مدار الکتریکی و اجزا آن

تئوری پایه مدار DC به این می‌پردازد که چگونه یک مدار الکتریکی یک اتصال متقابل عناصر الکتریکی است و جریان الکتریکی جریان بار است که در آمپر (A) اندازه‌گیری می‌شود که به‌وسیله اختلاف پتانسیل (نیروی محرکه الکتریکی) معروف به ولتاژ به اطراف مدار بسته رانده می‌شود. با ولت (V) اندازه گیری می شود.

همه مواد از اتم ها ساخته شده اند و همه اتم ها از پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده اند. پروتون ها دارای بار الکتریکی مثبت هستند. نوترون ها بار الکتریکی ندارند (یعنی خنثی هستند)، در حالی که الکترون ها دارای بار الکتریکی منفی هستند. اتم ها توسط نیروهای جاذبه قدرتمندی که بین هسته اتم ها و الکترون های لایه بیرونی آن وجود دارد به هم متصل می شوند.

وقتی این پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها در اتم با هم باشند، خوشحال و پایدار می‌شوند. اما اگر آنها را از یکدیگر جدا کنیم، آنها می خواهند اصلاح کنند و شروع به اعمال یک پتانسیل جذب کنند که به آن اختلاف پتانسیل می گویند .

حال اگر یک مدار بسته ایجاد کنیم، این الکترون‌های شل شروع به حرکت کرده و به دلیل جاذبه‌ای که دارند، جریان الکترون‌ها را ایجاد می‌کنند، به سمت پروتون‌ها برمی‌گردند. این جریان الکترون ها را جریان الکتریکی می نامند . الکترون‌ها آزادانه در مدار جریان نمی‌یابند زیرا موادی که در آن حرکت می‌کنند محدودیتی برای جریان الکترون ایجاد می‌کند. این محدودیت مقاومت نامیده می شود .

سپس تمام مدارهای الکتریکی یا الکترونیکی اصلی از سه کمیت الکتریکی جداگانه اما بسیار مرتبط به نام‌های ولتاژ، (v)، جریان، (i) و مقاومت (Ω) تشکیل شده‌اند.

ولتاژ برق

در تئوری مدار Dc، ولتاژ (  V  ) انرژی پتانسیل یک منبع الکتریکی است که به شکل بار الکتریکی ذخیره شده است. ولتاژ را می توان به عنوان نیرویی در نظر گرفت که الکترون ها را از طریق یک رسانا هل می دهد و هر چه ولتاژ بیشتر باشد، توانایی آن برای "هل دادن" الکترون ها از طریق یک مدار معین بیشتر است.

از آنجایی که انرژی توانایی انجام کار را دارد، این انرژی پتانسیل را می توان به عنوان کار مورد نیاز در ژول برای حرکت الکترون ها به شکل جریان الکتریکی در اطراف مدار از یک نقطه یا گره به نقطه دیگر توصیف کرد.

سپس تفاوت ولتاژ بین هر دو نقطه، اتصال یا اتصال (به نام گره) در یک مدار به عنوان اختلاف پتانسیل شناخته می شود ، (pd) که معمولاً افت ولتاژ نامیده می شود .

تفاوت پتانسیل بین دو نقطه بر حسب ولت با نماد مدار V یا حروف کوچک " v " اندازه گیری می شود، اگرچه انرژی ، E کوچک " e " گاهی اوقات برای نشان دادن یک emf (نیروی محرکه الکتریکی) تولید شده استفاده می شود. سپس هر چه ولتاژ بیشتر باشد، فشار (یا نیروی فشار) بیشتر و ظرفیت انجام کار بیشتر است.

منبع ولتاژی که در طول زمان تغییر نمی کند و ثابت است ولتاژ DC نامیده می شود . در حالی که منبع ولتاژی که دامنه آن در طول زمان به طور متناوب تغییر می کند، ولتاژ AC نامیده می شود . چه منبع تغذیه AC یا DC، ولتاژ بر حسب ولت اندازه گیری می شود، با یک ولت به عنوان فشار الکتریکی مورد نیاز برای وادار کردن جریان الکتریکی یک آمپر از طریق مقاومت یک اهم تعریف می شود.

در حالی که ولتاژها به طور کلی بر حسب ولت بیان می شوند، پیشوندها برای نشان دادن چندگانه فرعی ولتاژ موجود، مانند میکروولت ( μV = 10-6 ^V ) ، میلی ولت ( mV = 10-3 ^V ) یا کیلوولت ( kV = 103 ^V ) استفاده می شود. ). توجه داشته باشید که ولتاژ می تواند از نظر دامنه مثبت یا منفی باشد.

باتری ها، منابع تغذیه یا سلول های خورشیدی منبع ولتاژ DC (جریان مستقیم) با مقدار و قطبیت ثابت تولید می کنند. به عنوان مثال، منابع ولتاژ 5 ولت، 12 ولت، 9- ولت، و غیره. از سوی دیگر، منابع ولتاژ AC (جریان متناوب) مانند منابع موجود برای منازل، ادارات و کاربردهای صنعتی دارای ارزشی است که به برقی که عرضه می کنند، بستگی دارد. ولتاژ و فرکانس برق جریان متناوب (AC) مورد استفاده در خانه ها معمولاً 230 ولت AC (230 ولت) در بریتانیا و 110 ولت AC (110 ولت) در ایالات متحده است.

مدارهای الکترونیکی عمومی بر روی منبع تغذیه باتری DC ولتاژ پایین بین 1.5 ولت و 24 ولت dc کار می کنند. نماد مدار برای منبع ولتاژ ثابت معمولاً به عنوان نماد باتری با علامت مثبت، + و منفی - که جهت قطبیت را نشان می دهد. نماد مدار برای منبع ولتاژ متناوب دایره ای با موج سینوسی در داخل است.

نمادهای ولتاژ

یک رابطه ساده می تواند بین مخزن آب و منبع ولتاژ ایجاد شود. هر چه مخزن آب بالای خروجی بالاتر باشد، فشار آب بیشتر می شود، زیرا انرژی بیشتری آزاد می شود، ولتاژ بالاتر، انرژی پتانسیل بیشتر می شود زیرا الکترون های بیشتری آزاد می شود.

ولتاژ همیشه به عنوان اختلاف بین هر دو نقطه در مدار اندازه گیری می شود و ولتاژ بین این دو نقطه به طور کلی " افت ولتاژ " نامیده می شود . توجه داشته باشید که ولتاژ می تواند بدون جریان در یک مدار وجود داشته باشد، اما جریان بدون ولتاژ نمی تواند وجود داشته باشد و به این ترتیب، هر منبع ولتاژی، خواه DC یا AC شرایط مدار باز یا نیمه باز را دوست دارد، اما از هر شرایط اتصال کوتاه متنفر است، زیرا می تواند آن را از بین ببرد.

جریان الکتریکی

در تئوری مدار DC، جریان الکتریکی ، (  I  ) حرکت یا جریان بار الکتریکی است و با آمپر ، نماد i ، برای شدت اندازه‌گیری می‌شود . این جریان پیوسته و یکنواخت (به نام رانش) الکترون ها (ذرات منفی یک اتم) در اطراف مدار است که توسط منبع ولتاژ "هل" می شود. در واقع، الکترون ها از ترمینال منفی (-ve) به ترمینال مثبت (+ve) منبع جریان می یابند و برای سهولت درک مدار، جریان جریان معمولی فرض می کند که جریان از مثبت به پایانه منفی جریان می یابد.

عموماً در نمودارهای مداری، جریان جریان از مدار معمولاً دارای یک فلش است که با علامت I یا حروف کوچک i مرتبط است تا جهت واقعی جریان جریان را نشان دهد. با این حال، این فلش معمولاً جهت جریان معمولی را نشان می دهد و لزوماً جهت جریان واقعی را نشان نمی دهد.

جریان معمولی

به طور معمول این جریان بار مثبت در اطراف یک مدار است که مثبت به منفی است. نمودار سمت چپ حرکت بار مثبت (سوراخ) را در اطراف یک مدار بسته که از پایانه مثبت باتری جریان دارد، از مدار عبور می کند و به قطب منفی باتری باز می گردد. این جریان از مثبت به منفی به طور کلی به عنوان جریان معمولی شناخته می شود.

این قراردادی بود که در زمان کشف الکتریسیته انتخاب شد که در آن جهت جریان الکتریکی در یک مدار جریان می یابد. برای ادامه با این خط فکری، در تمام نمودارهای مدار و شماتیک ها، فلش های نشان داده شده بر روی نمادهای اجزایی مانند دیودها و ترانزیستورها در جهت جریان معمولی است.

سپس جریان معمولی جریان الکتریکی را از مثبت به منفی و در جهت مخالف جریان واقعی الکترون ها می دهد.

جریان الکترون

جریان الکترون ها در اطراف مدار خلاف جهت جریان معمولی منفی به مثبت است. جریان واقعی که در یک مدار الکتریکی جریان می یابد از الکترون هایی تشکیل شده است که از قطب منفی باتری (کاتد) جریان یافته و به عقب باز می گردند. به قطب مثبت (آند) باتری.

این به این دلیل است که بار یک الکترون طبق تعریف منفی است و بنابراین به پایانه مثبت جذب می شود. این جریان الکترون ها جریان الکترونی نامیده می شود . بنابراین، الکترون ها در واقع در اطراف یک مدار از پایانه منفی به مثبت جریان می یابند.

هر دو جریان معمولی و جریان الکترون توسط بسیاری از کتاب های درسی استفاده می شود. در واقع، تا زمانی که از جهت به طور مداوم استفاده شود، فرقی نمی‌کند که جریان از کدام طرف مدار در جریان باشد. جهت جریان جریان بر آنچه جریان در مدار انجام می دهد تأثیر نمی گذارد. به طور کلی درک جریان معمولی - مثبت به منفی - بسیار ساده تر است.

در مدارهای الکترونیکی منبع جریان یک عنصر مدار است که مقدار مشخصی جریان را ارائه می کند. به عنوان مثال، 1A، 5A، یا 10 آمپر و غیره، با نماد مدار برای منبع جریان ثابت به صورت دایره ای با یک فلش در داخل که جهت آن را نشان می دهد.

جریان با آمپر اندازه گیری می شود و آمپر یا آمپر به عنوان تعداد الکترون ها یا بارها ( Q بر حسب کولن) تعریف می شود که از نقطه خاصی در مدار در یک ثانیه ( t در ثانیه) عبور می کنند.

جریان الکتریکی به طور کلی در آمپر با پیشوندهایی که برای نشان دادن میکرو آمپر (  μA = 10 ^-6 A  ) یا میلی آمپر (  mA = 10 ^-3 A  ) استفاده می شود، بیان می شود. توجه داشته باشید که جریان الکتریکی بسته به جهت جریان آن در اطراف مدار می تواند از نظر مقدار مثبت یا منفی باشد.

جریانی که در یک جهت جریان می یابد جریان مستقیم یا DC نامیده می شود و جریانی که در مدار به صورت متناوب به جلو و عقب می رود به عنوان جریان متناوب یا AC شناخته می شود . این که آیا جریان AC یا DC تنها زمانی از مدار عبور می‌کند که یک منبع ولتاژ به آن متصل است و «جریان» آن هم به مقاومت مدار و هم منبع ولتاژی که آن را فشار می‌دهد محدود می‌شود.

همچنین، از آنجایی که جریان‌های متناوب (و ولتاژها) دوره‌ای هستند و با زمان تغییر می‌کنند، مقدار «مؤثر» یا «RMS» (ریشه میانگین مربعات) داده‌شده به‌عنوان rms _، همان تلفات توان متوسطی را تولید می‌کند که معادل یک جریان DC _{میانگین} من است  . منابع جریان برعکس منابع ولتاژ هستند، زیرا آنها شرایط مدار کوتاه یا بسته را دوست دارند اما از شرایط مدار باز متنفرند زیرا هیچ جریانی جریان نخواهد داشت.

با استفاده از مخزن رابطه آب، جریان معادل جریان آب از طریق لوله است که جریان در سراسر لوله یکسان است. هرچه سرعت جریان آب بیشتر باشد جریان بیشتر است. توجه داشته باشید که جریان بدون ولتاژ نمی تواند وجود داشته باشد، بنابراین هر منبع جریانی چه DC و چه AC شرایط اتصال کوتاه یا نیمه کوتاه را دوست دارد اما از هر شرایط مدار باز متنفر است زیرا از جریان آن جلوگیری می کند.

 مقاومت

مقاومت ، (  R  ) ظرفیت یک ماده برای مقاومت یا جلوگیری از جریان جریان یا به طور خاص تر، جریان بار الکتریکی در یک مدار است. عنصر مداری که این کار را به خوبی انجام می دهد "مقاومت" نامیده می شود.

مقاومت یک عنصر مدار است که با اهم ، نماد یونانی ( Ω ، امگا) با پیشوندهایی برای نشان دادن کیلو اهم (  kΩ = 10 ³ Ω  ) و مگا اهم (  MΩ ​​= 10 ⁶ Ω  ) اندازه گیری می شود. توجه داشته باشید که مقاومت نمی تواند از نظر ارزش منفی باشد و فقط مثبت باشد.

 نمادهای مقاومت

مقدار مقاومت یک مقاومت با رابطه جریان عبوری از آن با ولتاژ دو طرف آن تعیین می شود که تعیین می کند عنصر مدار یک "رسانای خوب" - مقاومت کم، یا یک "رسانای بد" - مقاومت بالا است. مقاومت کم، به عنوان مثال 1Ω یا کمتر به این معنی است که مدار یک رسانای خوب است که از موادی مانند مس، آلومینیوم یا کربن ساخته شده است در حالی که مقاومت بالا، 1MΩ یا بیشتر به این معنی است که مدار یک هادی بد ساخته شده از مواد عایق مانند شیشه، چینی است. یا پلاستیک

از طرف دیگر، "نیمه هادی" مانند سیلیکون یا ژرمانیوم، ماده ای است که مقاومت آن در نیمی از مقاومت یک هادی خوب و یک عایق خوب است. از این رو نام "نیمه هادی" است. نیمه هادی ها برای ساخت دیود و ترانزیستور و غیره استفاده می شوند.

مقاومت می تواند ماهیت خطی یا غیر خطی داشته باشد، اما هرگز منفی نیست. مقاومت خطی از قانون اهم پیروی می کند زیرا ولتاژ دو طرف مقاومت به طور خطی با جریان عبوری از آن متناسب است. مقاومت غیر خطی، از قانون اهم پیروی نمی کند، اما دارای یک افت ولتاژ در سراسر آن است که متناسب با مقداری توان جریان است.

مقاومت خالص است و فرکانس آن را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد و امپدانس AC یک مقاومت برابر با مقاومت DC آن است و در نتیجه نمی‌تواند منفی باشد. به یاد داشته باشید که مقاومت یک جزء الکتریکی است، در حالی که مقاومت شیب خط مستقیم است که توسط قانون اهم تعریف شده است و به همین دلیل مقاومت همیشه مثبت است و هرگز منفی نیست.

یک مقاومت به عنوان یک عنصر مدار غیرفعال طبقه بندی می شود و به همین دلیل نمی تواند نیرو را تامین کند یا انرژی ذخیره کند. در عوض مقاومت‌ها نیرویی را جذب می‌کنند که به صورت گرما و نور ظاهر می‌شود. توان در یک مقاومت بدون توجه به قطبیت ولتاژ و جهت جریان همیشه مثبت است.

برای مقادیر بسیار کم مقاومت، به عنوان مثال میلی اهم، (  mΩ  ) گاهی اوقات استفاده از مقاومت متقابل (  1/R  ) به جای مقاومت (  R  ) بسیار آسان تر است. مقاومت متقابل رسانایی ، نماد (  G  ) نامیده می شود و نشان دهنده توانایی یک رسانا یا وسیله برای هدایت الکتریسیته است.

به عبارت دیگر سهولت جریان جریان و همچنین می‌توانیم جریان جریان را به صورت موجود نشان دهیم: i = 1/R * v = Gv . بنابراین مقادیر بالای رسانایی به معنای رسانایی خوب مانند مس است در حالی که مقادیر رسانایی پایین به معنای رسانایی بد مانند چوب است. واحد اندازه گیری استانداردی که برای رسانایی داده می شود ، نماد زیمن ( S ) است.

واحدی که برای رسانایی استفاده می شود mho است (اهم به عقب نوشته می شود) که با علامت اهم معکوس ℧ نشان داده می شود . توان را می توان با استفاده از رسانایی به صورت: p = i ² /G = v ² G نیز بیان کرد .

رابطه بین ولتاژ ، (  v  ) و جریان ، (  i  ) در مداری با مقاومت ثابت ، (  R  ) یک رابطه خط مستقیم IV با شیب برابر با مقدار مقاومت مطابق شکل ایجاد می کند.

خلاصه نظریه مدار DC

امیدواریم در حال حاضر شما باید ایده ای در مورد تئوری مدار DC و چگونگی ارتباط نزدیک ولتاژ ، جریان و مقاومت الکتریکی با یکدیگر داشته باشید. رابطه بین ولتاژ ، جریان و مقاومت اساس قانون اهم را تشکیل می دهد. در مدار خطی با مقاومت ثابت، اگر ولتاژ را افزایش دهیم، جریان بالا می رود و به همین ترتیب، اگر ولتاژ را کاهش دهیم، جریان کاهش می یابد. به این معنی که اگر ولتاژ بالا باشد جریان زیاد است و اگر ولتاژ کم باشد جریان کم است.

به همین ترتیب، اگر مقاومت را افزایش دهیم، جریان برای یک ولتاژ معین کاهش می یابد و اگر مقاومت را کاهش دهیم، جریان بالا می رود. یعنی اگر مقاومت زیاد باشد جریان کم و اگر مقاومت کم باشد جریان زیاد است.

سپس می‌توانیم ببینیم که جریان جریان در اطراف مدار نسبت مستقیم (  ∝  ) با ولتاژ است، (  V↑  باعث  I↑ می‌شود  ) اما نسبت معکوس (  1/∝  ) با مقاومت دارد زیرا، (  R↑  باعث  I↓ می‌شود  ).

خلاصه ای از سه واحد در زیر آورده شده است.

• ولتاژ یا اختلاف پتانسیل اندازه گیری انرژی پتانسیل بین دو نقطه در مدار است و معمولاً به عنوان "  افت ولت  " آن شناخته می شود.
• هنگامی که یک منبع ولتاژ به یک مدار حلقه بسته متصل می شود، ولتاژ جریانی را در اطراف مدار تولید می کند.
• در منابع ولتاژ DC از نمادهای +ve (مثبت) و -ve (منفی) برای نشان دادن قطبیت منبع ولتاژ استفاده می شود.
• ولتاژ بر حسب  ولت اندازه گیری می شود و نماد V برای ولتاژ یا E برای انرژی الکتریکی دارد.
• جریان جریان ترکیبی از جریان الکترون و جریان حفره در یک مدار است.
• جریان جریان پیوسته و یکنواخت بار در اطراف مدار است و با آمپر یا آمپر اندازه گیری می شود و دارای علامت I است .
• جریان مستقیماً با ولتاژ متناسب است (  I∝ V)
• مقدار مؤثر (rms) یک جریان متناوب همان تلفات توان متوسطی را دارد که معادل جریان مستقیمی است که از یک عنصر مقاومتی عبور می کند.
• مقاومت مخالفت با جریانی است که در اطراف یک مدار می گذرد.
• مقادیر کم مقاومت به معنی یک رسانا و مقادیر زیاد مقاومت به معنای یک عایق است.
• جریان به طور معکوس با مقاومت متناسب است (  I 1/∝ R  )
• مقاومت بر حسب اهم اندازه گیری می شود و دارای نماد یونانی Ω یا حرف R است .

در آموزش بعدی در مورد تئوری مدارهای DC به قانون اهم نگاه خواهیم کرد که یک معادله ریاضی است که رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت را در مدارهای الکتریکی توضیح می دهد و پایه و اساس الکترونیک و مهندسی برق است. قانون اهم به این صورت تعریف می شود: V = I*R .

فایل پی دی اف این نوشتار

DC Circuit.pdf