مدارهای الکتریکی

مدارهای الکتریکی و آشنایی با آن‌ها اولین شرط ورود به دنیای تأسیسات الکتریکی و مهندسی برق است. مدار را می‌توان اصلی‌ترین مؤلفه در هر سیستم برقی دانست که تمامی قطعات را به هم متصل می‌کند تا به هدفی که در نظر داریم برسیم. البته این عبارت تنها یک تعریف ساده است و برای آشنایی و تسلط کافی بر مدار باید علاوه‌بر تجربه با اصول، قانون‌ها و تعریف دقیق آن آشنا باشید. تا اینجا هر تعریف و اطلاعاتی را که داشتید کنار بگذارید زیرا قصد داریم از اول و به‌طور دقیق به شما مفهوم مدار را توضیح دهیم.

تعریف مدارهای الکتریکی

ممکن است این عبارت را زیاد شنیده باشید و پیش خودتان تصور کنید که تعریف مدار را می‌دانید. اما با وجود این بهتر است یک تعریف ساده و دقیق داشته باشیم: مدار یک مسیر بسته و متشکل از اجزای الکتریکی است که با یکدیگر در تعامل هستند.
الکترون‌ها در مسیر سیم مدار حرکت می‌کنند و نتیجه آن روشن شدن لامپ، چرخیدن یک فن یا افزایش مقاومت در مقاومت الکتریکی (با علامت‌هایی مثل گرم‌شدن) است. در واقع سیم برای اتصال اجزای الکتریکی به هم استفاده می‌شود. مدار مفهوم ساده‌ای دارد اما در زندگی روزمره زیاد استفاده می‌شود و اگر به هر وسیله برقی نگاه کنید درون خود یک مدار هرچند کوچک دارد. سه قسمت اصلی تشکیل‌دهنده آن عبارت‌اند از:
• منبع انرژی
• مصرف‌کننده
• حلقه بسته

منبع انرژی، عامل حرکت جریان

باتری، سلول خورشیدی، نیروگاه برقی یا هر چیز دیگری می‌تواند یک منبع انرژی باشد اما لازم است یک شرط ایجاد کند و آن اختلاف پتانسیل یا ولتاژ است. منبع انرژی دارای یک پایانه منفی و یک پایانه مثبت است که باعث می‌شود جریان از یک سو به سمت دیگر حرکت کند. منظور از جریان در واقع همان الکترون است که بار منفی دارد و به سمت پایانه مثبت حرکت می‌کند. با وجود این، در استاندارد مهندسی جریان برعکس در نظر گرفته می‌شود. منظور این است که فرض می‌شود جریان از پایانه مثبت به سمت منفی حرکت کند که البته تفاوتی در محاسبات ندارد.

مصرف‌کننده، دستگاه مورداستفاده کاربر

مصرف‌کننده در مدارهای الکتریکی هر دستگاهی است که انرژی تولید شده توسط منبع انرژی را مصرف کند و هنگام عبور جریان از مصرف‌کننده، این دستگاه نسبت به آن پاسخ می‌دهد. مثلاً لامپ یک نوع مصرف‌کننده است که با عبور جریان از آن روشن می‌شود (روشن شدن لامپ، پاسخ آن به عبور جریان است). امروزه در خانه‌ها هر دستگاهی که با دوشاخه به برق متصل شود یک مصرف‌کننده است.
مصرف‌کننده هم دارای دو پایانه مثبت و منفی است اما به این دلیل نیست که ماهیت آن مانند منبع انرژی است و اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کند. پایانه مثبت و منفی در مصرف‌کننده زمانی به‌وجود می‌آیند که به منبع متصل شود یعنی باید یک سمت مصرف‌کننده به پایانه مثبت و یک سمت دیگر به پایانه منفی منبع وصل شود تا کار کند.

حلقه بسته یا مسیر عبور

حلقه در واقع به یک مسیر بسته در مدار گفته می‌شود اما می‌تواند نام دیگری برای سیم باشد. سیم برای اتصال منبع به مصرف‌کننده استفاده می‌شود اما هر جسم دیگری که رسانای جریان برق باشد می‌تواند جایگزین آن شود. پس هر وسیله‌ای که این اتصال را برقرار کند یک مسیر عبور جریان شناخته می‌شود. دقت داشته باشید که مدار باید بسته باشد. یعنی وقتی الکترون از یک پایانه منبع خارج شد و به مصرف‌کننده رسید، از سمت دیگر مصرف‌کننده خارج شود و سپس به پایانه مثبت منبع برسد. در این شرایط گفته می‌شود که مدار بسته است و جریان وجود دارد.

انواع مدار و کاربرد هر نوع

مدارهای الکتریکی به دو روش تشکیل می‌شوند که هرکدام استفاده‌های خاص خود را دارند. نوع اول متوالی یا سری و نوع دوم موازی است. اگر مصرف‌کننده‌ها پشت‌سرهم باشند و یکی پس از دیگری وصل شود (در یک شاخه منحصربه‌فرد قرار بگیرند) مدار متوالی نامیده می‌شود. در این روش ولتاژ یا اختلاف پتانسیل دستگاه‌های مصرف‌کننده با هم فرق می‌کند اما چون درون یک شاخه قرار می‌گیرند جریان یکسانی دارند.
اگر تنها یکی از مصرف‌کننده‌ها قطع شود، جریان هم قطع می‌شود. مثلاً اگر چند لامپ وجود داشته باشد که به شکل متوالی به هم وصل شده باشند و یکی جدا شود یا به هر دلیلی بسوزد، جریان مدار قطع می‌شود. در روش موازی دستگاه‌های مصرف‌کننده در شاخه‌های مختلف قرار می‌گیرند و این بار از کارافتادن یک دستگاه تأثیری در قطع شدن جریان ندارد. در روش موازی جریان هر شاخه با دیگری فرق می‌کند اما اختلاف پتانسیل همه آن‌ها مثل هم است. در شکل زیر، مدار سمت چپ به‌صورت متوالی و مدار سمت راست به‌صورت موازی بسته شده است.

چند نکته مهم درباره مدارهای الکتریکی

چند نکته وجود دارد که اهمیت زیادی دارند و در واقع بسیاری از قانون‌های مدار با استفاده از آن‌ها به‌وجود آمده است:
• مقاومت هوا بی‌نهایت است یعنی اگر قسمتی از سیم مدار بریده شود جریان الکتریکی از آن جا عبور نمی‌کند زیرا با مقاومت بسیار بالای هوا روبرو می‌شود.
• هر دو نقطه از مدار که بدون واسطه (بدون هیچ مصرف‌کننده‌ای بین آن‌ها) به هم متصل باشند اختلاف پتانسیل یکسانی دارند (سیم به‌عنوان یک مصرف‌کننده در نظر گرفته نمی‌شود). به همین دلیل است که دستگاه‌هایی که به‌صورت موازی به هم متصل می‌شوند اختلاف پتانسیل یکسانی دارند.

قوانین کیرشهف یا Kirchhoff در مدارهای الکتریکی

رفتار مدارهای الکتریکی سیستماتیک و با قانون‌های خاصی همراه است که یکی از نتایج آن قوانین کیرشهف است که از اصلی‌ترین موضوعات در تحلیل جریان و ولتاژ است. قانون اول می‌گوید انرژی تولید شده در مدار برابر با انرژی مصرف‌شده در آن است و این انرژی شامل حرارت هم می‌شود که به‌دلیل مقاومت به‌وجود می‌آید. قانون دوم می‌گوید مقدار جریان وارد شده به یک گره در مدار برابر با مجموع جریان‌های خارج شده از آن گره است. منظور از گره قسمت‌هایی است که مسیر مدار به شاخه‌های مجزا تقسیم می‌شود.
یعنی به همان تعداد الکترون که وارد گره می‌شود، به همان تعداد هم خارج می‌شود. به‌همین دلیل دستگاه‌هایی که به‌صورت سری به یکدیگر بسته می‌شوند جریان یکسانی دارند. قانون بعدی این است که در هر حلقه یا مسیر بسته از مدار، جمع جبری اختلاف پتانسیل مصرف‌کننده‌ها برابر با صفر است. در شکل زیر دو قانون جریان و ولتاژ نشان‌داده‌شده که سمت چپ مربوط به جریان و سمت راست مربوط به ولتاژ است.

کلام آخر

در این مقاله درباره مدار توضیح دادیم و سعی کردیم با یک تعریف ساده دیدگاه مناسبی نسبت به آن ایجاد کنیم. همچنین اجزای اصلی مدار و انواع آن را بررسی کردیم و در انتها نیز مهم‌ترین قوانین در مدار بررسی شد.