الدائرة الكهربائية البسيطة
يتكون التيار الكهربائي من حركة الشحنات الكهربائية خلال مادة موصلة، وحتى يستمر التيار الكهربائي في سريانه يجب أن يكون المسار مغلقًا لذلك يُطلق على هذا المسار المغلق دائرة كهربائية، مع العلم أنه ليس من الضروري أن يتخذ هذا المسار الشكل الهندسي للدائرة. وتضم الدائرة الكهربائية في أبسط أشكالها: خلية كهربائية أو بطارية، ومقاومة كهربائية مثل المصباح أو أي حمل آخر يستهلك الطاقة الكهربائية. وأسلاك التوصيل، ومفتاحا لغلق الدائرة أو فتحها؛ حيث يسري التيار عند غلق الدائرة، ويتوقف عن السريان عند فتحها. والشكل (1-16) يُبين دائرة كهربائية بسيطة تحتوي على بطارية ومصباح وأسلاك توصيل ومفتاح.
يمكن أن تحتوي الدائرة الكهربائية البسيطة على مزيد من الخلايا الكهربائية أو المقاومات التي تتصل معا بطرق مختلفة، وتحتوي أيضا على أجهزة قياس مختلفة، مثل الفولتميتر والأميتر والأوميتر.
تعلمت أن فرقًا في الجهد الكهربائي بين طرفي الموصل يسبب سريان التيار الكهربائي في هذا الموصل. وتعرفت العلاقة بين كل من المقاومة الكهربائية للموصل وشدة التيار الكهربائي المار فيه وفرق الجهد بين طرفيه التي تعرف بقانون أوم.
عناصر الدائرة الكهربائية البسيطة
الدائرة الكهربائية هي مسارٌ مُغلق يسري خلاله التيار الكهربائي وتتكون الدائرة الكهربائية من عدد من العناصر، هي مكونات الدائرة، ويُمكن وصف كل عنصر كما يأتي:
- الموصلات : تتكون عادة من الأسلاك النحاسية التي تشكل مسارًا يسمح بمرور التيار الكهربائي، ويصل كل سلك نحاسي بين عنصرين من عناصر الدائرة.
- المفتاح : أحد عناصر الدائرة يُشكل جسرا لعبور التيار ويُمكن فتح الدائرة أو إغلاقها عن طريق المفتاح.
- الحمل (المقاومة): هو العنصر الذي يستهلك الطاقة الكهربائية في الدائرة ويحولها إلى أحد أشكال الطاقة الأخرى، وقد يكون مصباحًا أو سماعة أو مقاومة حرارية ويُطلق عليه بشكل عام اسم المقاومة. الخلية: هي العنصر الذي يُشكل مصدر الطاقة في الدائرة الكهربائية، والمجموعة من الخلايا المتصلة معا بطرق مختلفة تسمى بطارية، وقد تُطلق كلمة بطارية على الخلية الواحدة.
الخلية الكهربائية
كهربائية لذلك تسمى خلية كهروكيميائية. وتعد مصدرا للطاقة الكهربائية في الدوائر الكهربائية فهي تنتج التيار الكهربائي وتدفعه في عناصر الدائرة ومصدر الطاقة الكيميائية في الخلية هو تفاعلات كيميائية بين مكوناتها من أنواعها الخلية الجافة. لاحظ الشكل (1-17) الذي يُبين أشكالاً من الخلايا الجافة. تختلف في أحجامها وسعاتها وفرق الجهد الكهربائي الذي تنتجه
بعض أشكال الخلايا الحافة واستخداماتها. نتيجة للتفاعلات الكيميائية داخل الخلية تنتقل الإلكترونات إلى أحد طرفيها ويُسمى قطبا سالبا، في حين يُسمى الطرف الذي يفتقر إلى الإلكترونات قطبًا مُوجَبًا، وينتج عن ذلك فرق في الجهد الكهربائي بين قطبي الخلية.
عند توصيل الخلية في دائرة كهربائية فإنها تُشكل مصدر فرق الجهد الذي يُزوّد الإلكترونات الحرة في الأسلاك بالطاقة الحركية فتنتقل من القطب السالب للخلية خلال أسلاك التوصيل لتعود إلى القطب الموجب، ومصدر الطاقة الحركية التي تكتسبها الإلكترونات هو الطاقة الكيميائية التي أستهلكت في تفاعلات الخلية. أي إن الخلية تبذل شغلاً على الإلكترونات الحرة في الدائرة.
القوة الدافعة الكهربائية
تعرف القوة الدافعة الكهربائية بأنها الشغل الذي تبذله الخلية أو البطارية لنقل شحنة مقدارها كولوم واحد 10 بين قطبيها. وهي تساوي فرق الجهد الكهربائي بين قطبي الخلية والدائرة مفتوحة، وتعطى بالعلاقة W الآتية: e.m.f = حيث يُشير الرمز e.m.f إلى القوة الدافعة الكهربائية للخلية وهي تساوي فرق الجهد بين قطبي الخلية والدائرة مفتوحة، وتقاس بوحدة فولت ، ويُشير الرمز إلى الشغل الذي تبذله الخلية على الشحنة ويقاس بوحدة جول / ، ويُشير الرمز إلى كمية الشحنة المنقولة، وتُقاس بوحدة كولوم .. لكن، هل الخلية يمكنها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية بنسبة كاملة ؟ لقد تبين بطريقة عملية أن فرق الجهد الكهربائي بين قطبي الخلية عند غلق الدائرة ومرور التيار فيها يختلف عن القوة الدافعة الكهربائية للخلية والدائرة مفتوحة، فقد وجد أن سريان التيار داخل الخلية يؤدي إلى نقص في فرق الجهد بين قطبها، ويعود ذلك إلى أن الخلية تبدل شغلاً لتحريك الشحنة داخلها بسبب وجود مقاومة داخلية. ولقياس المقاومة الداخلية للخلية أو البطارية.
Applications تطبيقات
نستخدم العديد من الأجهزة الكهربائية في أعمالنا اليومية التي تختلف عن بعضها في الطاقة الكهربائية التي تستهلكها، والشغل الذي تنجزه، لذلك تختلف شدة التيار الكهربائي لكل جهاز، فبعض الأجهزة التي تعمل على تيار كهربائي شدته لا تزيد عن 150 ، تحتاج لأسلاك توصيل رفيعة، في حين تعمل أجهزة أخرى على تيار قد تزيد شدته عن 30 ، لذلك تكون أسلاكها سميكة جدًا؛ أي أنه يلزمنا زيادة مساحة مقطع السلك كلما زادت شدة التيار الذي ينقله ولحماية تلك الأجهزة الكهربائية والأسلاك من التيارات الكهربائية الزائدة، نستخدم قواطع كهربائية Circuit Breakers ، يكون مكتوب على القاطع مقدار شدة التيار التي يسمح بمرورها، بحيث لوزادت شدة التيار عن هذا المقدار، فإن القاطع يفصل التيار وقواطع أكبر من تلك المستخدمة في دوائر التيار الكهربائي التي عن الجهاز بشكل آلي، منعًا للأخطار. لذلك تحتوي دوائر التيار إثراء الكهربائي الرئيس التي تزود المقايس على أسلاك أكثر سماكة المقاومات الضوئية والمقاومات الحرارية تزود أجهزة الإضاءة.