درسنامه آموزشی کار و فناوری کلاس هشتم

فرایند اجرای پروژه طراحی و ساخت جعبهٔ آهنگین

آشنایی با مصارف الکتریسیته

بیشتر وسایل و تجهیزات پیرامون ما از «انرژی الکتریکی» تغذیه می‌کنند. این انرژی به سایر انرژی‌های مورد نیاز زندگی قابل تبدیل است (شکل 1-4). انرژی الکتریکی معمولاً با روش‌هایِ متفاوت تولید می‌شود و در بخشِ صنعتی، شامل کارخانه‌ها و کارگاه‌ها، در بخش مصرف‌کننده‌های خانگی، اداری، اماکن عمومی و تجاری به مصرف می‌رسد.

مفهوم اساسی در الکتریسیته

در الکتریسیته، مفهوم‌های «ولتاژ»، «جریان» و «مقاومت» اهمیت دارند. در ادامه به معرفی هر یک و ارتباط بین آن‌ها می‌پردازیم.

1- پتانسیل الکتریکی

«اختلاف پتانسیل» عاملی برای حرکت الکترون‌ها بین دو نقطه از یک مدار الکتریکی است و واحد (یکا) آن بر حسب ولت (V) بیان می‌شود. پتانسیل را با حروف‌های E و V نشان می‌دهند.

در شکل 2-4- الف، جریان آب از یک نقطه با ارتفاع بالا به سمت ارتفاع کمتر حرکت می‌کند و پره را به چرخش در می‌آورد. این حرکت آب به‌دلیل اختلاف ارتفاع اتفاق می‌افتد. در قسمت ب، منبع ولتاژ نیز انرژی لازم را برای حرکت دادن الکترون‌ها تأمین می‌کند.

منابع ولتاژ الکتریکی را به دو دستهٔ کلی، «منابع مستقیم» (DC) و «منابع متناوب» (AC) تقسیم می‌کنند.

الف) منبع ولتاژ مستقیم (DC): منبع‌هایی را که قطب مثبت (+) و قطب منفی (-) ثابت دارند و حرکت الکترون‌ها در مدار آن‌ها در یک جهت ثابت است، «منبع ولتاژ مستقیم» یا «منبع جریان مستقیم» می‌نامند. باتری قابل شارژ اسباب بازی، باتری قلمی، پیل‌ها و شارژرها نمونه‌هایی از این منابع‌ها هستند. شکل 3-4- الف چند نمونه باتری و پیل و شکل 3-4- ب منبع ولتاژ مستقیم را نشان می‌دهد.

شکل 3-4- چند نمونه منبع ولتاژ مستقیم

شیوه‌های دفع زباله‌های الکترونیکی (پیل‌ها و باتری‌های الکتریکی فرسوده): پیلِ وسایل الکترونیکی دارای مواد سمی مانند کادمیوم، سرب، نیکل و جیوه است. در کشور ما ایران، بیشترین پیلی که مصرف می‌شود، از نوع «نیکل - کادمیوم» است. اگر این مواد بیش از اندازه به بدن ما برسند در بافت‌های بدن انباشته می‌شوند، مسمومیت ایجاد می‌کنند و سبب بروز بیماری‌ می‌شوند. برای مثال، فلز سرب مشکل کم‌خونی به‌وجود می‌آورد.

باتری‌ها در ردهٔ «پسماندهای خطرناک» دسته‌بندی می‌شوند. برای مثال، یک عدد پیل برای سمی کردن حدود یک تن زباله کافی است. در بعضی از کشورها برای دفع زباله‌های الکترونیکی، آیین‌نامه‌های خاص وضع شده است. برای کاهش مصرف در محیط زندگی و کار، بهتر است از پیل‌های قابل شارژ استفاده کنید.

شکل 4-4- الف و ب وسایل الکترونیکی و پیل‌های مستعمل را نشان می‌دهد. این وسایل را باید به‌صورت جداگانه جمع‌آوری کنید و به غرفه‌هایِ بازیافت شهرداری تحویل دهید. شکل 4-4- پ نماِد بازیافت است. شکل 4-4- ت هم به این معنی است که وسیلهٔ مربوطه (مثل قطعه‌های رایانه)، نباید با زباله‌های خانگی دفع شود.

شکل 4-4- زباله‌های الکترونیکی و لزوم بازیافت آن‌ها

ب) منبع ولتاژ متناوب (AC): منبع ولتاژی است که قطب مثبت (+) و قطب منفی (-) آن‌ها به‌ترتیب جابه‌جا می‌شوند و با این جابه‌جایی جهت جریان الکتریکی در مدار الکتریکی نیز تغییر می‌کند. برق شهر نمونه‌ای از منبع جریان یا ولتاژ متناوب است. در کتاب کار و فناوری پایهٔ نهم بیشتر با این ولتاژ آشنا می‌شوید.

شکل 5-4 نماد مداری منبع ولتاژ مستقیم و متناوب را نشان می‌دهد.

شکل 5-4- نماد مداری منابع ولتاژ الکترونیکی

2- جریان الکتریکی

عبور جهت‌دارِ الکترون‌ها از یک رسانا یا هادیِ الکتریسیته «شدت جریان الکتریکی» نام دارد که با حرف $I$ نشان داده می‌شود و واحد آن آمپر (A) است. یک منبع می‌تواند، آب را در مسیری مشخص به جریان اندازد. در مدار الکتریکی به جای آب، الکترون در مسیِر سیم جریان دارد. هرچه میزان الکترون عبوری از سیم بیشتر باشد، جریان بیشتر است (شکل 6-4).

دیود نوردهنده (LED): دیود انتشار دهندهٔ نور در حقیقت یک لامپِ کوچک با ولتاژ کم (بین 1/5 تا 3 ولت) و جریان 10 تا 30 میلی‌آمپر است. این قطعهٔ الکترونیکی دو پایه دارد: یکی مثبت (آند) و دیگری منفی (کاتد) که همواره جریان را از قطب مثبت به قطب منفی هدایت می‌کند. معمولاً پایهٔ متصل به قطب مثبت (آند) بلندتر است (شکل 7-4).

شکل 7-4- دیود نوردهنده

استفاده از «مقاومت اهمی» یکی از راه‌های جلوگیری از سوختن دیود نوردهنده است. در ادامه، این قطعه معرفی می‌شود.

3- مقاومت الکتریکی

به هر ماده‌ای که در برابر عبور جریان الکتریکی (حرکت الکترون‌ها) مقاومت کند، «مقاومت الکتریکی» گفته می‌شود. واحد مقاومت الکتریکی اُهم (Ω) است. مقاومت الکتریکی را با حرف R نشان می‌دهند (شکل 9-4).

مدارهای الکتریکی و اجزای آن

هر مدار الکتریکی برای برقراری جریان الکتریکی دارای چهار جزء اصلی است:

1- منبع ولتاژ؛
2- مسیر عبور جریان (رسانای مناسب)، مثل سیم؛
3- مصرف کننده (بار)، مثل لامپ؛
4- کلید برای قطع و وصل جریان.

در شکل 10-4 اجزای مدار الکتریکی نشان داده شده‌اند است.

شکل 10-4

باز یا بسته بودن مدار الکتریکی یا به عبارت دیگر، قطع و وصل جریان الکتریکی توسط کلید انجام می‌پذیرد (شکل‌های 11-4 و 12-4).

شکل 11-4- مدار بسته

شکل 12-4- مدار باز

رابطۀ بین مقاومت (R)، ولتاژ (V) و جریان الکتریکی (I)

از رابطهٔ سادهٔ «قانون اهم» می‌توانید مقدار‌های جریان، ولتاژ و مقاومت را به‌دست آورید (شکل 14-4).

$R=\frac{V}{I}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,I=\frac{V}{R}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,V=R\times I$

در الکترونیک معمولاً جریان را بر حسب آمپر و میلی‌آمپر، مقاومت را بر حسب اهم و کیلو اهم و پتانسیل الکتریکی را برحسب ولت و میلی ولت بیان می‌کنند.

مثال: اگر یک مصرف‌کننده که با ولتاژ 3 ولت کار می‌کند، مقاومت 100 اهم داشته باشد مقدار جریان عبوری از آن چقدر است؟

$I=\frac{V}{R}=\frac{3}{100}=0/03A$

اندازه‌گیری کمیّت‌های الکتریکی

برای اندازه‌گیری کمیت‌های الکتریکی ولتاژ، جریان و مقاومت الکتریکی از وسیله‌ای به نام «مولتی‌متر» استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها در دو نوع دیجیتالی (عددی) و آنالوگ (عقربه‌ای) موجود است (شکل 15-4).

شکل 15-2

ترانزیستور (Transistor)

یک قطعهٔ الکترونیکی سه پایه است که معمولاً برای قطع و وصل جریان و همچنین تقویتِ ولتاژ یا جریان استفاده می‌شود. پایه‌های این قطعه را بیس (B)، اِمیتر (E) و کُلِکتور (C) می‌نامند. شکل ظاهری چند نمونه ترانزیستور، نماد مداری و پایه‌های یک نمونه ترانزیستور در شکل 17-4 آمده است.

شکل 17-2

مدار مجتمع (آی‌سی)

مدارهایی شامل مجموعه‌ای از ترانزیستور، مقاومت و خازن است که به‌طور مستقل برای کاری خاص در یک بسته‌بندی کوچک ساخته می‌شوند. آی‌سی‌ها می‌توانند پایه‌های متعدد داشته باشند (از 3 پایه تا بیش از 100 پایه). شکل 18-4 چند نمونه آی‌سی و همچنین آی‌سی UM66 را، که آی‌سی تولیدکنندهٔ آهنگ است، نشان می‌دهد.

شکل 18-4

لحیم‌کاری

برای انجام اتصال در مدارهای الکترونیکی از وسیله‌ای به‌نام «هُویه» استفاده می‌شود. نوک داغ هویه می‌تواند سیم مخصوص لحیم را که ترکیبی از قلع و سرب است، در دمای بالا ذوب کند. با سرد شدن لحیم مذاب، اتصال محکمی به‌وجود می‌آید. هویه‌ها هر چه دارای توان بالاتری باشند، گرمای بیشتری تولید می‌کنند. برای لحیم‌کاریِ قطعه‌های الکترونیکی مناسب‌ترین توان بین 20 تا 40 وات است. چند نمونه هویه و تجهیزاتِ مربوط به آن‌را در شکل 19-4 مشاهده می‌کنید.

شکل 19-4- چند نمونه هویه و تجهیزات لحیم‌کاری

مراحل انجام لحیم‌کاری

مرحلۀ 1: محل اتصال را با سنبادهٔ نرم از چربی و غبار کاملاً تمیز کنید (شکل 20-4- الف).
مرحلۀ 2: پایهٔ فلزی قطعه‌های مورد نظر را اندکی به روغن لحیم آغشته کنید (شکل 20-4- ب). با استفاده از نوک هویه، سیم لحیم را در محل اتصال، مذاب کنید؛ هنگامی‌ که سیم لحیم مذاب است، باید یک لایه نازک روی پایهٔ مورد نظر قرار گیرد. به این عمل «قلع اندود کردن» می‌گویند (شکل 20-4- پ).
مرحلۀ 3: دو قطعه را با استفاده از هویهٔ داغ و در صورت نیاز با سیم لحیم اضافه اتصال دهید (شکل 20-4- ت).

شکل 20-4- مراحل انجام دادن لحیم‌کاری

بلندگو

یک قطعهٔ الکترونیکی دو پایه است که الکتریسیته را به صوت تبدیل می‌کند. در شکل 25-4 چند نمونه بلندگوی الکترونیکی و نماد مداری آن آمده است.

شکل 25-4

پروژه‌های تجویزی دیگری در جدول 2-4 معرفی شده‌اند که مراحل ساخت آن‌ها را می‌توانید از سایت گروه کار و فناوری دریافت کنید.

جدول 2-4- پروژه‌های نیمه‌تجویزی الکترونیک