الدوائر الكهربائية هي أساس كل نظام كهربائي، وهي عبارة عن مجموعة من المكونات متربطة معاً بواسطة سلك موصل للتيار الكهربائي، ومصدر طاقة يسمح بتدفق التيار الكهربائي ضمن مسار مغلق لإيصال الطاقة الكهربائية اللازمة لكل مكون من مكونات الدائرة الكهربائية.
تتكون الدائرة الكهربائية في أبسط صورها من أربعة مكونات رئيسية:
1- مصدر الطاقة:
مصدر الطاقة هو جهاز يوفر الجهد الكهربائي لتشغيل الدائرة الكهربائية.و هناك العديد من أنواع مصادر الطاقة المختلفة، مثل البطاريات والمولدات الكهربائية.
2- الأجهزة الكهربائية:
الأجهزة الكهربائية (الأحمال) هي أجهزة تستهلك الطاقة الكهربائية من مصدر الطاقة. وهناك العديد من أنواعها ومنها: المصابيح، المحركات، المكيفات، الشواحن ومختلف الأجهزة الإلكترونية.
3- الموصلات:
الموصلات هي أسلاك تربط بين مكونات الدائرة الكهربائية. وتكون مصنوعة من مواد موصلة للكهرباء، مثل النحاس والألومنيوم.
4- المفتاح الكهربائي:
المفتاح الكهربائي (Switch) هو جهاز يستخدم لفتح أو إغلاق الدائرة الكهربائية، مما يسمح له بالتحكم في مرور التيار أو منعه.
الشكل 1: مكونات الدائرة الكهربائية [1]
أبرز متغيرات الدوائر الكهربائية:
1- الجهد (Voltage): وهو القوة الدافعة للإلكترونات عبر الدائرة ويعرف أيضا بأنه فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين في الدائرة. ويرمز له بـ V ويقاس بالفولت (V).
2- التيار (Current): وهو مقياس لمقدار تدفق الإلكترونات خلال فترة من الزمن. يرمز له بـ I ويقاس بالأمبير (A).
3- المقاومة (Resistance): وهي مقياس لمدى إعاقة التيار من التدفق في الدائرة. ترمز لها ب R وتقاس بالأوم (Ω).
أنواع الدوائر الكهربائية:
1- الدوائر المتتالية (Series circuits): في هذا النوع، يتم توصيل جميع المكونات على التوالي ضمن سلسلة واحدة كما هو موضح في الشكل 2. والتي تسمح بتدفق التيار بتساوي خلال الدائرة.
الشكل 2: دائرة التوالي [2]
2- الدوائر المتوازية (Parallel circuits): في الدوائر المتوازية، يتم توصيل جميع المكونات على التوازي ضمن مسارين أو أكثر كما يظهر الشكل 3. ويكون فرق الجهد متساويا عند كل فرع ويتدفق التيار بشكل منفصل عند كل مسار.
الشكل 3: دائرة التوازي [2]
3- الدوائر المركبة (Series-Parallel): في الدوائر المركبة، يتم توصيل بعض المكونات على التوالي والبعض الآخر على التوازي. ويمكن تبسيطها عبر استخدام بعض القوانين والمعادلات الحسابية للتيار والجهد ونذكر منها بعضا مما يلي:
الشكل 4: الدائرة المركبة [2]
قوانين الدوائر الكهربائية:
هناك العديد من القوانين التي تتعلق بالدوائر الكهربائية. وبعض القوانين الأساسية تشمل:
1- قانون أوم: ينص قانون أوم على أن التيار الكهربائي (I) يساوي الجهد الكهربائي (V) مقسومًا على المقاومة (R).
الشكل 5: قانون أوم
2- قانون القدرة الكهربائية: تُعرف القدرة الكهربائية (P) بأنها مقدار الطاقة المستهلكة من الدائرة وتقاس بالواط (W). وهي حاصل ضرب التيار الكهربائي (I) والجهد الكهربائي (V).
الشكل 6: معادلة القدرة الكهربائية
3- قوانين كيرشوف للتيار والجهد: ينص قانون كيرشوف للتيار (KCL) على أن مجموع التيارات الداخلة إلى عقدة (node) يساوي مجموع التيارات الخارجة منها. بينما ينص قانون كيرشوف للجهد (KVL) على أن مجموع فرق الجهود بداخل مسار مغلق يساوي صفر.
الشكل 7: قوانين كيرشوف للتيار والجهد [3]
تصميم الدوائر الكهربائية:
يتطلب تصميم دائرة كهربائية فعالة فهمًا لمكونات الدائرة ووظائفها. وهناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها عند تصميم دائرة كهربائية، بما في ذلك:
1- الهدف من الدائرة: ما الذي يجب أن يفعله الجهاز الكهربائي؟
2- الطاقة المطلوبة: كم من الطاقة الكهربائية يحتاجها الجهاز الكهربائي؟
3- التكلفة: ما هي التكلفة الإجمالية للدائرة؟
4- الحجم: ما هو الحجم المطلوب للدائرة؟
وفي الختام نذكر فيما يلي بعض الأمثلة على التطبيقات الشائعة للدوائر الكهربائية:
1- المصابيح الكهربائية: تستخدم المصابيح الدوائر الكهربائية لتحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء.
2- المحركات الكهربائية: تستخدم المحركات الدوائر الكهربائية لتحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة.
3- أجهزة الكمبيوتر: تستخدم أجهزة الكمبيوتر الدوائر الكهربائية لمعالجة المعلومات.
4- الأجهزة المنزلية: تستخدم الأجهزة المنزلية مثل الغسالات والثلاجات الدوائر الكهربائية لأداء مجموعة متنوعة من المهام.
5- الأنظمة الصناعية: تستخدم الأنظمة الصناعية مثل أنظمة التحكم الآلي الدوائر الكهربائية لتشغيل الآلات والمعدات.
المراجع:
[1]: feeziaa.com
[2]: All About Circuits
[3]: electricbian.com
