آموزش الکترونیک مقدماتی

آموزش الکترونیک مقدماتی – فصل دوم

کمیت های الکتریکی

در این بخش به بیان کمیت های الکتریکی می پردازیم .

بار آزاد‌

باری که به اتم یا مولکول معینی وابسته نیست و آزادانه در اثر نیرویی که به آن وارد می شود ، حرکت می کند.
در فلزات و نیمه هادی ها بار آزاد الکترون ها و حفره ها می باشند . ( به جای خالی الکترون ها در اتم حفره می گویند که ما در این درس آن را نیز جزء بار آزاد تلقی می کنیم و همیشه مسیر حرکت آن عکس مسیر حرکت الکترون ها می باشد )
در سیالات بار آزاد یون های مثبت و منفی می باشند.

مقدار بار الکتریکی

مقدار ذرات باردار الکتریکی یا مقدار حامل های انرژی الکتریکی می باشد که جنس آنها می تواند یکی از بارهای مثبت یا منفی (پروتون و الکترون ) باشد .
q=I.t q=n.e
در فرمول های بالا q مقدار بار الکتریکی ، I شدت جریان ، t زمان عبور جریان ، n تعداد ذرات باردار مورد نظر ،e بار هریک از ذرات که با بار یک الکترون مقایسه می شود. ۱٫۶×〖۱۰〗^(-۱۹)
واحد بار الکتریکی : اگر تعداد ۶٫۲۸×〖۱۰〗^۱۸ عدد الکترون در یک مکان باشند ؛ در مجموع آنها معادل یک کولن است .که واحد بار الکتریکی با (کولن )q یا (آمپرثانیه) A.S نشان داده می شوند.

جریان الکتریکی

تعریف : به حرکت بارهای آزاد الکتریکی در یک جهت معین ،جریان الکتریکی گفته می شود .
تعریف واحد جریان الکتریکی : هر گاه در هر ثانیه یک کولن بار الکتریکی از یک مقطع سیم معین عبور کند ؛ شدت جریان عبوری برابر با یک آمپر است. I=q/t
تعریف واحد جریان الکتریکی با استفاده از قانون اهم :اگر ولتاژ یک ولتی به دو سر مقاومت یک اهمی وصل شود ؛ جریان عبوری از مدار یک آمپر است . I=V/R
تعریف اصلی واحد جریان الکتریکی : هرگاه دو سیم بسیار بلند به فاصله ی ۱ متر از یکدیگر به طور موازی در محیط خلاء قرار داشته باشند در صورتی که در اثر عبور جریان به هر یک از طول این سیم ها ۷ ^ ۱۰×۲ نیوتون نیرو وارد شود جریان عبوری ۱ آمپر است . F=2×۱۰^(-۷) (I1 I2 L1 L2)/d

ولتاژ الکتریکی

تعریف : عاملی که بارهای الکتریکی را جا به جا می کند یا عاملی که باعث برقراری جریان می شود را نیروی محرکه یا ولتاژ می گوییم .
تعریف واحد ولتاژ الکتریکی با استفاده از قانون اهم : یک ولت نیروی محرکه مولدی است که اگر به دو سر مقاومت یک اهمی متصل شود ؛باعث عبور جریان یک آمپری از مقاومت می گردد.
تعریف واحد ولتاژ الکتریکی با استفاده از قانون اصلی انرژی الکتریکی : یک ولت نیروی محرکه ای است که بتواند یک کولن بار را جا به جا کند و در اثر این جا به جایی یک ژول انرژی الکتریکی مصرف و به سایر انرژی ها تبدیل شود .
تعریف دیگر : اگر یک ژول انرژی غیر الکتریکی بتواند یک کولن بار را جا به جا کند ، در اثر جا به جایی یک ولت نیروی محرکه تولید می شود .

مقاومت الکتریکی

تعریف : به مخالفت با عبور بار آزاد در مدار مقاومت الکتریکی می گویند .
واحد مقاوت اهم Ω است و آن را با حرف R نشان می دهند.
تعریف واحد مقاومت الکتریکی : اگر دو سر یک مقاومت یک ولتاژ ۱ ولتی اعمال کنیم و جریان ۱ آمپر از آن عبور نماید مقاومت ۱ اهم می باشد .

مقاومت مخصوص

مقاومت سیمی به طول ۱ متر و سطح مقطع ۱ میلی متر مربع را مقاومت مخصوص می نامند. در نمودار زیر مقاومت مخصوص برخی مواد را نسبت به مس مشاهده می کنید .

عوامل موثر بر مقاومت الکتریکی

۱- گروه اول عوامل موثر

عواملی هستند که بر روی مقاومت تمام مواد به طور یکسان اثر می گذارند .
طول – سطح – جنس

R=(L*ρ)/A
L : طول جسم
Ρ: مقاومت مخصوص
A: سطح مقطع جسم

۲- گروه دوم عوامل موثر

عوامل فیزیکی هستند مانند :
حرارت – رطوبت – فشار – میدان مغناطیسی – نور …
تاثیر گروه دوم عوامل یکسان نیست . بعضی مواد در اثر این عوامل مقاومتشان تغییر می کند و این تغییر هم یکسان نیست .

۳- گروه سوم عوامل موثر

عوامل موثر بر ساختار مولکولی جسم هستند .
ساختار مولکولی بعضی از مواد به سه صورت زیر ممکن است باشد :
الف) تک بلور : تک بلور کربن (الماس)
ب) پر بلور : پربلور کربن ( گرافیت )
ج) بی ریخت : ( بی شکل ) ( آمورف ) : بی ریخت کربن ( دوده )

مقاومت الکتریکی بعضی مواد در سه حالت فوق با هم فرق دارند :
مانند کربن :
تک بلور ( عایق) پربلور ( در جهت های مختلف مقاومت مختلف دارند ) بی ریخت ( نیمه هادی )

انرژی الکتریکی

W=V.I
انرژی الکتریکی مصرف شده : هرگاه اتخلاف پتانسیلی باعث حرکت بار الکتریکی در مدار شود و جابه جایی این بار باعث مصرف انرژی الکتریکی و تبدیل آن به انرژی دیگر شود .
انرژی الکتریکی تولید شده : هر گاه انرژی الکتریکی باعث شود که بار الکتریکی جا به جا شود و اختلاف پتانسیل الکتریکی تولید شود انرژی تولید شده است.

توان الکتریکی

سرعت مصرف انرژی الکتریکی را توان الکتریکی گویند . P = W/t = (Q.U)/t = U.I = U^2/R = RI^2
سرعت تولید انرژی الکتریکی را توان الکتریکی گویند .

حال که با کمیت های الکتریکی آشنا شدیم اطلاعات بیشتری را درباره ی مقاومت ها و انواع آن را می خوانیم :

مشخصات مهم مقاومت ها :

مقدار مقاومت اهمی: مهمترین مشخصه ی یک مقاومت مقدار آن است که بر حسب اهم و یا کیلو اهم و یا مگا اهم بیان می شود.
هر کیلو اهم برابر با ۱۰۰۰ اهم می باشد.
توان مجاز : ماکزیمم توانی که مقاومت به طور دائم می تواند تحمل کند را ( توان قابل تحمل ) گویند. این توان اغلب به صورت حرارت در اطراف مقاومت هدر می رود. ماکزیمم قدرت مجاز به حرارت محیط ولتاژ و جریان مقاومت بستگی دارد.

تلرانس :
مقدار واقعی یک مقاومت در عمل با مقداری که بوسیله ی سازنده قید می شود اختلاف دارد. این اختلاف تلرانس یا درصد خطا نامیده می شود و آن را بر حسب درصد بیان می کنند. میزان خطا بستگی به تکنولوژی ساخت و دقت دستگاه های تولید مقاومت دارد.

انواع مقاومت های الکتریکی :

مقاومت های الکتریکی به دو دسته کلی مقاومت های ثابت و مقاومت های متغیر تقسیم می شوند . مقاومت های ثابت مقاومت هایی هستند که مقدار اهمی آنها همواره ثابت است و مقاومت های متغیر مقاومت هایی هستد که مقدار اهم آنها قابل تغییر است . مقاومت های ثابت خود به سه دسته تقسیم می شوند که این سه دسته عبارتند از :
۱- مقاومت های کربنی ( ترکیبی )
۲- مقاومت های سیمی ( سیم پیچی شده )
۳- مقاومت های لایه ای

مقاومت های کربنی :

مقاومت های کربنی در اکثر مدارات الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند که علت این امر قیمت پایین ، زمخت بودن و کوچک بودن این نوع مقاومت ها می باشد . البته این نوع مقاومت ها دو ضعف عمده دارند ، یکی این که در اثر عبور جریان از این نوع مقاومت ها حرارت نسبتا زیادی درون این مقاومت ها ایجاد می گردد و به همین دلیل در مدارات با جریان زیاد نمی توانند مورد استفاده قرار گیرند و دیگر این که معمولا تلرانس های بالایی دارند . برای ساخت این نوع مقاومت ها معمولا پودر کربن را با مواد عایق مخلوط می کنند که نسبت مخلوط کردن این مواد مقدار اهمی مقاومت را تعیین می کند . سپس مخلوط حاصل را در یک استوانه کائوچویی قرار می دهند و دو سیم نیز برای اتصال مقاومت به مدار به دو سر مقاومت وصل می کنند .

مقاومت های سیمی ( Wire Wound Resistor ):

از پیچاندن سیم های مقاومت دار طویل به دور یک هسته ، مقاومت سیمی یا سیم پیچی شده ساخته می شود . معمولا یک روپوش سرامیکی یا پلاستیکی بر روی سیم های پیچیده شده بر روی هسته می کشند تا سیم ها آسیب نبینند . ساختمان داخلی مقاومت های سیمی در شکل های زیر نمایش داده شده است .