ما هي الجهد والتيار والمقاومة: كيف يتم استخدامها في الممارسة

في الهندسة الكهربائية ، تُستخدم مصطلحات "التيار" و "الجهد" و "المقاومة" لوصف العمليات التي تحدث في الدوائر الكهربائية. كل واحد منهم له غرضه الخاص مع خصائص محددة.

كهرباء

تُستخدم الكلمة لوصف حركة الجسيمات المشحونة (الإلكترونات ، الثقوب ، الكاتيونات والأنيونات) عبر وسط معين من مادة. يحدد اتجاه وعدد حاملات الشحن نوع وقوة التيار.

الخصائص الرئيسية للتيار تؤثر على تطبيقه العملي

الشرط الأساسي لتدفق الشحنات هو وجود دائرة أو ، بعبارة أخرى ، حلقة مغلقة تخلق ظروفًا لحركتها. إذا تشكل فراغ داخل الجسيمات المتحركة ، تتوقف حركتها الاتجاهية على الفور.

تعمل جميع المفاتيح والحمايات المستخدمة في الكهرباء على هذا المبدأ.يقومون بإنشاء فصل بين جهات الاتصال المتحركة للأجزاء الموصلة ومن خلال هذا الإجراء يقطع تدفق التيار الكهربائي ويغلق الجهاز.

في مجال الطاقة ، الطريقة الأكثر شيوعًا هي إنشاء تيار كهربائي بسبب حركة الإلكترونات داخل المعادن المصنوعة في شكل أسلاك أو إطارات أو أجزاء موصلة أخرى.

بالإضافة إلى هذه الطريقة ، يتم أيضًا استخدام إنشاء التيار الداخلي:

1. الغازات والسوائل الإلكتروليتية بسبب حركة الإلكترونات أو الكاتيونات والأنيونات - الأيونات ذات الشحنة الموجبة والسالبة ؛

2. بيئة فراغ وهواء وغازات تتعرض لحركة الإلكترونات بسبب ظاهرة الإشعاع الحراري.

3. مواد أشباه الموصلات بسبب حركة الإلكترونات والثقوب.

يمكن أن تحدث الصدمة الكهربائية في الحالات التالية:

• تطبيق فرق الجهد الكهربائي الخارجي على الجسيمات المشحونة ؛

• أسلاك تسخين ليست من الموصلات الفائقة حاليًا ؛

• مسار التفاعلات الكيميائية المتعلقة بإطلاق مواد جديدة ؛

• تأثير المجال المغناطيسي المطبق على السلك.

يمكن أن يكون شكل موجة التيار الكهربائي:

1. ثابت في شكل خط مستقيم على الخط الزمني ؛

2. متغير جيبي متناسق موصوف جيدًا بواسطة العلاقات المثلثية الأساسية ؛

3. تعرج ، يشبه إلى حد كبير موجة جيبية ، ولكن بزوايا حادة وواضحة ، والتي يمكن في بعض الحالات تنعيمها بشكل جيد ؛

4. نابض ، عندما يظل الاتجاه كما هو دون تغيير ، ويتأرجح السعة بشكل دوري من الصفر إلى القيمة القصوى وفقًا لقانون محدد جيدًا.

يمكن أن يكون التيار الكهربائي مفيدًا للشخص عندما:

• تحويلها إلى إشعاع ضوئي

• يخلق تسخين العناصر الحرارية.

• يؤدي عملاً ميكانيكيًا بسبب جذب أو تنافر المحركات المتحركة أو دوران الدوارات ذات المحركات المثبتة في المحامل ؛

• يولد الإشعاع الكهرومغناطيسي في بعض الحالات الأخرى.

عندما يمر التيار الكهربائي عبر الأسلاك ، يمكن أن يحدث الضرر بسبب:

• التسخين المفرط للدوائر والاتصالات الحاملة للتيار ؛

• تعليم التيارات إيدي في الدوائر المغناطيسية للآلات الكهربائية ؛

• إشعاع الكهرباء موجات كهرومغناطيسية في البيئة وبعض الظواهر المماثلة.

يأخذ مصممو الأجهزة الكهربائية ومطورو الدوائر المختلفة في الاعتبار الاحتمالات المدرجة للتيار الكهربائي في أجهزتهم. على سبيل المثال ، يتم تخفيف الآثار الضارة للتيارات الدوامة في المحولات والمحركات والمولدات عن طريق خلط النوى المستخدمة لنقل التدفقات المغناطيسية. في الوقت نفسه ، يتم استخدام تيار الدوامة بنجاح لتسخين الوسط في الأفران الكهربائية وأفران الميكروويف التي تعمل على مبدأ الحث.

يمكن أن يكون للتيار الكهربائي المتناوب ذو الشكل الموجي الجيبي تردد مختلف من التذبذب لكل وحدة زمنية - ثانية. يتم توحيد التردد الصناعي للتركيبات الكهربائية في البلدان المختلفة بأرقام 50 أو 60 هرتز. لأغراض أخرى للهندسة الكهربائية وأعمال الراديو ، يتم استخدام الإشارات:

• التردد المنخفض ، مع القيم المنخفضة ؛

• عالي التردد ، يتجاوز بشكل كبير نطاق الأجهزة الصناعية.

من المقبول عمومًا أن التيار الكهربائي ينتج عن حركة الجسيمات المشحونة في وسط مجهري معين ويسمى تيار التوصيل ... ومع ذلك ، يمكن أن يحدث نوع آخر من التيار يسمى الحمل الحراري عندما تتحرك الأجسام المشحونة بالعين المجردة ، على سبيل المثال ، قطرات المطر .

كيف يتشكل التيار الكهربائي في المعادن

يمكن مقارنة حركة الإلكترونات تحت تأثير القوة الثابتة المطبقة عليها بنزول المظلي بغطاء مفتوح. في كلتا الحالتين ، يتم الحصول على حركة متسارعة بشكل موحد.

يتحرك لاعب القفز بالمظلات بسبب الجاذبية نحو الأرض ، والتي تعارضها قوة مقاومة الهواء. تتأثر الإلكترونات بالقوة المطبقة عليها الحقل الكهربائي، ويتم إعاقة حركتها من خلال الاصطدامات المستمرة مع الجسيمات الأخرى - أيونات المشابك البلورية ، بسبب أي جزء من تأثير القوة المطبقة يتم إخماده.

في كلتا الحالتين ، يصل متوسط ​​سرعة المظلي وحركة الإلكترون إلى قيمة ثابتة.

هذا يخلق حالة فريدة إلى حد ما حيث السرعة:

• يتم تحديد الحركة الصحيحة للإلكترون بقيمة تصل إلى 0.1 ملليمتر في الثانية ؛

• يتوافق تدفق التيار الكهربائي مع قيمة أعلى بكثير - سرعة انتشار موجات الضوء: حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية.

هكذا، تدفق التيار الكهربائي يتم إنشاؤه حيث يتم تطبيق الجهد على الإلكترونات ، ونتيجة لذلك تبدأ في التحرك بسرعة الضوء داخل الوسط الموصّل.

عندما تتحرك الإلكترونات في الشبكة البلورية للمعدن ، ينشأ انتظام آخر مثير للاهتمام: يصطدم مع كل عاشر مضاد.أي أنه نجح في تجنب حوالي 90٪ من الاصطدامات الأيونية.

يمكن تفسير هذه الظاهرة ليس فقط من خلال قوانين الفيزياء الكلاسيكية الأساسية ، كما يفهمها معظم الناس ، ولكن أيضًا من خلال قوانين التشغيل الإضافية التي وصفتها نظرية ميكانيكا الكم.

إذا عبرنا عن فعلهم بإيجاز ، فيمكننا أن نتخيل أن حركة الإلكترونات داخل المعادن تعوقها الأيونات الثقيلة "المتأرجحة" الكبيرة التي توفر مقاومة إضافية.

يكون هذا التأثير ملحوظًا بشكل خاص عند تسخين المعادن ، عندما يزداد "تأرجح" الأيونات الثقيلة ويقلل من التوصيل الكهربائي للشبكات البلورية للأسلاك.

لذلك ، عندما يتم تسخين المعادن ، تزداد مقاومتها الكهربائية دائمًا ، وعندما تبرد ، تزداد موصليةها. عندما تنخفض درجة حرارة المعدن إلى قيم حرجة قريبة من قيمة الصفر المطلق ، تحدث ظاهرة الموصلية الفائقة في العديد منها.

التيار الكهربائي ، حسب قيمته ، قادر على القيام بأشياء مختلفة. لإجراء تقييم كمي لقدراتها ، يتم أخذ قيمة تسمى التيار. حجمه في نظام القياس الدولي 1 أمبير.لإشارة إلى القوة الحالية في الأدبيات الفنية ، تم اعتماد المؤشر «I».

الجهد االكهربى

يستخدم هذا المصطلح كخاصية للكمية المادية التي تعبر عن العمل المنفق في نقل شحنة كهربائية لوحدة اختبار من نقطة إلى أخرى دون تغيير طبيعة وضع الشحنات المتبقية على مصادر المجال النشط.

نظرًا لأن نقطتي البداية والنهاية لها إمكانات طاقة مختلفة ، فإن الشغل المبذول لتحريك الشحنة أو الجهد يساوي نسبة الفرق بين هذه الإمكانات.

تُستخدم مصطلحات وطرق مختلفة لحساب الجهد اعتمادًا على التيارات المتدفقة. لا يمكن:

1. ثابت - في دوائر التيار الكهروستاتيكي والثابت ؛

2. بالتناوب - في الدوائر ذات التيار المتردد والجيبي.

بالنسبة للحالة الثانية ، يتم استخدام هذه الخصائص وأنواع الإجهاد الإضافية على النحو التالي:

• السعة - أكبر انحراف عن الموضع الصفري لمحور الإحداثي ؛

• القيمة الآنية ، والتي يتم التعبير عنها في وقت معين ؛

• القيمة التربيعية الفعالة أو الفعالة أو التي يُطلق عليها خلاف ذلك ، القيمة التربيعية للمتوسط ​​الجذري ، والتي يتم تحديدها من خلال العمل النشط المنجز لمدة نصف فترة ؛

• متوسط ​​القيمة المصححة المحسوبة للقيمة المصححة لفترة توافقية واحدة.

من أجل التقييم الكمي للجهد ، تم إدخال الوحدة الدولية البالغة 1 فولت وأصبح الرمز «U» هو التسمية الخاصة بها.

عند نقل الطاقة الكهربائية عبر الخطوط الهوائية ، يعتمد تصميم الدعامات وأبعادها على قيمة الجهد المستخدم. تسمى قيمتها بين موصلات المراحل الخطية وتتناسب مع كل موصل ومرحلة الأرض.

تنطبق هذه القاعدة على جميع أنواع شركات الطيران.

في الشبكات الكهربائية المحلية لبلدنا ، يكون المعيار هو جهد ثلاثي الأطوار 380/220 فولت.

المقاومة الكهربائية

يستخدم المصطلح لوصف خصائص مادة ما لإضعاف مرور تيار كهربائي من خلالها.في هذه الحالة ، يمكن اختيار بيئات مختلفة ، ويمكن تغيير درجة حرارة المادة أو أبعادها.

في دوائر التيار المستمر ، تقوم المقاومة بعمل نشط ، وهذا هو سبب تسميتها بالنشاط. لكل قسم ، يتناسب طرديا مع الجهد المطبق ويتناسب عكسيا مع التيار المار.

يتم تقديم المفاهيم التالية في مخططات التيار المتناوب:

• معاوقة؛

• مقاومة الموجة.

تسمى المعاوقة الكهربائية أيضًا بمقاومة معقدة أو مكونة:

• نشيط؛

• رد الفعل.

يمكن أن تكون التفاعلية بدورها:

• بالسعة.

• استقرائية.

تم وصف الوصلات بين مكونات المقاومة لمثلث المقاومة.

في حساب الديناميكا الكهربائية ، يتم تحديد مقاومة الموجة لخط الطاقة من خلال نسبة الجهد من الموجة الساقطة إلى قيمة التيار المار على طول خط الموجة.

تؤخذ قيمة المقاومة كوحدة قياس دولية تبلغ 1 أوم.

العلاقة بين التيار والجهد والمقاومة

المثال الكلاسيكي للتعبير عن العلاقة بين هذه الخصائص هو المقارنة مع الدائرة الهيدروليكية ، حيث تعتمد قوة حركة تدفق الحياة (التناظرية - حجم التيار) على قيمة القوة المطبقة على المكبس (تم إنشاؤه) التوتر) وطبيعة خطوط التدفق ، المصنوعة من التضيقات (المقاومة).

تم نشر القوانين الرياضية التي تصف العلاقة بين المقاومة الكهربائية والتيار والجهد لأول مرة وحصل على براءة اختراع من قبل جورج أوم. اشتق قوانين الدائرة الكهربائية بأكملها وقسمها. انظر هنا لمزيد من التفاصيل: تطبيق قانون أوم عمليا

تستخدم الأميتر والفولتميترات والأومومتر لقياس الكميات الكهربائية الأساسية للكهرباء.

يقيس مقياس التيار التيار المتدفق عبر الدائرة ، وبما أنه لا يتغير في جميع أنحاء المنطقة المغلقة ، يتم وضع مقياس التيار في أي مكان بين مصدر الجهد والمستخدم ، مما يؤدي إلى مرور الشحنات عبر رأس القياس للجهاز.

يستخدم الفولتميتر لقياس الجهد عند أطراف المستخدم المتصلة بالمصدر الحالي.

لا يمكن إجراء قياسات المقاومة باستخدام مقياس الأومتر إلا عندما يكون المستخدم في وضع إيقاف التشغيل. وذلك لأن الأومتر يخرج جهدًا معايرًا ويقيس التيار المتدفق عبر رأس الاختبار ، والذي يتم تحويله إلى أوم بقسمة الجهد على القيمة الحالية.

أي اتصال بجهد خارجي منخفض الطاقة أثناء القياس سيخلق تيارات إضافية ويشوه النتيجة. بالنظر إلى أن الدوائر الداخلية للمقياس ذات طاقة منخفضة ، ففي حالة قياسات المقاومة الخاطئة عند تطبيق جهد خارجي ، يفشل الجهاز غالبًا بسبب حقيقة أن دائرته الداخلية تحترق.

إن معرفة الخصائص الأساسية للتيار والجهد والمقاومة والعلاقات بينهما تسمح للكهربائيين بأداء عملهم بنجاح وتشغيل الأنظمة الكهربائية بشكل موثوق ، وغالبًا ما تنتهي الأخطاء التي يتم ارتكابها بالحوادث والإصابات.