هل تساءلت يومًا وأنت تضغط على مفتاح ضوء غرفتك كيف يعمل الضوء؟ أم ربما جالت في خاطرك، وأنت تصل هاتفك إلى شاحنه الخاص، كيف يبدأ هاتفك مباشرةً عند وصله بالكهرباء؟ وخذ قياسًا على ذلك جميع الأجهزة والأدوات الكهربائية من حولنا، حسنًا الجواب الشافي لهذه التساؤلات هو بالطبع عناصر الدارة الكهربائية.

فما هي الدارة الكهربائية؟ وما هي عناصر الدارة الكهربائية وبما تختلف أنواع الدارات الكهربائية عن بعضها؟ في مقالنا ها سنجيب عن جُلِّ هذه التساؤلات ونطرح الخطوط العريضة المتعلّقة بالدارة الكهربائية وعناصرها المختلفة.

ما هي الدارة الكهربائية

الدارة الكهربائية (بالانكليزية Electrical Network أو Electric Circuit) هي مسارٌ مغلقٌ يتم عبره نقل التيار الكهربائي إما عن طريق مسارٍ ناقلٍ للتيار أو عن طريق حقلٍ مغناطيسيٍّ. وتدفّق الإلكترونات عبر الوسط الناقل (الأسلاك) يولّد التيار الكهربائي. تتحرك الإلكترونات بواسطة “المصدر” والذي قد يكون بطاريّةً أو مولدًّا كهربائيًا. يقوم المصدر بتشكيل حقل كهربائي بين طرفي الدارة مُعطيًّا الإلكترونات طاقة كافية لتحريكها وتوليد التيار الكهربائي في الدارة.1

وللدارة الكهربائية العديد من الخصائص المميّزة نذكر منها:

  • الدارة الكهربائية تشكّل دائمًا مسارًا مغلقًا
  • تتضمن الدارة الكهربائية مصدرًا واحدًا على الأقل للطاقة وهو المسؤول عن تحريك الإلكترونات
  • تتضمن عناصر الدارة الكهربائية بشكلٍ أساسيٍّ مصدرًا للطاقة ومقاومةً ومكثفّةً ووشيعةً.
  • في الدارة الكهربائية تنتقل الإلكترونات من القطب الموجب للمصدر إلى القطب السالب
  • ياتخد اتجاه التيار الكهربائي عكس منحى الإلكترونات، أي من القطب الموجب إلى السالب
  • تتناقص شدة التيار الكهربائي مع مروره بعناصر الدارة الكهربائية المختلفة 2

ما هي عناصر الدارة الكهربائية

 يمكن تقسيم عناصر الدارة الكهربائية إلى قسمين أساسيين، عناصر الدارة الفعالة وعناصر الدارة المنفعلة.

عناصر الدارة الكهربائية الفعالة

العناصر الفعالة ( أو المصدر source) تتمثل بأجزاء الدارة القادرة على توليد التيار الكهربائي. وتعتبر كل من البطاريات والمولّدات ومضخّات التشغيل و الصمامات الثنائية من الأمثلة الشائعة لعناصر الدارة الفعّالة.

وينضوي تحت هذا النوع تفرّعان اثنان للعناصرة الفعالة (سواءً أكانت عناصر مولّدة للتيار، الأمبير، أم للفولت) وهي المصادر الفعالة المستقلة وغير المستقلةٍ. وكمثالٍ عن المصادر المستقلة هو البطّارية إذ تقوم بتزويد الدارة بفولتاج (فرق كمون) ثابت بغض النظر عن شدة التيار الذي يسري في الدارة الكهربائية.

أما المصادر غير المستقلة فخيرُ مثالٍ عنها هو الترانسستور، والذي يعمل على تزويد الدارة بتيارٍ كهربائيٍّ تبعًا للفولتاج الذي يتم تطبيقه عليه.

عناصر الدارة المنفعلة

العناصر المنفعلة تتلف عن سابقتها الفعّالة بأنّها لا تنتج تيارًا من نفسها وإنما تقوم فقط بتغير خصائص التيار الموّلد من قبل المصدر (العناصر الفعالة) وتقوم بالتحكّم بحركة الإلكترونات، وتقوم كذلك إما بزيادة فولتاج التيار أو انقاصه تبعًا لنوعها. وهي على ثلاثة أشكالٍ أساسيّةٍ:

  • المقاومة(Resistor): من التسمية ذاتها نلاحظ أن مهمة المقاومة هي مقاومة التيار الكهربائي الذي يعبرها. وبالنسبة للدارات المستقيمة فإنه يتم تطبيق قانون أوم (Ohm’s law) والذي ينص على أن الفولتاج (فرق الكمون) بين طرفي المقاومة يتناسب طردًا مع شدة التيار العابر لها، والنسبة بينهما تشير إلى قيمة المقاومة نفسها.
  • المحثّات(Inductor): تقوم المحثّات بتخزين التيار الكهربائي على شكل حقلٍ كهرمغناطيسيٍّ، ويتناسب فولتاج المحثّ طردًا مع معدل تغير التيار العابر له.
  • المكثّفات(Capacitor): يقوم المكثّف بمهمةٍ مشابهةٍ للمحثّ وهي تخزين التيار الكهربائي ولكنّه يخزّنه على هيئة كهرباء ساكنة (electrostatic). وفرق الكمون بين طرفي المكثفة يتناسب طردًا مع الشحنة.

أنواع الدارات الكهربائية

في الواقع هنالك عدّة تصانيف لأنماط الدارات الكهربائية وذلك تبعًا لطبيعة التيّار الكهربائي وتبعًا لعناصر الدارة نفسها.

أنواع الدارة تبعا لطبيعة التيار الكهربائي

تُقسم الدارة الكهربائية وفقًا لذلك إلى نوعين، الدارة ذات منبع التيار المستمر (Direct current أو DC اختصارًا) والدارة ذات منبع التيار المتناوب (Alternating current أو AC).

الدارة ذات التيار المستمر

في التيار المستمر يكون التيار المتولّد من المنبع (بطّارية) ثابتًا دومًا وهو يتعلّق بخصائص المنبع ذاته (البطارية)، ويمكن تقسيم الدّارة تبعًا لتوزّع العناصر الفعالة والمنفعلة فيه إلى دارةٍ موصولةٍ على التسلسل ودارةٍ موصولةٍ على التفرّع، وتختلفان عن بعضها في أنه في التسلسل يكون التيار ثابتًا في مختلف أجزاء وعناصر الدارة في حين يكون الفولتاج متغيّرًا، وعلى النقيض من ذلك في حالة الدارة الموصولة على التفرّع يكون الفولتاج ثابتًا والتيّار متغيّرًا.

عناصر الدارة الكهربائية

الدارة ذات التيار المتناوب

 في الدارات التناوبيّة يولّد المنبع أو المصدر تيّارًا متناوبًا (كالموّلد الكهربائي) والاختلاف عن التيار المستمر يكمن في أن خصائص التيار المتناوب كالشدّة وفرق الكمون (الفولتاج) تكون متغيّرةً، وتأخذ قيمًا متغيّرةً، ولكنّها ثابتةٌ في التغيّر مع الزمن، وبشكلٍ عام فإن معظم الأجهزة الكهربائيّة والأجهزة التي تتطلّب شدة تيارٍ مرتفعٍ تعمل بالتيّار الكهربائي المتناوب.3

أنواع الدارات تبعًا لعناصرها

تقسم الدارة الكهربائية تبعًا لعناصرها إلى نوعين:

الدارة الخطيّة وغير الخطيّة

الدارة الخطيّة هي الدارة التي تكون فيها جميع خصائص الدارة (كمقدار المقاومات والسعة وتكثيف والتواتر وطول الموجة..الخ) ثابتة. بمعنى آخر نطلق على الدارة التي لا تتغير خصائص عناصرها بتغير الشدة والفولتاج بالدارة الخطية، وبالمقابل فإنه في الدارة غير الخطيّة تتغيّر فيها خصائص عناصرها باستمرارٍ مع تغيّر مقدار شدة تيار وفرق كمون المنبع.

الدارة أحادية الاتجاه ومزدوجة الاتجاه

في الدارة الأحادية تتغير الخصائص مع تغيّر اتجاه تيار أو فولتاج المنبع، بمعنى آخر فإن الدارة الأحادية تسمح للتيار بالمرور في اتجاهٍ وتمنعه في الاتجاه الآخر، مما يؤدي إلى تغييرٍ في خصائصها عند قلب اتجاهات أو أقطاب المنبع. ويُعتبر الصمام الثنائي (Diode rectifier) مثال على عناصر الدارة أحادية الاتجاه.

أما في الدارة مزدوجة الاتجاه فتبقى خصائص الدارة ثابتةً مع تغيير اتجاه أو عكس أقطاب المنبع. أي أن الدارة المزدوجة تسمح للتيار بالمرور في الاتجاهين دون أن تعيق اتجاهًا وتسمح بآخر، وكمثالٍ على ذلك الموصِلات (conductors) كالأسلاك النحاسية الناقلة، والتي تسمح بنقل التيار الكهربائي في أكثر من اتجاهٍ.4

 بالرغم من أن عناصر الدارة الكهربائية الأساسية الأصل بسيطةٌ إلا أنّ الأجهزة الكهربائية الحديثة في عصرنا هذا بلغت من التعقيد في بنية داراتها ما لا يمكن تفصيله. ومع مرور الوقت وفي المستقبل ستغدو الدارات الكهربائية أقل تعقيدًا مع التطوّر الهائل للعلوم في شتّى المجالات.

المراجع