فهم درس انتقال الطاقة في دارة كهربائية | علوم الكهرباء

يعتبر انتقال الطاقة في دارة الكهربائية مفهومًا أساسيًا في الكهرباء. يعد فهم كيفية تدفق الطاقة عبر الدائرة أمرًا ضروريًا لأي طالب أو متحمس للإلكترونيات. في هذه المقالة ، سوف نستكشف المبادئ الأساسية لنقل الطاقة في الدائرة الكهربائية ونقدم أمثلة وتمارين لتعزيز معرفتنا.

ماذا تعني دارة كهربائية ؟

الدائرة الكهربائية هي مجموعة من المكونات الكهربائية المترابطة التي تسمح بنقل الكهرباء من مصدر طاقة إلى جهاز أو حمل. يتكون من عدة عناصر أساسية ، مثل مصادر الطاقة والموصلات والمفاتيح وأجهزة التحميل. فيما يلي شرح موجز لكل مكون من مكونات الدائرة الكهربائية:

• مصدر الطاقة: هذا هو جزء الدائرة الذي يوفر الكهرباء. يمكن أن تكون خلية أو بطارية أو مأخذًا كهربائيًا أو حتى مولدًا. يحافظ مصدر الطاقة على فرق الجهد (الجهد) بين أطرافه ، مما يسمح بحركة الشحنات الكهربائية.

• الموصلات: هي مواد ، عادة أسلاك معدنية ، تسمح بحركة الشحنات الكهربائية. تضمن الموصلات الاتصال بين المكونات المختلفة للدائرة ، مما يسمح بمرور التيار الكهربائي.

• المفاتيح: هي الأجهزة التي تتحكم في فتح وإغلاق الدائرة. عندما يكون المفتاح مغلقًا ، يمكن أن يتدفق التيار بحرية عبر الدائرة ، بينما ينقطع التيار عندما يكون مفتوحًا.

• أجهزة التحميل: هذه هي عناصر الدائرة التي تستخدم الكهرباء لأداء مهمة محددة. يمكن أن تكون أجهزة التحميل عبارة عن مصابيح ومحركات ومقاومات ومكبرات صوت وما إلى ذلك. يقومون بتحويل الطاقة الكهربائية إلى شكل آخر من أشكال الطاقة ، مثل الضوء والحركة والحرارة والصوت ، إلخ.

تخطيط انتقال الطاقة في دارة كهربائية

فيما يلي رسم تخطيطي بسيط يوضح مثالاً لدارة كهربائية للإضاءة المنزلية:

في هذا الرسم البياني ، لدينا مصدر طاقة (يمثله بطارية ، أو منفذ كهربائي ، أو لوحة كهربائية) يعمل على تشغيل الدائرة. يتدفق التيار الكهربائي من القطب الموجب (+) للمصدر إلى القطب السالب (-).

تشتمل الدائرة على ثلاثة مفاتيح (يشار إليها L1 و L2 و L3) وثلاثة لمبات متصلة في سلسلة. يتحكم كل مفتاح في لمبة معينة. عندما يكون المفتاح مغلقًا ، يمكن أن يتدفق التيار عبر المصباح مما يتسبب في توهجه. إذا كان المفتاح مفتوحًا ، ينقطع التيار وينطفئ المصباح.

يمثل الرسم البياني مثالاً لدارة كهربائية بسيطة حيث يتم نقل الطاقة الكهربائية من مصدر الطاقة إلى المصابيح الكهربائية عبر المفاتيح. يتحكم إغلاق المفاتيح أو فتحها في تشغيل أو إيقاف تشغيل المصابيح ، مما يسمح بنقل الطاقة الكهربائية إلى أجهزة الإضاءة.

مثال آخر:

1) في المصباح تتحول الطاقة الكهربائية We التي يكتسبها إلى طاقة إشعاعية Wr وطاقة حرارية Wth.

2) في المحرك تتحول الطاقة الكهربائية We التي يكتسبها إلى طاقة ميكانيكية Wm وطاقة حرارية Wth.

مولد الطاقة الكهربائية

الطاقة الكهربائية التي يوفرها المولد هي نتيجة تحويل شكل آخر من أشكال الطاقة ، مثل الطاقة النووية الميكانيكية أو الكيميائية، إلى طاقة كهربائية. المولدات ، والمعروفة أيضًا باسم مصادر الطاقة الكهربائية ، هي أجهزة مصممة لإنتاج وتزويد الجهد الكهربائي للدائرة.

– هناك أنواع مختلفة من المولدات المستخدمة لإنتاج الطاقة الكهربائية. فيما يلي مثالان شائعان الاستخدام:

• المولد الكهروميكانيكي
• المولد الكيميائي

أيًا كانت الطريقة المستخدمة ، يقوم المولد بتوصيل الجهد الكهربائي ، المعروف أيضًا باسم القوة الدافعة الكهربائية (EMF) أو فرق الجهد، عبر أطرافه. يقاس هذا الجهد بالفولت (V) ويمثل كمية الطاقة الكهربائية التي يوفرها المولد لكل حمولة وحدة.

مفعول جول 

تأثير جول هو ظاهرة فيزيائية تحدث عندما يتدفق التيار الكهربائي عبر موصل أوم (Ω)، مثل السلك أو المقاوم. عندما تتحرك الإلكترونات عبر الموصل ، فإنها تصادف الذرات التي تشكل مادة الموصل. تسبب هذه الاصطدامات تفاعلات بين الإلكترونات والذرات ، مما يؤدي إلى مقاومة تدفق التيار.

يتجلى تأثير جول من خلال تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. عندما تتحرك الإلكترونات خلال المقاومة ، فإنها تبدد الطاقة في شكل حرارة. تزيد هذه الطاقة الحرارية من درجة حرارة الموصل.

قانون جول

ينص قانون جول ، المعروف أيضًا باسم قانون التسخين في جول ، على أن كل الطاقة الكهربائية المكتسبة بواسطة موصل أوم يتم تحويلها إلى طاقة حرارية بتأثير جول. التعبير الرياضي لهذا القانون هو:

• تمثل Q الطاقة الحرارية الناتجة عن تأثير جول (معبرًا عنها بالجول ، J) ،
• I هي شدة التيار المتدفق عبر الموصل (معبرًا عنه بالأمبير ، I) ،
• R هي مقاومة الموصل (معبر عنها بالأوم ، Ω) ،
• Δt يمثل الوقت الذي يتدفق خلاله التيار عبر الموصل (معبرًا عنه بالثواني ، ثوانٍ).

تطبيقات مفعول جول

تأثير جول له العديد من التطبيقات العملية. على سبيل المثال ، يتم استخدامه في التدفئة الكهربائية ، حيث يتم تحويل الطاقة الكهربائية عمدًا إلى حرارة إلى أجهزة أو بيئات تسخين. كما أنها تستخدم في الإضاءة بالمصابيح المتوهجة ، حيث تتسبب الطاقة الكهربائية في توهج خيوط لإنتاج الضوء. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام تأثير جول في الأجهزة الواقية مثل الصمامات ، حيث تم تصميم المقاوم للتسخين والصهر في التيار الزائد لحماية الدائرة من الحمل الزائد.

ومع ذلك ، فإن تأثير جول له عيوب أيضًا. يتسبب في تبديد الطاقة الكهربائية ، مما قد يؤدي إلى فقدان الطاقة وتقليل الكفاءة في النظام الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي الزيادة في درجة الحرارة بسبب تأثير جول إلى إتلاف الدارة الكهربائية أو الإلكترونية ، الأمر الذي يتطلب إدارة مناسبة لتبديد الحرارة.

إقرأ أيضا:

• أدوات الكهرباء اللازمة
• مخططات دوائر كهرباء السيارات
• وحدة قياس تيار الكهرباء

خاتمة

يعد انتقال الطاقة في دارة كهربائية مجالًا أساسيًا لفهمه لأي تلميذ يدرس الكهرباء. من خلال استكشاف الأساسيات والتدرب على الأمثلة والتمارين ، يمكننا اكتساب فهم قوي لكيفية تدفق الطاقة في الدائرة. يمكن تطبيق هذه المعرفة على العديد من التطبيقات.

من المهم فهم أساسيات الدوائر الكهربائية ، مثل قانون جول والقوانين الأساسية للكهرباء ، من أجل تصميم الأنظمة الكهربائية واستخدامها بشكل فعال. في تصميم المستقبل ، ينصب التركيز على تحسين كفاءة الطاقة وتقليل الخسائر واستخدام الطاقة الكهربائية بشكل مستدام.