جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية

مشكورررررررررررررررررررررررررررررررررررررررررررررر

الدرس الأول: جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية

1
2
3
4
5

(7 - user rating)

الدروس التعليمية - دورة أسس الهندسة الإلكترونية

الكاتب : مازن صوفي

الاثنين, 05 نيسان 2010 16:29

نتوجه في هذه السلسلة إلى القراء الأعزاء المبتدئين في طريق الهندسة الإلكترونية آملين في إيصال المعلومات الأساسية حول العناصر والدارات الإلكترونية التي ستساعد في بناء أساس علمي يمكن القارئ من متابعة الاطلاع على بقية المواضيع والمشاريع في المجلة، وقد سعينا للتقليل قدر الإمكان من العلاقات والاستنتاجات الرياضية، رغبةً منا في إيصال الفكرة المفيدة من وجهة النظر العملية؛ لذلك ستقتصر بعض الفقرات على التعاريف والمفاهيم الأساسية فقط.
ترتبط المفاهيم العلمية للهندسة الإلكترونية ارتباطا وثيقا ببنية المادة ومكوناتها، لذلك سنحتاج إلى جولة سريعة في بعض العلوم الأساسية لنتعرف على هذه المفاهيم عن قرب لنستطيع التقدم بخطى ثابتة في الهندسة الإلكترونية..
الذرة :

بالعودة إلى تاريخ الذرة ونظرياتها، نجد ثلاثة من العلماء لمعت أسماؤهم بشكل ملفت في هذا التاريخ المتسارع، وهم تومسون، ودانييل رذرفورد، ونيلز بور، وقد خلصت أعمالهم إلى أن الذرة هي بنية معقدة تحتوي على جسيمات موجبة وسالبة، تسمى الموجبة منها بروتونات Protons والسالبة إلكترونات Electrons، واكتشف فيما بعد الجسيم الحيادي الشحنة والذي حقق للمعادلات فرق الكتلة الذي لم تحققه البروتونات والإلكترونات وحدها، ألا وهو النترون Neutron.
تطورت نماذج الذرة وفق اقتراحات هؤلاء العلماء، ولكنها انتهت بالنموذج الذي برهنه نيلز بور Neils Bohr في نظريته القائلة بأن للإلكترونات سويات طاقية محددة تدور فيها حول النواة التي تقع في مركزها، كما تدور كواكب المجموعة الشمسية حول الشمس، يوضحها الشكل 1، كما أظهرت دراسات لاحقة بأن الذرة متعادلة كهربائياً.

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Neils-bohr-model

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Neils-bohr-model

الكهرباء الساكنة Static Electricity :

تتحرك بعض الإلكترونات بشكل دائم في المادة، وعندما تكون هذه الحركة منتظمة عبر الزمن يطلق عليها اسم التيار الكهربائي Electrical Current، ولكن يمكن بشكل عام أن تتحرر هذه الإلكترونات من مداراتها تحت تأثير حراري، أو بالحك، أو الضوء، أو التأثير الكيميائي، فإذا ما لم تتحرك هذه الشحنات وبقيت على سطح المادة فيقال إنها تحمل شحنة ساكنة، ويمكنها التأثير على ما حولها، ويعيد هذا إلى أذهاننا تجربة المشط والشعر أو قضيب الأبونايت والأوراق الصغيرة.
تستمر الإلكترونات في التحرر والتكدس على سطح المادة، فإذا ما وصلت إلى درجة إشباع معينة فإنها تميل إلى التفريغ في أي جسم قريب عبر الوسط العازل بينها، كما هو الحال عند حدوث الصاعقة.
ملاحظات هامة :

لا تنتقل الكهرباء الساكنة من مكان إلى آخر، وإنما يمكن التحايل عليها وإجراء بعض التجارب المسلية معها، ولكنها غير مجدية في استخدامها بشكلها الصرف للحصول على طاقة تنفّذ عملاً مستداماً ما.
على المصمم أو المتعامل مع الدارات الإلكترونية أن ينظر إلى الكهرباء الساكنة بعين الاعتبار، فقد تؤثر في بعض الأحيان تأثيراً سلبياً يعطل العناصر أو يغيّر النتائج والقيم.

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Static-charges

الشحنة الكهربائية Electrical Charge :

لن نتعمق كثيراً في عالم الفيزياء أو نسبر أغوار الحقول الكهرطيسية لفهم الدارات الكهربائية، بل سنكتفي بذكرثلاث فرضيات تكفينا في التطبيق العملي إن سلمنا بها، أما مفهوم الشحنة العام فهو مفهوم مساعد لدراسة الظواهر الفيزيائية، ولذلك لسنا بحاجة للغوص كثيراً في هذه المرحلة لفهم ماهية الشحنة.. والفرضيات هي :
1. الشحنة الكهربائية حقيقة موجودة ويمكن قياس قيمتها وكشف وجودها، وتقاس بواحد الكولومب Coulomb.
2. يمكن للشحنة أن تكون سالبة أو موجبة.
3. الشحنة لا تخلق ولا تفنى، وإذا كان لجسمين شحنتان متطابقتان في القيمة ومتعاكستان في الإشارة فإن حصيلتهما جسم متعادل كهربياً، أي شحنته صفر.

الجهد الكهربائي Volatge :

نفرض أنك تملك جسمين مشحونين كهربياً، وبشحنتين متعاكستين، وقربتهما من بعضهما، فسينجذبان حتماً.. أليس كذلك؟ حسناً، جرّب أن تبعدهما مرة أخرى لمسافة r بينهما، فيكون العمل الميكانيكي الذي بذلته لتحقيق هذا الفصل هو قيمة الجهد الكهربائي أو فرق الكمون بينهما، وواحدته الفولط V. وكلما كانت قيمة شحنة الجسمين أكبر كانت قيمة الكمون أكبر.
هذا هوا المفهوم الفيزيائي للجهد، ولفهم طبيعته وعلاقته بالشحنة بشكل أفضل يمكننا (كما يحدث في العادة) استخدام الماء للتعبير عن هذه الكميات الكهربائية، وهو ما نسميه النموذج المائي للدارة الكهربائية، وهو يساعد في فهم المبادئ بشكل جيد :
يبين الشكل 3 خزانا مرتفعا عن سطح الأرض يحتوي كمية من الماء، ويتصل بأنبوب يتدفق فيه الماء نحو مكان ما، يمكننا ربط المصطلحات الكهربائية بهذا النموذج كما يلي :

الشحنة الكهربائية: كمية الماء الموجودة في الخزان.
الناقل الكهربائي: الأنبوب الذي يجري فيه الماء.
التيار الكهربائي: كمية الماء المتدفق ضمن الأنبوب خلال زمن معين.
الجهد الكهربائي: ضغط الماء، وهو ناتج في هذا المثال عن ارتفاع مستوى الخزان عن مستوى المصرف.

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Water-model

يقاس الجهد أو فرق الكمون دائماً بين نقطتين تمثل إحداهما الشحنة الموجبة والأخرى تمثل السالبة، وإذا ما كنا بحاجة للعمل مع أكثر من نقطة فإننا نستخدم نقطة مرجعية لمقارنة الكمون معها، ونصطلح على أن كمونها يساوي الصفر، والتي تسمى عادة الأرضي Ground فيكون فرق الكمون بين النقطة المدروسة والأرضي هو الجهد الكهربائي.
التيار الكهربائي Current:

هو تدفق الشحنة الكهربائية خلال الزمن، وواحدة قياسه الأمبير [A]، فالأمبير الواحد هو شحنة متدفقة قيمتها كولومب واحد خلال زمن قدره ثانية واحدة.
التيار مقدار له جهة، فيكون موجباً عند انتقال الشحنة من نقطة موجبة A إلى نقطة سالبة B، أي من قطب البطارية الموجب إلى قطبها السالب، وهذا اصطلاح، لأن التيار ينتج حقيقة عن حركة الشحنات السالبة (الإلكترونات) من النقطة السالبة إلى الموجبة، ولكن كما قلنا.. هكذا اصطلحت جهته.

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Current-direction

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Current-direction

الاستطاعة Power:

تتشكل حرارة في مواد الدارة الكهربائية نتيجة لمرور التيار الكهربائي فيها بين النقاط المختلفة في كمونها، فتكون الطاقة التي أنتجت هذه الحرارة هي الاستطاعة الكهربائية، وتقاس بواحدة الواط Watt.
قانون أوم:

استطاع العالم الألماني أوم وباستخدام تجهيزاته البسيطة قبل مئتي عام أن يحدد العلاقة التي تربط بين مساحة مقطع السلك الذي يتدفق خلاله التيار وطوله ومادته ومقاومته لتدفق هذا التيار، وهو ما اصطلحت تسميته مقاومة Resistance، فتمكن بذلك من إيجاد العلاقة الرابطة بين التيار والجهد والاستطاعة (لأن المقاومة هي سبب الأثر الحراري) فنتج القانون الذي يحمل اسمه:

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية P=iv

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية P=iv

P الاستطاعة [W]
V الجهد [V]
A التيار [A]

كما يمكن أن يأخذ الشكل :

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية V=ir

V الجهد [V]
I التيار [A]
R المقاومة مقدرة بالأوم [Ω]

ولتسهيل التعامل مع هذا القانون (نظراً لأهميته الكبيرة في تحليل وفهم وتصميم الدارات) تم تمثيله بمثلث يحوي المقادير الثلاث، وتنتج علاقة حساب أحد هذه المقادير بتغطية مساحته ضمن المثلث :

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Ohms-law

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Ohms-law

الدارات الكهربائية:

تعرف الدارة الكهربائية بأنها حلقة مغلقة يسري في عناصرها التيار الكهربائي، وهي تختلف عن الشبكة الكهربائية التي قد تكون ربطاً بين أي عنصرين أو أكثر من العناصر الكهربائية وليس بالضرورة أن يسري فيها التيار لكي تكون شبكة.
على الرغم من اختلاف الدارات في أحجامها وتعقيداتها، إلا أنها تشترك في عناصر أساسية لا غنى عن وجودها :
1. منبع جهد : كالبطارية أو المناوبات (المولدة الكهربائية)، ووظيفته أن يشكل فرقاً في الكمون بين طرفي الدارة.
2. نواقل كهربائية : كالأسلاك أو لوحات الدارات، فهي تشكل المسار الذي سيسري فيه التيار.
3. الأحمال : كالمصابيح أو المحركات أو غيرها، وهي التجهيزات التي تستهلك الطاقة الكهربائية لأداء عمل ما.
4. عناصر تحكمية : كمجزئ الجهد (سنأتي على شرحه لاحقاً في هذه السلسلة) أو المفاتيح، وهي تنظم كمية التيار في الدارة أو تقطعه وتوصله.
5. عناصر حماية : كالفاصمات أو قواطع الدارة، وهي تؤمن الحماية للعناصر الأخرى في الدارة من التخرب بسبب حالات الأعطال والتيار الفائض.
6. نقطة كمون أرضي مشتركة.
أنماط الدارات الكهربائية :

للدارات الكهربائية أشكال كثيرة ومتعددة أكثر من أن تحصى، لكن من الممكن تصنيفها في ثلاثة أنماط رئيسية: دارات تسلسلية، دارات تفرعية، ودارات مختلطة، وما يحدد نمط الدارة هو الطريقة التي ترتبط بها عناصرها، أي المنبع مع الأحمال مع العناصر التحكمية مع النواقل.
الدارات التسلسلية :

ما يميز هذه الدارات أن التيار المار في جميع عناصرها متساوٍ، بينما تختلف قيم الجهود عند كل نقطة وفقاً لمجموع قيم المقاومات التي تليها. إذاً، تيار متساوٍ وجهود مختلفة. نلاحظ أن أي عطل في أحد المصابيح سينجم عنه انقطاع التيار، وبالتالي تعطل الدارة.

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Serial-circuit

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Serial-circuit

الدارات التفرعية :

وهي دارة يتوزع فيها التيار في الفروع التي تشكلها، ولكن يبقى الجهد على طرفي هذه الفروع ثابتاً. التيار يتوزع، والجهد ثابت. كما نلاحظ أنه مع تعطل أحد المصباحين سيبقى المسار مؤمناً للتيار في الفرع الآخر، وبالتالي سيسري فيه دون تعطل الدارة كلياً.

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Parallel-circuit

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Parallel-circuit

الدارات المختلطة :

تكون فيها بعض العناصر مرتبطة مع بعضها تسلسلياً وأخرى مرتبطة تفرعياً، وبالتالي تشترك الدارة في خصائص كلا النمطين السابقين، ويظهر الشكل دارة فيها فرعان يحويان مصابيح ومقاومة متغيرة على التسلسل، ستتحكم هذه المقاومة بقيمة الجهد على طرفي المصباحين الذين سيتفرع فيهما التيار.

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Mixed-circuit

جولة سريعة في بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية Mixed-circuit

نتوقف في هذا العدد عند هذه النقطة، ونتابع في العدد القادم استعراض العناصر التي تدخل في بناء الدارات الكهربائية، والتي تختلف فيما بينها في أثرها على التيار، أو الجهد، فكونوا معنا وأفيدونا باقتراحاتكم..

» قياس المكونات الإلكترونية،
» طريقة سريعة للكبدة