كيفية عمل دارة كهربائية بسيطة

سنقوم اليوم بتعليم الطلاب كيفية عمل دارة كهربائية بسيطة وبمكونات بسيطة متوافرة في كل مكان مثل البطاريات والمصباح او ليد الإضاءة والأسلات والمفاتيح (Switchs) من أجل تشغيل الدارة وإطفائها.

قبل الحديث عن دارتنا البسيطة علينا أن نعرف أن “الدارة المفتوحة” هي دارة لا يمر فيها تيار كهربائي. بحيث تكون غير موصولة عند نقطة على الأقل ويكون هناك عازل مثل الدارة التي في الاسفل. حيث أن المفتاح Switch مفتوح. ولا يوصل التيار الكهربائي ويكون العازل هنا الهواء.

ولكي تعمل الدارة يجب توصل المفتاح. وهنا نسمي الدارة بالدارة المغلقة.

كما يمكن تصنيف الدارات وفقاً لطريقة الوصل. فدارتنا تسلسلية. حيث تكون العناصر موصولة على التسلسل (كل طرف عنصر يوصل بطرف العنصر الذي يليه وهكذا حتى يتم إغلاق الدارة).

أما الدارات التفرعية فيكون فيها أفرع ضمن الائرة نفسها.

لاحظ في الدارة السابقة كيف يتم ربط كل المقاومات (R1, R2, R3) إلى نقطة واحدة وهو الربط التفرعي.

مكونات الدارة الكهربائية

قبل البدء بتركيب الدارة الكهربائية وتوصيلها علينا ان نجمع العناصر المطلوبة. وتتكون من:

1. بطاريتين من نوع AA تكون بجهد 1.5 فولت (وهي نفس البطاريات التي يتم تركيبها لساعات الحائط)
   
2. حامل البطاريتين (قم بشرائه من أي متجر كهرباء أو قد تجده في الألعاب القديمة).
3. وسلك توصيل
4. ومصباح LED
5. ومفتاح (زر أو سويتش)
   

لتوصيل الدارة وضمان عملها عليك أن تتبع مسارًا مغلقًا للتيار.

الحامل يكون مجهزا بطرفين سالب – (أسود اللون) وموجب + (أحمر اللون).

الآن، لنقم بالتوصيل. قم بأخذ سلك التوصيل ووصل الطرف الموجب (+) لحامل البطاريات بالطرف الأول من المفتاح (السويتش). المفتاح هنا يعمل كـقاطع للتيار، حيث يتحكم في فتح وإغلاق الدائرة. بعد ذلك، وصل الطرف الثاني من المفتاح بأحد طرفي المصباح LED. مصباح الـLED له قطبية، أي يجب أن يُوصل بشكل صحيح، فله طرف أطول يمثل الأنود (الموجب) وطرف أقصر يمثل الكاثود (السالب).

في هذه الدائرة البسيطة، يفضل توصيل الطرف الخارج من المفتاح بالطرف الموجب (الأنود) للمصباح.

أخيرًا، لإغلاق الدائرة، وصل الطرف الآخر للمصباح (الكاثود/السالب) بالطرف السالب (-) المتبقي في حامل البطاريات. بمجرد إغلاق هذه الحلقة، تكون الدائرة جاهزة. عند الضغط على المفتاح، يمر التيار الكهربائي من القطب الموجب للبطارية، ثم عبر المفتاح، ثم إلى المصباح ليضيئه، ويعود إلى القطب السالب للبطارية، وبذلك تكون قد أتممت مسارًا مغلقًا كاملًا للتيار.

أخيرا نبدأ بوضع البطاريتين AA داخل الحامل الخاص بهما. هذا الحامل الذي يعمل كـمصدر للجهد الكهربائي. الحامل يصل البطاريتين على التسلسل مما يعطينا جهد 1.5 × 2 = 3 فولت.

الجهد والتيار

لكي نفهم عمل هذه الدائرة، علينا أولاً استيعاب مفهوم الكهرباء. يمكن تعريف الكهرباء ببساطة على أنها شكل من أشكال الطاقة ناتجة عن وجود وحركة الشحنات الكهربائية. الحركة المنظمة لهذه الشحنات – وغالباً ما تكون الإلكترونات في الموصلات المعدنية مثل أسلاكنا – هي ما نسميه التيار الكهربائي.

هناك نوعان أساسيان للتيار: التيار المستمر (DC)، وهو التيار الذي تولده بطارياتنا حيث يتدفق في اتجاه واحد ثابت، والتيار المتردد (AC) الذي يغير اتجاهه بشكل دوري ويستخدم في المنازل والمصانع.

في دائرتنا، البطاريتان هما منبع الجهد. فـالجهد الكهربائي (Voltage)، الذي يُقاس بوحدة الفولت (Volt)، هو القوة الدافعة أو الفرق في الطاقة الكامنة بين نقطتين أي لا معنى لكلمة “الجهد” دون تحديد نقطتين، وهذا الجهد هو المسؤول عن “دفع” الشحنات وتحريكها عبر الدائرة.

أما التيار الكهربائي (Current)، الذي يُقاس بـالأمبير (Ampere)، فهو كمية الشحنات المارة عبر نقطة معينة في الدائرة خلال فترة زمنية محددة. بعبارة أخرى، الجهد هو “الضغط أو الدافع” والتيار هو “التدفق”.

وظيفة المكونات وكيف يعمل الـLED

كل مكون في دائرتنا له دور حيوي. فـالبطاريات هي القلب الذي يوفر الطاقة اللازمة لعمل الدارة، وبما أنك استخدمت بطاريتين AA، فالجهد الكلي هو مجموع جهد كل منهما (1.5V×2=3V). الأسلاك تعمل كـموصلات تسمح بمرور الإلكترونات بحرية. وتكون الاسلاك النحاسية أفضل من الأسلاك الخليطة حيث تمرر التيار بصورة أكبر.

أما مصباح الـLED ( وهو اخصار لـ الصمام الثنائي الباعث للضوء)، فهو جهاز شبه موصل يحول الطاقة الكهربائية مباشرة إلى ضوء. يعمل الـLED بجهد وتيار محددين (وسطيا 2 فولت)، ولذلك يجب الانتباه دائمًا إلى توصيله بشكل صحيح. عندما يمر التيار في الاتجاه الصحيح (من الأنود إلى الكاثود)، فإنه يجبر الإلكترونات على العبور عبر طبقات المادة شبه الموصلة، وخلال هذه العملية تُطلق الطاقة الزائدة على شكل فوتونات، وهي جسيمات الضوء.

لقد استخدمنا بطاريتين بمجموع 3 فولت من أجل عمل الليد. حيث لا تضيء الليدات في الجهد تحت 2 فولت أو 1.9 حسب نوع الليد ولونه. و3 فولت جهد عالي على الليد لكن ضمن النطاق المقبول ولا يسبب تلفه وإنما سيضيء بسطوع أكبر.

أما المفتاح ببساطة هو باختصار للتحكم في تشغيل الدارة وإطفائها كي لا نضطر لوصل الأسلاك وفكها في كل مرة.

قانون أوم وحساب تيار الدائرة

لفهم العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة في أي دائرة، نستخدم قانون أوم، وهو حجر الزاوية في الكهرباء. ينص القانون على أن الجهد (V) يساوي حاصل ضرب التيار (I) في المقاومة (R):

V=I×R

أو بعبارة أخرى، يمكن حساب التيار المار في الدائرة إذا عرفنا الجهد والمقاومة الكلية للدائرة:

I=RV​

في دائرتك، سيكون الجهد الكلي V هو 3V (من البطاريتين). أما المقاومة R، فهي تتكون من مقاومة الـLED الداخلية بالإضافة إلى أي مقاومة صغيرة في الأسلاك والمفتاح. لكي يعمل الـLED بشكل صحيح وآمن، عادة ما يتم إضافة مقاوم حماية بشكل متسلسل معه للحد من التيار المار فيه، لأنه إذا مر تيار أكبر من طاقته سيحترق. بالنظر إلى أن الـLED يحتاج عادة إلى تيار صغير (مثلاً 20mA أو 0.02A)، فإن قيمة المقاوم تحدد لضمان عدم تجاوز هذا الحد. فهم هذه العلاقة الرياضية يضمن لنا ليس فقط تشغيل الدائرة بل تشغيلها بكفاءة وأمان تامين.

لنحسب قيمة المقاومة لجعل التيار المثالي لعمل الليد 20 مل أمبير نطبق قانون اوم

R = V / I
R = 3 / 0.02
R = 150 Ohm

أي يجب إضافة مقاومة 150 أوم للدارة ليعمل الليد وفق التيار المسموح له.

يمكن استخدام مقاومة متغيرة من أجل تحديد القيمة الأنسب للمقاومة. حيث تساعد تلك المقاومة على اختيار قيمة مناسبة وفق مجال واسع دون الحاجة لبحث عن قيمة محدد 150 اوم في حال عدم توفرها لدينا.

إقرأ حول مقسم الجهد