أسس الهندسة الكهربائية الوحدة الثانية :تعاريف و مصطلحات كهربائية د.م .أحمد دمحم رحال المادة :أسس الكهرباء السنة :األولى – قسم التغذية الكهربائية العام الدراسي2021-2020 : الكهرباء :هي عملية انتقال االلكترونات الحرة الموجودة في المدار األخير حول النواة من ذرة الى ذرة. التيار الكهربائي :هو عبارة عن حركة موجهة لإللكترونات الحرة من نقطة الى أخرى عبر موصل .ولكي تتحرك هذه االلكترونات عبر الموصل فانه ال بد من التأثير عليها بقوة خارجية. ونحصل على هذه القوة من مصدر الطاقة الكهربائية (مثلا البطاريات). اتجاه التيار الكهربائي :اصطلح على أن يكون اتجاه التيار الكهربائي من القطب الموجب الى القطب السالب بعكس اتجاه االلكترونات كما هو موضح بالشكل التالي. دة التيار الكهربائي :وهي عبارة عن كمية الشحنة الكهربائية التي تعبر مقطعا ا معينا ا من الموصل في وحدة ال من (الثانية) أ معدل تدف الشحنة الكهربائية بالتالي: اذا ا ينشأ التيار الكهربائي بموصل اذا مرت شحنة ( )qخلل مقطعه في من قدره ( )tوتكون قيمة هذا التيار ثابتة .وتكون شدة التيار كبيرة أو مرتفعة إذا تدف عدد كبير من االلكترونات الحرة عبر الموصل على حين تكون شدة التيار منخفضة اذا تدف عدد قليل من االلكترونات الحرة عبر الموصل. يتبين من المعادلة السابقة بأن وحدة شدة التيار الكهربائي هي وحدة الشحنة مقسومة على وحدة ال من أ كولوم لكل ثانية وتعرف هذه الوحدة باسم أمبير نسبة للعالم أندر مار أمبير. وتجدر االشارة الى أنه أحيانا يكون األمبير وحدة كبيرة وخاصة في دارات االلكترونيات الضعيفة لذا نستخدم وحدة أصغر منه كالميلي أمبير mAوالذ يساو 0.001 Aوالجدول التالي يوضح شدة التيار الذ تعمل عليه بعض التجهي ات الكهربائية الشائعة االستخدام في الحياة العملية. نقيس عادة شدة التيار في الدارات الكهربائية بجها خاص يدعى األميتر ويرم له بدائرة بداخلها حرف ( .)Aوالذ يوصل عادة على التوالي في الدارة المراد قياس شدة التيار فيها. أنوا التيارات الكهربائية :Current Types للتيار الكهربائي أنوا م تل ة ت تلف با ت ف كل المصدر كما يلي: -1 التيار المستمر ) :Direct Current (DCو التيار الذ كما و مبي بال كل .وم ثابت م مرور ال م قيمت واتجا مصادر التيار المستمر المركم الرصاصي (البطارية) المست دمة ي السيارات والبيوت. - ) :Alternating Current (ACهو التيار الذ التيار المتناو تتغير قيمته واتجاهه دوريا م تغير ال من وقيمته المتوسطة تساو الصفر .ومن أمثلة التيار المتناوب التيار المتولد من محطة توليد الكهربا والذ ي ود المنا ل بالتيار الكهربائي. تب ى س :لماذا ال نلح تغير االضا ة ر م كون التيار متناوبا ا هرت وأقل اضافة الى أن :ألن عين االنسان تلح التغيرات عند األجه ة المن لية تقوم عادة بتحويل التيار المتناوب الى تيار مستمر. بع ا كال موجات التيار المتناو : تيار متناو كل موجة مربعة تيار متناو كل موجة س من ار تيار متناو كل موجة جيبية يستخدم التيار المتناوب في مع م التطبيقات المن لية والصناعية ويتنو بين أحاد الطور وثلثي الطور ويستخدم ثلثي الطور في نقل الطاقة من المحطات الكهربائية وفي المحركات الصناعية. -1التيار النب ي :Pulsating Current وهو تيار ذو اتجاه واحد وتتغير قيمته دوريا وال يغير اتجاهه ويكون له قيمة متوسطة Average Valueكما هو مبين في الشكل التالي: تيار نب ي Pulsating Current التردد ) :Frequency (fيعرف بأنه عدد الموجات في الثانية الواحدة ويرم له بالرم Fويقاس بواحدة الهرت Hzوتستخدم بعض الدول التردد هرت . هرت واألخرى الدور :هو مقلوب التردد ويقاس بالثانية: يبين الشكل التالي اشارة جيبية بترددات مختلفة: الجهد الكهربائي :هو التأثير الذ يخل فرقا ا في الشحنات بين طرفي موصل ليجعل أحدهما مليئا ا باإللكترونات واآلخر فقيرا ا بها وف مبدأ تنافر الشحنات المتماثلة عن بعضها وتجاذب المختلفة منها نحو بعضها البعض. مصادر الجهد :Voltage Sources البطارياث Batteries؛ الخاليا الشمسيت Solar Cells؛ وحذاث االمذاد بالقذرة الكهربائيت Electrical Power Supplies؛ المىلذاث الكهربائيت Electrical Generators؛ محطاث تىليذ القذرة باستخذام الرياح Wind Power Stations؛ المىلذاث الحراريت Thermal Stations؛ المىلذاث النىويت .Nuclear Stations • الم اومة الكهربائية Electrical Resistance تعرف الم اومة الكهربائية بأنها م دار اعاقة المادة لمرور التيار الكهربائي يها كما هو مبين في الشكل التالي حيث أن اإللكترونات التي تشكل التيار الكهربائي تصطدم أثنا مسيرها عبر أ موصل بأج ا مادة الموصل التي تبد إعاقة أو مقاومة أمام مسير اإللكترونات في هذا الموصل. وتجدر االشارة الى أن كل المواد المعروفة تتمت الى حد ما بهذه الخاصية. فمثل للمواد العا لة مثل ال جا والمطاط مقدار كبير من المعارضة لحركة اإللكترونات عبرها وبالتالي ال تسمح بمرور التيار الكهربائي فيها .لذا يقال بأن لهذه المواد مقاومة كبيرة جدا ا وبأنها مواد عا لة .أما المواد الموصلة مثل النحاس واأللمنيوم فإنها تبد معارضة قليلة جدا ا لحركة اإللكترونات عبرها لذا يقال بأن لهذه المواد مقاومة منخفضة جدا ا وبأنها مواد موصلة. نستنتج مما سب بأن المقاومة تحد من قيمة التيار المار في الدارة الكهربائية .وأن كل المواد الموصلة لها مقاومة تختلف من مادة ألخرى .فعلى سبيل المثال عناصر التسخين الموجودة في األفران الكهربائية وأجه ة التدفئة ما هي إال عبارة عن مقاومات. يرم عادة للمقاومة الكهربائية بالحرف Rويرم لها في المخططات الكهربائية بالرم ين الموضحين في الشكل التالي. رمو المقاومة الكهربائية تقاس المقاومة بواحدة األوم ويرم له بالحرف اليوناني أوميغا ( )Ωويعرف األوم بداللة الجهد والتيار .حيث أن ( )1أوم هو مقدار المقاومة التي تسمح بمرور تيار شدته ( )1أمبير عند تطبي جهد مقداره ( )1فولت .ومن مضاعفات األوم "الكيلو أوم" ويرم له بالحرفين KΩويساو 103أوم .والميجا أوم ويرم لها بالحرفين MΩوتساو 106أوم. والجدول التالي يوضح قيم مقاومة بعض األجه ة الحرارية المستخدمة في الحياة العملية. وتجدر ا ارة الى أن عند ا تيار أو استبدال الم اومات ي الدارات الكهربائية ان يج مراعات المواص ات ال نية لهذه الم اومات والتي تتمثل ي: الموصلية Conductance في بعض األحيان يكون من المناسب أن نحسب مدى موصلية المادة للتيار الكهربائي أكثر من حساب مدى معارضتها لمرور التيار الكهربائي .لهذا نستخدم تعبير أو خاصية تسمى الموصلية .Conductance إ الموصلية ي عكس الم اومة وتعبر ع قدرة المادة على تمرير التيار الكهربائي ويرم لها بالحرف ( )Gوتقاس بواحدة تسمى مو ( )mhoوهي معكوس كلمة أوم ( )ohmوفي اآلونة األخيرة تم اعتماد واحدة تسمى ال سيمين ( )Siemensلقياس الموصلية ويرم لها بالحرف ( .)Sورياضيا ا فإن الموصلية هي مقلوب المقاومة كما في العلقة التالية: 𝟏 𝐑 =𝐆 المصهرات FUSES المصهر (الفيو ) هو عنصر حماية للمعدات واألجه ة الكهربائية ولعناصر الدارة الكهربائية من التيارات ال ائدة عن الل م أو من تيار قصر الدارة الذ ي د الى تلف هذه األجه ة .ويتلخص عمل المصهر في أن عنصره ينصهر ويفتح الدارة عند يادة التيار عن حد معين كما هو موضح في الشكل التالي. عمل المصهر ا ستطاعة ) :Power (Pهي معدل الشغل المبذول بالنسبة لل من وتقاس بواحدة الواط .Wوتعطى بالعلقة: Power=Energy/time وتحسب في الدارات الكهربائية باستخدام العلقات التالية: 2 P=I *R أو P=V2/R أو P=V*I حيث أن: :Vالجهد :Iالتيار :Rالمقاومة الطاقة وال درة :Energy and Power الطاقة :Energyتعرف بأنها الم درة على بذل ال غل أو أداء العمل. ال درة :Powerي معدل بذل ال غل أو قياس مد سرعة بذل الطاقة أو بمعنى ر ي م دار معي م الطاقة ( )Wالمبذولة ترة منية محددة (.)t ل P=W/t حي أ : - Pي ال درة Powerوت اس بالوات Watt - Wو ال غل Workوي اس بالجول Joule - Tي ال م timeوي اس بالثانية .Sec م ح ة: إ قيمة ( )1 Wattتمثل م دار ال درة عند بذل ( )1 Jouleم الطاقة ل ثانية واحدة. وحدات قياس الطاقة :Units of Energy ن را أل الطاقة ي حاصل ر ال درة ي ال م ن يصب م الممك استعمال وحدات قياسية أ ر ير الجول ل ياسها حي يمك قياس الطاقة Energyب حد الوحدات التالية: .1كيلووات ساعة )Kilo Watt-hour (KWh .2وات ساعة )Watt-hour (Wh .3وات ثانية )Watt-second (Ws م ح ة: - - الوحدة العملية أل قيم الطاقة المستهلكة عادة كبيرة جدا األكثر استعما ي كيلووات ساعة ).Kilo Watt-hour (KWh م دار الطاقة المستهلكة على واتير الكهرباء يكو دائما بالكيلوواط ساعة .KWh وحدة كيلوواط ساعة ) Kilo Watt-hour (KWhووحدة واط ساعة ) Watt-hour (Whيمك است دامها كوحدات للطاقة بد م الجول. )(1h ل ساعة م ال م ) :(1 KWhتمثل الطاقة المبذولة للحصول على قدرة تساو 1 KWأ أ : )Energy=Power (W) * Time (s 1KWh=1000*60*60=3.6*106 Joule 1KWh=3.6 MJ مثال: كم كيلوواط – ساعة ) (KWhم الطاقة يستهلك مصبا ل 8ساعات. كهربائي قدرت 250W الحل: Energy=W=P1= (250W)*(8h) = 2KWh مثال: أوجد ال درة كما ي المثال الساب اذا كانت قدرة المصبا وال ترة ال منية التي يعمل بها مو حة بالحا ت التالية: (2500 W for 2h )a (100000 W for 2h )b الحل: ()a ()b W = (2.5KW)*(2h) = 5 KWh WKWh = (100KW)*(5h) = 500 KWh وللحصول على الطاقة بالجول: WJoule = (100000W)*(5*3600s) = 1800000000=18*108J=1.8 GJ م ح ة: للحصول على الطاقة بالجول Jouleيج كتابة ال درة بالوات Wattوال م بالثانية .Second للحصول على الطاقة بالكيلووات ساعة KWh بالكيلووات ) (KWوال م بالساعة ).(hour يج التعبير ع ال درة تصنيف المواد حس موصليتها للكهرباء: .1 المواد الموصلة للكهرباء :و ي المواد التي تسم بمرور التيار لها مثل النحاس األلمنيوم و ير ا م المعاد الكهربائي م الموصلة للكهرباء وتتراو المواد ي موصليتها حس الم اومة النوعية لكل مادة. .2 المواد العا لة :و ي المواد التي تسم بمرور التيار الكهربائي لها وذل بسب تركيبها الدا لي والترابط ال و بي ذراتها م المطاط ال ف و ير ا م المواد العا لة. مثل ال .3 المواد ب الموصلة :و ي مواد ت بي المواد الموصلة والمواد العا لة م حي توصيلها للكهرباء أ بمعنى ر تكو عا لة عند درجة الص ر المطل وتحت تأثير درجة حرارتها تبدأ موصليتها بال يادة نتيجة ت ك الرابطة ال وية بي ذراتها بغعل الحرارة .وم المواد ب الموصلة الجرمانيوم والسيليكو . انتهت المحا رة