أساسيات الكهرباء. مفهوم الكهرباء معاملات القياس الكهربائية ووحداتها- القوانين الأساسية للكهرباء-أنواع التيار الكهربائي-الدائرة الكهربائية-اجهزة قياس الكهرباء وقوانين الكهرباء

 مقدمة

القياس ذو أهمية بالغة في العلوم الفيزيائية، وضمان الجودة، والهندسة وهو عملية مقارنة الكميات الفيزيائية التي توصف الأشياء أوالظواهر ما مع تلك التي اختيرت كوحدة للقياس.[1][2][3] القيمة الرقمية للكمية المقاسة هي رقم يثبت العلاقة بين الكمية المقاسة ووحدة القياس المختارة. والجهاز المستخدم في القياس يسمة جهاز أو أداة القياس. جميع أجهزة القياس معرضة لدرجات مختلفة من الخطأ والارتياب.

في هذه الوحدة سوف نتطرق لأهم قوانين الكهرباء وأهم أجهزة القياس التي يستعملها المثبتون  خلال عمليات التركيب والصيانة لأنظمة الطاقة الشمسية

 أجهزة قياس  الكهرباء, الافوميترAVOmeter , الأ فوميتر الرقمي (Digital AVOmeter), الأ فوميتر التماثليAvometer Analog, الكلامبميتر : Clampmet ,الأ وسيليسكوب : Oscilloscop 

قواعد قياس الكهرباء :  قياس شدة  تيار الكهرباء :قياس فرق الجهد, المقاومة  الكهربائية :

القوانين الأساسية للكهرباء: . قانون أوم Ohm’s Law, قانون القدرة الكهربائية (قانون وات)Watt’s Law 

 

أنواع التيار الكهربائي: . التيار المستمر و التيار المتردد و الفرق بينهما 

الدائرة الكهربائية و مكوناتها 

 
أساسيات الكهرباء

-الافوميترAVOmeter

 الافوميتر AVOmeter:

هو جهاز يستخدم لقياس فرق الجهد، و شدة التيار، والمقاومة، وهو نوعان:
أ- الافوميتر التماثلي أو الميكانيكي.
ب – الافوميتر الرقمي.

الأ فوميتر التماثليAvometer Analog:

ويستخدم في حساب قيمة(فرق الجهد، و التيار والمقاومة) ويستخدم نظام المؤشر عند
القراءة وفي هذه الحالة يجب وضع المؤشر(في الصفر) قبل استخدامه.

الكهرباء الأ فوميتر التماثلي
يوضح الافوميتر التماثلي

أجهزة قياس الكهرباء

الأ فوميتر الرقمي (Digital AVOmeter):

يعطى قيمة )فرق الجهد، والتيار والمقاومة( بالأرقام عند القياس، وبه شاشة صغيرة
توضح نوع القيمة المراد قياسها بالأرقام

أجهزة القياس و مبادئ الكهرباء الأ فوميتر التماثلي
يستخدم في حساب قيمة(فرق الجهد، و التيار والمقاومة) ويستخدم نظام المؤشر عند القراءة
أجهزة القياس و مبادئ الكهرباء الثيرموميتر_Thermom
يوضح جهاز الثيرموميتر

الثيرموميتر: Thermometer

جهاز يستخدم لقياس درجة حرارة الخلايا الشمسية والاجواء المحيطة بها ، ووحدة
قياس درجة الحرارة ( درجة مئوية ( C)) و( درجة فهرنهايت ) .

القوانين الأساسية للكهرباء

أجهزة القياس و مبادئ الكهرباء يوضح مجس حراري Thermo Sensor
يوضح مجس حراري Thermo Sensor

الكلامبميتر : Clampmet

هو جهاز يستخدم لقياس شدة التيار وذلك أثناء عمل الدائرة الكهربائية دون الحاجة
لفصل الدائرة ثم أعادة توصيلها مرة أخرى.

1 فكا الجهاز.
-2 ضاغط لفتح الفكين.
-3 شاشة العرض .LCD
-4 ضاغط لحفظ القيمة العظمى.
-5 ضاغط لحفظ المعلومات التي على الشاشة.
-6 مفتاح اختيار دوار.
-7 بنانة لتوصيل الطرف COM
-8 بنانة لتوصيل طرف قياس الجهد / L1/Ω
-9 بنانة لتوصيل طرف القياس L3
-10 ضاغط لقياس التردد
-11 ضاغط لإظهار آقل واقصى قيمة للقراءة.

أجهزة القياس الكهرباء الكلامبميتر

هو جهاز معملي يستخدم لمعرفة نوع الموجة أو الإشارة الكهربائية وتحديد شكلها
فيما إذا كانت جيبية أو مربعة مثلاً. و يعتبر الاوسيليسكوب من أهم أجهزة القياس
واختبار الدوائر الإلكترونية، حيث يمكننا رؤية الإشارات في نقاط متعددة من الدوائر؛
وبالتالي نستطيع اكتشاف ما إذا كان يعمل بصورة صحيحة أم لا.
أيضاً يستخدم للقياسات الدقيقة للكميات الكهربائية كشدة التيار وفرق الجهد.
يقوم الأوسيليسكوب بقياس فرق الجهد بطريقة مباشرة بينما يقوم بقياس التيار
عن طريق قياس فرق الجهد بين طرفي مقاومة معلومة.

الأ وسيليسكوب : Oscilloscop

أجهزة القياس و مبادئ الكهرباء جهاز الأوسيليسكوب
جهاز الأوسيليسكوب

قواعد قياس الكهرباء

تمرين عملي:

عند استخدام الأ فوميتر يجب وضع المؤشر (في وسط الجهاز) بحيث يشير للشيء
المراد قياسه (جهد، تيار، مقاومة) وذلك قبل استخدامه في الدائرة الكهربية، و أي
خطأ في هذه الحالة يقود إلى تلف جهاز القياس.
وذلك مثلاً أ ن يكون وضع المؤشر في (الأ وم) واستعماله لقياس فرق جهد.

 قياس فرق الجهد الكهرباء

في حالة استخدام الجهاز لقياس فرق الجهد يوصل الجهاز على التوازي بين النقطتين
المراد معرفة الجهد بينهما، بحيث يوصل الطرف السالب في الجهاز مع النقطة السالبة
وموجب الجهاز مع النقطة الموجبة.

 قياس شدة  تيار الكهرباء :

عند استخدام جهاز الافوميتر لقياس شدة التيار، يوصل على التوالي مع الدائرة في
النقطة المراد معرفة شدة التيار فيها مع مراعاة الاتجاهات عند التوصيل.
إذا كانت أقطاب الأفوميتر )السالب والموجب( معكوسة عند التوصيل فسوف يتحرك
المؤشر في الإتجاه المعاكس. وهذا في حالة الأفوميتر الميكانيكي، أما في حالة الرقمي
فتكون القراءة في الشاشة بالسالب، وفى هذه الحالة يجب عكس القطبين )قطبي
الافوميتر( في الدائرة وهذا يعطى الجهاز القراءة بصورة صحيحة.4.4.2.

المقاومة  الكهربائية :

في حالة قياس المقاومة يجب توصيل الأفوميتر بين طرفي المقاومة دون اعتبار لاتجاهات
السالب والموجب.

جدول تحويل وحدات قياس الكهرباء

الطول

Length

بوصة – inch (In)

متر – meter (m)

قدم – feet (ft)

متر – meter (m)

1

0.0254

1

0.3048

الحجم

Volume

جالون – gal

م3 – m3

لتر – L

م3 – m3

1

0.00378541

1

0.001

معدل التدفق

Flow

جالون/دقيقة – gal/min

م3/ساعة – m3/Hr

لتر/دقيقة – L/min

م3/ساعة – m3/Hr

1

0.227125

1

0.06

القدرة

Power

حصان –hp

وات –W

سعرة حرارية – cal

وات – W

جدول الأرقام السابقة لوحدات الكهرباء

الرقم العشري

Numeric Value

أس العدد 10

Power of 10

الاسم

Name

الرمز

Symbol

1,000,000,000,000,000

1 x 1015

بيتا – Peta

P

1,000,000,000,000

1 x 1012

تيرا – Tera

T

1,000,000,000

1 x 109

جيجا – Giga

G

1,000,000

1 x 106

ميجا – Mega

M

1,000

1 x 103

كيلو – Kilo

K

1

1 x 100

 

 

0.01

1 x 10-2

سنتي – Centi

c

0.001

1 x 10-3

ميلي – Mili

m

0.000,001

1 x 10-6

ميكرو – Micro

m

0.000,000,001

1 x 10-9

نانو – Nano

n

0.000,000,000,001

1 x 10-12

بيكو – Pico

p

0.000,000,000,000,001

1 x 10-15

فيمتو – Femto

f

القوانين الأساسية للكهرباء:

1. قانون أوم Ohm’s Law:

المقاومة  الكهربائية

التعريف: هو مقدار مقاومة سلك موصل لمرور تيار كهربائي ناتج عن مصدر للجهد الكهربائي، ووحدة قياسه تسمى بالأوم (W) Ohm، ويعبر رياضيا بالمعادلات التالية:

R=V/I       ,V=R×I          ,I=V/R

ويعتبر قانون أوم هاما في دراسة الدوائر الكهربائية ويمكن فهم ذلك من خلال المثال التالي:

مثال : لدينا لوحين شمسيين الأول قدرته الإنتاجية 300 وات ينتج أقصى جهد كهربائي V = 36 v وأقصى تيار كهربائي I = 8.3 A والآخر قدرته الإنتاجية 250 وات ينتج أقصى جهد كهربائي V = 30 v، وأقصى تيار كهربائي I = 8.3 A، أحسب مقاومة سلك موصل عند توصيله مع كلاً من اللوحين.

الحل:

  • مقاومة السلك عند توصيله باللوح الأول: R=V/I=36/8.3=4.34Ω
  • مقاومة السلك عند توصيله باللوح الثاني:R=V/I=30/8.3=3.61Ω

ومن خلال المثال السابق نلاحظ أنه عند ثبات التيار الكهربائي ونقص الجهد الكهربائي تنقص المقاومة الكهربائية. ولابد من التمييز بين المقاومة الكهربائية الناتجة من قانون أوم والمقاومة الكهربائية الناتجة من المقاومة النوعية للسلك الموصل والتي تعتمد على مساحة مقطعه وطوله.

معادلات قانون أوم وقانون وات الكهرباء
معادلات قانون أوم وقانون وات

2. قانون القدرة الكهربائية (قانون وات)Watt’s Law :

التعريف: تعرف القدرة الكهربائية بأنها مقدار الطاقة الكهربائية المحولة أو المستخدمة، ووحدة قياس القدرة الكهربائية تسمى بالوات Watt (W)، وبالنسبة لعلاقة القدرة الكهربائية مع كلا من الجهد الكهربائي والتيار الكهربائي بالمعادلات التالية:

P=V×I              ,V=P/I                     ,I=P/V

مفهوم قانون القدرة الكهربائية يعتبر أساسيا لتفسير أداء واستخدامات الأجهزة الكهربائية للطاقة الكهربائية وتقييم المصادر الكهربائية اللازمة لتشغيل تلك الأجهزة الكهربائية وذلك من خلال الربط بين قانون وات وقانون أوم الموضح بالشكل .

معادلات قانون أوم وقانون وات الكهرباء
معادلات قانون أوم وقانون وات

3. قانون الطاقة الكهربائية:

 

التعريف: هي مقدار الطاقة المستهلكة للطاقة الكهربائية الناتجة من المصادر الكهربائية كالألواح الشمسية والبطاريات والمولدات. وتقاس الطاقة الكهربائية المستهلكة بوحدة (الوات–ساعة) (Watt-Hr)، وتعتبر الوحدة العالمية لقياس الطاقة الكهربائية.

E=P(Watt)×t(Hour)=W.Hr 

1W.Hr=1×60×60=3600W.s=3600J(2-3)

1W.s=J

4. مصدر القدرة الكهربائية Power Supply:

 

وظيفة مصدر القدرة الكهربائية هو إنتاج جهد كهربائي على نهايتيه مزودا تيار كهربائي للأحمال الكهربائية الموصلة بنهايتي ذلك المصدر. ومثال لأنواع المصادر الكهربائية البطاريات (تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية) والألواح الشمسية (تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية).

مثال : لدينا بطارية تنتج قدرة كهربائية مستمرة ويعبر عن القدرة الإنتاجية الكهربائية للبطارية التي يمكن إنتاجها في زمن معين بسعة البطارية وتقاس بوحدة (أمبير.ساعة) (A.Hr)، وتلك القدرة الإنتاجية تكون عند جهد كهربائي ثابت يعرف بجهد البطارية. إذا كان لدينا بطارية بجهد كهربائي 12 v وسعة 100 A.Hr وبافتراض أنه يمكننا استخدام قدرة البطارية كاملة في 10 ساعات لتشغيل حمل كهربائيا أحسب الآتي:

  1. مقدار التيار الكهربائي المار في الحمل في الساعة الواحدة.
  2. مقدار القدرة الكهربائية التي يستهلكها الحمل.
  3. مقدار الطاقة الكهربائية بوحدة الوات ساعة Hr التي استهلكها الحمل الكهربائي في 10 ساعات.

الحل:

  1. التيار الكهربائي المار في الحمل :BatteryCapacity” /Hr=(100A.Hr) /10Hr=10A
  2. مقدار القدرة الكهربائية التي يستهلكها الحمل: P=V×I=12v×10A=120W
  3. الطاقة الكهربائية بوحدة الوات.ساعة hr التي استهلكها الحمل الكهربائي في 10 ساعات: وهي تساوي القدرة المستوعبة في البطارية:

    E=P(W)×t(Hr)=120W×10Hr=1200W.Hr

أنواع التيار الكهربائي

1. التيار المستمر Direct Current (DC):

تيار كهربائي يمر في اتجاه واحد ناتج عن فرق جهد ثابت القيمة والاتجاه ويمكن إنتاجه من البطاريات والألواح الشمسية ويدلل على التيار المستمر المستخدم في الأجهزة الكهربائية بالإشارة الموضحة بالشكلالكهرباء

الكهرباء
العلاقة البيانية لفولتية التيار المستمر كدالة في الزمن

2. التيار المتردد Alternating Current (AC):

تيار كهربائي يمر في كلا الاتجاهين ويكون ناتج عن فرق جهد متفاوت في القيمة والاتجاه، ويمكن إنتاجه من خلال المولدات الكهربائية وهو النوع الشائع المستخدم في معظم الأحمال المنزلية التي تحصل على التيار المتردد من الشبكة العامة للكهرباء.

الكهرباء

الكهرباء
العلاقة البيانية لفولتية التيار المتردد كدالة في الزمن

الفرق بين التيار المتردد و المستمر

 

الخاصية الكهربائيةالتيار المتردد (AC)التيار المستمر (DC)
مصادر التوليدالمولدات والشبكة العامةالخلية الكهروضوئية والبطاريات وتوربين الرياح
كمية الطاقة المنقولةمحفوظة ويمكن نقلها لمسافات طويلة وبقدرات عاليةانتقالها محدود والفقد عالي نتيجة لهبوط فرق الجهد
التخزين الكهربائيلا يمكن تخزينهايمكن تخزينها في بطاريات
التردديتراوح ما بين 50 – 60 Hzالتردد صفر
الاتجاهتعكس اتجاهها بفترات زمنية قياسية متناوبة القيمة أثناء مرورها بالدائرة الكهربائيةتتدفق في الدائرة الكهربائية باتجاه واحد فقط
كمية التيارتقاس بأكبر قيمة متغيرة مع الزمنقيمة التيار ثابتة
تدفق الإلكتروناتتظل تغير اتجاه تدفقها للإمام والخلفتظل مستمرة التدفق في اتجاه واحد
أنواع وأشكال التيارشكل الموجة جيبيه، منشارية، مربعةشكل خط مستقيم ثابت

الدائرة الكهربائية

 

تتكون الدائرة الكهربائية الأساسية من العناصر التالية:

  1. مصدر للقوة الدافعة الكهربائية (فرق الجهد الكهربائي): مثل الألواح والبطاريات في حالة التيار المستمر والمولدات الكهربائية في حالة التيار المتردد.
  2. أسلاك معدنية موصلة كهربائيا: تنتقل من خلالها الإلكترونات المكونة للتيار الكهربائي المتدفق في هذه الدائرة الكهربائية.
  3. الأحمال الكهربائية: هي أجهزة وأدوات يمكنها تحويل الطاقة الكهربائية إلى شكل آخر من أشكال الطاقة مثل الطاقة الضوئية (لمبات الإضاءة)، الطاقة الحرارية (سخانات المياه ومكيفات التدفئة والتبريد)، الطاقة الحركية (مراوح التهوية ومضخات المياه) عند مرور التيار الكهربائي بها.
  4. عناصر التحكم والسلامة: يقصد بها الأدوات الكهربائية التي تقوم بفصل التيار الكهربائي عن الأحمال (دائرة مفتوحة)، أو توصيل التيار الكهربائي للأحمال الكهربائية (دائرة مغلقة) مثل المفاتيح والقواطع والفيوزات الكهربائية.

مكونات الدائرة الكهربائية 

يوضح الشكل مكونات الدائرة الكهربائية الرئيسية:

الدائرة الكهربائية
شكل مبسط لمكونات الدائرة الكهربائية الأربعة
  1. المصدر الكهربائي (Cell)
  2. السلك الموصل (Conductor Wire)
  3. الحمل الكهربائي “مصباح” (Load “Bulb”)
  4. مفتاح (Switch)

توصيل المصادر والأحمال الكهربائية (DC)

 

توصيل المصادر الكهربائية على التوالي والتوازي في دوائر التيار المستمر (DC):

التوصيل التوالي:

الكهرباء

هو توصيل الطرف الموجب للمصدر الكهربائي الأول (البطارية) بالطرف السالب للمصدر الكهربائي الثاني للحصول على فرق جهد أكبر ويساوي مجموع فرق جهدي المصدرين مع شرط تساوي كمية التيار المنتجة من كل مصدر.

التوصيل التوازي:

الكهرباء

هو توصيل الطرف الموجب للمصدر الأول مع الطرف الموجب للمصدر الثاني وكذلك الحال بالنسبة للسالب مع السالب للحصول على كمية أكبر من التيار الكهربائي (حاصل مجموع تياري المصدرين) مع شرط تساوي فرق الجهد لكلا من المصدرين.

 

توصيل الأحمال الكهربائية على التوالي والتوازي في دوائر التيار المستمر (DC):

التوصيل التوالي:

الكهرباء

توصيل الأحمال على التوالي مثل فكرة توصيل المصادر الكهربائية ولكن تختلف عن الهدف وهو الحصول على فرق جهد مجزأ على كل حمل بحسب مقاومته للتيار (مجموع الجهود للأحمال يعطي جهد المصدر) بينما تبقي كمية التيار المارة في كل حمل ثابتة.

التوصيل التوازي:

الكهرباء توصيل الأحمال على التوازي نفس طريقة توصيل المصادر الكهربائية ولكن الغرض منه هو تجزئة التيار الكلي إلى تيارات فرعية بحسب حاجة كل حمل بينما تساوي قيمة فرق الجهد على كل حمل تساوي قيمة الجهد الناتج عن المصدر الكهربائي.

تقدمك في الدليل
واصل أنت تعلم اليوم أكثر 14%