مدارهای متوالی: جریان یکنواخت انرژی
مدار متوالی چیست؟
یک مدار متوالی، ساده‌ترین نوع مدار الکتریکی است که در آن تمامی قطعات، مانند لامپ‌ها، مقاومت‌ها و باتری، به صورت پشت‌سرهم و تنها در یک مسیر بسته به هم متصل شده‌اند. تصور کنید قطاری را که تنها یک ریل دارد؛ همه واگن‌ها (قطعات مدار) باید به ترتیب و از همین یک ریل عبور کنند. در چنین مداری، جریان الکتریکی تنها یک مسیر برای عبور دارد. اگر هر نقطه از این مسیر قطع شود، مثلاً یک لامپ بسوزد یا سیمی جدا شود، کل مدار از کار می‌افتد و جریان در تمام قسمت‌ها قطع می‌شود.
ویژگی‌های کلیدی مدارهای متوالی
مدارهای متوالی بر اساس چند قانون ساده اما بسیار مهم کار می‌کنند. درک این ویژگی‌ها کلید فهم رفتار این مدارها است.
| ویژگی | توضیح | نماد ریاضی |
|---|---|---|
| جریان یکسان | مقدار جریان در تمام نقاط مدار دقیقاً یکسان است. | $I_{Total} = I_1 = I_2 = I_3 = ...$ |
| ولتاژ جمع می‌شود | ولتاژ کل مدار برابر است با مجموع ولتاژهای هر قطعه. | $V_{Total} = V_1 + V_2 + V_3 + ...$ |
| مقاومت جمع می‌شود | مقاومت کل مدار برابر است با مجموع مقاومت‌های تمام قطعات. | $R_{Total} = R_1 + R_2 + R_3 + ...$ |
| اتصال بحرانی | اگر حتی یک قطعه از مدار جدا شود یا بسوزد، جریان در کل مدار قطع می‌شود. | — |
محاسبات در مدارهای متوالی
برای کار با مدارهای متوالی، باید بتوانیم مقادیر مختلف را محاسبه کنیم. قانون اهم۲ پایه و اساس این محاسبات است.
$V = I \times R$
که در آن V ولتاژ بر حسب ولت، I جریان بر حسب آمپر و R مقاومت بر حسب اهم است.
مثال محاسباتی: فرض کنید یک مدار متوالی داریم که از یک باتری 9V و سه مقاومت R1=1Ω، R2=2Ω و R3=3Ω تشکیل شده است.
- محاسبه مقاومت کل:$R_{Total} = R_1 + R_2 + R_3 = 1Ω + 2Ω + 3Ω = 6Ω$
- محاسبه جریان کل: از قانون اهم استفاده می‌کنیم: $I = V / R_{Total} = 9V / 6Ω = 1.5A$. این جریان در تمام نقاط مدار و از داخل هر سه مقاومت یکسان و برابر 1.5A است.
- محاسبه ولتاژ هر مقاومت:
- ولتاژ روی R1: $V_1 = I \times R_1 = 1.5A \times 1Ω = 1.5V$
- ولتاژ روی R2: $V_2 = I \times R_2 = 1.5A \times 2Ω = 3V$
- ولتاژ روی R3: $V_3 = I \times R_3 = 1.5A \times 3Ω = 4.5V$
همانطور که می‌بینید، مجموع ولتاژهای سه مقاومت می‌شود: $1.5V + 3V + 4.5V = 9V$ که با ولتاژ باتری برابر است.
کاربردهای مدار متوالی در زندگی روزمره
اگرچه مدارهای متوالی نقاط ضعفی دارند، اما هنوز هم در بسیاری از وسایل اطراف ما استفاده می‌شوند.
- چراغ قوه‌های ساده: در بسیاری از چراغ قوه‌ها، باتری‌ها به صورت متوالی قرار می‌گیرند تا ولتاژ بالاتری برای روشنایی لامپ ایجاد کنند.
- کلیدهای قطع و وصل: کلیدهای برق منزل شما به صورت متوالی در مسیر سیم فاز قرار گرفته‌اند. با باز کردن کلید (قطع کردن مسیر)، جریان در تمام مداری که کنترل می‌کند، قطع می‌شود.
- فیوزها: فیوز یک قطعه محافظ است که به صورت متوالی در مدار قرار می‌گیرد. اگر جریان از حد مجاز بیشتر شود، فیوز می‌سوزد (مسیر را قطع می‌کند) و در نتیجه کل مدار را برای جلوگیری از آسیب خاموش می‌کند.
- برخی از انواع چراغ‌های تزئینی و نشانگرها: همانطور که در مثال ابتدایی اشاره شد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. روشنایی یک لامپ به توان الکتریکی آن بستگی دارد که خود تابعی از ولتاژ دو سر لامپ و جریان عبوری از آن است. در یک مدار متوالی با لامپ‌های یکسان، چون جریان یکسان است، روشنایی آن‌ها نیز یکسان خواهد بود. اما اگر لامپ‌ها با مقاومت‌های مختلف (مثلاً 40W و 100W) را به صورت متوالی به برق متصل کنید، لامپی با مقاومت بیشتر (لامپ 40W) ولتاژ بیشتری دریافت کرده و ممکن است پرنورتر به نظر برسد، در حالی که در اتصال معمولی (موازی) اینطور نیست.
از آنجایی که مقاومت کل مدار افزایش می‌یابد ($R_{Total} = R_1 + R_2 + ... + R_{new}$) و ولتاژ منبع ثابت است، طبق قانون اهم ($I = V / R$)، جریان کل مدار کاهش خواهد یافت.
مهمترین نقطه ضعف، وابستگی تمام قطعات به یکدیگر است. اگر تنها یک قطعه در مدار خراب شود یا اتصال آن قطع گردد، جریان در سراسر مدار قطع شده و تمام قطعات از کار می‌افتند. پیدا کردن قطعه معیوب نیز در مدارهای پیچیده می‌تواند دشوار باشد.
مدارهای متوالی سنگ بنای یادگیری الکترونیک هستند. در این مقاله آموختیم که در این مدارها، تمام قطعات در یک مسیر واحد قرار دارند، در نتیجه جریان در همه جا یکسان است. ولتاژ کل بین قطعات تقسیم می‌شود و مقاومت کل برابر مجموع مقاومت‌های تک‌تک آن‌هاست. هرگونه قطعی در یک نقطه، باعث توقف کار کل مدار می‌شود. با درک این اصول و استفاده از قانون اهم، می‌توانیم رفتار این مدارها را تحلیل و مقادیر الکتریکی آن‌ها را محاسبه کنیم.
پاورقی
۱ مدارهای متوالی (Series Circuits)
۲ قانون اهم (Ohm's Law)
۳ مقاومت (Resistance)
۴ ولتاژ (Voltage)
۵ جریان (Current)