اتم

اَتُم (به انگلیسی: Atom) واژه‌ای است یونانی به معنی «ناگسستنی» (من تقسیم نمی‌شوم)،[۲] اتم واحد تشکیل دهنده تمام مواد (یا تک تک عناصر شیمیایی) است که متشکل از یک هسته مرکزی است که محاطه شده با ابر الکترونی با بار منفی. تعریف دیگری آن را به عنوان کوچکترین واحدی در نظر می‌گیرد که ماده را می‌توان به آن تقسیم کرد بدون اینکه اجزاء بارداری از آن خارج شود.[۳] اتم ابری الکترونی، تشکیل‌شده از الکترونها با بار الکتریکی منفی، که هستهٔ اتم را احاطه کرده‌است. هسته نیز خود از پروتون که دارای بار مثبت است و نوترون که از لحاظ الکتریکی خنثی است تشکیل شده‌است. زمانی که تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم با هم برابر هستند اتم از نظر الکتریکی در حالت خنثی یا متعادل قرار دارد در غیر این صورت آن را یون می‌نامند که می‌تواند دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی باشد. اتم‌ها با توجه به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های آنها طبقه‌بندی می‌شوند. تعداد پروتون‌های اتم مشخص کننده نوع عنصر شیمیایی و تعداد نوترون‌ها مشخص‌کننده ایزوتوپ عنصر است.[۴]

نظریه مکانیک کوانتومی تصویر پیچیده‌ای از اتم ارائه می‌دهد و این پیچیدگی دانشمندان را مجبور می‌کند که جهت توصیف خواص اتم بجای یک تصویر متوسل به تصاویر شهودی متفاوتی از اتم شوند. بعضی وقت‌ها مناسب است که به الکترون به عنوان یک ذره متحرک به دور هسته نگاه کرد و گاهی مناسب است به آنها عنوان ذراتی که در امواجی با موقعیت ثابت در اطراف هسته (مدار: orbits) توزیع شده‌اند نگاه کرد. ساختار مدارها تا حد بسیار زیادی روی رفتار اتم تأثیر گذارده و خواص شیمیایی یک ماده توسط نحوه دسته بندی این مدارها معین می‌شود.[۳]

جهت بررسی اجزاء یک ماده، می‌توان به صورت پی در پی آن را تقسیم کرد. اکثر مواد موجود در طبیعت ترکیب شلوغی از مولکول‌های مختلف است. با تلاش نسبتاً کمی می‌توان این مولکول‌ها را از هم جدا کرد. مولکول‌ها خودشان متشکل از اتم‌ها هستند که توسط پیوندهای شیمیایی به هم پیوند خورده‌اند. با مصرف انرژی بیشتری می‌توان اتم‌ها را از مولکول‌ها جدا کرد. اتم‌ها خود از اجزاء ریزتری بنام هسته و الکترون تشکیل شده که توسط نیروهای الکتریکی به هم پیوند خورده‌اند و شکستن آنها انرژی بسی بیشتری طلب می‌کند. اگر سعی در شکستن این اجرا زیر اتمی با صرف انرژی زیاد بکنیم، کار ما باعث تولید شدن ذرات جدیدی می‌شویم که خیلی از آنها بار الکتریکی دارند.[۳] همانطور که اشاره شد اتم از هسته و الکترون تشکیل شده‌است. جرم اصلی اتم در هسته قرار دارد؛ فضای اطراف هسته عموماً فضای خالی می‌باشد. هسته خود از پروتون (که بار مثبت دارد)، و نوترون (که بار خنثی دارد) تشکیل شده. الکترون هم بار منفی دارد. این سه ذره عمری طولانی داشته و در تمامی اتم‌های معمولی که به صورت طبیعی تشکیل می‌شوند یافت می‌شود. بجز این سه ذره، ذرات دیگری نیز در ارتباط با آنها ممکن است موجود باشد؛ می‌توان این ذرات دیگر را با صرف انرژی زیاد نیز تولید کرد ولی عموماً این ذرات زندگی کوتاهی داشته و از بین می‌روند.[۳]

اتم‌ها مستقل از اینکه چند الکترون داشته باشند (۳ تا یا ۹۰ تا)، همه تقریباً یک اندازه دارند. به صورت تقریبی اگر ۵۰ میلیون اتم را کنار هم روی یک خط بگذاریم، اندازه آن یک سانتیمتر می‌شود. به دلیل اندازه کوچک اتم‌ها، آنها را با واحدی به نام آنگستروم که برابر ۱۰- ۱۰ متر است می‌سنجند.[۳]

با وجود اینکه منظور از اتم ذره‌ای تجزیه ناپذیر بود، امروز می‌دانیم که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده‌است. الکترونها، پروتونها و نوترونها ذرات تشکیل دهندهٔ اتم هستند. الیته یون هیدروژن بدون الکترون و نیز هیدروژن-۱ بدون نوترون است.

در مدل استاندارد، الکترون‌ها ذرات بنیادی، یعنی بدون ساختار داخلی، پنداشته می‌شوند؛ در حالی که پروتون‌ها و نوترون از ذرات دیگری به نام کوارک تشکیل شده‌اند.

هسته

هسته دارای نوترون و پروتون است. پروتون دارای بار مثبت (+) و نوترون بدون بار است؛ و در خارج از هسته الکترون وجود دارد که بار آن منفی(-)است.

مولکول ، دسته‌ای از اتمهاست که با پیوندهای شیمیایی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. مولکول‌های یک عنصر ، یکسان و فقط حاوی اتمهای از یک نوع هستند. مثلا مولکول‌های گاز اکسیژن از دو اتم اکسیژن تشکیل شده‌اند. مولکولهای یک ترکیب نیز یکسانند. اما در این مورد ، هر مولکول حاوی بیش از یک اتم است. مثلا در آب ، هر مولکول از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است.

 

همه گازها ، اکثر مایعات و بسیاری از جامدات غیر فلزی از مولکول تشکیل شده است.

به هر ماده‌ای که جریان الکتریسیته را به خوبی از خود عبور دهد، رسانا یا هادی می‌گویند.

رساناهای متداول از سیم مسی تقریباً خالص و دارای انعطاف قابل قبول یا از‎ ‎آلومینیوم‎ ‎یا آلیاژهای مخصوص ساخته می‌شوند. سطح مقطع رساناها با توجه به مقدار‎ ‎جریان‎ ‎عبوری و نوع کاربرد در اندازهای گوناگون و شکلهای متفاوت درست می‌شود‎.‎ اگر اتمی در لایهٔ آخر خود ۱ یا ۲ الکترون داشته باشد آن رسانا خواهد بود.

بهترین رساناهای الکتریکی به ترتیب گرافیت، نقره و مس هستند.

عایق الکتریکی یا نارسانا، ماده‌ای است که به میدان الکتریکی پاسخ نمی‌دهد و کاملا در برابر جریان بارهای الکتریکی مقاومت می‌کند. در عمل عایق کامل وجود ندارد، بنابراین مواد دی‌الکتریک با ثابت دی‌الکتریک بالا را عایق الکتریکی می‌نامند. در مواد دی‌الکتریک الکترون‌های والانس به شدت به اتم‌هایشان وابسته‌اند. این مواد در تجهیزات الکتریکی همچون عایق‌ها یا عایق‌بندی بکار می‌روند. از عایق الکتریکی برای حمایت از رسانای الکتریکی یا جداسازی آن استفاده می‌شود، بدون آنکه جریانی از درونش عبور کند. در انگلیسی از واژهٔ insulator که به معنای عایق الکتریکی است، برای اشاره به مقره‌های خطوط انتقال انرژی الکتریکی نیز استفاده می‌شود.[۱]

برخی مواد همچون شیشه، کاغذ یا پلی تترافلوئورواتیلن، عایق‌های الکتریکی بسیار خوبی هستند. با وجود اینکه مواد دیگر ممکن است مقاومت الکتریکی پایین‌تری داشته باشند، مواد بسیار دیگری هم هستند که برای عایق‌بندی سیم‌کشی برق و کابل‌ها به اندازهٔ کافی مناسبند. از جمله بسپارهای لاستیک‌مانند و بیشتر پلاستیک‌ها. اینگونه مواد می‌توانند به عنوان عایق‌هایی کاربردی و ایمن برای ولتاژهای پایین یا متوسط (صدها یا حتی هزاران ولت) بکار روند.[۱]

نیم‌رسانا یا نیمه‌هادی (به انگلیسی: Semiconductor) عنصر یا ماده‌ای است که در حالت عادی عایق باشد، ولی با افزودن مقداری ناخالصی قابلیّت هدایت الکتریکی پیدا کند. (منظور از ناخالصی عنصر یا عناصر دیگری‌ست غیر از عنصر اصلی یا پایه. مثلاً اگر عنصر پایه سلیسیوم باشد ناخالصی می‌تواند آلومنیوم یا فسفر باشد.) نیمه‌‌رسانا‌ها در نوار ظرفیت خود چهار الکترون دارند. میزان مقاومت الکتریکی نیمه‌رساناها بین رساناها و نارساناها می‌باشد. از نیمه رساناها برای ساخت قطعاتی مانند دیود، ترانزیستور، تریستور، آی سی و ... استفاده می‌شود. ظهور نیمه رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی را در این علم ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است.

انواع نیم‌رساناها

نیمه‌رساناها به دو نوع قسمت‌بندی می‌شوند.

1.            نیمه‌رسانای ذاتی (خالص)

2.            نیمه‌رسانای غیر‌ذاتی (دارای ناخالصی)

در نیمه‌رسانای ذاتی تعداد حفره و الکترون برابر است، در صورتی که در نیمه‌رسانای غیر ذاتی چنین نیست. نیمه رسانای غیر ذاتی با آلاییدن نیمه‌رسانای چهار ظرفیتی با یک عنصر سه یا پنج ظرفیتی پدید می‌آید. نیمه‌رساناهای غیر ذاتی به دو دسته تقسیم می‌شوند.

1.            نوع پی P یا Possitive یا گیرنده الکترون آزاد (پذیرنده) که در آن تعداد حفره‌ها بیشتر است.

1.            نوع ان N یا Negative یا دارنده الکترون آزاد (دهنده) که در آن تعداد الکترون‌ها بیشتر است.

عناصر نیم‌رسانا

از عناصر نیمه‌رسانا می‌توان به سلیسیوم و ژرمانیوم که پایهٔ الکترونیک هستند اشاره کرد. سلیسیوم در حالت عادی نیمه‌رسانا است و در جدول تناوبی در گروه چهار اصلی و زیر کربن قرار دارد و چهار ظرفیتی می‌باشد یعنی چهار الکترون در آخرین باند خود دارد. حال اگر یکی از عناصر گروه مجاور را به سلیسیوم بیافزاییم، باعث می‌شویم که سلیسیوم قابلیت رسانایی بالاتری پیدا کند. اگر عنصر اضافه شده از گروه سوم اصلی باشد مثلا آلومینیوم، آنگاه مادهٔ بدست آمده نیمه رسانای نوع پی P می‌شود و اگر عنصر اضافه شده از گروه پنج اصلی باشد مثلا آرسنیک، آنگاه مادهٔ بدست آمده نیمه‌رسانای نوع ان N می‌شود. ژرمانیوم از این جهات مانند سیلیسیوم است ولی تفاوت‌هایی هم با آن دارد. با افزودن ٪۰/۰۰۱ آرسنیک به ژرمانیوم رسانش آن ۱۰ هزار برابر افزایش پیدا می‌کند.

ساخت ادوات الکترونیکی بوسیله نیمه‌رسانا

طریقه ساخت دیود از نیمه‌رساناها

از پیوند نیمه رسانای نوع N با نوع P عنصری به نام دیود بدست می‌آید که خاصیت یکسو سازی آن بیشترین کاربرد را در الکترونیک دارد (در دیود هیچ تفاوتی بین اینکه نوع P را با نوع N پیوند دهیم یا نوع N را با نوع P پیوند دهیم وجود ندارد و در هر صورت عنصر بدست آمده دیود خواهد بود.)

دیود از نوع سیلیسیم تا ولتاژ حدود ۰/۷ ولت عایق بوده و بعد از آن به یک رسانای خوب تبدیل می‌گردد. این ولتاژ آستانهٔ تحریک برای دیودهای مختلف متفاوت است و مثلا برای دیودهای ژرمانیومی حدود ۰/۲۵ ولت است؛ یعنی برای روشن شدن دیود سلیسیومی ۰/۷ ولت نیاز است ولی برای روشن شدن دیود ژرمانیومی ۰/۲۵ ولت لازم است.

روش ساخت ترانزیستور از نیمه رساناها

ترانزیستور از پرکاربردترین و اصلی‌ترین عناصر در مدارات الکترونیکی و مجتمع می‌باشد. اگر نوع P را با نوع N و دوباره با نوع P پیوند دهیم عنصر بدست آمده ترانزیستور PNP نام خواهد داشت. برعکس اگر اگر نوع N را با نوع P و دوباره با نوع N پیوند دهیم عنصر بدست آمده ترانزیستور NPN نام خواهد داشت که بیشتر از ترانزیستور PNP در صنعت کاربرد دارد.

 

بَسامَد، تَواتُر یا فرکانس (به انگلیسی: frequency) به اندازه‌گیری تعداد دفعاتی گویند که یک رویداد تناوبی در واحد زمان اتفاق می‌افتد. برای محاسبه بسامد باید یک بازه زمانی را مشخص کرده، تعداد رخ دادن یک رویداد را در آن بازه زمانی شمرده و سپس این شماره را بر مدت آن بازه زمانی تقسیم کرد. راه دیگر محاسبه بسامد، اندازه‌گیری زمان میان دو رویداد پیاپی (تناوب) و سپس اندازه‌گیری بسامد به عنوان وارونه این زمان است: رابطه بسامد به این گونه‌است:

 

در این فرمول T همان تناوب است.

فرکانس اندازه گیری تعداد تکرار اتفاقی در واحد زمان است. برای محاسبه فرکانس بر روی یک بازه زمانی ثابت، تعداد دفعات وقوع یک حادثه را در آن بازه می شماریم و سپس این تعداد را بر طول بازه زمانی تقسیم می کنیم. پس از فیزیک دان آلمانی هاینریش رودولف هرتز، در سیستم واحدهای SI فرکانس با هرتز(Hz) اندازه گیری می‌شود. یک هرتز به این معنی است که یک واقعه یک بار بر ثانیه رخ می‌دهد.

واحدهای دیگری که برای اندازه گیری فرکانس بکار می‌روند به این شرح هستند: سیکل بر ثانیه، دور بر دقیقه (rpm). سرعت قلب توسط واحد ضربان بر دقیقه اندازه گیری می‌شود. یک روش جایگزین برای محاسبه فرکانس، اندازه گیری زمان بین دو رخداد متوالی حادثه‌ای است (دوره تناوب) و سپس محاسبه فرکانس به صورت عددی متقابل این زمان مانند زیر:

 

که در آن T دوره تناوب است.

دورهٔ تناوب به فاصلهٔ زمانی بین دو قلّهٔ متوالی موج (یا بین هر دو نقطهٔ متناظر موج در دو تناوب متوالی) گفته می‌شود. دورهٔ تناوب برابر با عکس بسامد است، یعنی:

 

همچنین رابطهٔ سرعت  موج، طول موج  و دورهٔ تناوب به صورت زیر می‌باشد:

 

در سیستم یکاهای بین‌المللی SI یکای بسامد به احترام هاینریش هرتز، هرتز (Hz) نامیده می‌شود.

جریان مستقیم

ساده ترین نوع جریان الکتریکی جریان مستقیم(به انگلیسی: Direct current) است که در آن ولتاژ با گذشت زمان تغییر نمی‌کند و در واقع یک روند خطی را طی می‌کند. تمامی باتری‌ها و پیل‌های الکتریکی جریان مستقیم تولید می‌کنند. همچنین می‌توان با استفاده از تجهیزات خاصی به نام یکسوکننده‌ها، جریان متناوب تولیدی مولدها را تا حد زیادی به جریان مستقیم تبدیل کرد.

روش‌های تولید

 

نمودار روند تغییر ولتاژ به زمان که در آن جریان مستقیم به رنگ قرمز و جریان متناوب با رنگ سبز نشان داده شده است.

ساده‌ترین مولد برق مستقیم باتری یا پیل شیمیایی است که انرژی شیمیایی ذخیره شده در بعضی مواد را به صورت یک اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو قطب باتری آزاد می‌کند. به عنوان یک پیل بسیار ساده می‌توانید یک ورقه از جنس مس و یک ورقه از جنس روی را درون یک سیب زمینی فرو کنید و در این صورت بین این دو ورقه اختلاف پتانسیلی مشاهده می‌نمایید. رایج‌ترین نوع باتری به صورت تجاری، باتری‌های خشک یا پیل لکلانشه است که در یک قطب آن عنصر روی و در قطب دیگر کربن به صورت گرافیت قرار گرفته‌است و ماده نشادر نقش محیط واسط را در آن بازی می‌کند. علت خشک نامیده شدن این باتری‌ها نیز استفاده نکردن از آب به عنوان محیط واسط است. از آنجا که این پیل‌ها توان تولید انرژی زیادی ندارند کاربرد صنعتی پیدا نکرده و کاربرد آنها محدود به وسایل الکترونیکی کم مصرف مانند اسباب بازی‌های الکترونیکی، دوربین‌های عکاسی و ... است. اخیرا تحقیقات بسیار وسیعی بر روی پیل‌های سوختی و هیدروژنی صورت گرفته که در این نوع پیل‌ها مواد سوختی با پایه هیدروکربنی و نیز هیدروژن بدون واسطه و با راندمان بسیار بالا به اختلاف پتانسیل الکتریکی تبدیل می‌شود. نکته بسیار مهم این است که در بعضی موارد مفهوم باتری با مفهوم انباره اشتباه گرفته می‌شود. بسیاری از وسایلی که به عنوان باتری‌های قابل شارژ مجدد شناخته می‌شوند در حقیقت از نظر فنی انباره یا آکومولاتور است. مثلاً باتری اتومبیل یک انباره‌است که توانایی ذخیره کردن جریان الکتریسیته و پس دادن آن در هنگام لزوم دارد.

روش دیگری که در صنعت و به منظور تولید وسیع برق مستقیم به کار می‌رود استفاده از ژنراتورهای مستقیم است. اصول کار این ژنراتورها مانند ژنراتورهای متناوب بر مبنای قانون القای فارادی است با این تفاوت که در آنها وسیله‌ای به نام کوموتاتور جریان را یک سویه می‌کند.

روش دیگر استفاده از ادوات الکترونیک قدرت و تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم است. مهم‌ترین عنصر الکترونیکی در این بین دیودهای نیمه رسانا که به صورت یک ساختار پل دیودی قرار گرفته‌اند است. تعداد دیودهای یک پل در حالتی که از برق تک فاز استفاده می‌کنیم ۴ و در برق ۳ فاز ۶عدد است. البته این روش را بهتر است به جای تولید، تبدیل بنامیم. نمونه چنین تبدیلی را در وسایلی همچون منبع تغذیه رایانه‌ها و نیز دستگاه‌های الکترونیکی دیگری همچون رادیو، ضبط صوت و تلویزیون می‌توان دید.

کاربردها

وسیع‌ترین کاربرد برق مستقیم در فرآیند الکترولیز به منظور تجزیه مواد مرکب و به دست آوردن عناصر سازنده آن است. چنین فرآیندهایی در صنایع شیمیایی مثلاً برای بدست آوردن گاز کلر از تجزیه نمک طعام و نیز کارخانجات استخراج بعضی فلزات مانند مس و آلومینیوم کاربرد دارند.

در جوشکاری خصوصا جوشکاری‌های دقیق نیز اغلب از برق مستقیم استفاده می‌شود.

کاربرد برق مستقیم در موتورهای الکتریکی به منظور تبدیل به انرژی مکانیکی بسیار محدودتر از موتورهای متناوب است. موتورهای مستقیم راندمان کمتری دارند و در توان‌های بالا کاربرد ندارند. اما از آنجا که کنترل آنها راحت تر و دقت آنها بیشتر از موتورهای متناوب است به عنوان سروموتورها در کاربردهای کنترلی که اغلب توان نیز کم است کاربرد زیادی دارند.

جریان متناوب

 

منحنی سبز رنگ جریان متناوب.

یک جریان متناوب ( AC ) جریان الکتریکی است که در آن اندازه ی جریان به صورت چرخه ای تغییر می کند بر خلاف جریان مستقیم که در آن اندازه ی جریان مقدار ثابتی می ماند.

برق تحویل داده شده به شرکت های تجاری منازل مسکونی به صورت متناوب (AC) است. شکل یک مدار AC معمولاً به صورت یک موج سینوسی کامل است ولی در کاربردهای خاص شکل موج های مختلفی استفاده می شود مانند امواج مثلثی یا مربعی. سیگنال های صوتی و رادیویی حمل شده بر روی سیم های برق نیز نمونه هایی از جریان متناوب است. در این کاربرد یک هدف مهم معمولاً بازیابی اطلاعات کدگذاری شده (مدوله) بر روی سیگنال AC است.

تاریخچه

توان الکتریکی با جریان متناوب ، نوعی از انرژی الکتریکی است که برای تغذیه تجاری الکتریسیته به عنوان توان الکتریکی ، از جریان متناوب استفاده می‌کند. ویلیام استنلی جی آر کسی است که یکی از اولین سیم پیچهای عملی را برای تولید جریان متناوب طراحی کرد. طراحی وی یک صورت ابتدایی ترانسفورماتور مدرن بود که یک سیم پیچ القایی نامیده می‌شد. از سال 1881م تا 1889م سیستمی که امروزه استفاده می‌شود، توسط نیکلا تسلا ، جرج وستینگهاوس ، لوییسین گاولارد ، جان گیبس و الیور شالنجر طراحی شد.

سیستمی که توماس ادیسون برای اولین بار برای توزیع تجاری الکتریسیته بکار برد، به دلیل استفاده از جریان مستقیم محدودیتهایی داشت که در این سیستم برطرف شد. اولین انتقال جریان متناوب در طول فواصل بلند در سال 1891م نزدیک تلورید کلورادو اتفاق افتاد که چند ماه بعد در آلمان ادامه پیدا کرد. توماس ادیسون به علت اینکه حقوق انحصاری اختراعات متعددی را در فناوری جریان مستقیم(DC) داشت، استفاده از جریان مستقیم را به شدت حمایت می‌کرد، اما در نهایت جریان متناوب به عرصه استفاده عمومی آمد. چارلز پروتیوس استینمتز از جنرال الکتریک بسیاری از مشکلات مرتبط با تولید الکتریسیته و انتقال آن را با استفاده از جریان متناوب حل کرد.

انتقال، توزیع و منبع تغذیه داخلی

ولتاژ AC ممکن است با یک ترانسفورماتور افزایش یا کاهش پیدا کند. با استفاده از ولتاژ بالاتر به طور قابل توجهی انتقال توان موثرتر صورت خواهد گرفت. تلفات در یک رسانا برابر حاصل ضرب مربع جریان و مقاومت رساناست که با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود

 

بنابراین در انتقال یک توان ثابت بر روی سیم داده شده اگر جریان 2 برابر شود تلفات توان 4 برابر خواهد شد.

توان منتقل شده برابر حاصل ضرب جریان و ولتاژ است (بافرض اینکه اختلاف فاز وجود نداشته باشد)

 

بنابراین همان توان را می توان با ولتاژ بالاتر و جریان کمتری منتقل کرد از این رو در هنگام انتقال مقدار زیادی از توان ، استفاده از ولتاژ بالا سودمندتر است (در حدود صدها کیلو وات). با این حال ولتاژ بالا نیز معایبی دارد یکی از مهمترین مشکلات افزایش عایق مورد نیاز و به طور کلی مشکل در مدیریت ایمنی آنهاست. در یک نیروگاه ، برق در یک ولتاژ مناسب برای ژنراتور تولید می شود و سپس ولتاژ آن برای انتقال افزایش می یابد.

در نزدیکی بارها ، ولتاژ انتقال به ولتاژ مورد استفاده ی وسایل کاهش می یابد. ولتاژ مصرف کننده بسته به کشور و اندازه ی بار متفاوت است. اما به طور کلی کلی موتورها و روشنایی های ساخته شده از چند صد ولت بین فازها استفاده می کنند.

ولتاژ تحویل داده شده به تجهیزاتی مثل روشنایی و موتور ها استاندارد است (با یک محدوده مجاز ولتاژ بیشتر از آنچه انتظار می رود تجهیزات کار کند). توان استاندارد ولتاژ استفاده و درصد تلورانس سیستمها ی قدرت موجود در جهان متفاوت است. سیستم انتقال برق جریان مستقیم ولتاژ بالا( HVDC ) مدرن در مقایسه با سیستم های جریان متناوب به عنوان وسیله ای برای حجم کارآمدتر انتقال توان الکتریکی در طول فواصل طولانی رایج تر است. با این حال سیستم ها ی HVDC گران تر میشود و در مسافت های کوتاه نسبت به ترانسفورماتورها کارایی کمتری دارند.

انتقال با جریان مستقیم ولتاژ بالا هنگامی که ادیسون ، وستینگهاوس و تسلا سیستم قدرت خود را طراحی کردند ممکن نبود چون به لحاظ اقتصادی راهی برای تبدیل برقAC به DC و برعکس وجود نداشت. تولید الکتریکی 3 فاز بسیار رایج است. ساده ترین حالت آن سه سیم پیچ جداگانه است که بر روی محور ژنراتور با اختلاف فاز 120 درجه نسبت به هم نصب می شوند. سه شکل موج جریان تولید می شود که دارای اختلاف فاز 120 درجه ای نسبت به هم و اندازه یکسان هستند. اگر سیم پیچی به آن اضافه شود (فاصله 60 درجه) فاز مشابه با قطبیت معکوس تولید می کند بنابراین می توان به راحتی آن ها را با هم سیم کشی کرد.

در عمل به طور معمول از آرایش قطبی بزرگتر استفاده می شود. برای مثال یک ماشین 12 قطبی 36 سیم پیچ (10 درجه فاصله) خواهد داشت و مزیتش این است که با سرعت پایین تر می تواند کار کند به عنوان مثال یک ماشین 2قطبی در حال کار در 3600 rpm و یک ماشین 12قطبی در حال اجرا در 600 rpm تولید فرکانس مشابه می کند. این عمل برای ماشین های بزرگتر کارآمدتر است.

اگر بار بر روی یک سیستم سه فاز به طور صحیح متعادل شده باشد جریانی از نقطه ی خنثی عبور نخواهد کرد حتی در بدترین حالت نامتعادل (خطی) بار جریان خالص از بالاترین جریان فاز تجاوز نمی‌کند. بارهای غیرخطی (مثل کامپیوتر ) ممکن است به یک گذرگاه بزرگ نول و یک سیم نول در تابلوی توزیع بالادست برای رفتار هارمونیک نیاز داشته باشند.هارمونیک می تواند منجر به تجاوز سطوح جریان سیم نول از یک یا همه فازها شود.

برای سه فاز در ولتاژ استفاده معمولاً از سیستم 4 سیمه استفاده می شود هنگامی که 3 فاز کاهش می یابند یک ترانسفورماتور با یک دلتا(سه سیم) اولیه و ستاره (4سیم، مرکز ارت) ثانویه معمولاً استفاده می شود بنابراین نیازی به نول در طرف عرضه وجود ندارد.

برای مصرف کنندگان کوچکتر تنها یک فاز و نول یا دو فاز و نول به املاک داده می شود. برای تاسیسات بزرگتر هر سه فاز و نول به تابلوی توزیع اصلی داده می شود. ممکن است هر دو مدار تک فاز و 3 فاز از تابلوی اصلی آغاز شود.

سیستم های تک فاز 3 سیمه با یک ترانسفورماتورcenter-tapped با دو سیم جریان دار یک طرح توزیع متداول برای ساختمان های کوچک مسکونی و تجاری در شمال آمریکاست.این طرح گاهی اوقات به اشتباه به عنوان دو فاز خوانده می شود. مشابه این روش به دلیل های مختلف در سایت های ساخت و ساز در انگلستان استفاده می شود. وسایل برقی کوچک و روشنایی ها قرار است به وسیله ترانسفورماتور center-tapped محلی با ولتاژ 55 ولت بین هر سیم برق و زمین تغذیه شوند.این روش به طور قابل توجهی خطر شوک الکتریکی وقتی که یکی از سیم های جریان دار بدون عایق در یک وسیله است را کاهش می دهد.این خطا در حالی است که بین دو سیم در زمان کار کردن وسیله ولتاژ منطقی 110 ولت وجود دارد. سومین سیم ، سیم اتصال (ارت) نامیده می شود و معمولاً بدنه ی قطعاتی که در ارتباط مستقیم با مدار الکتریکی نیستند را به زمین وصل می کند.

در صورت وقوع خطا ، سیم زمین می‌تواند جریان کافی را برای راه اندازی یک فیوز و جدا کردن مدار دارای خطا ، از خود عبور دهد. همچنین اتصال زمین به این مفهوم است که ساختمان مجاور دارای ولتاژ ی برابر ولتاژ نقطه خنثی است. شایعترین نوع خطای الکتریکی (شوک) در صورتی رخ می‌دهد که شیئی (معمولاً یک نفر) بطور تصادفی بین یک هادی فاز و زمین مداری تشکیل دهد. در این صورت یک جریان خطا از فاز به زمین ایجاد می‌شود که به جریان پس ماند معروف است. یک مدار شکن جریان پس ماند طراحی شده است تا چنین مشکلی را شناسایی کند و مدار را قبل از اینکه شوک الکتریکی منجر به مرگ شود قطع کند. در کاربردهای صنعتی (سه فاز) بسیاری از قسمتهای مجزای سیستم خنثی به زمین متصلند که این امر موجب می‌شود تا جریان های کوچک زمین ، که همواره بین یک ژنراتور و یک مصرف کننده (بار) در حال عبور هستند را متعادل کند. این سیستم زمین کردن این اطمینان را به ما می دهد که اگر خطایی رخ دهد، جریانی که از نقطه خنثی می گذرد به یک سطح قابل کنترل محدود شده باشد. این روش به سیستم خنثی زمین چندگانه معروف است.

فرکانس های AC منبع تغذیه

عموماً این مطلب پذیرفته شده است که نیکلا تسلا فرکانس 60 هرتز را به عنوان کمترین فرکانسی که منجر به عدم بروز پدیده چشمک زنی قابل مشاهده در روشناییهای خیابانها می‌شد، انتخاب کرد. توان 25 هرتز بیش از آنی که در آبشار نیاگارا تولید شود، در اونتاریو و آمریکای شمالی استفاده می‌شده است.

هنوز هم ممکن است برخی از ژنراتورهای 25 هرتز در آبشار نیاگارا مورد استفاده واقع شوند. فرکانس پایین طراحی موتورهای الکتریکی کم سرعت را ساده می‌سازد و می‌توان آنرا بصورت بهتر و موثرتری تولید کرده و انتقال داد، اما منجر به چشمک زنی قابل ملاحظه‌ای در روشناییها می‌شود. در کاربردهای دریایی، نظامی، صنعت نساجی، دریایی، کامپیوتر های پردازنده مرکزی، هواپیما، و فضاپیما ممکن است گاهی فرکانس 400 هرتز را به علت مزیتهای مختلف فنی مورد استفاده قرار دهند. برق 16.67 هرتزی هم هنوز در برخی از سیستمهای راه آهن اروپا از جمله در اتریش، آلمان، نروژ، سوئد و سوئیس به چشم می‌خورد.

ولتاژ یا اختلاف پتانسیل برقی یا فشار برق بین دو نقطه، نیروی الکتریکی است که جریان الکتریکی را بین آن دو نقطه برقرار می‌سازد. به عبارت دیگر ولتاژ برابر با مقدار کار لازم برای جابه‌جا کردن واحد بار الکتریکی از نقطه‌ای به نقطهٔ دیگر است. [۱] برای میدان الکترواستاتیک، ولتاژ معادل با اختلاف پتانسیل الکتریکی است، ولی در حالت کلی که میدان الکتریکی و مغناطیسی با زمان تغییر می‌کنند این دو معادل یکدیگر نیستند.[۲]

یکای آن در دستگاه بین‌المللی یکاها برابر است با ولت (V) یا ژول بر کولن (j/c). یکای پایه‌اش نیز است کیلوگرم در مجذور متر، بر مجذور ثانیه در کولن (Kg.m۲/s۲.c)

مطابق قانون اهم، اختلاف پتانسیل دو سر یک مقاومت با رابطه  داده می‌شود که در آن I شدت جریان است که از مقاومت می‌گذرد. از طرفی مقدار انرژی مصرفی در یک مقاومت از رابطه  محاسبه می‌شود. توان مصرفی که عبارت است از مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده در این مقاومت در واحد زمان، از رابطهٔ زیر محاسبه می‌شود:

 

حال اگر مقدار انرژی را از فرمولش در رابطه توان جایگذاری کنیم، روابط مربوط به توان به صورت زیر بدست می‌آید:

 

همچنین اگر در فرمول بالا به جای  به توجه به قانون اهم، مقدار  را بگذاریم، فرمول دوم توان نیز بدست می‌آید:

 

رابطه دیگری نیز می‌توانیم برای توان بدست آوریم:

 

مقدار توان مصرفی در مقاومت را می‌توان از یکی از روابط بالا بدست آورد. این توان مصرفی توسط یک مولد به توان  تامین می‌گردد که در آن  نیروی محرکه منبع می‌باشد.

مقاومت یک عنصر الکتریکی دو پایه است که مطابق قانون اهم هنگامی که جریان الکتریکی از آن عبور کند بین پایه‌هایش اختلاف ولتاژ ایجاد میشود. شدت جریان عبوری از یک مقاومت رابطه مستقیمی با ولتا‍‍‍‍ژعبوری از دو سر مقاومت دارد. این رابطه توسط قانون اهم نمایش داده می شود:

 

در این معادله

•             R:مقاومت شی در واحد اهم.

•             V:اختلاف پتانسیل دو سر شی در واحد ولت.

•             I:جریان الکتریکی عبوری از شی در واحد آمپر

است. نسبت ولتاژی عبوری از دو سر مقاومت به شدت جریان مدار، میزان مقاومت نامیده می شود و این میزان در مقاومت های معمولی که با درجه هایشان کار می کنند می تواند ثابت (مستقل از ولتاژ) در نظر گرفته شود.

مقاومت ها اجزای عمده مدارهای الکترونیکی، و بسیار کاربردی در تجهیزات الکترونیکی هستند. مقاومت های کاربردی می تواند از ترکیبات و لایه های متفاوت وهمچنین از سیم مقاومتی (سیمی که از جنس آلیاژی با مقاومت بالا مانند آلیاژ نیکل و کروم باشد) ساخته شوند. مقاومت ها در داخل تراشه ها هم عمل می کنند. به خصوص در دستگاه های آنالوگ، که مقاومت ها می توانند با مدار چاپی و مدار ترکیبی متحد شوند.

کارکرد پذیری الکتریکی یک مقاومت توسط میزان مقاومت آن مشخص می شود: مقاومت های عادی و تجاری تا بیش از نه برابر بزرگتر قابل ساخت هستند. هرگاه میزان مقاومت در یک طراحی الکترونیکی در نظر گرفته شود، درستی میزان مقاومت ممکن است برای دقت وبررسی تلرانس ساخت و تولید مقاومت های درنظر گرفته شده، مطابق با کاربرد ویژه آن، مورد نیاز باشد. ضریب دمایی میزان مقاومت هم ممکن است در برخی برنامه های کاربردی دقیق از دغدغه ها باشد. مقاومت های کاربردی همچنین برای داشتن میزان توان ماکزیممی تخصیص می یابند که در آن از اتلاف بیش از حد توان قابل پیش بینی مقاومت در یک مدارخاص جلوگیری شود:

که این نگرانی عمده در میزان توان برنامه های کاربردی الکترونیکی است. مقاومت هایی با میزان توان بالا از لحاظ فیزیکی بزرگتر هستند و ممکن است به گرماخور نیاز پیدا کنند. در مداری با ولتاژ بالا، دقت و بررسی باید بعضی اوقات با حداکثر ولتاژی که از مقاومت می توان به کار گرفت در نظر گرفته شود.

مقاومت های کاربردی یک القاوری سری و یک ظرفیت خازنی موازی کوچک دارند. این خصوصیات می تواند در کاربردهای آن با فرکانس بالا نقش مهمی را ایفا کند. در یک تقویت کننده یا یک پیش تقویت کننده با نویز پایین، مشخصات نویز یک مقاومت ممکن است مسئله ساز باشند. القاوری ناخواسته، نویز بیش از حد، و ضریب دمایی، بسیار وابسته به فن آوری استفاده شده در ساخت و تولید مقاومت هستند. در حالت عادی این عوامل برای خانواده خاصی از مقاومت های تولید شده جهت استفاده در یک فن آوری خاص اختصاص می یابند. خانواده ای از مقاومت های مجزا هم طبق فاکتور فرمش، که اندازه دستگاه و موقعیت رساناها ( یا دو سر) آن را متناسب با ساخت و تولید کاربردی مدارها در نظر می گیرد، قابل تشخیص می شود.

واحدها

اهم (نشان: Ω) واحد SI میزان مقاومت الکتریکی است که به پاس خدمات جرج سیمون اهم این نام بر آن نهاده شد. یک اهم معادل یک ولت بر آمپر است. چون مقاومت ها، در محدوده مقادیر بسیار زیادی، تولید می شوند، واحدهای مشتق شده میلی اهم (1 mΩ = 10−3 Ω)، کیلواهم (1 kΩ = 103 Ω)، و مگا اهم (1 MΩ = 106 Ω) هم در حالت کلی برای اندازگیری میزان مقاومت، استفاده می شوند.

میزان تقابل مقاومت R را رسانایی الکتریکی نامیده و با G = 1/R نشان می دهیم. واحد اندازگیری آن زیمنس (یکا) ( در واحدSI ) است ولی گاهی اوقات از واحد قبلی آن یعنی mho استفاده می شود. زیمنس در تقابل با یک اهم است.

اگرچه مفهوم ضریب هدایت اغلب در تحلیل مدار استفاده می شود، مقاومت های کاربردی همیشه در حیطه میزان مقاومت آنها (اهم) نسبت به ضریب هدایت ارزیابی می شوند.

عوامل موثر بر مقاومت

تاثیر جنس طول و مساحت سطح مقطع

مقاومت به اختلاف پتانسیل و جریان عبوری وابسته نیست بلکه جنس و شکل ماده بستگی دارد. مثلا برای محاسبهٔ مقاومت یک سیم از رابطهٔ زیر استفاده می‌شود:[۱]

 

که در آن

•             R: مقاومت بر حسب اهم (Ω)

•             ρ: مقاومت مخصوص سیم بر حسب اهم در متر (Ω.m)

•             l: درازای سیم بر حسب m

•             A: سطح مقطع سیم برحسب متر مربع (m^2)

اثر دما بر مقاومت

افزایش دما در اجسام رسانا باعث افزیش مقاومت می شود ولی افزایش دما در اجسام نیم رسانا باعث کاهش مقاومت می گردد.

به هم بستن مقاومتها

مقاومت به صورت موازی

وقتی مقاومت هارا به صورت موازی قرار می دهیم رفتار میکنند متفاوت از سری به طور کلی اگر یک مقاومت دارید که مقدار مشخصی دارد و مقاومت های دیگر را به صورت موازی قرار دهیم مقاومت کل کمتر می شود.مقاومت ها در یک ساختاربندی موازی دارای اختلاف پتانسیل (ولتاژ) یکسان هستند و جریانی که از آنها عبور می کند با هم جمع می شوند. رسانایی الکتریکی مقاومت ها برای تعیین میزان رسانایی شبکه با هم جمع می شوند. بنابراین مقاومت معادل (Req) موجود در شبکه، قابل محاسبه است:

 

تعدادی مقاومت که بصورت موازی بسته شده‌اند.

 

میزان مقاومت معادل موازی را می توان در معادلات، با دو خط عمودی "||" (مانند هندسه) به عنوان یک نماد ساده نمایش داد. بعضی اوقات درموردی که صفحه کلید فاقد نشانه خط عمودی است از دو خط مورب "//" به جای "||" استفاده می شود. در این مورد دو مقاومت موازی با فرمول زیر قابل محاسبه هستند:

 

در حالت خاص میزان مقاومت N مقاومت متصل شده به طور موازی که از میزان مقاومت یکسان R هستند با R/N نمایش داده می شود.

مقاومت به صورت سری

در ساختار بندی به صورت سری، جریان عبوری از تمام مقاومت ها یکسان است ولی ولتاژ دو سر هر مقاومت به میزان مقاومت آن وابسته است. اختلاف پتانسیل (ولتاژ) هنگام عبور از شبکه برابر مجموع آن ولتاژهاست. بنابراین میزان مقاومت کلی می تواند از حاصل جمع آن مقاومت ها بدست آید:

 

تعدادی مقاومت که بصورت سری بسته شده‌اند.

 

در حالت خاص، میزان مقاومت N مقاومت اتصال یافته به طور سری، که هر کدام با میزان مقاومت R یکسان هستند با NR نمایش داده می شود.

ترکیب مقاومتهای سری و موازی[ویرایش]

یک شبکه مقاومت که ترکیبی از اتصالات سری و موازی است می تواند به قسمت های کوچکتری که یا موازی و یا سری هستند شکسته شود. برای مثال،

 

اتصال سری و موازی تعدادی مقاومت.

 

به هر حال، بعضی از شبکه های مختلط مقاومت ها نمی توانند در این روش که برای تحلیل مدار پیچیده تری تر نیاز است مورد بررسی قرار گیرند. برای مثال مکعبی را بررسی کنید که هر ضلع آن با مقاومتی جایگزین شود. در این صورت میزان مقاومت قابل اندازگیری میان دو رأس مختلف چقدر است؟ در مورد 12مقاومت معادل، می توان نشان داد که میزان مقاومت گوشه به گوشه، 5⁄6 میزان خود مقاومت است. در حالت کلی تر، تبدیل ستاره مثلث یا روش های ماتریسی می تواند برای حل چنین مسئله ای مورد استفاده قرار گیرند.

کاربرد عملی از این روابط این است که درحالت کلی میزان غیر استاندارد اندازه مقاومت می تواند در حالت سری یا موازی با اتصال به تعدادی از مقادیر استاندارد، ترکیب شوند. این مورد همچنین برای بدست آوردن یک متغیر با میزان توان بالاتری از آنچه که خود مقاومت ها استفاده کرده اند به کار برده می شود. در مورد خاص، N مقاومت یکسان که همگی به طور سری یا به طور موازی به هم متصل اند، میزان توان خود مقاومت ها، با ضرب در N نتیجه می شوند.

نمادسازی و نشانه های الکترونیکی

نشانه استفاده شده برای یک مقاومت در دیاگرام مداری، استاندارد به استاندارد و کشور به کشور متفاوت است. دو نوع از آن در زیر قابل رویت هستند.

 

نشانه ها به سبک امریکایی. (a) مقاومت، (b) رئوستات (مقاومتی متفاوت) و (‍‍c) پتانسیومتر

 

نشانه مقاومت به سبک IEC

نماد برای بیان میزان مقاومت در دیاگرام مداری هم متفاوت است. نماد اروپایی استفاده از یک ممیز را مجاز نمی داند و ممیز را با نشان پیشوندی SI برای یک مقدار خاص جایگزین می کند. برای مثال 8k2 در دیاگرام مداری، مقدار مقاومت 8.2 kΩ را نشان می دهد. صفرهای اضافی، تلرانس بیشتری را مانند 15M0 نشان می دهند. زمانی که این مقدار بدون نیاز به پیشوندSI توضیح داده شود، از یک 'R' به جای ممیز استفاده می شود. برای مثال 1R2، 1.2 Ω ، و 18R، 18 Ω را نشان می دهد. استفاده از یک نشان پیشوندی SI یا حرف 'R' در مسئله ای که ممیز قابل صرف نظر کردن است هنگام کپی برداری از یک دیاگرام مداری چاپی رخ می دهد.

نظریه عملکرد

 

قیاس هیدرولیک، جریان الکتریکی جاری در مدارها را با آب جاری در لوله ها مقایسه می کند. زمانی که یک لوله (چپ) پر از مو (راست) می شود برای برقراری جریان مجدد آب، فشار بیشتری وارد می شود. افزایش فشار جریان الکتریکی با میزان مقاومت بیشتر، شبیه فشار آوردن بر آب در لوله ای که با مو گرفته شده است، می شود. افزایش فشار(افت ولتاژ) برای ایجاد جریان قبلی (جریان الکتریکی) نیاز است.

قانون اهم

رفتار یک مقاومت ایده آل توسط رابطه ای که به قانون اهم معروف است بررسی می شود:

 

قانون اهم نشان می دهد که ولتاژ (V) عبوری از یک مقاومت رابطه ای مستقیم با جریان (I)، و همچنین میزان مقاومت (R) دارد که جریان (I) در آن برقرار است. به طور معادل قانون اهم می تواند به صورت زیر نشان داده شود:

 

فرمول بندی بر اساس اینکه جریان (I) رابطه مستقیم با ولتاژ (V) و رابطه عکس با میزان مقاومت (R) دارد، انجام می شود. این مستقیماً در محاسبات کاربردی مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال اگریک مقاومت 300 اهمی به دو سر یک باتری 12 ولتی متصل شود، جریان 12 / 300 = 0.04 آمپری ( یا 40 میلی آمپری) در آن مقاومت ایجاد می شود.

 

 

اتلاف توان

توان P تلف شده توسط یک مقاومت بدین صورت محاسبه می شود:

 

که در آن

•             R: مقاومت بر حسب اهم (Ω)

•             I: جریان برحست آمپر(‌A)

•             V: ولتاژ برحست ولت (V)

فرمول اول همان قانون اول ‍ژول است[نیازمند منبع]. با استفاده از قانون اهم، دو فرمول دیگر قابل اثبات است.

میزان کلی انرژی گرمایی انتشار یافته طی یک بازه زمانی از روی انتگرال توان بر بازه زمان، قابل تعیین می شود:

 

که در آن

•             : توان برحست وات (W)

•                : جریان در زمان t برحسب آمپر (A)

•             : ولتاژ در زمان t برحسب ولت ‌(V)

مقاومت ها مطابق اتلاف توان ماکزیممشان ارزیابی می شوند. مقاومت های مجزا در سیستم های الکترونیکی جامد، کمتر از یک وات توان الکتریکی را جذب می کنند و هیچ دقتی برای میزان توان آنها نیاز نیست. چنین مقاومت هایی در فرم مجزایشان که شامل بیشترین بسته ها به شرح زیر می باشند و به طور معمول دارای مقادیر 1/10، 1/8، و یا 1/4 وات هستند.

به طور کلی مقاومت هایی که نیاز به اتلاف مقدار قابل توجهی از توان دارند در حالات خاص مانند منابع تغذیه، مدارهای تبدیل توان، و تقویت کننده های توان، به عنوان مقاومت های توان شناخته می شوند. این نامگذاری، با کاربرد مقاومت ها به میزان توان 1 وات یا بیشتر رابطه ای ندارد. مقاومت های توان از لحاظ فیزیکی بزرگتر هستند و ممکن است برای مقادیر مقدم، کدهای رنگی، و بسته های خارجی زیراستفاده نشوند.

اگر میانگین توان تلف شده توسط یک مقاومت بیشتر از میزان توان آن باشد، با تغییر دائمی میزان مقاومت، ممکن است به مقاومت آسیب وارد شود. این مورد از وارونگی در میزان مقاومت با توجه به ضریب دمایی آن در زمان گرم شدن، مجزاست. اتلاف توان بیش از اندازه، ممکن است دمای مقاومت را به نقطه ای برساند که فیبر مداریا قسمت های مجاور بسوزد ویا حتی باعث آتش سوزی شود. مقاومت های ضدحریقی موجود هستند که از داغ شدن بیش از حد آنها به طور خطرناک (با بازکردن مدار) جلوگیری می کنند

چون احتمال بروز گردش هوای مه آلود، ارتفاع زیاد، یا درجه حرارت بالا وجود دارد، مقاومت ها با میزان اتلاف بالاتری از آنچه که در دستگاه ها نشان داده خواهد شد، در نظر گرفته می شوند.

بعضی از انواع و درجه بندی های مقاومت ها هم ممکن است میزان ولتاژ ماکزیممی داشته باشند. این احتمال وجود دارد که اتلاف توان به میزان مقاومت های بالاتری محدود شود.

ساختار

 

یک رشته در خط، با مقاومت (SIL) با تعداد 8 مقاومت 47 اهمی، قابل قرار گرفتن در بسته است. یک سر هر مقاومت به یک پین مجزا اتصال داده می شود و دیگر سرها همگی به همدیگر، برای pin – pin 1 باقی مانده (در حالت کلی)، در انتهای محل تعیین شده توسط نقطه سفید، قرار داده و متصل می شود.

ترکیب رساناها

 

مقاومت ها با رساناهای سیمی رد شده از سوراخ

مؤلفه های عبور از سوراخ به طور معمول دارای رساناهای رد شده از بدنه به طور محوری هستند. بقیه آنها دارای رساناهای خارج شده از بدنه هستند که در عوض موازی بودن با محور مقاومت، به طور شعاعی هستند. دیگر مؤلفه ها ممکن است SMT ( فن آوری نصب سطحی) باشند که در مقاومت هایی با توان بالا احتمال اینکه یکی از رساناها به صورت گرماخور قابل طراحی باشد را به وجود می آورند.

ترکیب کربنی

 

سه مقاومت کربنی ترکیبی در سوپاپ (لوله خلأ) رادیو 1960

مقاومت های ترکیب کربنی شامل عنصر مقاومتی استوانه ای جامد با رساناهای سیمی جاسازی شده و درپوش ته فلزی برای الحاق سیم های رسانا در نظر گرفته می شوند. بدنه مقاومت با رنگ یا پلاستیک محافظت می شود. در قرن بیستم مقاومت های ترکیب کربنی، بدنه ها را لخت کرده بودند. سیم های رسانا حول دو سرمیله مقاومت و اتصال، پیچیده می شدند. مقاومت تکمیل شده با رنگ کد گذاری نسبت به مقدارش، رنگ آمیزی می شد.

عنصر مقاومت از مخلوط خرده ها (پودر) کربن و مواد عایق (مانند سرامیک) ساخته می شود. یک چسب این مخلوط را به هم می گیرد. میزان مقاومت توسط نسبت مواد متراکم (پودر سرامیک) به کربن تعیین می شود.غلظت های بالای کربن و یک رسانای خوب، میزان مقاومت پایین تری را نتیجه خواهد داد.

مقاومت های ترکیبی کربن در حالت کلی در سال 1960 و بعد از آن استفاده می شدند ولی در حال حاضر محبوبیت چندان زیادی برای استفاده عمومی به عنوان نوع دیگری که دارای خصوصیات بهتری مانند تلرانس، وابستگی ولتاژ، و فشار ( مقاومت های ترکیبی کربن، زمانی که ولتاژ بالایی بر آنها وارد شود تغییر خواهند یافت) است وجود ندارد. به علاوه اگر رطوبت داخلی ( حاصل از پدیدار شدن در دوره ای از زمان برای یک محیط مرطوب) قابل توجه باشد، حرارت لحیم کاری، تغییر غیر قابل بازگشتی در مقدار مقاومت به وجود خواهد آورد. مقاومت های ترکیب کربنی دارای پایداری ضعیفی در طول زمان هستند ودر کارخانه به همین نحو از بهترین تا تنها 5% تلرانس، طبقه بندی می شوند. به هر حال این مقاومت ها اگر هرگزبه ولتاژ بالا یا حرارت بالا نمی رسیدند مطمئناً به طور قابل ملاحظه ای در اندازه مؤلفه مؤثر بودند.

آنها هنوز در دسترس هستند ولی در مقایسه بسیار پر هزینه می باشند. مقادیر در محدوده یک اهم تا 22مگااهم هستند. به علت قیمت بالا، این مقاومت ها هیچ دارای استفاده دیگری نیستند. به هر حال مقاومت های کربنی برای ذخیره توان و کنترل های جوشکاری مورد استفاده قرار می گیرند.

پیل کربنی

یک مقاومت پیل کربنی از یک رشته صفحه کربنی فشرده میان دو صفحه فلزی ساخته می شود. با تنظیم فشار بسته ، مقاومت میان صفحه های فلزی تغییر می کند. این مقاومت ها زمانی که یک بار الکتریکی قابل تنظیمی نیاز است استفاده می شود مانند امتحان باتری های خودرو یا فرستنده رادیو . یک مقاومت پیل کربنی هم می تواند برای کنترل سریع موتورهای کوچک در لوازم خانگی (ماشین های بافندگی و میکسرهای دستی) در درجه های بالا با چند صد وات، مورد استفاده قرار گیرد. یک مقاومت پیل کربنی توانایی کنترل تنظیمات ولتاژ خودکار مولدهای پیل کربنی میدان جاری محافظ نسبت به ولتاژ را دارد. این قاعده همچنین در میکروفون کربنی به کار برده می شود.

نوار کربنی

 

مقاومت لایه کربنی TR-212 1 kΩ

یک لایه کربنی روی یک لایه عایق گذاشته می شود، و مارپیچی در آن برای طراحی یک مسیر مقاومتی باریک و طولانی بریده می شود. با تغییر شکل، همراه با مقاومت کربن غیر متبلور (در حد μΩ m 500 تا μΩ m 800) می تواند مقدار تفاوت مقاومت ها را نشان دهد. مقاومت های لایه کربنی میزان توانی در حدود 0.125 W تا 5 W در دمای 70 °C را نشان می دهند.

مقاومت ها از 1 اهم تا 10 مگا اهم در دسترس هستند. مقاومت لایه کربنی دارای دمایی از −55 °C تا 155 °C دارند. این مقاومت دارای ماکزیمم ولتا‍‍‍ژ، از 200 تا 600 ولت هستند. مقاومت های نوار کربنی خاص در زمان نیاز به ثبات پالس بالا، استفاده می شوند.

مقاومت کربنی چاپی

 

مقاومت کربنی می‌تواند به طور مستقیم بر روی پد SMD روی یک PCB چاپ شود. درسال 1989 طبق فهرست سازمان Psion II.

 

مقاومت های ترکیب کربنی مستقیماً می توانند به روی لایه های فیبر مدار چاپی (PCB) به عنوان قسمتی از فرآیند تولید PCB چاپ شوند. در حالی که این تکنیک روی مقیاس های PCB ترکیبی، فراگیرتر است و توانایی استفاده بر روی فایبرگلاس استاندارد PCBs را داراست. تلرانس به طور معمول بسیار زیاد است و می تواند به مقدار 30% باشد. نوعی کاربرد از مقاومت های غیرحساس بالاکش را نشان خواهد داد.

تلف مقاومتی

هنگامی که جریان الکتریکی I از جسمی با مقاومت R عبور می‌کند، انرژی الکتریکی (توان) به گرما تبدیل می‌شود. توان گرمایی تولید شده از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید:

 

در این معادله

•             P:توان تلف شده در شی در واحد وات.

•             I:جریان الکتریکی عبوری از شی در واحد آمپر.

•             R:مقاومت شی به اهم.

این تبدیل انرژی در کاربردهایی مثل روشنایی و گرمادهی الکتریکی مفید است ولی در کاربردهای دیگری مثل انتقال انرژی، اتلاف محسوب می‌شود. به طور ایده‌آل رساناهایی که برای اتصال افزاره‌های الکتریکی استفاده می‌شوند باید مقاومت الکتریکی صفر داشته باشند، ولی در واقعیت فقط ابررساناها به این ایده‌آل می‌رسند. راه‌های مرسوم برای مقابله با اتلاف مقاومتی در رساناها استفاده از سیم‌های ضخیم‌تر و ولتاژهای بالاست.

طول موج به فاصله بین دو قله متوالی موج (یا بین هر دو نقطه تکراری موج که شکل یکسان دارند) گفته می‌شود و آن را با  نشان می‌دهند. برای دو موجی که دارای سرعت یکسان باشند، موجی که دارای فرکانس بالاتری است طول موج کوتاه‌تر دارد و موجی که فرکانس پایین‌تری دارد، طول موج بلندتری دارد

برای تعریف میدان الکتریکی در یک نقطه معین از فضا، یک بار الکتریکی مثبت به اندازه واحد در آن نقطه قرار داده، سپس مقدار نیروی الکتریکی وارد بر این واحد بار را به عنوان شدت میدان الکتریکی تعریف می‌کنند. بار مثبت را نیز به عنوان بار آزمون تعریف می‌کنند. به بیان دقیقتر می‌توان میدان الکتریکی را به صورت حد نسبت نیروی الکتریکی وارد بر یک بار آزمون بر اندازه بار آزمون، زمانی که مقدار بار آزمون به سمت صفر میل می‌کند، تعریف کرد.

 

میدان الکتریکی کمیتی برداری است، یعنی در میدان الکتریکی علاوه بر مقدار دارای جهت نیز است. برداری بودن این کمیت را می‌توان از تعریف آن نیز فهمید. چون میدان الکتریکی را به صورت نسبت نیرو بر بار تعریف کردیم و نیز چون نیرو بردار است، بنابراین میدان الکتریکی نیز بردار خواهد بود.

میدان الکتریکی در داخل یک جسم رسانا همواره برابر صفر است. چون اگر درون جسم رسانا میدان الکتریکی وجود داشته باشد، در این صورت بر همه بارهای درون آن نیرو وارد می‌شود. این نیرو باعث به حرکت در آمدن بارهای آزاد می‌شود. حرکت بار را جریان می‌گویند. بنابراین در اثر ایجاد جریان در داخل جسم رسانا بارها به سطح آن منتقل می‌شوند، باز میدان درون آن صفر می‌شود. در بیشتر موارد میدان الکتریکی از نظر اندازه و جهت از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر می‌کند. اما اگر چنانچه اندازه جهت میدان در منطقه‌ای ثابت باشد، در این صورت میدان الکتریکی را یکنواخت یا ثابت می‌گویند.

جریان الکتریکی به صورت نرخ تغییر بار الکتریکی نسبت به زمان تعریف شده و با نماد I نشان داده می‌شود. این رابطه را با مشتقات جزیی (کلی‌ترین حالت) به صورت زیر نشان می‌دهیم:

 

در این رابطه، جریان می‌تواند نسبت به زمان تغییر کند. جریان الکتریکی برای تعریف شدن (یا اندازه گیری) باید از سطح معینی عبور کند (مثلاً از سطح مقطع یک رسانا) از این رو تابعی نقطه‌ای به شمار می‌آید. مقدارهای لحظه‌ای، متوسط و موثر برای جریان الکتریکی تعریف شده و به صورت ساده شده‌ای در سیم‌های رسانا قابل محاسبه‌اند.

جهت قراردادی جریان از ابتدا در جهت عبور بارهای مثبت تعریف شده است. هرچند می‌دانیم که در صورت داشتن رسانای فلزی، جریان الکتریسته، ناشی از عبور بارهای منفی، یعنی الکترون‌ها، (در خلاف جهت جریان) است

مقدمه

هر ماده از تعداد بسیار اتم تشکیل شده است که هر اتم نیز از سه قسمت نوترون ، پروتون و الکترون تشکلیل شده است. تعداد الکترونها با تعداد پروتونها در حالت عادی (خنثی) برابر است، الکترون دارای بار منفی و پروتون دارای بار مثبت می‌باشند، که الکترونها به دور پروتن و نوترون (هسته اتم) با سرعت بسیار زیادی می‌چرخند. در اثر این چرخش نیروی گریز از مرکزی بوجود می‌آید که مقدار این نیرو با مقدار نیروی جاذبه بین الکترونها و هسته برابر است، پس این برابری نیرو الکترونها را در حالت تعادل نگه می‌دارد و نمی‌گذارد که از هسته دور شوند.

 

 

 

 

 

 

 

یک سیم مسی هم دارای تعداد زیادی اتم و در نتیجه الکترون است. هر گاه ما بتوانیم توسط یک نیرویی الکترونهای در حال چرخش به دور هسته را از مدار خود خارج کنیم و در یک جهت معین به حرکت در آوریم جریان الکتریکی برقرار می‌شود. پس این نکته را دریافتیم که جریان برق چیزی جز حرکت الکترونها نیست، البته این حرکت بصورت انتقالی انجام می‌شود، یعنی یک اتم تعدادی الکترون به اتم کناری خود می‌دهد و اتم کناری نیز به همین ترتیب تعدادی الکترون به اتم بعدی می‌دهد و بدین صورت جریان برقرار می‌شود. پس هر گاه که گفته شود جریان برق کم یا زیاد است، یعنی تعداد الکترونهایی که در مسیر سیم در حال حرکت هستند کم یا زیاد است.

نیروهایی که باعث جدا شدن الکترون از هسته می‌شوند

نیروی مغناطیسی خارجی

هرگاه یک سیم را در یک میدان مغناطیسی حرکت دهیم؛ نیروی این میدان باعث حرکت الکترونهای سیم می‌شود.

ضربه

فرض کنید یک اتوبوس کنار خیابان ایستاده و تمام مسافران آن محکم روی صندلیها نشستند، بعد یک اتومبیل دیگر با سرعت زیاد به جلوی این اتوبوس برخورد می‌کند. حال اتوبوس با سرعت به عقب پرتاب می‌شود و مسافران که در آنها اینرسی سکون ذخیره شده تمایل دارند که به همان حالت سکون باقی بمانند، در نتیجه اتوبوس به عقب رفته ولی مسافران در همان نقطه مکانی باقی می‌مانند. در نتیجه مسافران از صندلیهای خود جدا شده و از شیشه اتوبوس به بیرون پرتاب می‌شوند. پس این نیروی ضربه بود که مسافران را از اتوبوس جدا کرد، به همین صورت نیز ضربه می‌تواند الکترونها را از مدار خود خارج کند. نمونه این تولید برق در فندکها می‌باشد.

 

 

 

 

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی نیز دارای نیرویی است که قادر است الکترونها را از مدار خود جدا کند.

حرارت و ...

حرارت باعث می‌شود که جنبش ملکولی اجسام زیاد شود، در اثر این جنبش تعداد زیادی مولکول به شدت باهم برخورد می‌کنند که همان نیروی ضربه را بوجود می‌آوردند و باعث جدا شدن الکترون از اتم می‌شوند. یک سیم مانند دالانی می‌ماند که در یک دوره زمانی مشخص تعداد معینی از افراد می‌توانند از آن عبور کنند، یعنی برای اینکه در دوره زمانی مشخص مثلا در 1 دقیقه افراد بیشتری بتوانند از این دالان عبور کنند باید سرعت حرکت آنها بیشتر شود، در نتیجه در اثر برخورد با هم و با دیواره دالان باعث ایجاد اصطکاک و گرما می‌شوند.

 

برای سیم نیز چنین اتفاقی می‌افتد، یعنی اگر بخواهیم تعداد الکترونهای در حال حرکت را افزایش دهیم (جریان را افزایش دهیم) سرعت حرکت الکترونها و نیز تعداد الکترونهایی که همراه باهم از مقطع سیم عبور می‌کنند افزایش می‌یابد، در نتیجه اصطکاک افزایش یافته و تولید گرما می‌کند که اگر جریان بیش از حد مجاز خود از سیم عبور کند گرمای تولید شده باعث ذوب شدن سیم می‌شود (سیم می‌سوزد).

 

 

 

 

ولتاژ

آیا یک منبع که ولتاژش بیشتر باشد برق بیشتری تولید می‌کند یا منبعی که جریانش بیشتر باشد؟ هرگاه یک اتم الکترنهایش را از دست دهد بار منفی آن کم می‌شود و به اصطلاح بطور مثبت باردار شده است، بین بار مثبت و منفی نیروی جاذبه وجود دارد و نیروی جاذبه یک عدد الکترون با نیروی جاذبه یک عدد پروتون برابر است. به همین جهت است که در اتم هر پروتون برای خود یک الکترون اختیار می‌کند تا اینکه بار الکتریکی اتم خنثی شود. در حالت عادی تمام اتمهای یک سیم از نظر بار الکتریکی خنثی هستند، وقتی ما توسط نیروی خارجی الکترونهای اتمهای سیم را جدا می‌کنیم و آنها را به یک سمت هدایت می‌کنیم آن طرف سیم که الکترونها به آنجا هدایت شده‌اند دارای زیادی الکترون است، پس بارش منفی می‌شود و طرف دیگر که کمبود الکترون دارد بارش مثبت می‌شود.

 

در نتیجه بین دو سر سیم یک اختلاف بوجود می‌آید این اختلاف بصورت انرژی پتانسیل در دو سر سیم ذخیره می‌شود تا زمانی که راهی برای خنثی شدنش پیدا کند. پس در این حالت هیچگونه جریانی در سیم و جود ندارد و فقط یک انرژی پتانسیل دو سر سیم ذخیره شده است که به این نیروی پتانسیل ولتاژ الکتریکی گویند. حال چنانچه نیروی خارجی قطع شود الکترونها به سرعت به جای قبلی خود برمی‌گردند و در یک لحظه چریان برقرار می‌شود.

 

پس تا زمانی که نیروی خارجی وجود دارد نمی‌گذارد که الکترونها از مسیر همان سیم به جای خود برگردند، پس باید راه دیگری پیدا کنند. برای همین اگر توسط یک سیم دیگر که میدان خارجی آن را تحت تأثیر خود قرار نداده باشد دو سر سیم قبلی را به هم وصل کنیم الکترونها راهی برای حرکت به سمت مکان کمبود الکترون پیدا می‌کنند در نتیجه جریان در سیم برقرار می‌شود. پس نتیجه گرفتیم که در یک مدار الکتریکی کار اصلی را جریان انجام می‌دهد و ولتاژ فقط یک نیروی ذخیره شده است که باعث به حرکت در آوردن الکترونها می‌شود. حال برای بهتر متوجه شدن اینکه ولتاژ چگونه باعث به حرکت در آوردن الکترونها (برقراری جریان) می‌شود، به مثال زیر دقت کنید:

 

فرض کنید دو لیوان داریم که یکی پر و دیگری نصفه است. لیوانها را در کنار هم قرار داده ، می‌دانیم که بین این دو لیوان اختلاف مقدار آب وجود دارد. همانگونه که بین دو سر سیم اختلاف مقدار الکترون وجود داشت اگر این لیوانها چندین ساعت هم در کنار هم قرار بگیرند هیچ اتفاقی نمی‌افتد، اما چنانچه توسط یک لوله ته دو لیوان را به هم وصل کنیم آب از طرف لیوان پر تر به سمت لیوان نصفه حرکت می‌کند تا زمانیکه سطح آب درون دو لیوان به یک اندازه شود. پس در اینجا اختلاف آب است که باعث حرکت می‌شود و در آنجا اختلاف الکترون (اختلاف پتانسیل) که این اختلاف پتانسیل خود دارای مقدار است که به آن مقدار ولتاژ می‌گویند.

الکترونیک دانش مطالعهٔ عبور جریان الکتریکی از مواد مختلف - مانند نیمه‌رساناها، مقاومت‌ها، القاگرها و خازن‌ها و آثار آن است. الکترونیک همچنین به عنوان شاخه‌ای از فیزیک نظری شناخته می‌شود. طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی برای حل مشکلات عملی، قسمتی از مباحث موجود در مهندسی الکترونیک را تشکیل می‌دهد.[۱]

در برخی موارد مطالعه المان‌های جدید نیمه‌رسانا و فن‌آوری‌های نزدیک به آن، شاخه‌ای از فیزیک در نظر گرفته می‌شود. این مقاله بیشتر به مفاهیم مهندسی الکترونیک می‌پردازد.

ادوات و مدارهای الکترونیکی

 

قطعات الکترونیکی

مدارهای الکترونیکی برای ایفا کردن وظایف مختلفی استفاده می‌شوند. کاربردهای اصلی مدارهای الکترونیکی عبارتند از:

۱) کنترل و پردازش داده‌ها

۲) تبدیل و توزیع توان الکتریکی

۳) اجرای عملیات خاص

هر ردیف این کاربردها با ایجاد و آشکارسازی میدان الکترومغناطیسی و جریان الکتریکی سرو کار دارند. گرچه از انرژی الکتریکی در سال‌های انتهایی قرن ۱۹ برای انتقال پیام به وسیله تلگراف و تلفن استفاده می‌شد اما بیشتر پیشرفت‌های مربوط به علم الکترونیک پس از ساخت رادیو شکل گرفت. در یک نگاه ساده، یک سیستم الکترونیکی را می‌توان به سه بخش تقسیم کرد:

•             ورودی: حسگرهای الکترونیکی و مکانیکی (یا مبدل‌های انرژی). این تجهیزات سیگنال‌ها یا اطلاعات را از محیط خارج دریافت کرده و سپس آنها را به جریان، ولتاژ یا سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند.

•             پردازشگر سیگنال: این مدارها در واقع وظیفه اداره کردن، تفسیر کردن و تبدیل سیگنال‌های ورودی برای استفاده آنها در کاربرد مناسب را بر عهده دارند. معمولاً در این بخش پردازش سیگنال‌های مرکب بر عهده پردازشگر سیگنال‌های دیجیتال است.

•             خروجی: فعال کننده‌ها یا دیگر تجهیزات (مانند مبدل‌های انرژی) که سیگنال‌های ولتاژ یا جریان را به صورت خروجی مناسب در خواهند آورد (برای مثال با ایفای یک وظیفه فیزیکی مانند چرخاندن یک موتور).

برای مثال یک تلویزیون دارای هر سه بخش بالا است. ورودی تلویزیون سیگنال‌های پراکنده شده را دریافت کرده (به وسیله یک آنتن یا کابل) و آنها را به ولتاژ و جریان مناسب برای کار دیگر تجهیزات تبدیل می‌کند. پردازشگر سیگنال پس از دریافت داده‌ها از ورودی اطلاعات مورد نیاز مانند میزان روشنایی، رنگ و صدا را از آن استخراج می‌کند. در نهایت قسمت خروجی این اطلاعات را دویاره به صورت فیزیکی در خواهد آورد این کار به وسیله یک لامپ اشعه کاتدیک و یک بلندگوی آهنربایی انجام خواهد شد.

تاریخچه قطعات الکترونیکی

لوله های خلاء (سوپاپ گرمایونی) یکی از اولین قطعات الکترونیکی بودند. آنها الکترونیک را تا اواسط از دهه 1980 میلادی تحت سلطه داشتند. [۲] از آن زمان به بعد ، قطعات حالت جامد بیشتر دنیای الکترونیک را در دست گرفتند.با این حال لوله های خلاء هنوز هم در برخی از دستگاه های تخصصی مانند تقویت کننده های قدرت بالا RF، لامپهای پرتوی کاتدی، تجهیزات صوتی تخصصی، تقویت کننده های گیتار و برخی از دستگاه های مایکروویو استفاده می شوند.[۳]

انواع مدارات الکترونیکی

مدارات و قطعات را می توان به دو گروه تقسیم کرد : آنالوگ و دیجیتال. یک دستگاه الکترونیکی ممکن است که از یک نوع و یا ترکیبی از این دو نوع تشکیل شده باشد.

آنالوگ

اغب دستگاه‌های الکترونیکی آنالوگ ، مانند گیرنده‌های رادیویی ، از ترکیبی از چند مدار اولیه ساخته شده‌اند. مدارهای آنالوگ از رنج متناوبی از ولتاژ بر خلاف مدارهای دیجیتال که از دو سطح ولتاژ استفاده می کنند، بهره می برند.

برق[۱] یا الکتریسیته،[۱](به یونانی: ήλεκτρον)، مجموعه‌ای از پدیده‌های طبیعیست که به حضور و جریان بار الکتریکی وابسته است. الکتریسیته آثار معروف متنوعی چون آذرخش، الکتریسیته ساکن، القای الکترومغناطیسی و جریان الکتریکی دارد. به علاوه، الکتریسیته اجازه تولید و دریافت تابش‌های الکترومغناطیسی مانند موج‌های رادیویی را مراهم می‌آورد.

در الکتریسیته، بارهای الکتریکی میدان‌های الکترومغناطیسی را تولید می‌کنند و این میدان‌ها سایر بارها را تحت تاثیر قرار می‌دهند. الکتریسیته به چند دلیل مختلف فیزیکی اتفاق می‌افتد:

•             بار الکتریکی: خاصیت برخی ذرات زیراتمی که فعل و انفعالات الکترومغناطیسی آنان را مشخص می‌کند. مواد باردار، میدان الکترومغناطیسی تولید می‌کنند و همچنین تحت تاثیر سایر میدان‌ها قرار می‌گیرند.

•             میدان الکتریکی (الکترواستاتیک را ببینید): یک نوع ساده از میدان‌های الکترومغناطیسی است که به وسیله بار الکتریکی ساکن یا متحرک تولید می‌شود. میدان الکتریکی به بارهای مجاور خود، نیرو وارد می‌کند.

•             پتانسیل الکتریکی: ظرفیت یک میدان الکتریکی برای انجام کار بر روی یک بار الکتریکی که واحد آن ولت است.

•             جریان الکتریکی: حرکت یا جریان ذرات باردار که واحدش آمپر است.

•             آهنربای الکتریکی: بارهای متحرک یک میدان مغناطیسی تولید می‌کنند. جریان‌های الکتریکی میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند و میدان‌های مغناطیسی متغییر جریان‌های الکتریکی تولید می‌کنند.

در مهندسی برق از الکتریسیته برای این منظورها استفاده می‌شود:

•             توان الکتریکی: استفاده از جریان الکتریکی برای تامین انرژی وسایل برقی را گویند.

•             الکترونیک: در حالی که با مدارهای الکتریکی در ارتباط است، شامل اجزای فعال الکتریکی از جمله لامپ‌های خلا، ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع می‌باشد.

پدیده‌های الکتریکی از گذشته دور مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما پیشرفت در درک نظری تا قرن‌های هفدهم و هیجدهم به آرامی اتفاق افتاد. حتی آن زمان نیز کاربرد الکتریسیته اندک بود، و این موضوع تا آواخر قرن نوزدهم و زمانی که مهندسان قادر به استفاده از برق در مناطق صنعتی و مسکونی شوند، ادامه یافت. پیشرفت سریع در تکنولوژی الکتریکی صنعت و جامعه را دگرگون ساخت. کاربرد گسترده الکتریسیته سبب شد که از آن در موارد کاربردی بدون محدودیت شامل حمل و نقل، گرمایش، روشنایی، مخابرات و محاسبات استفاده شود. اکنون الکتریسیته پایه‌های جامعه صنعتی مدرن را تشکیل می‌دهد.

مفاهیم

بار الکتریکی

 

بار روی الکتروسکوپ سبب می‌شود تا ورقه‌ها از یکدیگر دور شوند.

وجود بار اکلتریکی سبب افزایش نیرو الکترواستاتیکی می‌شود: بارها به یکدیگر نیرو اعمال می‌کنند، نیرویی که در گذشته شناخته شده ولی علتش نامعلوم بود. یک گوی سبک که از یک نخ آویزان است، هنگام تماس با میله شیشه‌ای باردار که تحت مالش با پارچه قرار گرفته، می‌تواند باردار شود. اگر گوی دیگری نیز با همان میله شیشه‌ای باردار شود، گوی قبلی را دفع می‌کند: بار تلاش می‌کند تا دو گوی را از هم دور کند. دو گوی باردار شده به وسیله میله پلاستیکی نیز یکدیگر را دفع می‌کنند. اما، اگر یک گوی به وسیله میله شیشه‌ای و گوی دیگر به وسیله یک میله پلاستیکی باردار شود این دو گوی یکدیگر را جذب می‌کنند. شارل آگوستن دو کولن این پدیده را در قرن هیجدهم کشف کرد. او استنباط کرد که بار الکتریکی خود را به دو شکل نمایان می‌کند. این کشف به قانون مشهوری منجر شد: اجسام با بار همنام یکدیگر را دفع و اجسام با بار غیر همنام یکدیگر را جذب می‌کنند.

این نیرو ذرات باردار را تحت تاثیر قرار می‌دهد، بنابرین بار تمایل دارد تا جای امکان به طور مساوی در یک سطح هادی پخش شود. اندازه نیرو الکترومغناطیسی، چه جاذبه باشد و چه دافعه، با استفاده از قانون کولن بدست می‌آید. مطابق این قانون، نیرو با حاصلضرب بار دو ذره در مجذور معکوس فاصله بین آن دو متناسب است. نیروی الکترومغناطیس بسیار نیرومند است و در واقع بعد از نیروی هسته‌ای قوی نیرومندترین نیرو به شمار می‌آید، اما بر خلاف آن این نیرو در تمام فواصل اعمال می‌شود. در مقایسه با نیروی گرانش، نیرو الکترومغناطسی که دو الکترون را دفع می‌کند، ۱۰۴۲ بار قویتر از نیروی جاذبه گرانشی بین آن دو است.

مطالعات نشان می‌دهند که منشا بار انواع مخصوصی از ذرات زیراتمی هستند که ویژگی بار الکتریکی را دارند. بار الکتریکی سبب تقویت نیروی الکترومغناطیسی می‌شود، که یکی از چهار نیروی بنیادی به حساب می‌آید. آشناترین حاملان بار الکتریکی الکترونها و پروتونها هستند. تحقیقات حاکی از وجود قانون بقای بار الکتریکی هستند و این بدان معناست که در یک سیستم ایزوله بدون توجه به هر تغییری که در سیستم روی دهد، مقدار بار کلی آن ثابت می‌ماند. در یک سیستم ممکن است بار از جسمی به جسم دیگر منتقل شود که این اتفاق می‌تواند به صورت تماس مستقیم باشد، یا با عبور از یک ماده رسانا مانند سیم، روی دهد. واژه الکتریسیته ساکن به وجود بار روی یک جسم، گفته می‌شود که اغلب هنگام مالش در ماده غیرهمسان به یکدیگر ایجاد می‌شود و بار از یکی به دیگری انتقال می‌یابد.

بار الکترون و پروتون مخالف همند، بنابرین مقدار بار ممکن است مثبت یا منفی باشد. طبق قرارداد باری که به وسیله الکترون‌ها حمل می‌شود منفی و باری که به وسیله پروتون‌ها حمل می‌شود مثبت است، این موضوع از تلاش‌های بنجامین فرانکلین سرچشمه گرفته است. اندازه بار را با علامت Q نشان می‌دهند که واحدش کولن است. هر الکترون حدوداً بار −۱٫۶۰۲۲×۱۰−۱۹ کولن را حمل می‌کند. بار پروتون نیز معادل الکترون بوده ولی علامتش مثبت می‌باشد، یعنی ۱٫۶۰۲۲×۱۰−۱۹ کولن. بار تنها به وسیله ماده جذب نمی‌شود، بلکه در پادماده نیز، هر پادذره باری هم اندازه و مخالف ذره مربوطه‌اش تحمل می‌کنند.

بار را می‌توان به وسیله ابزار گوناگونی سنجید، یک ابزار جدید برای سنجش بار الکتروسکوپ نام دارد، که اگرچه هنوز در کلاس‌های درسی به کار می‌رود، جایگزین برق سنج الکترونیکی شده است.

جریان الکتریکی

حرکت بارهای الکتریکی را جریان الکتریکی گویند که شدت آن با واحد آمپر سنجیده می‌شود. جریان می‌تواند شامل حرکت هر ذره بارداری باشد؛ اکثراً الکترون‌ها هستند ولی هر بار در حال حرکتی یک جریان به حساب می‌آید.

مطابق قرارداد تاریخی، جریان مثبت مسیری را که هر بار مثبت شامل شده‌ای طی کند، می‌پیماید یا از مثبت ترین بخش یک مدار به منفی ترین بخشش انتقال می‌یابد. جریانی که از این الگو پیروی کند، جریان قراردادی نام دارد. بنابرین حرکت الکترون‌های دارای بار مخالف در یک مدار الکتریکی، یکی از آشناترین اشکال جریان، در خلاف جهت حرکت الکترون‌ها، مثبت فرض می‌شود. اما، بر اساس شرایط، یک جریان الکتریکی می‌تواند شامل یک جریان از ذرات باردار، هم در یک مسیر و هم در هر دو مسیر باشد. قرارداد مثبت به منفی برای ساده‌سازی این شرایط وضع شده است.

 

یک قوس الکتریکی یک دمونستراسیون الکتریکی از جریان الکتریکی فراهم می‌آورد.

فرایندی که در آن جریان الکتریکی از مواد عبور می‌کند با واژه رسانایی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، و طبیعت آن با ذرات باردار و ماده‌ای که به وسیله آن جابجا می‌شوند، متفاوت است. مثال‌هایی برای جریان الکتریکی شامل رسانای فلزی، که الکترون‌ها در رسانایی مانند فلزات جریان می‌یابند و برق‌کافت می‌شود، که در آن یون‌ها (اتمهای باردار) در مایعات یا پلاسماهایی مانند جرقه‌های الکتریکی جریان می‌یابند. در حالی که ذرات به خودی خود کندند، و گاهی اوقات با سرعت رانش میانگین یک میلیمتر در ثانیه پیش می‌روند، میدان الکتریکی که آن‌ها را پیش می‌برد، سرعت آن‌ها را به نزدیکی سرعت نور می‌رساند و سیگنال‌های الکتریکی را قادر می‌سازد که با سرعت سیمها را بپیمایند.

جریان دارای چند تاثیر قابل مشاهده است که به طور تاریخی ابزاری برای شناسایی وجودش به شمار می‌رود. جریان می‌تواند آب را تجزیه کند و این موضوع در سال ۱۸۰۰ به وسیله ویلیام نیکولسون و آنتونی کارلیسله کشف شد و امروزه آن را با نام برق‌کافت می‌شناسیم. در سال ۱۸۳۳، مایکل فارادی راه آنان را به خوبی ادامه داد. جریان در یک مقاومت الکتریکی سبب تجمع گرما در مقاومت می‌شود. در سال ۱۸۴۰، این اثر را جیمز ژول از نظر ریاضی مورد مطالعه قرار داد. یکی از مهمترین اکتشافات مرتبط با جریان به طور اتفاقی در سال ۱۸۲۰ به وسیله هانس کریستین اورستد صورت گرفت. این اتفاق زمانی روی داد که هنگام آماده کردن سخنرانی خود، او مشاهده کرد که جریان در یک سیم سوزن قطب‌نما را به حرکت در می‌آورد. او الکترومغناطیس را که یک تعامل اساسی بین الکتریسیته و مغتاطیس بود، کشف کرد. میزان انتشار الکترومغناطیسی تولید شده به وسیله قوس الکتریکی برای تولید تداخل الکترومغناطیسی کافیست که می‌تواند برای صدمه دیدن وسایل مجاور، مضر باشد.

در وسایل مهندسی یا خانگی جریان به دو دسته مستقیم و متناوب تقسیم می‌شود. این واژه‌ها به تغییرات جریان در بازه زمانی اشاره دارد. جریان مستقیم، برای مثال از یک باتری گرفته می‌شود و بیشتر لوازم الکترونیکی بدان نیاز دارند. این جریان یک سویه بوده که از قسمت مثبت مدار به قسمت منفی جریان می‌یابد. اگر این جریان به وسیله الکترون‌ها حمل شود، جهت جریان در خلاف جهت گفته شده خواهد بود. جریان متناوب جریانیست که به طور مکرر جهت جریانش تغییر می‌کند. این تغییر اغلب به شکل یک موج سینوسی است. بنابرین، جریان متناوب دارای پالس عقب و جلو بوده و در یک رسانا بدون حرکت بارها جریان تولید می‌کند. ارزش میانگین زمانی یک جریان متناوب صفر است، اما این جریان انرژی را در یک مسیر می‌رساند و سپس تغییر جهت می‌دهد. جریان متناوب تحت تاثیر ویژگی‌های الکتریکی در شرایط پایدار جریان مستقیم، مانند القاوری و ظرفیت خازنی قرار می‌گیرد. این ویژگی‌ها زمانی مهم می‌شوند که شدت جریان گذرا باشد.

میدان الکتریکی

مفهوم میدان الکتریکی توسط مایکل فارادی مطرح شد. میدان الکتریکی در اطراف جسم باردار شکل می‌گیرد و به تمام ذرات باردار درون میدان نیرو وارد می‌کند. میدان الکتریکی بین دو بار، مشابه میدان جاذبه بین دو جرم عمل می‌کند و مانند آن در فضای بی‌نهایت گسترش می‌باید و یک رابطه مجذور معکوس با فاصله نشان می‌دهد. اما، یک فرق اساسی در این بین وجود دارد. میدان جاذبه همیشه در نقش جذب کننده عمل می‌کند و می‌کوشد تا دو جسم را به یکدیگر برساند، در حالی که میدان الکتریکی می‌تواند هم سبب جذب شود و هم دفع. از آن جا که اجسام بزرگ مانند سیاره‌ها دارای بار خالص نیستند، اغلب میدان الکتریکی در اطراف آنها صفر است. لذا با وجود اینکه نیرو جاذبه بسیار ضعیفتر است، در گیتی نیروی غالب به شمار می‌آید.

 

خطوط میدان از یک بار مثبت در بالای صفحه رسانا ناشی می‌شوند.

میدان الکتریکی به طور عمومی در فضا متغییر است و شدت آن در هر نقطه با نیرویی مشخص می‌شود که به وسیله هر بار اندک ثابتی احساس می‌گردد. بار فرضی که ذره آزمون نام دارد، بسیار کوچک است تا میدان الکتریکی آن با میدان الکتریکی اصلی تداخل نداشته باشد و همچینی ثابت است تا از تاثیر میدان‌های مغناطیسی جلوگیری کند. از آن جا که میدان الکتریکی با واحد نیرو شناسایی می‌شود، و نیرو نیز یک بردار اقلیدسی است، درنتیجه یک میدان مغناطیسی یک بردار است که هم شدت دارد و هم مسیر. در واقع این یک میدان برداری است.

مطالعه میدان الکتریکی حاصل از بارهای ثابت الکتریسیته ساکن نام دارد. میدان به وسیله مجموعه‌ای از خطوط فرضی نمایش داده می‌شود که در هر نقطه از میدان مسیر آن را نمایش می‌دهند. این مفهوم به وسیله فارادی مطرح شد، که واژه خطوط میدانی که او بیان کرده بود، هنوز نیز کاربرد دارد. خطوط میدان مسیرهایی هستند که یک بار مثبت نقطه‌ای هنگامی که بدان نیرو وارد می‌شود، آن مسیرها را طی می‌کند. به هر حال، آن‌ها یک مفهوم ذهنی هستند و واقعیت فیزیکی ندارند و میدان به فضای بین خطوط نفوذ دارد. خطوط میدان ناشی از بارهای ساکن چند ویژگی کلیدی دارند: اولاً، آنها از بارهای مثبت سرچشمه می‌گیرند و به بارهای منفی ختم می‌شوند. ثانیاً، باید با زاویه‌ای قایم وارد اجسام رسانا شوند، ثالثاً، هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند.

یک جسم رسانای توخالی تمام بارش را در سطح خارجی خود نگه می‌دارد. در نتیجه میدان در تمام نقاط داخل جسم صفر است. این موضوع نقش اصلی را در قفس فاراده بازی می‌کند، این قفس یک پوسته فلزی رساناست که فضای داخلی خود را از تاثیرات الکتریکی خارجی جدا می‌کند. نقش الکتریسیته ساکن در طراحی آیتم‌های وسایل ولتاژ بالا پر رنگ است. برای شدت میدان الکتریکی که یک جسم متوسط می‌تواند تحمل کند، محدودیتی وجود دارد. فراتر از این نکته، شکست الکتریکی رخ می‌دهد و قوس الکتریکی سبب ایجاد صاعقه بین دو قسمت باردار می‌شود. برای مثال، هوا تمایل دارد با عبور دادن قوس الکتریکی و ایجاد شکاف، شدت میدان الکتریکی را به بیش از ۳۰ کیلوولت بر سانتی‌متر برساند. در شکاف‌های بزرگتر، شدت شکست ضعیفتر است و شاید یک کیلوولت در هر سانتیمتر باشد. مهمترین رویداد قابل مشاهده آن، آذرخش است، و زمانی اتفاق می‌افتد که با افزایش ستون‌های هوا، بارها در ابرها جدا شوند و میدان الکتریکی هوا را افزایش دهند تا از حد تحمل، تجاوز کند. ولتاژ آذرخش‌های بزرگ می‌تواند به بزرگی ۱۰۰ مگاولت باشد و انرژی به بزرگی ۲۵۰کیلووات ساعت را تخلیه کند.

شدت میدان تا حد زیادی تحت تاثیر اجسام رسانای نزدیک میدان قرار دارد و در اشیای نوک تیز تشدید می‌شود. از این موضوع در برقگیرها استفاده می‌شود که آذرخش، با استفاده از تیر نوک تیز مهار می‌شود تا ساختمان تحت محافظت، از صدمه دیدن در امان بماند.

پتانسیل الکتریکی

 

یک جفت باتری ای‌ای. علامت + نشان دهنده قطبش اختلاف پتانسیل بین خروجی‌های باتری است.

مفهوم پتانسیل الکتریکی با میدان الکتریکی ارتباط نزدیکی دارد. به بار کوچکی که در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، نیرو وارد می‌شود، و برای حرکت دادن این بار بر خلاف نیرویی که بدان وارد می‌شود، به کار نیازمندیم. پتانسیل الکتریکی در هر نقطه میزان انرژی لازم برای آوردن بار آزمون از فاصله بی‌نهایت دور به آن نقطه است. واحد آن اغلب ولت است، و یک ولت، پتانسیلی است که با استفاده از یک ژول کار می‌توان یک بار یک کولنی را از فاصله بینهایت دور به یک نقطه آورد. توصیح پتانسیل اگرچه رسمی است، کاربرد چندان ندارد، و مفهوم کاربردی‌تر، اختلاف پتانسیل الکتریکی است که به انرژی لازم برای به حرکت در آوردن بار آزمون بین دو نقطه مشخص گفته می‌شود. میدان الکتریکی درای ویژگی مخصوصی است و آن اینست که پایستار است، و این بدان معناست که به مسیری که بار می‌پیماید وابسته نیست: تمام مسیرهای بین دو نقطه به انرژی یکسانی نیاز دارند، و بنابرین یک مقدار منحصر به فرد برای اختلاف پتانسیل مورد نیاز است. یکای ولت به عنوان واحد اندازه‌گیری و توصیف اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ شناخته می‌شود.

برای اهداف کاربردی، بهتر است نقطه‌ای را به عنوان مبدا انتخاب کنیم و پتانسیل را با توجه به آن اندازه‌گیری و مقایسه کنیم. مبدا خیلی مناسب می‌تواند زمین الکتریکی باشد، که فرض بر اینست که در تمام نقاط پتانسیلش یکسان است. نام نقطه مبدا زمین الکتریکی است. زمین به عنوان منبا بی پایان از بارهای معادل مثبت و منفی فرض می‌شود و به همین دلیل از نظر الکتریکی خنثی و غیر قابل باردار شدن است.

پتانسیل الکتریکی یک کمیت اسکالر است، به همین دلیل تنها اندازه دارد و فاقد جهت می‌باشد. پتانسیل الکتریکی مشابه بلندی است: همانطور که یک جسم رها شده به دلیل اختلاف ارتفاع به وسیله میدان جاذبه به سمت پایین سقوط می‌کند، بار الکتریکی نیز به دلیل اختلاف پتانسیل ناشی از میدان مغناطیسی سقوط می‌کند. همانطور که در نقشه‌های موجود، خطوط کانتوری نقاط هم ارتفاع را نشان می‌دهند، می‌توان مجموعه خطوطی که نقاط هم پتانسیل را نشان می‌دهند (با نام خطوط هم‌پتانسیل شناخته می‌شود)، پیرامون یک جسم دارای بار الکترومغناطیسی رسم کرد. خطوط هم‌پتانسیل با تمام خطوط نیرو زاویه قائم می‌سازند. همچنین آن‌ها با سطح رسانای الکتریکی موازی اند، در غیر این صورت نیرویی تولید می‌شود که حاملان بار را به سطح پتانسیل می‌برد.

میدان الکتریکی به طور رسمی به عنوان نیرو وارده به واحد بار تعریف می‌شود، اما مفهوم پتانسیل اجازه استفاده از تعریفی مفیدتر و معادل را می‌دهد: میدان الکتریکی گرادیان مکانی پتانسیل الکتریکیست. واحدش اغلب ولت بر متر بوده، جهت بردار میدان، بزرگترین شیب پتانسیل و جایی است که خطوط هم‌پتانسیل در نزدیکترین حالت قرار دارند.

آهنربای الکتریکی

 

میدان مغناطیسی، در اطراف یک جریان

 

موتور الکتریکی از یک اثر مهم در الکترومغناطیس استفاده می‌کند: جریان در میدان مغناطیسی نیرویی عمود بر میدان و جریان تجربه می‌کند.

کشف اورستد در سال ۱۸۲۱ در این باره که پیرامون سیم‌های حامل جریان الکتریکی میدان مغناطیسی وجود دارد، نشان داد که بین الکتریسیته و مغناطیس رابطه‌ای مستقیم وجود دارد. بعلاوه، به نظر می‌رسید این فعل و انفعال با نیروی جاذبه و الکتریکی (دو نیروی طبیعت که تا آن زمان شناخته شده بودند)، متفاوت است. نیرویی که به سوزن قطب‌نما وارد می‌شد آن را نه به سیم حامل جریان نزدیک و نه آن را دور می‌کرد، اما با آن زاویه قائم می‌ساخت. واژه‌های نسبتاً ناآشنای اورستد این بود: "تضاد الکتریکی به روشی چرخشی عمل می‌کند." این نیرو همچنین به جهت جریان نیز بستگی داشت، یعنی اگر جهت جریان برعکس می‌شد، جهت نیرو نیز معکوس می‌گشت.

اورستد اکتشاف خود را به طور کامل متوجه نشد، اما مشاهده کرد که آثار متقابل بودند: جریان به آهنربا نیرو و آهنربا به جریان نیرو وارد می‌کنند. بعدها آندره ماری آمپر این پدیده را بررسی کرد. او کشف کرد که دو سیم موازی حامل جریان به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. دو سیم که جهت جریانشان یکسان است، یکدیگر را جذب می‌کنند و دو سیم که جهت جریانشان مخالف هم است یکدیگر را دفع می‌کنند. این فعل و انفعال به واسطه میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که هر جریان تولید می‌کند و اساس تعریف جهانی آمپر را شکل می‌دهد.

 

موتور الکتریکی از یک اثر مهم در الکترومغناطیس استفاده می‌کند: جریان در میدان مغناطیسی نیرویی عمود بر میدان و جریان تجربه می‌کند.

رابطه بین میدان‌های مغناطیسی و جریان بسیار مهم است، زیرا سبب شد تا مایکل فارادی در سال ۱۸۲۱، موتور الکتریکی را اختراع کند. موتور تک‌قطبی فارادی از یک آهنربا قرار گرفته داخل مخزن جیوه تشکیل می‌شد. جریان به وسیله سیمی آویزان از محور بالای آهنربا و غوطه‌ور در جیوه برقرار می‌شد. آهنربا نیرویی مماسی بر سیم وارد می‌کرد و برای اینکه جریان برقرار شود، آن را پیرامون آهنربا می‌پیچاند.

آزمایش‌های فارادی در سال ۱۸۳۱ نشان داد در سیمی که عمود بر یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، بین دو نقطه نهایی آن اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود. آنالیزهای متعاقب این فرایند، که با نام القای الکترومغناطیسی مشهور است، او را قادر ساخت تا قانون مشهور القای فارادی را بیان کند، قانونی که مطابق آن اختلاف پتانسیل مدار بسته، متناسب با تغییرات شار مغناطیسی حلقه است. استفاده از این کشف، او را قادر ساخت تا اولین مولد الکتریکی را در سال ۱۸۳۱ اختراع کند، مولدی که انرژی مکانیکی دیسک مسی در حال چرخش را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کرد. دیسک فارادی هیچ استفاده عملی نداشت، ولی نشان داد که می‌توان با استفاده از مغناطیس نیروی الکتریکی تولید کرد، امکانی که می‌توان آن را با پی روی از کارهای او بهبود بخشید.

الکتروشیمی

]]پرونده: Volta-and-napoleon.PNG|بندانگشتی|فیزیکدان ایتالیایی، آلساندرو ولتا، باتری خود را به امپراتور فرانسه، ناپلئون بناپارت نشان می‌دهد.[[

توانایی واکنش شیمیایی برای تولید الکتریسیته و به طور برعکس توانایی الکتریسیته برای پیش بردن واکنش شیمیایی استفاده‌های فراوانی دارد.

الکتروشیمی همواره بخش مهمی از الکتریسیته بوده است. از زمان اختراع پیل ولتایی، پیل‌های الکتروشیمیایی وارد انواع مختلف باتری‌ها، پیل‌های آبکاری و برق‌کافت شده است. با این روش آلومینیم در حجم بزرگ تولید شد، و انرژی بسیاری از وسایل قابل حمل با استفاده از پیل‌های قابل شارژ تامین شد.

مدارهای الکتریکی

 

یک مدار الکتریکی ساده. منبع ولتاژ V در سمت چپ جریان الکتریکی I را تولید می‌کند و انرژی الکتریکی را به مقاومت R می‌رساند. جریان از مقاومت به منبع باز می‌گردد و مدار کامل می‌شود.

یک مدار الکتریکی اتصالی داخلی از اجزای الکتریکی است تا بارهای الکتریکی در مسیر بسته به منظور هدفی معین جریان یابند.

اجزای یک مدار الکتریکی می‌تواند شکل‌های مختلفی داشته باشد، که می‌تواند شامل عناصری چون مقاومتها، خازنها، کلیدها، ترانسفورماتورها وسایل الکترونیکی می‌باشد. مدارهای الکتریکی حاوی اجزای فعال به ویژه نیم‌رساناها می‌باشند و رفتاری غیر خطی نشان می‌دهند که نیازمند آنالیز پیچیده‌ای است. سادهترین اجزای الکتریکی آنهایی هستند که نامشان غیرفعال و خطی اند: اگرچه ممکن است به طور موقت انرژی را ذخیره کنند، ولی شامل هیچ منبعی از آن نمی‌شوند و به تحریک‌ها، پاسخ‌های خطی می‌دهند.

شاید مقاومت ساده ترین عنصر غیرفعال مدار باشند: همانطور که نامش نشان می‌دهد، او در مقابل جریان مقاونت نشان می‌دهد و انرژی را به صورت گرما به هدر می‌دهد. مقاومت حاصل حرکت بار در یک رساناست: برای مثال، ر فلزات، مقاومت ناشی از برخورد بین الکترون‌ها و یون‌هاست. قانون اهم قانون ابتدایی نظریه مدارها می‌باشد و بیان می‌کند که جریان گذرا از یک مقاومت، با اختلاف پتانسیل دو سر آن متناسب است. مقاومت بیشتر مواد در طیف‌های مختلف دما و جریان تقریباً ثابت است؛ موادی که از این شرایط پیروی می‌کنند، مواد "اهمی" نام دارند. اهم، واحد مقاومت بوده و به افتخار گئورگ زیمون اهم انتخاب شده است و علامتش با توجه به حروف یونانی، به شکل Ω است. یک Ω مقاومتی است که در پاسخ به جریان یک آمپری، اختلاف پتانسیل یک ولتی ایجاد می‌کند.

خازن حاصل توسعه بطری لیدن است و وسیله‌ایست که می‌تواند بار را ذخیره کند، او بدین وسیله انرژی الکتریکی را در میدان حاصل ذخیره می‌کند. از دو صفحه رسانا ساخته شده که به وسیله یک عایق دی‌الکتریک از یکدیگر جدا شده‌اند. در عمل، ورقه‌های فلزی نازک به یکدیگر چسبیده‌اند تا سطح تماس در واحد حجم و در نتیجه ظرفیت خازنی را افزایش دهند. واحد ظرفیت خازن فاراد است، که بعد از مایکل فارادی این نام اختصاص داده شد و با علامت F نشان داده می‌شود: یک فاراد عبارتست از اختلاف پتانسیل یک ولتی حاصله به هنگام ذخیره یک کولن بار الکتریکی در خازن. یک خازن متصل به منبع تغذیه در ابتدا به این دلیل که بار الکتریکی انباشته می‌کند، جریانی ایجاد می‌نماید. این جریان رفته رفته با پر شدن خازن کم می‌شود و در انتها به صفر می‌رسد. لذا یک خازن جریان شرایط پایدار ایجاد نمی‌کند، بلکه مسیر آن را می‌بندد.

القاگر یک رساناست که اغلب به شکل سیم پیچ است و در میدان مغناطیسی حاصل از جریان عبوری انرژی ذخیره می‌کند. زمانی که جریان تغییر می‌کند، میدان مغناطیسی و همچنین ولتاژ بین دو سر رسانا نیز دچار تغییر و تحول می‌گردد. ولتاژ حاصله با مشتق زمانی جریان متناسب است. ثابت تناسب آندوکتانس نام دارد. واحد آندوکتانس هانری است که به افتخار جوزف هانری، هم دوره فارادی انتخاب شده است. یک هانری آندوکتانسی است که اگر جریان گذرا از آن القاگر در هر ثانیه یک آمپر تغییر کند، اختلاف پتانسیل یک ولتی را ایجاد می‌کند. از برخی جهات رفتار القاگر برعکس خازن است: القاگر به جریان نا متغییر اجازه می‌دهد اما در مقابل جریان در حال تغییر ایستادگی می‌کند.

توان الکتریکی

توان الکتریکی مقدار انرژی الکتریکی است که به وسیله مدار الکتریکی جابجا می‌شود. واحد توان در دستگاه بین‌المللی یکاها وات است. یک وات معادل یک ژول بر ثانیه است. توان الکتریکی مانند توان مکانیکی، سرعت انجام کار است. با واحد وات سنجیده و با حرف P نمایش داده می‌شود. توان الکتریکی تولید شده به وسیله یک جریان الکتریکی، برابر است با بار Q که در هر t ثانیه از اختلاف پتانسیل V عبور می‌کند.

 

در این رابطه Q بار الکتریکی با واحد کولن T زمان با واحد ثانیه I جریان الکتریکی با واحد آمپر V ولتاژ با واحد ولت تولید انرژی الکتریکی اغلب به وسیله مولد الکتریکی صورت می‌گیرد، اما این اتفاق می‌تواند به وسیله باتریهای شیمیایی یا سایر انواع متنوع منابع انرژی نیز اتفاق افتد. توان الکتریکی لازم برای کسب و کار و استفاده خانگی به وسیله صنعت نیرو تولید می‌شود. واحد فروش برق کیلووات ساعت (۳٫۶مگاژول) است که حاصل ضرب نیرو با واحد کیلووات در زمان با واحد ساعت است. شرکت‌های برق، میزان الکتریسته مصرفی را به وسیله کنتور اندازه‌گیری می‌کنند، که انرژی الکتریکی مصرفی مشتریان را نمایش می‌دهد.

الکترونیک

 

اجزای الکتریکی فناوری نصب سطحی

الکترونیک با مدارهای الکتریکی در ارتباط است که شامل اجزای الکتریکی فعال مانند لامپ‌های خلا، ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع می‌شود و با تکنولوژی‌های اتصال داخلی غیرفعال در ارتباط است. رفتار غیرخطی اجزای فعال و توانایی آنها در کنترل جریانهای الکترونی، سیگنال‌های ضعیف را تقویت می‌کند و در پردازش اطلاعات، مخابرات و پردازش سیگنال استفاده گسترده‌ای از الکترونیک صورت می‌گیرد. توانایی وسایل الکترونیک در عمل کردن به عنوان مدار امکان پردازش اطلاعات را فراهم می‌سازد. تکنولوژی‌های اتصال داخلی مانند فیبرهای مدار چاپی، تکنولوژی بسته‌بندی الکترونیک، و سایر انواع متنوع وسایل ارتباطی، قابلیت مدار را کامل کرده و اجزای مخلوط را به شکل یک سامانه کارآمد تبدیل کرده است.

الکترونیک از علم و تکنولوژی الکتریکی و الکترومکانیکی فاصله گرفته است، که با ژنراتور، توزیع، انتقال، ذخیره و تبدیل انرژی الکتریکی به سایر اشکال انرژی و برعکس، با استفاده از ابزاری چون سیم‌ها، موتورهای الکتریکی، باتری‌ها، کلیدها، رله‌ها، ترانسفورماتورها، مقاومت‌ها و سایر اجزای غیرفعال است. این تمایز از سال ۱۹۰۶ و با اختراع ترایود به وسیله لی دفارست آغاز شد که تقویت سیگنال‌های رادیویی و شنیداری ضعیف بدون ابزار غیر مکانیکی صورت گرفت. قبل از ۱۹۵۰ نام این رشته "تکنولوژی رادیویی" بود زیرا کاربرد اصلی آن در طراحی و تحلیل فرستنده‌ها و گیرنده‌های رادیویی و لامپ‌های خلا بود.

امروزه، بسیاری از وسایل الکترونیکی به منظور کنترل الکترونی از مواد نیم‌رسانا استفاده می‌کنند. مطالعه وسایل نیم‌رسانا و تکنولوژی مرتبط با آن‌ها شاخه‌ای با نام فیزیک حالت جامد ایجاد کرده است، در حالی که طراحی و ساخت مدارهای الکتریکی برای حل مشکلات عملی در زیرشاخه مهندسی الکترونیک قرار دارد.

موج الکترومغناطیسی

کار فارادی و آمپر نشان داد که یک میدان مغناطیسی متغییر در زمان به عنوان منبع یک میدان الکتریکی عمل می‌کند و یک میدان الکتریکی متغییر در زمان منبع میدان مغناطیسی است. بنابرین، زمانی که یکی از این دو میدان در بازه زمانی تغییر می‌کنند، میدان دیگری ایجاد می‌شود. این پدیده ویژگی‌های موج را داراست و به طور طبیعی با نام تابش الکترومغناطیسی یاد می‌شود. در سال ۱۸۶۴، جیمز کلرک ماکسول، امواج الکترومغناطیسی را از نظر تئوری بررسی کرد. ماکسول مجموعه‌ای از روابط را بیان کرد که قادر بودند ارتباط بین میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، بار الکتریکی و جریان الکتریکی را به روشنی نشان دهند. او به علاوه ثابت کرد که امواج، الزاماً با سرعت نور حرکت می‌کنند و بنابرین خود نور نیز شکلی از تابش‌های الکترومغناطیس است. معادلات ماکسول، که نور، میدان و بار را یکپارچه می‌کند، یکی از بزرگترین نقاط عطف فیزیک تئوریست.

بنابرین، تلاش بسیاری از محققان، امکان استفاده از الکترونیک را برای تبدیل سیگنال‌ها به جریان فرکانس بالای نوسان‌دار فراهم ساخت، و به وسیله رساناهای دارای شکل مناسب، الکترسیته اجازه ارسال و دریافت این سیگنال‌ها را به وسیله امواج رادیویی در فاصله‌های بسیار دور صادر کرد.

تولید و استفاده

تولید و انتقال

 

دستگاه تولید برق متناوب ساخته شده در قرن بیستم در بوداپست مجارستان، در اتاق تولید نیروی برق‌آبی در نیروگاه تولید برق (عکس از سرگی میخائیلوویچ).

آزمایشات تالس به وسیله میله کهربا اولین مطالعات پیرامون تولید انرژی الکتریکی بود. اگرچه این روش، که به اثر برق مالشی معروف است، می‌تواند اجسام سبک را بلند و جرقه تولید کند، بسیار ناموثر است. تا پیش از اختراع پیل ولتایی در قرن هجدهم، هیچ منبع الکتریسیته مداومی در دسترس نبود. پیل ولتایی و نسل مدرنش، باتری‌های الکتریکی، انرژی شیمیایی را ذخیره می‌کنند و در هنگام نیاز آن را به شکل انرژی الکتریکی در دسترس قرار می‌دهند. باتری یک منبع برق همه‌کاره و رایج است که برای بسیاری از وسایل مناسب می‌باشد، ولی ذخیره انرژی آن محدود است و زمانی که شارژش تمام می‌شود باید تعویض یا شارژ شود. برای تقاضاهای الکتریکی عظیم باید به طور مداوم انرژی تولید و به وسیله خطوط انتقال رسانا، منتقل شود.

الکتریسیته، اغلب به وسیله مولدهای الکتریکی تولید می‌شود که با بخار حاصل از احتراق سوخت‌های فسیلی، یا گرما آزاد شده از رآکتورهای هسته‌ای، یا سایر منابع انرژی مانند انرژی جنبشی حاصله از باد و جریان آب، به حرکت در می‌آیند. توربین بخار مدرن که در سال ۱۸۸۴ توسط چارلز آلگرنون پارسونز اختراع شد، امروزه با استفاده از منابع متنوع گرما، حدود ۸۰ درصد توان الکتریکی جهان را تولید می‌کند. این مولدها هیچ شباهتی به مولد تک‌قطبی فارادی که در سال ۱۸۳۱ اختراع شد، ندارند، اما هنوز از قانون الکترومغناطیسی او پیروی می‌کنند که می‌گوید رسانایی که به میدان مغناطیسی متغییری متصل است بین دوسرش، اختلاف پتانسیل تولید می‌شود. اختراع ترانسفورماتور در اواخر قرن نوزدهم، بدان معنا بود که نیروی الکتریکی می‌تواند با ولتاژی بالاتر ولی جریانی کمتر انتقال یابد. انتقال بهینه انرژی الکتریکی بدین معنا بود که می‌توان الکتریسیته را در یک نیروگاه مرکزی تولید کرد که از صرفه‌جویی در مقیاس سود می‌برد و به فاصله‌های نسبتاً دوری فرستاده می‌شود.

 

توان بادی در بسیاری از کشورها در حال گسترش است.

از آنجا که انرژی الکتریکی را نمی‌توان به اندازه‌ای ذخیره کرد که قادر به پاسخ گویی تقاضا در سطح ملی بود، باید در هر زمان، به اندازه‌ای که لازم است، تولید شود. این خود نیازمند اینست که صنعت الکتریسیته پیشبینی دقیقی از بارگذاری الکتریکی داشته و ارتباط پایداری با نیروگاه‌های خود برقرار کنند. باید مقدار معینی از الکتریسیته تولید شده، همواره ذخیره شود تا برای مواقع اضطراری و بروز اختلالات، تکیه‌گاهی محکم وجود داشته باشد.

با مدرنیته یک ملت و بهبود اقتصاد آن، تقاضا برای الکتریسیته با سرعت بالایی افزایش می‌یابد. در ایلات متحده آمریکا، تقاضای برق در سه دهه اول سده بیستم، سالانه ۱۲ درصد افزایش می‌یافت. اکنون کشورهای نو ظهور در عرصه اقتصاد، مانند چین و هند، چنین افزایشی را تجربه می‌کنند. به طور تاریخی، افزایش تقاضای الکتریسیته، از تقاضا برای سایر شکل‌های انرژی پیش افتاده است.

نگرانی‌های محیطی از تولید الکتریسیته منجر به افزایش تمرکزها برای استفاده از منابع تجدیدپذیر، به خصوص توان بادی و انرژی آبی شده است. اگرچه می‌توان انتظار داشت که تاثیر محیطی وسایل مختلف الکتریکی ادامه می‌یابد، شکل نهایی آن تقریباً پاک است.

کاربردها

 

لامپ رشته‌ای، یکی از کاربردهای اولیه الکتریسیته که با گرمایی ژولی کار می‌کند: عبور جریان از مقاومت گرما تولید می‌کند.

الکتریسیته یک راه بسیار مناسب برای انتقال انرژی است و از آن استفاده‌های فراوان و در حال افزایشی اتفاق افتاده است. اختراع لامپ رشته‌ای در دهه ۱۸۷۰ سبب شد که نورپردازی به یکی از عمومی ترین کاربردهای توان الکتریکی تبدیل شود. اگرچه برق رسانی خطرات خاص خود را دارد، جایگزین کردن شعله‌های عریان چراغ نفتی با آن، به طور چشم گیری حوادث اتش سوزی در خانه‌ها و کارخانه‌ها را کاهش داد. امکانات عمومی با هدف روبه رشد قرار دادن بازار نور پردازی، در بسیاری از شهرها برقرار شد.

تاثیر گرمای ژولی که در لامپ‌های رشته‌ای وجود دارد استفاده‌های مستقیم بیشتری در گرمایش الکتریکی دارد. درحالی که پرکاربرد و قابل کنترل است، می‌تواند مفید نیز باشد، زیرا بیشتر تولید الکتریکی نیازمند تولید گرما در نیروگاه‌ها هستند. تعدادی از کشورها مانند دانمارک، در زمینه محدود کردن و ممنوعیت استفاده از گرمایش الکتریکی در ساختمان‌ها نو ساز قانونی وضع کرده‌اند. الکترسیته یک منبع انرژی پر کاربرد برای خنک‌سازی، و تهویه مطبوع است که بخش در حال توسعه‌ای برای تقاضای الکتریسیته به نظر می‌رسد و تاثیرات آن سبب شده است که صنعت برق به فکر تامین این نیاز برآید.

الکتریسیته در مخابرات و تلگراف الکتریکی کاربرد دارد که در سال ۱۸۳۷ توسط ویلیام فوترگیل کوکه و چارلز ویتستون به نمایش در آمد و یکی از اولین کاربردها بود. با ساخت اولین تلگراف بین‌قاره‌ای و پس از آن کابل تلگراف بین‌قاره‌ای در دهه ۱۸۶۰، الکتریسیته جهان را قادر ساخت تا در مدت چند ثانیه ارتباط برقرار کند. تکنولوژی فیبر نوری و ماهواره مخابراتی به طور مشترک بازار سیستم برقراری ارتباط را به دست گرفته‌اند، اما به نظر می‌رسد الکتریسیته بخش اساسی این فرایند باقی بماند.

اثر الکترومغناطیس به طور آشکار در موتور الکتریکی به کار می‌رود، که ابزاری موثر و پاک برای توان محرک فراهم می‌آورد. یک موتور بی حرکت مانند وینچ، به راحتی مقداری نیرو فراهم می‌آورد، اما موتوری که با کاربرد برق حرکت می‌کند، مانند یک ماشین برقی، باید یا یک منبع توان مانند باتری را حمل کند یا جریان را از یک اتصال کشویی مانند یک شاخک برقرسان دریافت کند.

وسایل الکترونیک از ترانزیستور، که احتمالاً یکی از مهمترین اختراعات قرن بیستم است، و یک بلوک بنیادین مدار تمام مدرن، استفاده می‌کنند. یک مدار مجتمع مدرن می‌تواند شامل چند میلیارد ترانزیستور کوچک شده در محلی به مساحت چند سانتیمتر مربع باشد.

همچنین از الکتریسیته برای تامین سوخت حمل و نقل عمومی شامل اتوبوسها و قطارهای برقی استفاده می‌شود.

برق و جهان طبیعی

اگر به بدن انسان ولتاژی اعمال کنیم باعث می‌شود که جریان الکتریکی از بافت‌های آن عبور کند، با اینکه رابطهٔ بین این‌ها غیر خطی است ولی با افزایش ولتاژ جریان عبوری نیز زیاد می‌شود. آستانه درک انسان با توجه به فرکانس و مسیر عبوری جریان متغیر است ولی برای فرکانس اصلی (در آسیا ۶۰ هرتز) بین ۰٫۱ تا ۱ میلی آمپر متغیر است. با این وجود یک جریان ضعیف در حد میکروآمپر در شرایط مشخصی به عنوان الکترولرزه توسط بدن تشخیص داده می‌شود. اگر جریان خیلی قوی باشد موجب انقباض ماهیچه‌ها، تارلرزه قلب و سوختگی بافت می‌شود. هیچ مشخصه ظاهری برای یک جسم هادی حاوی الکتریسیته وجود ندارد در نتیجه برق یک خطر منحصربفرد است. دردی که توسط یک شوک الکتریکی ایجاد می‌شود می‌تواند شدید باشد، این دلیل منجر شده است که در زمان‌های مختلف این کار به عنوان یک روش برای شکنجه استفاده شود. به مرگی که ناشی از شوک الکتریکی باشد مرگ در اثر برق اطلاق می‌شود. در حال حاضر استفاده از این عبارت جز در بعضی حوزه‌های قضایی، که در آنها به معنی اعدام است، کاهش یافته است.

پدیده‌های الکتریکی در طبیعت

 

مارماهی الکتریکی با نام الکتروفروس الکتریکوس

الکتریسیته توسط انسان اختراع نشده است و در طبیعت به شکلهای مختلف وجود دارد، یک نمود همیشگی آن آذرخش است. بسیاری از تعاملات آشنا در حد ماکروسکوپیک مانند حس لامسه، اصطکاک و پیوندهای شیمیایی ناشی از تعاملات بین میدان‌های الکتریکی در مقیاس اتمی هستند. تصور می‌شود که میدان مغناطیسی زمین توسط یک دینام طبیعی ناشی از جریانهای دوار در مرکز سیاره ایجاد شده است. کریستال‌های مشخصی مانند کوارتز و شکر زمانی که تحت فشار قرار می‌گیرند بین دو طرف خود اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کنند. این پدیده که اثر فشاربرقی نام دارد و از واژه یونانی piezein به معنی فشار گرفته شده است، در سال ۱۸۸۰ توسط پیر کوری و ژاکس کوری کشف شده است. این اثر دوطرفه است یعنی اگر یک ماده پیزوالکتریک را در میدان الکتریکی قرار دهیم ابعاد آن به مقدار بسیار ناچیز تغییر می‌کند.

بعضی از موجودات زنده مانند کوسه‌ها توانایی این را دارند که تغییرات میدان الکتریکی را حس کنند و به آن پاسخ دهند، این توانایی را دریافت الکتریسیته گویند، گونه‌های دیگری وجود دارند که قادرند برای شکار و یا دفاع از خود ولتاژ ایجاد کنند به این توانایی پیدایش الکتروزیستی گویند. راسته برق‌ماهی‌سانان، که معروفترین آنها مارماهی الکتریکی است، قادرند با ایجاد یک ولتاژ قوی توسط سلولهای تغییریافتهٔ ماهیچه موسوم به الکتروسلول، طعمه خود را تشخیص و یا بی‌حس کنند. همهٔ حیوانات اطلاعات را در امتداد غشای سلولی توسط تپش‌های (پالس‌های) ولتاژ انتقال می‌دهند که به آن پتانسیل عمل می‌گویند، که وظیفه آن شامل ایجاد ارتباط بین ماهیچه‌ها و یاخته‌های عصبی توسط دستگاه عصبی است. شوک الکتریکی این سیستم را تحریک می‌کند و موجب انقباض ماهیچه‌ها می‌شود. پتانسیل عمل در بعضی گیاهان مسئول فعالیت‌های هماهنگی است.

در مدارهای سری جریان یکسانی از همهٔ اجزای مدار می‌گذرد و تنها یک مسیر برای شارش جریان وجود دارد. در صورتی بازشدن یا شکستن مدار در هر نقطه، کل مدار «باز»‌ می‌شود و از کار می‌افتد

مدار موازی

یکی دیگر از روش های به هم بستن مقاومت ها، اتصال موازی می‌باشد. در اتصال موازی، ولتاژ دو سر قطعات همواره برابر است.

 

 

 

شکل زیر دو مقاومت را نشان می‌دهد که به صورت موازی به باتری متصل شده‌اند. تاکید شکل الف بر این است که هر دو مقاومت مستقیماً به باتری متصل شده‌اند. مدارهای الف و ب معادل یکدیگرند، ولی مدارهای موازی را به ندرت همانند شکل الف رسم می‌کنند، بیشتر مدارهای موازی همانند شکل ب رسم می‌شوند. در این روش ترسیم، نقطه   تاکید می‌کند که انشعاب‌ها در مدار به هم متصل‌اند.

 

   

الف          ب

 

استفاده از مدارهای موازی بسیار متداول است. به عنوان مثال وسایل خانه به صورت موازی به برق شهر متصل می شوند. در شکل زیر تلویزیون، ضبط استریو و لامپ به صورت موازی به برق 120 ولت وصل شده‌اند.

 

در این حالت، وجود پریزهایی که استفاده نشده‌اند و یا وسایلی که خاموش اند اثری بر سایر وسایل که به برق متصلند، ندارد. به علاوه اگر جریان یک وسیله قطع شود (به وسیله قطع کردن کلید یا سیم آن) جریان سایر وسایل تغییری نمی‌کند. در مقابل، اگر وسایل به شکل سری به هم وصل شوند، با خارج شدن یک وسیله از مدار، جریان کل مدار قطع می‌شود.

 

اگر مقاومت ها به شکل موازی به یکدیگر وصل ‌شوند، هر مقاومت جریانی مستقل از جریان دیگر مقاومت ها از باتری دریافت می‌کند. بنابراین، مجموع جریان دو مقاومت موازی   و   بیشتر از حالتی است که آنها تک تک در مدار حضور داشته باشند.

 

بنا به تعریف مقاومت، عبور جریان بیشتر متناظر با مقاومت کمتر است، بنابراین دو مقاومت موازی R1 و R2 همانند یک مقاومت معادل (RP) که مقدار آن کمتر از هر دو مقاومت R1 و R2 است، عمل می کنند. برای بررسی دقیق تر مدارهای موازی از مدل آبی کمک می‌گیریم.

 

 

در شکل ( الف) دو لوله با مقاطع مختلف و طول های مساوی به صورت موازی به پمپی بسته شده‌اند.

 

   

الف          ب

 

در شکل (ب) این دو لوله با یک لوله بزرگتر عوض شده‌اند، طوری که طول آن برابر حالت قبل است ولی مقطع لوله جدید برابر مجموع مقاطع دو لوله قبلی می‌باشد. حجم آبی که در شکل (ب) جابه جا می شود، بیشتر از حالتی است که هر یک از لوله های 1 یا 2 به تنهایی در مدار باشند. در حقیقت لوله ای با قطر بیشتر (مقطع 1 و 2 با هم) مقاومت کمتری در برابر جریان آب دارد.

 

در مدار زیر، پنج لامپ به شکل موازی به هم متصل شده اند. این مجموعه توسط فیوزی به برق متصل شده است. به ترتیب لامپ ها را روشن می کنیم. اگر تعداد لامپ های روشن زیاد شود، جریان کل چه تغییری می کند؟ پس از اتصال آخرین لامپ (پرمصرف) چه اتفاقی برای فیوز می افتد؟ چرا؟

 

 

احتمالاً ماشین های برقی در شهر بازی را دیده اید. این ماشین ها به چه شکل به برق اصلی وصل شده اند؟ سری یا موازی؟