آشنایی با مفاهیم پایه مداری و برق

جریان الکتریکی

در پدیده‌ی تخلیه الکتریکی، الکترون‌ها از ابر به زمین منتقل شده و با گرما و نور شدید همراه می‌باشند. در حقیقت قطرات باران مسیر لازم برای جاری شدن الکترون‌ها را فراهم می‌کنند، که با این عمل نوعی جریان الکتریکی ایجاد می‌شود.

جریان الکتریکی در واقع همان حرکت بارهای الکتریکی (الکترون ها) است. به جریان الکتریکی، جریان برق نیز می‌گویند.

مواد رسانا و نارسانا

به اجسامی که جریان برق یا گرما را از خود عبور دهند، رسانا و به موادی که جریان برق را از خود عبور ندهند، نارسانا گویند. از مواد رسانا می‌توان به فلزات و تنها نافلز رسانا به نام کربن اشاره کرد. کلیه نافلزات غیر از کربن نارسانا محسوب می‌شوند.

چرا فلزات می‌توانند جریان برق را از خود عبور دهند؟

برای پاسخ به سوال فوق باید مفهوم الکترون آزاد را بدانیم. در اتم بعضی عنصرها، الکترونی که در دورترین فاصله از هسته واقع شده است که به راحتی از اتم جدا می‌شود و از یک اتم به اتم دیگر می‌جهد را الکترون آزاد گویند.

الکترون آزاد را می‌توان به بازیکن آزاد در فوتبال تشبیه کرد! در فلزات این الکترون‌ها به تعداد زیاد وجود دارند که می‌توانند عامل انتقال بار الکتریکی شوند. در موارد نارسانا به تعداد کافی الکترون آزاد برای جا‌به‌جایی وجود ندارد.

مدار الکتریکی

مسیر بسته‌ای است که از یک سر پایانه‌ی مولّد شروع شده و پس از طی مسیر، به سر دیگر پایانه‌ی مولّد برگردد. مدار به دو صورت بسته (مداری که در آن جریان الکتریکی برقرار است) و باز (مداری که در آن جریان الکتریکی برقرا نیست) تقسیم‌بندی می‌شود.

اجزاء اصلی یک مدار ساده

همان‌گونه که می‌دانید، هر مدار ساده از 4 جزء زیر تشکیل شده است:

• مولد (منبع انرژی): مانند قوّه، باتری و ژنراتور
• سیم رابط (رسانا): مانند سیم‌های مسی
• وسیله‌ی باز و بسته کردن مدار: مانند کلید
• مصرف کننده: مانند لامپ و …

اختلاف پتانسیل یا ولتاژ (V)

عامل ایجاد جریان (شارش) می‌باشد. در حقیقت بین دو پایانه‌ی مولد اختلاف انرژی وجود دارد که باعث شارش بار الکتریکی (ایجاد جریان) می‌شود. اختلاف پتانسیل الکتریکی یک مولد از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید:

V = E / q

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه را با وسیله‌ای به نام ولت‌سنج (ولت‌متر) اندازه‌گیری می‌کنند.

اجزاء اصلی یک قوه‌ی خشک (منبع ولتاژ):

• پایانه منفی: روکش بیرونی قوه از جنس فلز روی
• پایانه مثبت: میله زغالی داخل ورقه (گرافیت)
• الکترولیت: خمیر داخل قوه شامل NH4Cl (آمونیوم کلرید) و منگنز دی اکسید (MnO2)

شدت جریان الکتریکی (آمپراژ)

مقدار جریان الکتریکی که در مدار جاری است را آمپراژ (i) گویند. به عبارت دیگر شدّت جریان را می‌توان مقدار بار الکتریکی شارش شده که در واحد زمان از مدار می‌گذرد تعریف کرد.

I = q / t

هرگاه در هر ثانیه از مدار تعداد (8) ^ 10 * 6 الکترون عبور کند، جریانی برابر 1 آمپر برقرار می‌شود.

جهت اصلی جریان در یک مدار از پایانه‌ی منفی به پایانه‌ی مثبت و جهت قراردادی جریان در یک مدار از پایانه‌ی مثبت به پایانه‌ی منفی است. برای اندازه گیری شدّت جریان در یک مدار از وسیله‌ای به نام آمپرسنج استفاده می‌شود.

رابطه‌ی بین شدّت جریان و اختلاف پتانسیل در یک مدار

آیا تاکنون دقّت کرده‌اید در یک مدار الکتریکی ساده که شامل قوه و لامپ است با افزایش تعداد قوه‌ها، روشنایی لامپ هم بیشتر می‌شود؟! در حقیقت با افزایش تعداد قوه‌ها و افزایش اختلاف پتانسیل مدار، شدت جریان الکتریکی در مدار هم افزایش می‌یابد و این رابطه این رابطه‌ی خطی با شیب مثبت و ثابت است.

مقاومت الکتریکی (R)

آیا تا به حال در خلاف جهت جریان آب شنا کرده اید؟

جریان آب حرکت شما را کند می‌کند. علت آن است که بین آب و بدن شما اصطکاک به وجود می‌آید، در مدار نیز بر اثر برخورد الکترون های آزاد با اتم های درون رسانا انرژی الکترون های آزاد کم می‌شود (به گرما تبدیل می‌شود) یعنی رسانا در برابر عبور جریان از خود مقاومت نشان می‌دهد پس مقاومت الکتریکی نوعی اصطکاک است که مانع حرکت الکترون ها می‌شود.

یکای اصلی اندازه گیری مقاومت الکتریکی، اهم (Ω) می‌باشد و با وسیله‌ای به نام اهم متر (اهم سنج) اندازه‌گیری می‌شود.

قانون اهم (Ω)

هرگاه دمای یک رسانا تغییر نکند، نسبت اختلاف پتانسیل دو سر رسانا به شدّت جریانی که از آن می‌گذرد مقدار ثابتی است که این مقدار ثابت همان مقاومت الکتریکی رسانا است.

R = V / I

عوامل موثر بر مقاومت الکتریکی رسانا

1. دما: در بیشتر مواد از جمله فلزات، دما باعث افزایش مقاومت می‌شود. در برخی از مواد مانند کربن، سیلیسیم، ژرمانیم و … افزایش دما باعث کاهش مقاومت الکتریکی می‌شود.
2. ویژگی‌های ساختمانی جسم:

• جنس رسانا (مقاومت ویژه): برای مثال مقاومت الکتریکی نقره از مس کم‌تر است. (در شرایط یکسان)
• طول رسانا: هر چه طول رسانا بیشتر باشد مقاومت الکتریکی آن نیز بیشتر است و برعکس.
• کلفتی یا نازکی رسانا (سطح مقطع): هر چه سیم کلفت‌تر باشد، مقاومت الکتریکی آن کم‌تر است و برعکس.

توان الکتریکی (P)

سرعت مصرف انرژی الکتریکی در یک وسیله‌ی برقی را نشان می‌دهد که رابطه‌ی P = V * I به دست می‌آید.

با توجّه به رابطه‌ی بالا می‌توان نوشت: یک ولت * یک آمپر = یک وات (1W = 1V * 1A) از ترکیب رابطه‌ی P = V * I و V = R * I می توان دو رابطه‌ی زیر را به دست آورد:

P = (V)^2 / R

P = R * (I)^2

انواع به هم بستن مقاومت‌ها در مدار

مقاومت‌های سری (متوالی):

در این مدار فقط یک مسیر برای عبور جریان وجود دارد و مقدار شدّت جریان در سراسر مدار یکسان است.

I = I1 = I2 = …

V = V1 + V2 + …

R = R1 + R2 + …

اگر چند مقاومت مانند لامپ را به صورت سری به اختلاف پتانسیل وصل کنیم، با زیاد شدن مقاوت کل مدار، شدت جریان کل (شدّت جریان عبوری از هر مقاومت) کاهش می‌یابد.

مقاومت‌های موازی (انشعابی – شانت):

در این مدار بیش از یک مسیر برای عبور وجود دارد و مقدار شدّت جریان در مسیر ممکن است مساوی و یا متفاوت باشد.

I = I1 + I2 + …

V = V1 = V2 = …

1/R = 1/R1 + 1/R2 + …

در مدارهای موازی جریان الکتریکی از مسیری که مقاومت کم‌تری دارد، بیش‌تر عبورمی‌کند. در مدارهای موازی مقاومت کل مدار از کوچک‌ترین مقاومت موجود در مدار هم کم‌تر است.

روش نصب وسایل مختلف در مدار

کلید: به طور سری وصل می‌شود زیرا اگر به طور موازی وصل شود، مدار اتصال کوتاه به وجود می‌آید که در قسمت بعدی به آن اشاره می‌شود.

فیوز: به طور سری وصل می‌شود و نقش آن در مدار این است که از خطر به وجود آمدن بار اضافی جلوگیری می‌کند.

آمپرسنج: به طور سری وصل می‌شود زیرا مقاومتش خیلی کم است، در نتیجه اگر به طور موازی وصل شود مدار اتصال کوتاه به وجود می‌آید و ممکن است آمپرسنج بسوزد.

ولت سنج: به طور موازی وصل می‌شود زیرا مقاومتش خیلی زیاد است، در نتیجه اگر آن را به صورت سری نصب کنیم مصرف کننده از کار می‌افتد.

بار اضافی و روش ایجاد آن در مدار

بار اضافی: یک مدار می‌تواند مقدار معینی جریان را از خود عبور دهد. اگر بیش از آن مقدار شود به آن بار اضافی می‌گویند.

دو راه ایجاد بار اضافی در مدار:

1. مدار اتصال کوتاه
2. به کار انداختن وسایل برقی زیاد در یک مدار و در یک زمان

مدار اتصال کوتاه یعنی جریان الکتریکی بدون آن که از مصرف کننده عبور کند از راه کوتاه به منبع برگردد.

سه اثر جریان الکتریسیته

مغناطیس

آیا تاکنون با مگ مغناطیسی بازی کرده‌اید؟ یا به کمک قبله نما، جهت قلبه را مشخص کرده اید؟ یا دقت کرده اید که درب یخچال چگونه بسته یا باز می‌شود؟

درست حدس زده اید در همه‌ی موارد بالا آهنربا به کار رفته است…!

آهن ربا

به موادی که می‌تواند براده‌ی آهن را برباید و یا بر مواد مغناطیسی مانند آهن، نیکل، کبالت و برخی از آلیاژ های آن نیرو وارد کند، گفته می‌شود.

تاریخچه‌ی کشف آهنربا: آهنربای طبیعی، نوعی کانی آهن دار به نام ماگنتیت (مگنتیت) می‌باشد و علت نام گذاری آن از محلی به نام ماگنزیا است که این مکان در آسیای صغیر (ترکیه فعلی) قرار داشته است.

قطب‌های آهنربا: یک آهنربای میله‌ای را دست گرفته و روی آن را با یک کاغذ بپوشانید. مقداری براده‌ی آهن بر روی آن بریزد. خواهید دید که تجمع براده های آهن در مکان هایی بیش‌تر از نقاط دیگر است به این مکان قطب‌های آهنربا گویند.

انواع قطب آهنربا:

• قطب N یا شمال
• قطب S یا جنوب

اگر یک آهنربای میله‌ای را از گرانیگاه آویزان کنیم، قطب N آن سمت شمال و قطب S آن جنوب جغرافیایی زمین را نشان می‌دهد.

اثر قطب‌های آهنربا بر یکدیگر

1. دو قطب همنام آهنربا بر یکدیگر نیروی رانشی وارد می‌کنند.
2. دو قطب ناهمنام آهنربا بر یکدیگر نیروی ربایشی وارد می‌کنند.

روش‌های ساخت آهنربا

• مالش
• القا
• روش الکتریکی

ساخت آهنربا به روش مالش

در این روش مانند شکل یک آهنربای تیغه ای را بر روی یک تیغه‌ی آهنی که خاصیت مغناطیسی ندارد چند بار و از ابتدا به انتهای آن در یک جهت می‌کشیم. انتهای تیغه‌ی آهنی که محل برداشتن آهنربا می‌باشد مخالف قطب مالش دهنده است.

میدان مغناطیسی: فضای اطراف آهنربا که می‌تواند بر اجسام آهنی نیرو وارد می‌کند.

خطوط میدان مغاطیسی: خطوط جهت داری که میدان مغناطیسی را نشان می‌دهد. این خطوط دارای ویژگی های زیر است:

1. جهت میدان مغناطیسی در بیرون آهنربا از قطب N به S و درون آهنربا از قطب S به قطب N می‌باشد.
2. هر چه خطوط مغناطیسی به هم نزدیک‌تر باشند خاصیت مغناطیسی قوی‌تر است و برعکس.
3. خط‌های میدان مغناطیسی همدیگر را قطع نمی‌کنند.

ساخت آهنربا به روش القا

ایجاد خاصیت مغناطیسی در یک آهن توسط آهنربا بدون تماس را القای مغناطیسی می‌گویند.

ساخت آهنربا به روش الکتریکی

در این روش سیم روکش داری را حداقل پنجاه دور در یک جهت، دور یک میله‌ی آهنی می‌پیچیم و دو سر سیم را لخت کرده و به باطری وصل می‌کنیم. در این حالت در اثر عبور جریان الکتریسیته از سیم، تیغه‌ی آهنی به آهنربا تبدیل می‌شود.

انواع آهنربا

1- آهنربای دائمی:

برخی از مواد مانند فولاد و آلیاژهای دیگری از آهن، کبالت و نیکل به سختی آهنربا می‌شوند امّا خاصیت مغناطیسی در آن پایدار است، به همین دلیل این مواد برای ساختن آهنرباهای دائمی مناسب‌اند.

2- آهنربای موقتی:

برخی از مواد مانند آهن، کبالت و نیکل در صورتی که خالص باشند به راحتی آهنربا شده، همچنین به راحتی خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهند. از این مواد در ساخت آهنربای الکتریکی استفاده می‌شود مانند موتور یخچال، پنکه، زنگ اخبار و … .

از بین بردن خاصیت مغناطیسی (آهنربایی)

• گرم کردن
• وارد کردن ضربه
• قرار دادن آن‌ها به طوری که قطب های همنام در کنار هم قرار بگیرند.
• عبور دادن آهنربا از سیم پیچی که از آن جریان متناوب عبور می‌کند.

فروشگاه اینترنتی ایران الکتریک

Iran Electric Shop