مدارهای جریان مستقیم (DC) — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

مواد از اتم‌ها ساخته شده‌اند و پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها اجزای تشکیل دهنده اتم‌ها هستند. بار الکتریکی پروتون‌ها مثبت است و نوترون‌ها بار الکتریکی ندارند (خنثی هستند)، در حالی که الکترون‌ها دارای بار الکتریکی منفی هستند. وقتی پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها در اتم قرار دارند، وضعیت‌شان پایدار است. اما اگر آن‌ها را جدا کنیم، تمایل به بازسازی پیدا کرده و پتانسیل جذب‌کننده‌ای ایجاد می کنند که «اختلاف پتانسیل» (Potential difference) نامیده می‌شود.

اکنون، اگر یک مدار بسته ایجاد کنیم، الکترون‌های جدا شده شروع به حرکت به سمت پروتون‌ها می‌کنند و به این ترتیب، یک شارش از الکترون‌ها برقرار می‌شود. این شارش، «جریان الکتریکی» (Electrical current) نامیده می‌شود. الکترون‌ها نمی‌توانند به صورت آزادانه در مدار حرکت کنند، زیرا ماده‌ای که از آن عبور می‌کنند، از برقراری جریان ممانعت می‌کند (مقدار این ممانعت، در ماده‌های مختلف متفاوت است). این جلوگیری و ممانعت از برقراری جریان، «مقاومت» (Resistance) نامیده می‌شود.

تمام مدارهای پایه الکتریکی یا الکترونیکی، سه کمیت الکتریکی مجزا، اما بسیار مرتبط دارند: ولتاژ (V)، جریان (A) و مقاومت ($$\Omega$$).

ولتاژ‌ الکتریکی

ولتاژ، انرژی پتانسیل یک منبع الکتریکی است که به فرم بار (شارژ) الکتریکی در آن ذخیره می‌شود. ولتاژ را می‌توان به عنوان نیرویی در نظر گرفت که الکترون‌ها را در یک هادی به حرکت در می‌آورد و ولتاژ بیش‌تر، توانایی به حرکت در آوردن الکترون‌ها را در مدار بیش‌تر می‌کند. از آن‌جایی که انرژی، توانایی انجام کار است، می‌توان انرژی پتانسیل را به عنوان مقدار کار لازم برای به حرکت درآوردن الکترون‌ها به شکل جریان الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر در یک مدار تعریف کرد.

فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه در فرادرس

کلیک کنید

اختلاف ولتاژ بین دو نقطه یا دو اتصال (گره) در یک مدار، به عنوان اختلاف پتانسیل (.p.d) شناخته شده و معمولاً «افت ولتاژ» (Voltage Drop) نامیده می‌شود.

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه با نماد V برحسب ولت (V یا v) بیان می‌شود. نماد E یا e نیز برای بیان نیروی محرکه الکتریکی (emf) تولیدی به کار می رود.

یک منبع ولتاژ‌ ثابت، منبع ولتاژ DC و منبعی که ولتاژ آن به صورت متناوب با زمان تغییر می‌کند، منبع ولتاژ AC نامیده می‌شوند. ولتاژ، بر حسب ولت اندازه‌گیری می‌شود و یک ولت، فشار الکتریکی لازم برای برقراری یک آمپر جریان در یک مقاومت یک اهمی است. مقدار ولتاژ را معمولاً با واحد ولت نشان می‌دهند و برای نمایش مقادیر خاص بزرگ یا کوچک از پیشوندهایی به همراه ولت، مانند میکروولت ($$\mu V=10^{-6} V$$)، میلی‌ولت ($$mV=10^{-3}V$$) یا کیلوولت ($$kV=10^3 V$$) استفاده می‌کنند. ولتاژ ممکن است مثبت یا منفی باشد.

باتری‌ها یا منابع تغذیه، ولتاژ DC (جریان مستقیم) ثابت و ماندگار مثل 5V، 12V و 24V و غیره در مدارها و سیستم‌ها الکترونیکی تولید می‌کنند. منابع ولتاژ AC (جریان متناوب)، برای مصارف توان و روشنایی خانگی و صنعتی در دسترس هستند. ولتاژ AC شبکه برق بریتانیا و آمریکا، به ترتیب 230 و 110 ولت است.

مدارهای الکترونیکی، معمولاً با در محدوده ولتاژ 1.5 تا 24 ولت DC کار می‌کنند. نماد مداری یک منبع ولتاژ، معمولاً با یک باتری و علامت مثبت (+)‌ و منفی (-) برای تعیین پلاریته آن نمایش داده می‌شود. نماد مداری منبع ولتاژ متناوب، نیز یک دایره با شکل موج سینوسی داخل آن است.

منبع ولتاژ را می‌توان به عنوان یک مخزن آب تصور کرد. اگر آب بالاتر از خروجی مخزن باشد، فشار و انرژی بیش‌تری دارد. ولتاژ بیش‌تر نیز گویای انرژی پتانسیل بیش‌تر و در نتیجه به حرکت درآوردن الکترون‌های بیش‌تر است.

اختلاف ولتاژ، همیشه با اختلاف بین دو نقطه از مدار اندازه‌گیری می‌شود که به آن «افت ولتاژ» می‌گویند. دقت کنید که ممکن است علی‌رغم برقراری جریان در مدار، بین دو نقطه اختلاف ولتاژ وجود داشته باشد، اما جریان نمی‌تواند بدون وجود ولتاژ برقرار شود. هر منبع ولتاژ DC یا AC می‌تواند مدار باز باشد، ولی نمی‌تواند در شرایط اتصال کوتاه قرار گیرد، زیرا در این صورت آسیب می‌بیند.

جریان الکتریکی

جریان الکتریکی (I)، حرکت یا شارش بار است و بر حسب آمپر اندازه‌گیری می‌شود. جریان، یک شارش پیوسته از الکترون‌ها در مدار است. در عمل، الکترون‌ها از سر منفی (ve-) به سر مثبت (ve+) منبع حرکت می‌کنند و برای سادگی فهم نحوه برقراری جریان در مدار، فرض می‌کنیم جهت قراردادی جریان از سر مثبت به منفی است.

فیلم آموزش مبانی مهندسی برق ۱ در فرادرس

کلیک کنید

معمولاً جریان مدار را با فلش یا بردار برای نشان دادن جهت آن مشخص می‌کنند. هرچند، این بردار معمولاً جهت قراردادی جریان را مشخص می‌کند و معرف جهت واقعی جریان نیست.

جهت قراردادی جریان

به طور قراردادی، جریان مثبت در مدار، از منفی به مثبت است. شکل زیر حرکت بار‌های مثبت (حفره‌ها)‌ را در یک مدار بسته نشان می‌دهد که از سر مثبت باتری شروع شده و به سر منفی آن برمی‌گردد. این جریان مثبت به منفی، معمولاً با نام جریان قراردادی شناخته می‌شود. این جریان، برعکس جریان واقعی الکترون‌ها است.

شارش الکترون‌ها

شارش الکترون‌ها در مدار، برخلاف جهت قراردادی جریان، از منفی به مثبت است. جریان واقعی مدار، ناشی از حرکت الکترون‌ها از قطب منفی باتری (کاتد) و به برگشت آن‌ها به قطب مثبت (آند) است.

دلیل این امر این است که بار الکترون منفی است و به سر مثبت جذب می‌شود. این شارش الکترون‌ها، شارش جریان الکترون نامیده می‌شود. بنابراین، الکترون‌ها در حقیقت از سر منفی به سر مثبت می‌روند.

در کتاب‌های مختلف هم از جهت جریان قراردادی استفاده شده است، هم از جهت شارش الکترون‌ها. در واقع، استفاده هر کدام از این دو، منجر به نتایج مشابهی خواهد شد. معمولاً استفاده از جهت جریان قراردادی مثبت به منفی، ساده‌تر است.

در مدارهای الکترونیکی، منبع جریان، یک مقدار مشخص جریان مانند 10A ،5A ،1A و غیره را تولید می‌کند. نماد منبع جریان، یک دایره و بردار داخل آن است که جهت جریان را نشان می‌دهد.

جریان، بر حسب آمپر اندازه‌گیری می‌شود و یک آمپر، تعداد الکترون‌ها یا بار (Q بر حسب کولمب)هایی است که در یک ثانیه از یک نقطه مشخص عبور می‌کنند. جریان ممکن است بسته به جهت گردش در مدار، مثبت یا منفی باشد.

جریانی که فقط در یک جهت عبور می‌کند، جریان مستقیم یا DC نامیده می‌شود. جریانی که جهت آن در مدار عوض می‌شود، به عنوان جریان متناوب یا AC شناخته می‌شود. مقدار جریان (DC یا AC)‌ یک مدار، به مقدار ولتاژ منبع ولتاژ و مقاومت بار و مقاومت منبع بستگی دارد.

اگر جریان (یا ولتاژ)، متناوب باشند و با زمان تغییر کنند، مقدار «موثر» یا «RMS» (مجذور میانگین مربع) که با $$I_{rms}$$ نشان داده می‌شود، توان میانگینی برابر با توان حاصل از جریان DC ($$I_{average}$$) تولید خواهد کرد.

منابع جریان، برخلاف منابع ولتاژ می‌توانند اتصال کوتاه شوند و اگر مدار باز شوند، جریانی تولید نمی‌کنند.

مشابه آنچه درباره ولتاژ گفتیم، می‌توان جریان را معادل عبور آب مخزن از لوله در نظر گرفت. سرعت عبور آب بیش‌تر، به معنی گذر جریان بیش‌تر است.

مقاومت

مقاومت (R)، ظرفیت یک ماده برای مقابله در برابر عبور جریان یا به طور دقیق‌تر، شارش بار الکتریکی در مدار است. عنصری از مدار که این مقابله با عبور جریان را از خود نشان می‌دهد، «مقاومت» (Resistor) نام دارد.

مقاومت اجزای مدار بر حسب اهم (Ohm) یا $$\Omega$$ اندازه‌گیری می‌شود. معمولاً پیشوندهای کیلو و مگا هم برای بیان مقاومت‌ها بزرگ به کار می‌رود. مقدار مقاومت نمی‌تواند منفی باشد و فقط مثبت است. شکل زیر، نماد مقاومت‌های مختلف را نشان می‌دهد:

مقدار یک مقاومت، با رابطه جریان گذرنده از آن و ولتاژ دو سرش تعیین می‌شود. این مقدار نشان می‌دهد که عنصر مورد نظر در مدار، رسانای خوبی است (مقاومت کمی دارد) یا رسانای نامناسبی است (مقاومت بالایی دارد). مقاومت کم، مثلاً $$1\Omega$$ یا پایین‌تر، به این معنی است که مدار از رسانای مناسبی مانند مس، آلومینیوم یا کربن تشکیل شده است، در حالی که مقاومت بالایی مانند $$1M\Omega$$ یا بیش‌تر، نشان دهنده این است که ماده تشکیل دهنده مدار، رسانای نامناسبی مانند شیشه، پلاستیک یا چینی است.

«نیمه‌رسانا» (Semiconductor)، ماده‌ای است که مقاومت آن چیزی بین یک رسانا و یک نارسانا است. از نیمه‌رساناها برای ساخت دیودها، ترانزیستورها و غیره استفاده می‌شود.

ماهیت مقاومت ممکن است خطی یا غیرخطی باشد، اما هرگز منفی نیست. از آن‌جایی که ولتاژ یک مقاومت خطی، با جریان آن متناسب است، از قانون اهم (Ohm’s Law)‌ پیروی می‌کند. مقاومت‌های غیرخطی، تابع قانون اهم نیستند و ولتاژ دوسر آن‌ها با توان‌هایی از جریان متناسب است.

مقدار مقاومت، تحت تاثیر فرکانس قرار نمی گیرد. امپدانس AC یک مقاومت، برابر با مقدار مقاومت DC آن است.

مقاومت‌ها، در دسته عناصر پسیو مدار قرار می‌گیرند، زیرا نمی‌توانند انرژی ذخیره کنند. این عناصر مدار، توان را از طریق گرما یا نور مصرف می‌کنند. توان یک مقاومت، صرف‌نظر از پلاریته ولتاژ و جهت جریان، همیشه مثبت است.

برای مقاومت‌های بسیار کوچک در حد میلی‌اهم، بهتر است وارون مقاومت ($$1/R$$) را بیان کنیم که از خود مقاومت (R) بیش‌تر است. این مقدار، رسانایی یا کندوکتانس (Conductance) است که با نماد G نشان داده می‌شود و توانایی یک رسانا یا قطعه را برای هدایت الکتریکی نشان می‌دهد. مقادیر بالای رسانایی، به معنی هدایت مناسب و مقادیر پایین آن، معرف هدایت ضعیف هستند. واحد استاندارد رسانایی، زیمنس (S) است.

نماد دیگر مورد استفاده برای این پارامتر، مهو mho نام دارد که عکس ohm است و با علامت $$\mho$$ نشان داده می‌شود. توان را نیز می‌توان طبق رابطه $$p=i^2/G=v^2G$$ محاسبه کرد.

رابطه بین ولتاژ و جریان در یک مقاومت، منجر به خط i-v می‌شود که شیب آن برابر با عکس مقدار مقاومت است.

جمع بندی

رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت، اساس قانون اهم را تشکیل می‌دهد. در یک مدار خطی متشکل از مقاومت ثابت، اگر ولتاژ را افزایش دهیم، جریان زیاد می‌شود و اگر آن را کم کنیم، جریان کاهش می‌یابد.

اگر در یک ولتاژ مشخص، مقاومت زیاد شود، جریان کاهش می‌یابد. جریان گذرنده از یک مقاومت، با ولتاژ آن رابطه مستقیم و تناسبی دارد، اما نسبت به اندازه مقاومت رابطه معکوس دارد.

خلاصه مطالب بالا را می توان به صورت موارد زیر بیان کرد:

•  اختلاف پتانسیل یا ولتاژ، اندازه انرژی پتانسیل بین دو نقطه در یک مدار است که افت ولتاژ نیز نامیده می‌شود.
• وقتی یک منبع ولتاژ در یک مدار بسته قرار گیرد، جریان در مدار برقرار می‌کند.
• در منابع ولتاژ DC، از نمادهای ve+ (مثبت)‌ و ve- (منفی) برای مشخص کردن پلاریته استفاده می‌شود.
• ولتاژ (با نماد V)، بر حسب ولت اندازه‌گیری می‌شود. نماد E برای انرژی الکتریکی به کار می‌رود.
• جریان، حاصل شارش الکترون‌ها و حفره‌ها در مدار است.
• جریان (با نماد I)، شارش پیوسته و یکنواخت بار الکتریکی در مدار است و با واحد آمپر اندازه‌گیری می‌شود.
• جریان رابطه مستقیم با ولتاژ دارد.
• مصرف توان در یک مقاومت با مقدار موثر (rms) یک جریان متناوب برابر با
• مقاومت، از عبور جریان در مدار جلوگیری می‌کند.
• مقادیر پایین مقاومت یک عنصر، معرف رسانا بودن آن هستند و مقادیر بالای آن، عایق بودن آن عنصر را نشان می‌دهند.
• جریان رابطه عکس با مقدار مقاومت دارد.
• مقدار مقاومت، بر حسب اهم اندازه‌گیری می‌شود که با نماد یونانی $$\Omega$$ نشان داده می‌شود.

در آموزش بعدی، درباره قانون اهم و توان بحث خواهیم کرد که رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت را بیان می‌کند.

^^