أساسيات الدوائر الكهربية...
الجهد وكيفية عمله
من المحتمل أنك قد سمعت من قبل أن البطارية أو مأخذ الحائط لهما عدد معين من الفولتات (volts). يعتبر هذا مقياسًا للجهد الكهربي (electrical potential) الذي تنتجه البطارية أو الشبكة الكهربية المتصلة بمخرج الحائط.
كل هذه الفولتات تبقى ساكنة في انتظارك لتقوم باستخدامها، ولكن لكي تقوم الكهرباء ببذل أي شغل لا بد من أن تتحرك. ذلك يشبه إلى حد ما بالونًا مملوءًا بالهواء، يوجد بداخل البالون هواء يمكنه فعل شيء ما إن قمت بتحريره من داخله، ولكنه في الواقع لن يفعل أي شيء حتى يتم السماح له بالخروج من البالون.
على عكس الهواء الخارج من البالون، لا تسري الكهرباء إلا في المواد الموصلة للكهرباء فقط، مثل أسلاك النحاس. إذا قمت بتوصيل سلك ببطارية أو بمأخذ الحائط (تحذير: الجهد في مأخذ الحائط خطر للغاية، لا تفعل ذلك أبدًا)، فسوف تعطي الكهرباء مسارًا لكي تسير فيه، ولكن إذا لم توصل أي شيء بالطرف الآخر للسلك فلن تسري الكهرباء خلاله.
كل هذه الفولتات تبقى ساكنة في انتظارك لتقوم باستخدامها، ولكن لكي تقوم الكهرباء ببذل أي شغل لا بد من أن تتحرك. ذلك يشبه إلى حد ما بالونًا مملوءًا بالهواء، يوجد بداخل البالون هواء يمكنه فعل شيء ما إن قمت بتحريره من داخله، ولكنه في الواقع لن يفعل أي شيء حتى يتم السماح له بالخروج من البالون.
على عكس الهواء الخارج من البالون، لا تسري الكهرباء إلا في المواد الموصلة للكهرباء فقط، مثل أسلاك النحاس. إذا قمت بتوصيل سلك ببطارية أو بمأخذ الحائط (تحذير: الجهد في مأخذ الحائط خطر للغاية، لا تفعل ذلك أبدًا)، فسوف تعطي الكهرباء مسارًا لكي تسير فيه، ولكن إذا لم توصل أي شيء بالطرف الآخر للسلك فلن تسري الكهرباء خلاله.
ما الذي يجعل الكهرباء تتحرك؟ تسري الكهرباء دائمًا من جهد أعلى إلى جهد أقل، هذا مشابه لحالة البالون تمامًا: الهواء المضغوط بداخل البالون يسري من داخل البالون (ضغط أعلى) إلى خارج البالون (ضغط أقل). إذا قمت بتوصيل مسار بين جهد عالي وجهد منخفض فستسري الكهرباء خلاله. وإذا قمت بتوصيل شيء ما في ذلك المسار –مثل وصلة ثنائية باعثة للضوء (LED) -، فستمنحك الكهرباء السارية شغلاً كإضاءة تلك الوصلة.
إذًا، أين يوجد الجهد العالي والجهد المنخفض؟ كل مصدر للكهرباء له طرفان، يمكنك ملاحظة ذلك في البطاريات، حيث يوجد غطاء معدني على كل طرف، أو في مأخذ الحائط الذي يحتوي على فتحتين أو أكثر. في البطاريات ومصادر التيار المستمر الأخرى يطلق على هذين الطرفين اسم الأقطاب (terminals-poles)، أحدهما موجب (positive) (+) والآخر سالب (negative) (-).
لماذا يحتوي كل مصدر للكهرباء على طرفين؟ هذا يعود إلى فكرة “الجهد الكهربائي” أي أنه لابد من وجود فرق جهد لكي تسري الكهرباء. قد يبدو هذا أمرًا سخيفًا ولكنك لن تستطيع الحصول على “فرق” بدون وجود شيئين مختلفين، ولهذا يوجد طرفان لكل مصدر. في أي مصدر للكهرباء يكون جهد الطرف الموجب أكبر من جهد الطرف السالب، وهذا ما نحتاجه تمامًا. فعادة عندما نقوم بقياس الجهد نقول أن الطرف السالب جهده صفر، بينما جهد الطرف الموجب هو جهد المصدر بالكامل.
تشبه المصادر الكهربية المضخات، فالمضخات تحتوي على طرفين، مخرج يقوم بالضخ للخارج، ومدخل يقوب بالسحب للداخل. تعمل البطاريات والمولدات والألواح الشمسية بنفس الطريقة، فهناك طرف يعمل على دفع الكهرباء وتحريكها إلى المخرج (االقطب الموجب)، ولكن عند سريان الكهرباء تخلف فراغًا لذلك يقوم الطرف الآخر (القطب السالب) بسحب الكهرباء ليملأ ذلك الفراغ.
لماذا يحتوي كل مصدر للكهرباء على طرفين؟ هذا يعود إلى فكرة “الجهد الكهربائي” أي أنه لابد من وجود فرق جهد لكي تسري الكهرباء. قد يبدو هذا أمرًا سخيفًا ولكنك لن تستطيع الحصول على “فرق” بدون وجود شيئين مختلفين، ولهذا يوجد طرفان لكل مصدر. في أي مصدر للكهرباء يكون جهد الطرف الموجب أكبر من جهد الطرف السالب، وهذا ما نحتاجه تمامًا. فعادة عندما نقوم بقياس الجهد نقول أن الطرف السالب جهده صفر، بينما جهد الطرف الموجب هو جهد المصدر بالكامل.
تشبه المصادر الكهربية المضخات، فالمضخات تحتوي على طرفين، مخرج يقوم بالضخ للخارج، ومدخل يقوب بالسحب للداخل. تعمل البطاريات والمولدات والألواح الشمسية بنفس الطريقة، فهناك طرف يعمل على دفع الكهرباء وتحريكها إلى المخرج (االقطب الموجب)، ولكن عند سريان الكهرباء تخلف فراغًا لذلك يقوم الطرف الآخر (القطب السالب) بسحب الكهرباء ليملأ ذلك الفراغ.
الدائرة الكهربية البسيطة
نحن مستعدون الآن لتحقيق الاستفادة من الكهرباء! إذا قمنا بتوصيل القطب الموجب لمصدر كهربائي بشيء يقوم ببذل شغل مثل وصلة ثنائية باعثة للضوء ثم أكملنا التوصيل إلى القطب السالب للمصدر؛ فسيسري التيار الكهربي، ويمكننا إضافة أشياء أخرى تعمل بالكهرباء إلى تلك الدائرة وتقوم بعمل بشيء مفيد عند سريان الكهرباء خلالها مثل الوصلات الباعثة للضوء التي تعطي ضوءًا.
هذا المسار الدائري الذي تحتاجه الكهرباء لكي تسري خلاله يسمى دائرة كهربية. فالدائرة الكهربية تبدأ دائمًا وتنتهي عند نفس المكان، وهذا هو ما نفعله تمامًا.
ا
ا
ظن العالم الأمريكي “بينجامين فرانكلين” أن الكهرباء تسري من القطب الموجب للمصدر الكهربي إلى القطب السالب، ولكنه لم يتوصل إلى معرفة أن الإلكترونات (electrons) تسري في الإتجاه المعاكس على المستوى الذري، أي انها تسري فعليًا من القطب السالب إلى القطب الموجب. ولأن كثير من المهندسين قد ساروا على ما كتبه فرانكلين لمئات السنين قبل اكتشاف الحقيقة، ما زلنا نستخدم ذلك العرف الخاطئ حتى يومنا هذا ، ولكن عمليًا لا توجد مشكلة في ذلك، وطالما أن الجميع يسيرون على نفس ذلك المبدأ فيمكننا تصميم دوائر كهربية تعمل بشكل سليم.
دائرة القصر (short circuit) والدائرة المفتوحة (open circuit)
ما هو “الحِمل (load) “؟
السبب الذي نقوم من أجله ببناء الدوائر الكهربية هو جعل الكهرباء تقوم بأشياء نافعة لنا، ولتحقيق ذلك يتم إضافة أشياء إلى الدائرة تقوم بإستهلاك التيار الكهربي لأداء وظيفة ما كالإضاءة أو الحركة أو التسخين …إلخ.
تسمى هذه الاشياء “الأحمال” لأنها تقوم بالتحميل –تشكل حِملاً- على مصدر الطاقة، تخيل أنك تحمل شيئًا ما فعندها يكون حِملًا عليك، وكما يمكن أن تحمل وزنًا كبيرًا ، يمكن أن يتم تحميل مصدر الطاقة بحمل كبير أيضًا، مما يبطئ من سريان التيار الكهربي. يمكن أيضًا أن يتم تحميل المصدر الكهربي بشكل ضئيل مما يسمح بمرور الكثير من التيار الكهربي (تخيل أنك تجري بسرعة بدون حمل أي وزن)، مما قد يؤدي إلى احتراق بعض الأجزاء بما فيها مصدر الكهرباء نفسه.
في الدرس القادم ستدرس بشكل مفصل الجهد، التيار الكهربي، الأحمال، المقاومة وقانون أوم. أما الآن سندرس حالتين خاصتين من الدوائر الكهربية: دائرة القصر والدائرة المفتوحة. فدراستها سيفيدك بشكل كبير في إصلاح الدوائر الكهربية وحل مشاكلها وأعطالها.
تسمى هذه الاشياء “الأحمال” لأنها تقوم بالتحميل –تشكل حِملاً- على مصدر الطاقة، تخيل أنك تحمل شيئًا ما فعندها يكون حِملًا عليك، وكما يمكن أن تحمل وزنًا كبيرًا ، يمكن أن يتم تحميل مصدر الطاقة بحمل كبير أيضًا، مما يبطئ من سريان التيار الكهربي. يمكن أيضًا أن يتم تحميل المصدر الكهربي بشكل ضئيل مما يسمح بمرور الكثير من التيار الكهربي (تخيل أنك تجري بسرعة بدون حمل أي وزن)، مما قد يؤدي إلى احتراق بعض الأجزاء بما فيها مصدر الكهرباء نفسه.
في الدرس القادم ستدرس بشكل مفصل الجهد، التيار الكهربي، الأحمال، المقاومة وقانون أوم. أما الآن سندرس حالتين خاصتين من الدوائر الكهربية: دائرة القصر والدائرة المفتوحة. فدراستها سيفيدك بشكل كبير في إصلاح الدوائر الكهربية وحل مشاكلها وأعطالها.
دائرة القصر
لا تجرب هذا إطلاقًا. إذا قمت بتوصيل سلك مباشرة من القطب الموجب إلى القطب السالب في مصدر كهربائي، فعندها يتم إنشاء ما يطلق عليه دائرة القصر. وهي شيء ضار للغاية.
تبدو تلك الدائرة أفضل دائرة يمكن تكوينها، فلماذا تُعتبر شيئًا ضارًا؟ تذكر أن التيار الكهربي يسري من جهد عالي إلى أقل، وعند إضافة حمل في مسار التيار، يمكنك أن تحصل على شيء نافع مثل إضاءة مصباح مثلًا.
إذا تم إضافة حمل في مسار التيار فعندها يتم تحديد شدة التيار الذي يسري خلال الدائرة بما يستهلكه هذا الحمل، والذي عادة ما يكون مقدارًا ضئيلًا. ولكن إذا لم يتم إضافة اي أحمال إلى الدائرة في مسار التيار، فلن يكون هناك أي شيء يعيق مرور التيار، وبالتالي تصبح شدة التيار ما لا نهاية.
بالطبع لا يمكن لمصدر الكهرباء أن يُخرج تيارًا لا نهائي الشدة، ولكنه سيُخرج أقصى شدة تيار يمكن أن يمنحها والتي يمكن أن تكون قيمتها عالية. يمكن لذلك أن يسبب احتراق السلك أو إتلاف مصدر الكهرباء أو إفراغ البطارية والكثير من الأشياء الأخرى.
لذلك في معظم الأحيان يتم تزويد مصادر الكهرباء بآلية أمان مدمجة لتقييد شدة التيار الناتج في حال حدوث دائرة قصر. لهذا السبب تحديدًا تحتوي المنازل والمباني على قواطع للتيار –منصهرات- (circuit breakers) لمنع اندلاع الحرائق في حالة حدوث ماس كهربائي ناتج عن دائرة قصر في الأسلاك.
هناك مشكلة أخرى مشابهة وهي سريان تيار شديد للغاية في أحد أجزاء الدائرة الكهربية مسببًا احتراقه، هذه المشكلة شبيهة بدائرة القصر ولكنها فعليًا ليست دائرة قصر. تحدث تلك المشكلة غالبًا عند استخدام قيمة مقاومة غير مناسبة مما يؤدي لسريان تيار شديد جدًا في مُكون آخر من مكونات الدائرة مثل الوصلة الثنائية الباعثة للضوء.
إذا تم إضافة حمل في مسار التيار فعندها يتم تحديد شدة التيار الذي يسري خلال الدائرة بما يستهلكه هذا الحمل، والذي عادة ما يكون مقدارًا ضئيلًا. ولكن إذا لم يتم إضافة اي أحمال إلى الدائرة في مسار التيار، فلن يكون هناك أي شيء يعيق مرور التيار، وبالتالي تصبح شدة التيار ما لا نهاية.
بالطبع لا يمكن لمصدر الكهرباء أن يُخرج تيارًا لا نهائي الشدة، ولكنه سيُخرج أقصى شدة تيار يمكن أن يمنحها والتي يمكن أن تكون قيمتها عالية. يمكن لذلك أن يسبب احتراق السلك أو إتلاف مصدر الكهرباء أو إفراغ البطارية والكثير من الأشياء الأخرى.
لذلك في معظم الأحيان يتم تزويد مصادر الكهرباء بآلية أمان مدمجة لتقييد شدة التيار الناتج في حال حدوث دائرة قصر. لهذا السبب تحديدًا تحتوي المنازل والمباني على قواطع للتيار –منصهرات- (circuit breakers) لمنع اندلاع الحرائق في حالة حدوث ماس كهربائي ناتج عن دائرة قصر في الأسلاك.
هناك مشكلة أخرى مشابهة وهي سريان تيار شديد للغاية في أحد أجزاء الدائرة الكهربية مسببًا احتراقه، هذه المشكلة شبيهة بدائرة القصر ولكنها فعليًا ليست دائرة قصر. تحدث تلك المشكلة غالبًا عند استخدام قيمة مقاومة غير مناسبة مما يؤدي لسريان تيار شديد جدًا في مُكون آخر من مكونات الدائرة مثل الوصلة الثنائية الباعثة للضوء.
أخيرًا، إذا لاحظت ارتفاعًا مفاجئًا في درجة حرارة أجزاء الدائرة أو احتراق أحد الأجزاء فقم بفصل الكهرباء بسرعة وابحث عن الأسباب المحتملة لذلك.
الدائرة المفتوحة
تعتبر عكس دائرة القصر تمامًا، وهي الدائرة التي تكون غير متصلة بالكامل (لا توجد دائرة من الأساس).
على عكس دائرة القصر، لا تسبب تلك الحالة مشكلة أو تلف أحد المكونات، لأن الدائرة الكهربية عندها
تكون غير موجودة من الأساس. وتشكل تلك الحالة صعوبة كبيرة لحديثي التعامل مع الدوائر الكهربية بسبب صعوبة إيجاد مكان انفتاح الدائرة وخاصة في حال استخدام ألواح التجارب (breadboards) حيث تكون جميع التوصيلات غير ظاهرة.
إذا لم تعمل دائرة ما فأغلب الظن أن السبب هو أنها دائرة مفتوحة، يحدث هذا عادة بسبب انقطاع الوصلات أو انفلات أحد الأسلاك. (وجود دائرة قصر يستهلك التيار المار في الدائرة بالكامل، لذلك تأكد من البحث عنها جيدًا أيضًا.)
ملحوظة: إذا واجهت صعوبة في إيجاد مكان انفتاح الدائرة، فيمكنك استخدام مقياس متعدد (ملتيميترmultimeter). قم بضبطه لقياس الجهد ثم قم بقياس الجهد في نقاط مختلفة على مسار الدائرة أثناء توصيلها حتى تصل إلى النقطة التي لا يسري خلالها الجهد.
ملحوظة: إذا واجهت صعوبة في إيجاد مكان انفتاح الدائرة، فيمكنك استخدام مقياس متعدد (ملتيميترmultimeter). قم بضبطه لقياس الجهد ثم قم بقياس الجهد في نقاط مختلفة على مسار الدائرة أثناء توصيلها حتى تصل إلى النقطة التي لا يسري خلالها الجهد.