الدائرة الكهربائية ( Electric circuit )
 |
أبسط دائرة كهربائية تتكون من مصدر للكهرباء، ونبيطة خرج وتوصيلات بينهما. وقد تحتوي أيضًا على مفتاح كهربائي. |
تشتمل الدائرة الكهربائية على ثلاثة أجزاء رئيسية: 1- مصدر للطاقة الكهربائية كبطارية أو مولد، 2- نبيطة خرج كمحرك أو مصباح، 3- توصيلة بين المصدر ونبيطة الخرج كسلك أو كبل.
يقوم المصدر بتغيير نوع من الطاقة غير الكهربائية إلى طاقة كهربائية ؛ فعلى سبيل المثال يقوم المولد الكهربائي بتغيير الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. ويقوم المصدر الكهربائي بإنتاج قوة دافعة كهربائية (ق د ك) تسبب سريان تيار كهربائي في الدائرة. تُقاس القوة الدافعة الكهربائية بوحدات تسمى فولت، ويُقاس التيار المار الناتج عنها بوحدات تُسمى أمبير. توصل الكهرباء إلى المنازل في كثير من الأقطار عند فرق جهد 220 أو 240 فولت، ولكن فرق الجهد المقنن في الولايات المتحدة الأمريكية، وكندا، وبعض البلدان الأخرى هو 110 أو 120 فولت. ولا يعتبر الخرج الكهربي نفسه مصدرًا، بل تقوم خطوط النقل بتوصيله إلى مولد في محطة لتوليد القدرة الكهربائية التي ُتعد المصدر.
تقوم نبيطة الخرج باستخدام الطاقة الكهربائية التي تأتي من المصدر لعمل شيء مفيد، فالمصباح يمدنا بالضوء وينتج المحرك الكهربائي حركة ميكانيكية تُشغل مكنسة كهربائية على سبيل المثال. ولابد من توصيل المصدر بنبيطة الخرج حتى يتسنى للتيار الكهربائي أن ينساب من المصدر إلى النبيطة وبالعكس، ويُعتبر مسار العودة ضروريًا حتى لا تتجمع شحنات كهربائية عند أي نقطة في الدائرة، حيث أن أي تجمع للشحنات من شأنه أن يعوق سريان التيار، ويمنع الدائرة من تأدية وظيفتها.
يمكن إضافة نبائط مختلفة إلى دائرة كهربائية للتحكم في التيار المار فيها. فقد تحتوي دائرة مصباح كهربائي مثلاً على مفتاح كهربائي لتوصيل المصباح أو فصله بسهولة. فعندما يكون المفتاح في وضع الفصل تقوم الفجوة التي تفصل الأسلاك الموصلة بمنع التيار من إتمام مساره. وتسمى الدائرة التي تحتوي على هذه الفجوة بالدائرة المفتوحة. أما الدائرة التي لا تحتوي على فجوة فتسمى الدائرة المغلقة.
تُجهَّز بعض الدوائر الكهربائية بما في ذلك تلك المستخدمة في المنازل بصمام كهربائي (صهيرة) أو قاطع الدائرة الكهربائية. وتعمل كل واحد من هاتين النبيطتين عمل المفتاح فتفتح الدائرة إذا مر بها تيار بالغ القوة. فمرور تيار زائد عن الحد يؤدي إلى زيادة تسخين الأسلاك، وقد يتسبب ذلك في إشعال حرائق أو إتلاف نبائط الخرج. وقد تكون الدائرة الكهربائية بسيطة التكوين أو معقدة. فالدائرة البسيطة المستخدمة في المشاعل الكهربائية والمصابيح قد تحتوي فقط على الأجزاء الثلاثة الرئيسية للدائرة. أما الدائرة المعقدة، كتلك التي تُستخدم في الحواسيب، وأجهزة التلفاز، فتحتوي على مئات الأجزاء، بل ربما على الآلاف منها. ومهما تعددت أجزاء الدائرة الكهربائية فإن جميع الدوائر، عدا أبسطها، يُمكن تصنيفها إلى ثلاثة أنواع: 1- دوائر توال، 2- دوائر تواز، 3- دوائر مركبة تتكون من كل من النوعين السابقين.
 |
دائرة توال يتغير فرق الجهد حسب عدد مصادر القدرة بها. ففرق الجهد الناتج عن بطاريتين فرق جهد كل منهما 1,5فولت مثلاً هو 3 فولتات عندما توصلان على التوالي. |
دوائر التوالي:
تُستخدم هذه الدوائر مسارًا منفردًا لتوصيل المصدر أو المصادر الكهربائية إلى نبيطة أو نبائط الخرج. فإذا رسمت دائرة توال على الورق، فإن أي خط يبدأ عند أي جزء من الدائرة يمر خلال كل الأجزاء الأخرى مرة واحدة قبل أن يعود إلى نقطة البدء. ففي الدائرة المستخدمة في مشعل كهربائي ذي بطاريتين على سبيل المثال يوصل الطرف الموجب للبطارية الأولى بالطرف السالب للبطارية الثانية، ويلمس الطرف الموجب للبطارية الثانية الطرف الأوسط من مؤشر المشعل. فإذا أُغلق المفتاح الكهربائي فإن الطرف الخارجي للمؤشر سوف يتصل بالطرف السالب للبطارية الأولى مكملاً بذلك مسار الدائرة فيضيء المشعل.توجد دوائر التوالي أساسًا في المشاعل الكهربائية وبعض أنواع أضواء الزينة، وفي بعض التجهيزات البسيطة الأخرى.
ولهذه الدوائر استخدامات محددة لأن أي تغير في أحد أجزاء الدائرة يؤثر على كل أجزائها الأخرى. فإذا احترق المؤشر في دائرة توال فستنطفئ كل المصابيح الأخرى، لأن المؤشر عندما يحترق فإنه يفتح الدائرة.
وفرق الجهد الناتج عن مجموعة من المصادر المتصلة على التوالي هو مجموع فروق جهد كل هذه المصادر. ولكن نفس التيار ينساب خلال كل مصدر وخلال نبيطة الخرج أيضًا. فعلى سبيل المثال تقوم كل بطارية من بطاريات المشعل الكهربائي وحدها بإمداد المشعل بفرق جهد مقداره فولت واحد ونصف، وتمده البطاريتان معًا بثلاثة فولتات بينما يمر نفس التيار بكل بطارية بالمؤشر. وتوصل المصادر الكهربية على التوالي للحصول منها على فرق جهد أعلى من ذلك الذي يستطيع مصدر كهربائي واحد إمداده.
 |
دائرة تواز فرق الجهد ثابت مهما كان عدد مصادر القدرة. فإذا وصلت بطاريتان فرق جهد كل منهما 1,5فولت على التوازي فإن فرق الجهد المحصل هو أيضًا 1,5فولت. |
دوائر التوازي:
تقدم هذه الدوائر أكثر من مسار للتيار، فبعد أن يتحرك التيار من مصدر معين يتبع مسارين أو أكثر قبل عودته إلى المصدر. فإذا ما وصل مؤشر مشعلين كهربائيين متماثلين على التوازي، فإن التيار يسري من البطارية خلال كل مصباح على حدة ثم يعود إلى البطارية. ويمكن استبعاد أي من هذين المؤشرين من الدائرة دون قطع دائرة المؤشر الأخرى.توفر دوائر التوازي نفس فرق الجهد لكل مصدر، وكل نبيطة خرج في الدائرة. فإذا ما وصلت بطاريتان لكل منهما فرق جهد مقداره فولت واحد ونصف على التوازي فإن فرق الجهد المحصل لهما هو أيضًا فولت واحد ونصف. توصل المصادر الكهربية على التوازي لإنتاج تيار أكبر من ذلك الذي يستطيع مصدر واحد إمداده، ولكن لا توصل على التوازي إلا المصادر متساوية فرق الجهد، وإلا فإن تيارًا قد ينساب من مصدر إلى آخر مسببًا فقدًا في القدرة الكهربائية.
توصل جميع الأنوار والأجهزة المنزلية على التوازي، لأن دوائر التوازي تسمح لجميع هذه النبائط بالعمل بنفس فرق الجهد، كما لا يتغير فرق الجهد بإضافة معدّة أو باستبعاد أخرى. ومع ذلك فقد يزداد أو يقل التيار الكلي المار عبر الصمام الكهربائي أو قاطع الدائرة، إذ يساوي هذا التيار مجموع التيارات المارة بكل عنصر متصل على التوازي.
رياضيات الدوائر:
يستخدم الكهربائيون والمهندسون صيغًا رياضية متعددة لحساب التيار وفرق الجهد في كل جزء من أجزاء دائرة كهربائية. وأهم هذه الصيغ هو قانون أوم وقانوني كيرتشوف. وقد تم اكتشاف هذه القوانين بوساطة عالمين ألمانيين هما جورج. أوم وجوستاف. كيرتشوف.يربط قانون أوم بين فرق الجهد والتيار في الدائرة ومقاومة الدائرة. تضاد المقاومة سريان الكهرباء، وتستهلك قدرة كهربائية من الدائرة بتغيير الطاقة الكهربائية إلى حرارة. ويقيس الكهربائيون المقاومة بوحدات تسمى أوم. ويُعبر عن قانون أوم بالمعادلة ق= ت م. ينص هذا القانون على أن فرق الجهد ق يساوي حاصل ضرب التيار ت في المقاومة م التي يمر خلالها التيار. فإذا مر تيار مقداره ثلاثة أمبيرات مثلاً في مقاومة مقدارها أربعة أوم فإن فرق الجهد هو 3 × 4 = 12 فولتًا.
والمقاومة الكلية في دائرة توال تساوي مجموع مقاومات كل النبائط في الدائرة. وعلى هذا تؤدي إضافة نبائط إلى دائرة توال إلى زيادة المقاومة الكلية للدائرة ويقلل ذلك من التيار المار. بينما تؤدي إضافة نبائط إلى دائرة تواز إلى تقديم مسارات جديدة للتيار مما يُسبب نقصًا في المقاومة الكلية للدائرة.
ينص قانون كيرتشوف الأول على أن مجموع التيارات الداخلة إلى أي نقطة في دائرة مقاومات يساوي مجموع التيارات الخارجة من هذه النقطة. وقد بُني هذا القانون على مبدأ عدم قدرة الشحنات الكهربائية على التجمع عند أي نقطة في دائرة مغلقة.
أما قانون كيرتشوف الثاني فينص على أن مجموع التغير في فروق الجهد حول أي دائرة كهربائية يساوي صفرًا. وبتعبير آخر فإن فرق الجهد يزداد عبر المصادر بنفس القيمة التي ينخفض بها عبر نبائط الخرج. فإذا بدأنا مثلاً عند قاعدة إحدى بطاريتي مشعل كهربائي، فإن القوة الدافعة الكهربائية ترتفع خلال كل بطارية بمقدار واحد ونصف لكل بطارية، وبالتالي تصبح الزيادة الكلية ثلاثة فولتات. ويكون مقدار الهبوط في فرق الجهد ثلاثة فولتات تسري خلال المصباح.