مدار الکتریکی: جادهای برای سفر الکترونها
اجزای سازنده یک مدار ساده
همانطور که برای ساخت یک جاده به آسفالت، چراغ و علائم راهنمایی نیاز داریم، برای ساخت یک مدار الکتریکی نیز به چند جزء اصلی و ضروری نیازمندیم. هر کدام از این اجزا وظیفهای خاص بر عهده دارند.
| نام قطعه | نماد مداری | وظیفه | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| منبع تغذیه | (باتری) |||- | تأمین انرژی لازم برای حرکت بارهای الکتریکی. مانند پمپ آب که فشار ایجاد میکند. | باتری قلمی، پریز برق خانه |
| هادی (سیم) | ——— | ایجاد مسیر برای عبور جریان. مانند لولهای که آب در آن جریان دارد. | سیمهای داخل شارژر موبایل |
| مصرفکننده (بار) | —[مدار شکسته]— | تبدیل انرژی الکتریکی به شکلهای دیگر انرژی مانند نور، گرما یا حرکت. | لامپ، موتور کولر، برد الکترونیکی |
| کلید | —o— | کنترل جریان با باز یا بسته کردن (قطع و وصل کردن) مسیر مدار. | کلید روشن/خاموش لامپ اتاق |
اگر هر یک از این اجزا وجود نداشته باشد یا مسیر به هر دلیلی (مثلاً قطعی سیم یا باز بودن کلید) شکسته شود، مدار باز میشود و جریان برقرار نمیشود. وقتی کلید را فشار میدهید، در واقع یک پل روی این شکست میگذارید و مدار را بسته میکنید.
قانون اهم: رابطه ریاضی بین سه رکن اصلی
جرج اهم4 فیزیکدان آلمانی، رابطه ساده اما مهمی بین سه کمیت اصلی مدار کشف کرد: ولتاژ5، جریان6 و مقاومت7. این رابطه مانند قانون سرعت در فیزیک است که بین مسافت، زمان و سرعت ارتباط برقرار میکند.
$V = I \times R$
که در آن: V ولتاژ بر حسب ولت (V)، I جریان بر حسب آمپر (A) و R مقاومت بر حسب اهم (Ω) است.
برای درک بهتر، سیستم آبرسانی یک ساختمان را تصور کنید:
- ولتاژ (V): مانند فشار آب در لولههاست. هرچه فشار بیشتر باشد، آب با نیروی بیشتری جریان مییابد. باتری 9 ولتی فشار الکتریکی بیشتری نسبت به باتری 1.5 ولتی ایجاد میکند.
- جریان (I): مانند میزان آبی است که در ثانیه از مقطع لوله میگذرد. در مدار، تعداد بارهای الکتریکی عبوری در ثانیه را نشان میدهد.
- مقاومت (R): مانند تنگنایی یا اصطکاک در لوله است که مانع عبور آزادانه آب میشود. مصرفکنندههایی مثل لامپ، در واقع یک مقاومت دارند که اجازه میدهد انرژی الکتریکی به نور تبدیل شود.
انواع اتصال مصرفکنندهها: سری و موازی
وقتی بیش از یک لامپ یا مقاومت در مدار داشته باشیم، دو روش اصلی برای اتصال آنها وجود دارد که ویژگیهای کاملاً متفاوتی ایجاد میکنند.
| ویژگی | مدار سری | مدار موازی |
|---|---|---|
| نحوه اتصال | قطعات پشت سر هم و در یک خط متصل میشوند. | قطعات در شاخههای جداگانه و بین دو نقطه مشترک متصل میشوند. |
| مسیر جریان | فقط یک مسیر برای عبور جریان وجود دارد. | جریان بین شاخهها تقسیم میشود. چند مسیر مستقل وجود دارد. |
| تأثیر قطعی یکی از قطعات | همه مدار قطع میشود (مانند چراغهای دکوری قدیمی). | فقط همان شاخه خاموش میشود (مانند لامپهای مختلف یک اتاق). |
| ولتاژ دو سر قطعات | ولتاژ منبع بین قطعات تقسیم میشود. $V_{total} = V_1 + V_2 + ...$ | ولتاژ دو سر همه شاخهها یکسان و برابر ولتاژ منبع است. |
| جریان عبوری | جریان در همه قطعات یکسان است. | جریان کل مدار بین شاخهها تقسیم میشود. $I_{total} = I_1 + I_2 + ...$ |
مدارها در عمل: از خانه تا وسیله نقلیه
همین اصول ساده، پایهی کار تمام وسایل الکتریکی و الکترونیکی اطراف ما هستند. بیایید چند مثال را با هم مرور کنیم:
سیمکشی خانه: پریزهای برق و لامپهای خانه به صورت موازی به شبکه برق شهر متصل شدهاند. به همین دلیل است که وقتی یخچال روشن است، شما میتوانید تلویزیون را نیز روشن کنید و اگر یک لامپ سوخت، بقیه لامپهای خانه خاموش نمیشوند. هر شاخه یک مسیر مستقل برای جریان است.
کلید یکپل: سادهترین مدار عملی است. یک باتری (منبع)، دو تکه سیم (هادی)، یک لامپ (مصرفکننده و مقاومت) و یک کلید. وقتی کلید را میزنید، مدار بسته میشود و جریان از باتری، از طریق سیم و فیلامان لامپ میگذرد و باعث داغ شدن و نورانی شدن آن میشود و سپس از سیم دیگر به قطب دیگر باتری بازمیگردد.
برد الکترونیکی گوشی موبایل: یک شبکه بسیار پیچیده از صدها قطعه ریز (مقاومت، خازن، ترانزیستور) است که برخی به صورت سری و برخی به صورت موازی روی یک صفحه قرار گرفتهاند تا وظایف خاصی مانند تقویت سیگنال، کنترل شارژ باتری یا پردازش اطلاعات را انجام دهند.
چراغهای خودرو: چراغهای بزرگ جلو معمولاً به صورت موازی بسته میشوند تا اگر یکی از آنها سوخت، دیگری روشن بماند. اما فیوزی که از آنها محافظت میکند، به صورت سری در مدار قرار گرفته است. اگر جریان بیش از حد زیاد شود، فیوز میسوزد (میشکند) و مانند یک کلید باز عمل کرده، کل آن شاخه از مدار را قطع میکند تا از آسیب بیشتر جلوگیری شود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. بارهای الکتریکی (مانند الکترونها) مصرف نمیشوند، بلکه گردش میکنند. منبع انرژی (باتری) به آنها انرژی میدهد، این بارهای پرانرژی در طول مسیر از داخل مصرفکننده (مثلاً فیلامان لامپ) عبور میکنند و انرژی خود را به شکل دیگری (مثلاً نور و گرما) تحویل میدهند و سپس با انرژی کمتر به سمت منبع بازمیگردند. باتری دوباره آنها را پرانرژی میکند و این چرخه ادامه مییابد. به بیان ساده، الکترونها مانند واگنهای یک قطار هستند که در حلقهای بسته، زغال سنگ (انرژی) را حمل میکنند.
پاسخ: ولتاژ مانند فشار یا نیروی محرکه است و جریان مانند میزان جریان. یک مثال معروف: تصور کنید یک شیلنگ آب دارید. ولتاژ بالا مانند این است که شیر آب را کامل باز کنید (فشار زیاد). جریان بالا مانند این است که قطر شیلنگ را بسیار بزرگ کنید (مقدار آب زیاد). اشتباه رایج این است که گفته میشود «برق قوی» باعث برقگرفتگی میشود. در واقع، عامل اصلی آسیبرسانی به بدن، میزان جریان است که از قلب میگذرد. حتی یک ولتاژ پایین (مثلاً 50 ولت) اگر جریان کافی ایجاد کند، میتواند خطرناک باشد.
پاسخ: در مدار موازی، هر مصرفکننده مستقیماً به دو سر منبع ولتاژ متصل است. بنابراین ولتاژ هر شاخه ثابت میماند. وقتی دستگاه جدیدی را روشن میکنید (شاخه جدیدی موازی میکنید)، جریان کل از منبع افزایش مییابد، اما جریان در شاخههای دیگر (مثلاً لامپ قبلی) تغییری نمیکند زیرا ولتاژ دو سر آن ثابت است. در مقابل، در مدار سری، ولتاژ منبع ثابت است و بین تمام قطعات تقسیم میشود. اضافه کردن یک مصرفکننده جدید (مقاومت جدید) به معنی تقسیم ولتاژ بین تعداد بیشتری قطعه است، بنابراین سهم هر قطعه (مثلاً لامپ) از ولتاژ کمتر شده و نور آن کمرنگتر میشود.
پاورقی
1 قانون اهم (Ohm's Law): قانونی فیزیکی که رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت را در یک مدار بیان میکند.
2 مدار سری (Series Circuit): مداری که در آن اجزا به ترتیب و پشت سر هم به یکدیگر متصل شدهاند و جریان فقط یک مسیر برای عبور دارد.
3 مدار موازی (Parallel Circuit): مداری که در آن اجزا در شاخههای مجزا بین دو نقطه مشترک قرار گرفتهاند و جریان بین شاخهها تقسیم میشود.
4 جرج اهم (Georg Ohm): فیزیکدان آلمانی (۱۸۵۴-۱۷۸۹) که قانون اهم را فرمولبندی کرد.
5 ولتاژ (Voltage): اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه که باعث حرکت بارها میشود. واحد آن ولت (V) است.
6 جریان الکتریکی (Electric Current): نرخ جریان بار الکتریکی در یک نقطه از مدار. واحد آن آمپر (A) است.
7 مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance): میزان مخالفت یک ماده با عبور جریان الکتریکی. واحد آن اهم (Ω) است.
