظمة.

يتدفق التيار الكهربائي دائمًا في اتجاه معين. يتم الإشارة إلى وجوده من خلال علامات محددة:

• تسخين موصل يتدفق من خلاله التيار.
• التغير في التركيب الكيميائي للموصل تحت تأثير التيار.
• ممارسة القوة على التيارات المجاورة والأجسام الممغنطة والتيارات المجاورة.

يمكن أن يكون التيار الكهربائي مباشرًا أو متناوبًا. في الحالة الأولى، تظل جميع معلماتها دون تغيير، وفي الحالة الثانية، تتغير القطبية بشكل دوري من الإيجابية إلى السلبية. في كل نصف دورة، يتغير اتجاه تدفق الإلكترون. معدل هذه التغيرات الدورية هو التردد، ويقاس بالهرتز

الكميات الحالية الأساسية

عندما يحدث تيار كهربائي في الدائرة، يحدث نقل ثابت للشحنة عبر المقطع العرضي للموصل. تسمى كمية الشحنة المنقولة خلال وحدة زمنية معينة، وتقاس بـ الامبيرات.

من أجل إنشاء حركة الجسيمات المشحونة والحفاظ عليها، من الضروري تطبيق قوة عليها في اتجاه معين. إذا توقف هذا الإجراء، يتوقف تدفق التيار الكهربائي أيضًا. وتسمى هذه القوة بالمجال الكهربائي، والمعروفة أيضًا باسم. وهذا هو الذي يسبب الفرق المحتمل أو الجهد االكهربىفي نهايات الموصل ويعطي قوة دافعة لحركة الجسيمات المشحونة. لقياس هذه القيمة يتم استخدام وحدة خاصة - فولت. هناك علاقة معينة بين الكميات الأساسية، ينعكس في قانون أوم، والتي سيتم مناقشتها بالتفصيل.

أهم خاصية للموصل تتعلق مباشرة بالتيار الكهربائي مقاومة، تقاس أوماها. هذه القيمة هي نوع من مقاومة الموصل لتدفق التيار الكهربائي فيه. نتيجة لتأثير المقاومة، يسخن الموصل. كلما زاد طول الموصل وقل مقطعه العرضي، زادت قيمة المقاومة. تحدث قيمة 1 أوم عندما يكون فرق الجهد في الموصل 1 فولت والتيار 1 أ.

قانون أوم

يتعلق هذا القانون بالأحكام والمفاهيم الأساسية للهندسة الكهربائية. إنه يعكس بدقة العلاقة بين الكميات مثل التيار والجهد والمقاومة وما إلى ذلك. لقد تم بالفعل النظر في تعريفات هذه الكميات، والآن من الضروري تحديد درجة تفاعلها وتأثيرها على بعضها البعض.

من أجل حساب هذه القيمة أو تلك، يجب عليك استخدام الصيغ التالية:

1. القوة الحالية: I = U/R (أمبير).
2. الجهد: U = I x R (فولت).
3. المقاومة: R = U/I (أوم).

غالبًا ما تتم مقارنة اعتماد هذه الكميات، من أجل فهم أفضل لجوهر العمليات، بالخصائص الهيدروليكية. على سبيل المثال، في الجزء السفلي من الخزان المملوء بالماء، يتم تركيب صمام مع أنبوب مجاور له. عندما يفتح الصمام، يبدأ الماء بالتدفق لأن هناك فرق بين الضغط العالي في بداية الأنبوب والضغط المنخفض في النهاية. بالضبط نفس الوضع ينشأ في نهايات الموصل في شكل فرق محتمل - الجهد، تحت تأثير الإلكترونات التي تتحرك على طول الموصل. وهكذا، قياسا على ذلك، الجهد هو نوع من الضغط الكهربائي.

يمكن مقارنة القوة الحالية بتدفق المياه، أي كمية المياه المتدفقة عبر المقطع العرضي للأنبوب خلال فترة زمنية محددة. ومع انخفاض قطر الأنبوب، سينخفض ​​تدفق المياه أيضًا بسبب زيادة المقاومة. ويمكن مقارنة هذا التدفق المحدود بالمقاومة الكهربائية للموصل، والتي تحافظ على تدفق الإلكترونات ضمن حدود معينة. يشبه تفاعل التيار والجهد والمقاومة الخصائص الهيدروليكية: مع تغيير أحد المعلمات، تتغير جميع المعلمات الأخرى.

الطاقة والطاقة في الهندسة الكهربائية

في الهندسة الكهربائية هناك أيضًا مفاهيم مثل طاقةو قوةالمتعلقة بقانون أوم. الطاقة نفسها موجودة في أشكال ميكانيكية وحرارية ونووية وكهربائية. وفقا لقانون حفظ الطاقة، لا يمكن تدميرها أو خلقها. ولا يمكن إلا أن يتحول من شكل إلى آخر. على سبيل المثال، تقوم الأنظمة الصوتية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى صوت وحرارة.

يستهلك أي جهاز كهربائي كمية معينة من الطاقة خلال فترة زمنية محددة. هذه القيمة فردية لكل جهاز وتمثل الطاقة، أي كمية الطاقة التي يمكن أن يستهلكها جهاز معين. يتم حساب هذه المعلمة بواسطة الصيغة P = I x U، وحدة القياس هي . ويعني تحريك فولت واحد خلال مقاومة قدرها واحد أوم.

وبالتالي فإن أساسيات الهندسة الكهربائية للمبتدئين ستساعدك على فهم المفاهيم والمصطلحات الأساسية في البداية. بعد ذلك، سيكون من الأسهل بكثير استخدام المعرفة المكتسبة في الممارسة العملية.

الكهرباء للدمى: أساسيات الإلكترونيات

نحن نقدم مادة صغيرة حول موضوع: "الكهرباء للمبتدئين". سيعطي فهمًا أوليًا للمصطلحات والظواهر المرتبطة بحركة الإلكترونات في المعادن.

مميزات المصطلح

الكهرباء هي طاقة الجسيمات الصغيرة المشحونة التي تتحرك في الموصلات في اتجاه معين.

مع التيار المستمر، لا يوجد تغيير في حجمه، وكذلك في اتجاه الحركة خلال فترة زمنية معينة. إذا تم اختيار خلية كلفانية (بطارية) كمصدر للتيار، فإن الشحنة تتحرك بطريقة منظمة: من القطب السالب إلى الطرف الموجب. تستمر العملية حتى تختفي تمامًا.

التيار المتناوب يغير حجمه واتجاهه بشكل دوري.

دائرة نقل التيار المتردد

دعونا نحاول أن نفهم ما هي المرحلة في الكلمة التي سمعها الجميع، ولكن ليس الجميع يفهم معناها الحقيقي. لن ندخل في التفاصيل والتفاصيل، بل سنختار فقط المادة التي يحتاجها حرفي المنزل. الشبكة ثلاثية الطور هي وسيلة لنقل التيار الكهربائي، حيث يتدفق التيار عبر ثلاثة أسلاك مختلفة، ويعيده أحدهم. على سبيل المثال، هناك سلكين في دائرة كهربائية.

يتدفق التيار عبر السلك الأول إلى المستهلك، على سبيل المثال، إلى الغلاية. يتم استخدام السلك الثاني لإعادته. عند فتح هذه الدائرة، لن يكون هناك مرور للشحنة الكهربائية داخل الموصل. يصف هذا الرسم البياني دائرة أحادية الطور. في الكهرباء؟ تعتبر الطور بمثابة سلك يتدفق من خلاله التيار الكهربائي. الصفر هو السلك الذي تتم من خلاله عملية الإرجاع. في الدائرة ثلاثية الطور توجد أسلاك ثلاثية الطور في وقت واحد.

اللوحة الكهربائية في الشقة ضرورية للتيار في جميع الغرف. تعتبر مجدية اقتصاديا، حيث أنها لا تحتاج إلى مرحلتين، وعند الاقتراب من المستهلك، ينقسم التيار إلى ثلاث مراحل، كل منها صفر. القطب الأرضي، الذي يستخدم في شبكة أحادية الطور، لا يتحمل حمل العمل. فهو فتيل.

على سبيل المثال، في حالة حدوث ماس كهربائي، يكون هناك خطر حدوث صدمة كهربائية أو نشوب حريق. ولمنع مثل هذا الموقف، يجب ألا تتجاوز القيمة الحالية المستوى الآمن، بل يذهب الفائض إلى الأرض.

سيساعد دليل "مدرسة الكهربائيين" الحرفيين المبتدئين على التعامل مع بعض أعطال الأجهزة المنزلية. على سبيل المثال، إذا كانت هناك مشاكل في تشغيل المحرك الكهربائي للغسالة، فسوف يتدفق التيار إلى الغلاف المعدني الخارجي.

إذا لم يكن هناك تأريض، فسيتم توزيع الشحنة في جميع أنحاء الجهاز. عندما تلمسه بيديك، سيعمل الشخص كموصل أرضي وسيتلقى صدمة كهربائية. إذا كان هناك سلك أرضي، فلن تنشأ هذه الحالة.

مميزات الهندسة الكهربائية

يحظى الكتاب المدرسي "الكهرباء للدمى" بشعبية كبيرة بين أولئك البعيدين عن الفيزياء، ولكنهم يخططون لاستخدام هذا العلم لأغراض عملية.

يعتبر تاريخ ظهور الهندسة الكهربائية هو بداية القرن التاسع عشر. في هذا الوقت تم إنشاء المصدر الحالي الأول. تمكنت الاكتشافات التي تمت في مجال المغناطيسية والكهرباء من إثراء العلم بمفاهيم وحقائق جديدة ذات أهمية عملية.

يفترض دليل "مدرسة الكهرباء" الإلمام بالمصطلحات الأساسية المتعلقة بالكهرباء.

تحتوي العديد من كتب الفيزياء على مخططات كهربائية معقدة ومجموعة متنوعة من المصطلحات المربكة. لكي يفهم المبتدئين كل تعقيدات هذا القسم من الفيزياء، تم تطوير دليل خاص "الكهرباء للدمى". يجب أن تبدأ الرحلة إلى عالم الإلكترون بدراسة القوانين والمفاهيم النظرية. الأمثلة التوضيحية والحقائق التاريخية المستخدمة في كتاب "الكهرباء للدمى" ستساعد الكهربائيين المبتدئين على اكتساب المعرفة. للتحقق من تقدمك، يمكنك استخدام الواجبات والاختبارات والتمارين المتعلقة بالكهرباء.

إذا فهمت أنه ليس لديك ما يكفي من المعرفة النظرية للتعامل بشكل مستقل مع توصيل الأسلاك الكهربائية، فارجع إلى الكتب المرجعية عن "الدمى".

السلامة والممارسة

تحتاج أولاً إلى دراسة القسم المتعلق باحتياطات السلامة بعناية. في هذه الحالة، أثناء العمل المتعلق بالكهرباء، لن تكون هناك حالات طوارئ خطرة على الصحة.

من أجل تطبيق المعرفة النظرية المكتسبة بعد الدراسة الذاتية لأساسيات الهندسة الكهربائية، يمكنك البدء بالأجهزة المنزلية القديمة. قبل البدء في الإصلاحات، تأكد من قراءة التعليمات المرفقة مع الجهاز. لا تنس أنه لا ينبغي عليك المزاح بالكهرباء.

يرتبط التيار الكهربائي بحركة الإلكترونات في الموصلات. إذا كانت المادة غير قادرة على توصيل التيار، فإنها تسمى مادة عازلة (عازلة).

لكي تنتقل الإلكترونات الحرة من قطب إلى آخر، يجب أن يكون هناك فرق جهد معين بينهما.

ترتبط شدة التيار المار عبر الموصل بعدد الإلكترونات التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل.

تتأثر سرعة تدفق التيار بالمادة والطول ومساحة المقطع العرضي للموصل. كلما زاد طول السلك، تزداد مقاومته.

خاتمة

الكهرباء فرع مهم ومعقد من الفيزياء. يفحص دليل "الكهرباء للدمى" الكميات الرئيسية التي تميز كفاءة المحركات الكهربائية. وحدات الجهد هي فولت، ويقاس التيار بالأمبير.

كل شخص لديه قوة معينة. يشير إلى كمية الكهرباء التي يولدها الجهاز خلال فترة زمنية معينة. مستهلكو الطاقة (الثلاجات والغسالات والغلايات والمكاوي) لديهم أيضًا طاقة، ويستهلكون الكهرباء أثناء التشغيل. إذا كنت ترغب في ذلك، يمكنك إجراء حسابات رياضية وتحديد السعر التقريبي لكل جهاز منزلي.

الهندسة الكهربائية مثل لغة أجنبية. لقد أتقن البعض ذلك بشكل مثالي لفترة طويلة، والبعض الآخر بدأ للتو في التعرف عليه، وبالنسبة للآخرين لا يزال هدفا بعيد المنال، ولكنه مغري. لماذا يرغب الكثير من الناس في استكشاف عالم الكهرباء الغامض هذا؟ لقد عرفها الناس منذ حوالي 250 عامًا فقط، ولكن من الصعب اليوم تخيل الحياة بدون كهرباء. للتعرف على هذا العالم، هناك أسس نظرية للهندسة الكهربائية (TOE) للدمى.

التعارف الأول مع الكهرباء

في نهاية القرن الثامن عشر، بدأ العالم الفرنسي تشارلز كولومب بدراسة الظواهر الكهربائية والمغناطيسية للمواد بنشاط. وهو الذي اكتشف قانون الشحنة الكهربائية الذي سمي باسمه - الكولوم.

ومن المعروف اليوم أن أي مادة تتكون من ذرات وإلكترونات تدور حولها في مدار. ومع ذلك، في بعض المواد، يتم احتجاز الإلكترونات بإحكام شديد بواسطة الذرات، بينما في مواد أخرى تكون هذه الرابطة ضعيفة، مما يسمح للإلكترونات بالانفصال بحرية عن بعض الذرات والارتباط بأخرى.

لفهم ما هو عليه، يمكنك أن تتخيل مدينة كبيرة بها عدد كبير من السيارات التي تتحرك دون أي قواعد. تتحرك هذه الآلات بشكل فوضوي ولا يمكنها القيام بعمل مفيد. ولحسن الحظ، فإن الإلكترونات لا تتفكك، بل ترتد عن بعضها البعض مثل الكرات. للاستفادة من هؤلاء العمال الصغار ، يجب توافر ثلاثة شروط:

1. يجب أن تتخلى ذرات المادة بحرية عن إلكتروناتها.
2. ويجب تطبيق قوة على هذه المادة، مما سيجبر الإلكترونات على التحرك في اتجاه واحد.
3. يجب إغلاق الدائرة التي تتحرك عبرها الجسيمات المشحونة.

إن مراعاة هذه الشروط الثلاثة هو الذي يكمن وراء الهندسة الكهربائية للمبتدئين.

جميع العناصر تتكون من ذرات. يمكن مقارنة الذرات بالنظام الشمسي، فقط كل نظام له عدد مدارات خاص به، ويمكن أن يحتوي كل مدار على عدة كواكب (إلكترونات). كلما زاد المدار عن النواة، قلت جاذبية الإلكترونات في هذا المدار.

الجذب لا يعتمد على كتلة النواة، بل من أقطاب مختلفة للنواة والإلكترونات. إذا كانت شحنة النواة +10 وحدات، فيجب أن تحتوي الإلكترونات أيضًا على إجمالي 10 وحدات، ولكن بشحنة سالبة. إذا طار الإلكترون بعيدا عن المدار الخارجي، فإن الطاقة الإجمالية للإلكترونات ستكون بالفعل -9 وحدات. مثال بسيط للجمع +10 + (-9) = +1. وتبين أن الذرة لديها شحنة موجبة.

ويحدث العكس أيضًا: تتمتع النواة بجاذبية قوية وتلتقط إلكترونًا "أجنبيًا". ثم يظهر الإلكترون الحادي عشر "الإضافي" في مداره الخارجي. نفس المثال +10 + (-11) = -1. في هذه الحالة، ستكون الذرة مشحونة سلبا.

إذا تم وضع مادتين لهما شحنات متعاكسة في محلول كهربائي وتم توصيلهما بهما من خلال موصل، على سبيل المثال، مصباح كهربائي، فإن التيار سوف يتدفق في دائرة مغلقة وسوف يضيء المصباح الكهربائي. إذا تم كسر الدائرة، على سبيل المثال من خلال مفتاح، فسوف ينطفئ المصباح الكهربائي.

يتم الحصول على التيار الكهربائي على النحو التالي. عند تعريض إحدى المواد (القطب) لمحلول كهربائي، تظهر فيها فائض من الإلكترونات، وتصبح مشحونة بشحنة سالبة. أما القطب الثاني، على العكس من ذلك، فإنه يتخلى عن الإلكترونات عند تعرضه للإلكتروليت ويصبح مشحونًا بشحنة موجبة. يُشار إلى كل قطب كهربائي على التوالي بـ "+" (الإلكترونات الزائدة) و"-" (نقص الإلكترونات).

على الرغم من أن الإلكترونات لها شحنة سالبة، إلا أن القطب الكهربائي يحمل علامة "+"، وقد حدث هذا الخلط في فجر الهندسة الكهربائية، ففي ذلك الوقت كان يعتقد أن نقل الشحنة يحدث عن طريق الجسيمات الموجبة، ومنذ ذلك الحين تم رسم العديد من الدوائر، ولكي لا يعيدوها تركوا كل شيء كما هو.

في الخلايا الجلفانية، يتم توليد التيار الكهربائي نتيجة لتفاعل كيميائي. يسمى الجمع بين عدة عناصر بالبطارية، ويمكن العثور على هذه القاعدة في الهندسة الكهربائية للدمى. إذا كانت العملية العكسية ممكنة، عندما تتراكم الطاقة الكيميائية في العنصر تحت تأثير التيار الكهربائي، فإن هذا العنصر يسمى بطارية.

اخترع أليساندرو فولتا الخلية الجلفانية في عام 1800. واستخدم ألواح النحاس والزنك المغموسة في محلول ملحي. أصبح هذا النموذج الأولي للبطاريات والبطاريات الحديثة.

أنواع وخصائص التيار

بعد تلقي الكهرباء الأولى، جاءت فكرة نقل هذه الطاقة لمسافة معينة، وهنا ظهرت الصعوبات. اتضح أن الإلكترونات التي تمر عبر الموصل تفقد جزءًا من طاقتها، وكلما زاد طول الموصل، زادت هذه الخسائر. في عام 1826، وضع جورج أوم قانونًا يتتبع العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة. يقرأ كما يلي: U = RI. وبالكلمات يتبين: الجهد يساوي التيار مضروبا في مقاومة الموصل.

من المعادلة يمكن ملاحظة أنه كلما زاد طول الموصل، مما يزيد من المقاومة، قل التيار والجهد، وبالتالي ستنخفض الطاقة. من المستحيل القضاء على المقاومة، للقيام بذلك، تحتاج إلى خفض درجة حرارة الموصل إلى الصفر المطلق، وهو أمر ممكن فقط في ظروف المختبر. التيار ضروري للطاقة، لذلك لا يمكنك لمسه أيضًا، كل ما تبقى هو زيادة الجهد.

وفي نهاية القرن التاسع عشر، كانت هذه مشكلة لا يمكن التغلب عليها. بعد كل شيء، في ذلك الوقت لم تكن هناك محطات توليد الكهرباء التي تولد التيار المتردد، ولا المحولات. ولذلك، وجه المهندسون والعلماء اهتمامهم إلى الراديو، على الرغم من أنه كان مختلفًا تمامًا عن اللاسلكي الحديث. ولم تر حكومات مختلف البلدان فوائد هذه التطورات ولم ترعى مثل هذه المشاريع.

لتتمكن من تحويل الجهد أو زيادته أو تقليله، يلزم وجود تيار متناوب. يمكنك أن ترى كيف يعمل هذا في المثال التالي. إذا تم لف السلك في ملف وتم تحريك المغناطيس داخله بسرعة، فسوف ينشأ تيار متردد في الملف. يمكن التحقق من ذلك عن طريق توصيل الفولتميتر بعلامة صفر في المنتصف إلى طرفي الملف. سوف ينحرف سهم الجهاز إلى اليسار وإلى اليمين، وهذا سيشير إلى أن الإلكترونات تتحرك في اتجاه واحد، ثم في الاتجاه الآخر.

تسمى هذه الطريقة لتوليد الكهرباء بالحث المغناطيسي. يتم استخدامه، على سبيل المثال، في المولدات والمحولات، واستقبال وتغيير التيار. حسب شكله التيار المتردد يمكن أن يكون:

• الجيوب الأنفية.
• مندفع؛
• تقويمها.

أنواع الموصلات

أول ما يؤثر على التيار الكهربائي هو موصلية المادة. تختلف هذه الموصلية باختلاف المواد. تقليديا، يمكن تقسيم جميع المواد إلى ثلاثة أنواع:

• موصل؛
• أشباه الموصلات.
• عازل.

يمكن أن يكون الموصل أي مادة تمرر التيار الكهربائي عبر نفسها بحرية. وتشمل هذه المواد الصلبة مثل المعدن أو شبه المعدن (الجرافيت). السائل - الزئبق والمعادن المنصهرة والشوارد. وهذا يشمل أيضًا الغازات المتأينة.

بناء على هذا، تنقسم الموصلات إلى نوعين من الموصلية:

• الإلكترونية؛
• أيوني.

تشمل الموصلية الإلكترونية جميع المواد والمواد التي تستخدم الإلكترونات لتوليد تيار كهربائي. وتشمل هذه العناصر المعادن وشبه المعادن. يقوم الكربون أيضًا بالتيار بشكل جيد.

في التوصيل الأيوني، يلعب هذا الدور جسيم ذو شحنة موجبة أو سالبة. الأيون هو جسيم به إلكترون مفقود أو إضافي. بعض الأيونات لا تنفر من التقاط إلكترون "إضافي"، في حين أن البعض الآخر لا يقدر الإلكترونات وبالتالي يتخلى عنها بحرية.

وبناء على ذلك، يمكن أن تكون هذه الجزيئات مشحونة سلبا أو إيجابا. مثال على ذلك المياه المالحة. المادة الرئيسية هي الماء المقطر، وهو عازل ولا يوصل التيار. عند إضافة الملح، يصبح إلكتروليتًا، أي موصلًا.

أشباه الموصلات في حالتها الطبيعية لا توصل التيار، ولكن عندما تتعرض للمؤثرات الخارجية (درجة الحرارة، الضغط، الضوء، إلخ) فإنها تبدأ في توصيل التيار، على الرغم من أنها ليست بنفس جودة الموصلات.

يتم تصنيف جميع المواد الأخرى غير المدرجة في النوعين الأولين على أنها مواد عازلة أو عوازل. في ظل الظروف العادية، عمليا لا يقومون بتوصيل التيار الكهربائي. ويفسر ذلك حقيقة أن الإلكترونات في المدار الخارجي تظل ثابتة في أماكنها، ولا يوجد مكان لإلكترونات أخرى.

عند دراسة الكهرباء للدمى، عليك أن تتذكر أنه يتم استخدام جميع أنواع المواد المذكورة سابقًا. تستخدم الموصلات في المقام الأول لتوصيل عناصر الدائرة (بما في ذلك الدوائر الدقيقة). يمكنهم توصيل مصدر طاقة بحمل (على سبيل المثال، سلك من الثلاجة، والأسلاك الكهربائية، وما إلى ذلك). يتم استخدامها في تصنيع الملفات، والتي بدورها يمكن استخدامها دون تغيير، على سبيل المثال، على لوحات الدوائر المطبوعة أو في المحولات والمولدات والمحركات الكهربائية، وما إلى ذلك.

الموصلات هي الأكثر عددا وتنوعا. تقريبا جميع مكونات الراديو مصنوعة منها. للحصول على مكثف، على سبيل المثال، يمكن استخدام شبه موصل واحد (كربيد السيليكون أو أكسيد الزنك). هناك أجزاء تحتوي على موصلات من أنواع مختلفة من الموصلية، على سبيل المثال، الثنائيات، الثنائيات زينر، الترانزستورات.

ثنائية المعدن تحتل مكانة خاصة. إنه مزيج من معدنين أو أكثروالتي لها درجات مختلفة من التوسع. عندما يسخن هذا الجزء، فإنه يتشوه بسبب اختلاف نسبة التمدد. يستخدم عادةً في حماية التيار، على سبيل المثال، لحماية محرك كهربائي من الحرارة الزائدة أو لإيقاف تشغيل الجهاز عندما يصل إلى درجة حرارة محددة، كما هو الحال في المكواة.

تؤدي المواد العازلة بشكل أساسي وظيفة وقائية (على سبيل المثال، مقابض عزل الأدوات الكهربائية). كما أنها تسمح لك بعزل عناصر الدائرة الكهربائية. إن لوحة الدائرة المطبوعة التي تم تركيب مكونات الراديو عليها مصنوعة من مادة عازلة. يتم طلاء أسلاك الملف بورنيش عازل لمنع حدوث دوائر قصيرة بين المنعطفات.

ومع ذلك، عند إضافة موصل، يصبح العازل الكهربائي شبه موصل ويمكنه توصيل التيار. يصبح الهواء نفسه موصلًا أثناء العاصفة الرعدية. يعتبر الخشب الجاف موصلًا سيئًا، ولكن إذا تعرض للبلل، فلن يكون آمنًا بعد الآن.

يلعب التيار الكهربائي دورًا كبيرًا في حياة الإنسان الحديث، لكنه من ناحية أخرى يمكن أن يشكل خطرًا مميتًا. من الصعب جدًا اكتشافه، على سبيل المثال، في سلك ملقى على الأرض، وهذا يتطلب معدات ومعرفة خاصة. لذلك يجب توخي الحذر الشديد عند استخدام الأجهزة الكهربائية.

يتكون جسم الإنسان بشكل أساسي من الماء، ولكنه ليس ماء مقطر، وهو عازل. ولذلك يصبح الجسم تقريباً موصلاً للكهرباء. بعد تلقي صدمة كهربائية، تنقبض العضلات، مما قد يؤدي إلى توقف القلب والجهاز التنفسي. مع مزيد من العمل الحالي، يبدأ الدم في الغليان، ثم يجف الجسم، وأخيرا، تصبح الأنسجة متفحمة. أول شيء يجب فعله هو إيقاف التيار، إذا لزم الأمر، تقديم الإسعافات الأولية واستدعاء الأطباء.

يحدث الجهد الساكن في الطبيعة، لكنه في أغلب الأحيان لا يشكل خطرا على البشر، باستثناء البرق. ولكن يمكن أن يكون خطيرًا على الدوائر أو الأجزاء الإلكترونية. لذلك، عند العمل مع الدوائر الدقيقة والترانزستورات ذات التأثير الميداني، يتم استخدام الأساور المؤرضة.