مدار الکتریکی به زبان ساده

مدار الکتریکی چیست؟

 الکتریسیته (برق) به وسیله سیم از باتری جاری میشود و لامپ را روشن می کند و پس از آن به وسیله سیم دیگر به باتری برمی گردد. به تشکیل چنین حالتی مدارالکتریکی می گویند.

یک مدار الکتریکی با اتصال قطعات الکتریکی غیرفعال ((مقاومت، خازن، القاگر، لامپ، دیود و …) یا قطعات فعال (ترانزیستور و …) یا ترکیبی از هر دو ایجاد می شود. به طوری که حداقل یک مسیر بسته ایجاد شود تا جریان الکتریکی بتواند از این مسیر بسته عبور کند.

اگر اجزای یک مدار، الکتریکی باشند به آن مدار الکتریکی و اگر برخی از قطعات الکتریکی و برخی دیگر الکترونیکی باشند، مدار الکترونیکی است..

مدارهای الکتریکی خطی نوعی از مدارهایی هستند که از منبع جریان یا ولتاژ و عناصر خطی مانند مقاومت تشکیل شده‌اند. برای تحلیل این مدارها می توان از روش هایی مانند پاسخ فرکانسی و تبدیل لاپلاس استفاده کرد.

هر مدار الکتریکی از اجزای زیر تشکیل شده است:

• منبع تغذیه مانند باتری یا ژنراتور
• سیم ها یا نوارهایی برای اتصال مدارها که از ماده ای ساخته شده اند که الکتریسیته را به خوبی هدایت می کند، مانند مس.
• اجزای مدار مانند خازن، مقاومت، سلف، دیود، ترانزیستور و غیره

در تصویر بالا یک مدار الکتریکی ساده را مشاهده میکنیم.

انواع مدارهای الکتریکی

به طور کلی دو نوع مدار باز و مدار بسته وجود دارد، در برخی مدارها حلقه ای وجود دارد که جریان را به طور کامل و بدون نقص انتقال می دهد، به چنین مداری مدار بسته می گویند.

گاهی اوقات عوامل مختلفی باعث ایجاد مشکل می شود و از انتقال صحیح جریان جلوگیری می کند و اگر چنین اتفاقی در مداری رخ دهد به آن مدار مدار باز می گویند.

در برخی مدارها بار الکتریکی زیادی منتقل نمی شود که به آن مدار اتصال کوتاه می گویند، اما نکته مهم این است که استفاده از این مدارها می تواند خطرناک باشد و مشکلاتی مانند آتش سوزی یا انفجار ایجاد کند.

مدارهای الکتریکی به طور کلی به دو دسته مدارهای سری و مدارهای موازی تقسیم می شوند که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت.

مدارهای سری

یکی از منظم ترین مدارها هستند که چندین قسمت مختلف دارند و در لوازم خانگی استفاده می شوند.
مدارهای سری می توانند مشکلاتی داشته باشند زیرا به طور منظم به یکدیگر متصل هستند. به عنوان مثال اگر قسمتی از این مدار دچار مشکل شود، تمامی قطعات مرتبط متصل به آن قطعه نیز از کار می افتند، بنابراین باید به یکدیگر متصل شوند.

مدارهای موازی

نوع دیگری از مدارهای الکتریکی، مدارهای موازی هستند که منبع تغذیه را با جریان الکتریکی تامین می کنند. در این مدار تمام قطعات از ولتاژ یکسان و اندازه یکسان استفاده می کنند که باعث شده است مانند مدار قبلی اگر یکی از تجهیزات مشکلی داشته باشد روی تجهیزات دیگر تاثیری نداشته باشد.

جریان الکتریکی در مدار الکتریکی چگونه برقرار می شود؟

با ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سر مدار، بارهای الکتریکی شروع به حرکت کرده و جریان الکتریکی در مدار برقرار می شود.

جریان در مدار الکتریکی چیست؟

در نگاه اول، یک مدار الکتریکی ساده از یک منبع، یک هادی و یک مصرف کننده تشکیل شده است. هنگامی که در دو سر منبع در مدار اختلاف پتانسیل وجود دارد، بارهای الکتریکی شروع به حرکت می کنند. این حرکت به این صورت است که وقتی اختلاف پتانسیل توسط منبع ایجاد می شود، بارهای داخل منبع از قطب منفی به قطب مثبت می روند و قطب مثبت منبع را ترک می کنند. در طول مدار، حامل های بار مثبت از طریق سیم ها جریان یافته و به سمت قطب منفی منبع حرکت می کنند.

برخلاف تصور بسیاری از مردم، جریان الکتریکی با حرکت بارهای الکتریکی ایجاد نمی شود، بلکه جریان بارهای الکتریکی جریان الکتریکی را ایجاد می کند. در اینجا دوباره حرکت الکترون ها در طول سیم شار نامیده می شود. به عبارت دیگر، الکترون‌ها در تمام بخش‌های سیم رسانا وجود دارند و این‌طور نیست که بار الکتریکی داخل سیم بخواهد به نقطه‌ای برود که بار ندارد. درست مانند زنجیر متصل به قرقره، زنجیر با چرخش قرقره حرکت می کند. بنابراین جریان الکتریکی میزان جریان بارهای الکتریکی است که با معادلات ریاضی به صورت زیر تعیین می شود:

در عمل، حرکت بارهای الکتریکی به معنای حرکت الکترون ها است. اگر بخواهیم جریان الکتریکی را از نظر حرکت الکترون ها بررسی کنیم، باید بگوییم که الکترون ها از قطب منفی منبع جریان می یابند و به قطب مثبت منبع می ریزند. اما در بسیاری از موارد به گونه ای منقبض می شود که جریان از انتهای مثبت منبع خارج شده و به انتهای منفی خود در مدار می رود. جریان الکترون ها در داخل سیم رسانا به گونه ای است که با «حرکات تصادفی» یا «حرکات براونی» و به صورت ناهموار و با برخورد به یکدیگر جریانی را در مدار ایجاد می کنند.شکل زیر حرکت دایره ای الکترون ها در داخل یک سیم رسانا را نشان می دهد.

توان در مدار الکتریکی چیست؟

وقتی مدارهای الکتریکی را تجزیه و تحلیل می کنیم، معمولاً جریان یک انشعاب یا ولتاژ یک گره در مدار را محاسبه می کنیم. در واقع هدف از تحلیل مدار محاسبه ولتاژ یا جریان در محدوده معینی از آن است. اما در عمل کمیت مورد استفاده «توان الکتریکی» و انرژی الکتریکی است. البته هنگام اعمال مدار الکتریکی در عمل می توان ولتاژ و جریان را در نقاط مختلف با ولت متر و آمپرمتر اندازه گیری کرد. اما آنچه در واقع تولید و مصرف می شود، انرژی الکتریکی است. این یک سوال اساسی در فیزیک است که توان لحظه ای تولید شده توسط یک منبع برابر با ولتاژ لحظه ای آن منبع در جریان لحظه ای است که از آن عبور می کند، مشروط بر اینکه جهات قراردادی مربوطه رعایت شود.

اختلاف ولتاژ، اختلاف پتانسیل و نیرو محرکه الکتریکی در مدار چیست؟

ولتاژ، اختلاف پتانسیل و نیرو محرکه الکتریکی عباراتی هستند که معمولاً به یک پدیده اشاره دارند. در واقع وجود هر یک از این مفاهیم باعث ایجاد جریان الکتریکی و شروع به کار مدار می شود. اما اگر دقیقاً بخواهیم این سه را با یکدیگر مقایسه کنیم، خواهیم دید که تفاوت هایی با یکدیگر دارند.

عاملی که باعث ایجاد جریان الکتریکی در مدار می شود اختلاف پتانسیل است. هنگامی که یک عنصر در مدار یک اختلاف پتانسیل ایجاد می کند، ولتاژ در دو سر آن عنصر تولید می شود. عاملی که در ابتدا باعث ایجاد اختلاف پتانسیل توسط عنصر مربوطه می شود، نیروی محرکه الکتریکی است. بنابراین نیروی محرکه الکتریکی باعث اختلاف پتانسیل می شود و وجود اختلاف پتانسیل باعث می شود ولتاژ در نقاط خاصی ظاهر شود.

مقاومت در مدار الکتریکی چیست؟

از نقطه نظر ریاضی، مقاومت عنصری است که می تواند ولتاژ دو سر خود و جریان عبوری از آن را در هر لحظه با یک منحنی نشان دهد. این منحنی “مشخصه مقاومت” نامیده می شود. لازم به ذکر است که یک ویژگی نامگذاری شده لزوماً یک تابع نیست، بنابراین به جای تابع از نام ویژگی استفاده می شود. در واقع بسته به پدیده های فیزیکی که در داخل عنصر مورد نظر رخ می دهد، این ویژگی متفاوت است. در شکل زیر مشخصه مقاومت خطی را مشاهده می کنید که با گذشت زمان تغییر نمی کند.

از یک دیدگاه، مقاومت ها می توانند “خطی” و “غیر خطی” باشند. تصویر بالا یک مقاومت خطی است که با یک خط مستقیم در صفحه v-i که از مبدا می گذرد مشخص می شود. به همین ترتیب، مقاومتی غیر خطی است که خطی نیست. یعنی یا خط مستقیم نیست یا مشخصه اش می تواند خط مستقیم باشد ولی این مشخصه از مبدأ مختصات عبور نمی کند. امروزه بسیاری از مقاومت های غیر خطی در الکترونیک استفاده می شود. به عنوان مثال، شکل زیر ویژگی یک مقاومت غیر خطی را نشان می دهد.

همانطور که در شکل بالا می بینید، مشخصه ترسیم شده در صفحه v-i از مبدا عبور کرده است، اما یک خط مستقیم نیست و به صورت تصاعدی در ربع اول ادامه می یابد. این منحنی ویژگی یک دیود اتصال را نشان می دهد. پدیده های فیزیکی که مشخصه فوق را ایجاد می کنند با پدیده های فیزیکی مقاومت های ساده و خطی کاملاً متفاوت است. تعاریف دیگری مانند «مقاومت استاتیک» یا «مقاومت دینامیک» را نیز می‌توان از ویژگی‌های مقاومت‌ها استخراج کرد.

مشکل دیگر مقاومت های غیر خطی این است که مقدار مقاومت در بسیاری از نقاط مشخصه پایدار نیست. به عبارت دیگر، اگر هنگام استفاده از مقاومت غیر خطی، سعی کنیم مقدار مقاومت را در یک نقطه مشخص نگه داریم، این مقدار با تغییرات محیط و بدون تغییر از طرف ما تغییر می کند.

مقاومت ها می توانند با گذشت زمان متغیر یا ثابت باشند. در واقع در مقاومت متغیر مقدار مقاومت با زمان تغییر می کند و در مقاومت متغیر مشخصه مقاومت مستقل از زمان است. متداول ترین مقاومت مورد استفاده مقاومت غیر متغیر است.بنابراین با ترکیب ویژگی خطی بودن و خاصیت تغییرپذیری با زمان می توان از چهار نوع مقاومت مختلف استفاده کرد.

در مدار الکتریکی المان مقاومت با حرف «R» نمایش داده می‌شود و رابطه میان ولتاژ دو سر آن و جریان گذرنده از آن به صورت زیر است.

واحد مقاومت SI ولت در آمپر است و به دلیل استفاده گسترده از این نسبت، به اهم (نماد Ω) معروف است. در واقع می توان گفت:

از دیدگاه فیزیکی، رسانایی که وجود آن در مدار مقاومت خاصی ایجاد می کند، مقاومت نامیده می شود. در مدارهای الکتریکی مقاومت خطی و ثابت با نماد زیر نشان داده می شود.