واژه های کلیدی: انرژی الکتریسیته، مدار های الکتریکی، نیروگاه، قانون حلقه، تونن و نورتن
مقدمه
با کشف الکتریسیته به عنوان یکی از شکل های مختلف انرژی این شکل از انرژی تحولی عظیم را در سطح جهان به وجود آورد. زمانی که ادیسون توانست اولین لامپ فلوروسنت خود را اختراع کند زمان نسبتا زیادی میگذرد و اگر هم اکنون از فضا به سطح نیمکره پشت به خورشید نگاه کنید دیگر زمین را مانند زمانی که ادیسون هنوز چراغش را روشن نکرده بود نیست. تقریبا تمامی سطح زمین و حتی دریاها درپای چراغ ها و لامپ های که امروزه در تعدادهای میلیونی وجود دارند سطح زمین را نور افشانی میکنند.
با کشف برق بندرت قدرت و فواید این انرژی پاک بر همگان ثابت گردید و انسان ها برآن شدند تا از این انرژی بیشتر بهره ببرند و اولین نیروگاه ها که به صورت نیروگاه های کوچک و منطقه ای بودند در مناطق مختلف آمریکا شکل گرفتند. نخستین نیروگاه های تولید برق توان بسیار کمی داشتند و تنها میتوانستند تنها یک منطقه کوچک را تحت الشعاع خود قرار دهند. با کسترش صنعت برق در طی سال های متمادی اکنون دیگر اکثر افراد در مناطق مختلف جهان به این انرژی دسترسی داشتند و از آن برای مصارف مختلف بهره میبردند.
مدار های الکتریکی
شاید بتوان به طور دقیق گفت که مدر های الکتریکی مجموعه ای از المان های مختلف هستند که برای کنترل انرژی الکتریسیته به کار میروند. مطابق با قانون پایستگی انرژی میدانیم که انرژی نه به وجود می آید و نه از بین میرود و تنها از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود. یکی از وظایف و قابلیت های مدار های الکتریکی همین تبدیل انرژی است. بگذارید با یک مثال ساده پا به دنیای مدار های الکتریکی بگزاریم.
زمانی که توماس ادیسون توانست اولین چراغ را روشن کند درواقع توانسته بود نخستین مدار الکتریکی را نیز کشف کند. مدار الکتریکی که او بسته بود مدار ساده ای از یک منبع ولتاژ و یک مقاومت ساده بود که لامپ نامیده میشد. این مدار بدین ترتیب بود:
این مدار از قانون ساده ای تبعیت میکند که به نحوی اولین و ساده ترین قانون در علم مدارهای الکتریکی است. این قانون به افتخار کاشف آن سیمون اهم به قانون اهم نام گرفته است. رابطه آن بدین صورت است:
این قانون ساده بیان میکند که مقدار جریانی که در حلقه به جود آمده در اثر بسته شدن کلید به دست می آید عبارتست از نسبت ولثاژ منبع ولثاژ به اندازه مقاومتی که که رد مدار دیده میشود. اگر واحد اندازه گیری ولتاژ را ولت(Volt) و واحد مقاومت اهم(Ohm)باشد در این صورت جریان برحسب آمپر(Ampere) محاسبه میشود.
در شکل بالا ساده ترین شکل مدار های الکتریکی را دیدید این شکل ساده را که از یک منبع ولتاژ و یک مقومت تشکیل شده است را مدار تونن گویند. نکته قابل توجه اینجاست که تمامی مدار ها را به صورت ساده شده بالا در آورد که به آن مدار معادل تونن گویند.
مدار معادل تونن و نرتن
مدار معادل تونن به زبانی ساده به معنای اندازه گیری ولتاژ و مقاومت معادل از دو سر دلخواه در مدار است. فرض کنید دو نقطه دلخواه از یک مدار را با دو قطعه سیم از بقیه مدار جدا کرده اید. ولتاژ معادل اختلاف ولتاژ دو سر سیم است و به آن ولتاژ تونن گویند و آنرا با Vthنمایش میدهند. این ولتاژ را میتوانید با متصل کردن یک منبع ولتاژ فرضی به معنای منبع تست، و استفاده از قانون حلقه1 در مدار های الکتریکی محاسبه کنید.
جریان معادلی را که از شاخه ای که منبع ولتاژ مربوطه متصل است عبور میکند را جریان تونن میگویند. با داشتن ولتاژ و جریان شاخه میتوان از قانون اهم مقاومت معادل را که مقاومت تونن گویند، محاسبه کرد.
مفهوم دیدن مدار
در تحلیل مدار های الکتریکی گاهی با مفهوم "دیدن مدار" روبرو میشویم. منظور محاسبه مدار معادل تونن دیده شده از دو سر مربوطه است. به صورت معادل با مدار تونن، مدار نرتن تعریف میشود. مدار معادل نرتن از یک منبع جریان موازی با یک مقاومت تونن تشکیل میشود. مقدار جریان مربوطه را جریان نرتن مینامند و با IN نمایش میدهند.
قوانین مدارهای الکتریکی
فیزیک(Physic) علم مطالعه همه آن چیزی است که در پیرامون خود ملاحضه میکنید. این علم بیان میکند که پایستگی در جهان طبیعت شرط لازم برای تعادل است. جهان متعادلی که در آن زندگی میکنیم. جهانی متعادل است و لذا پایستگی در آن رعایت میشود. بر اساس قوانین فیزیکی، جهان از جرم و یا انرژی تشکیل شده است که البته بر اساس قانون انیشتین این دو قابل تبدیل به یکدیگرند.
همه آنچه که گفته شد بدین منظور بود که اهمیت قوانین مبرهن باشد. علوم مختلف قوانین خاص خود را دارند که تمامی این قوانین توسط متخصصین آن علم اثبات میشوند. مدار های الکتریکی نیز از برخی از قوانین تبعیت میکنند که البته برگرفته شده از قوانین فیزیک هستند. یکی از ساده ترین و البته مهم ترین قوانین که پایه های مدار های الکتریکی را شکل میدهند قانون اهم است که قبلا تعریف شد.
اجازه بدهید مثال ساده ای را که نقطه شروع صنعت برق بود و توسط توماس ادیسون به نحوی کشف شد را از منظر فیزیکی بررسی کنیم. لامپ از نوعی المنت تشکیل شده است. المنت ها قطعاتی نازک از رسانا ها هستند که الکترون ها انرژی خود را به ناچار در حین عبور از آنها تخلیه میکنند. در واقع میتوان آنها را به باریکه ای شبیه کرد که مجموعه زیادی از الکترون های با انرژی بال قصد عبور از آنرا دارند. قطعا الکترون ها در حین عبور از آن ناچار به تخلیه انرژی خواهند شد. الکترون هایی که از این باریکه عبور کرده و انرژی خود را از دست داده اند دوباره توسط منبع ولتاژ انرژی خود را بدست می آورند و این فرایند تکرار میشود.
فرایند ساده بالا را میتوان با قانون پتانسیل در فیزیک مقایسه کرد. همانطور که میدانید با فاصله گرفتن یک جرم از سطح زمین انرژی پتانسیل ذخیره شده در آن افزایش پیدا میکند و بالعکس اگر این پدیده را مانند یک آبشار مصنوعی در نظر بگیریم که آب در آن توسط یک پمپ هدایت میشود، میتوان الکترون ها را آب، انرژی الکتریسیته را انرژی پتانسیل و پمپ آب را منبع ولتاژ فرض کرد.
1. قانون حلقه(kvl): این قانون بیان میدارد که مجموع ولتاژهای دو سر مجموعه المان های یک حلقه بسته در یک مدار برابر صفر است. (حلقه در یک مدار به صورت مسیری تعریف میشود که یک نقطه از مدار را به خودش متصل میکند به طوری که از هر گره از مدار تنها یکبار عبور کند.)
