أساسيات الدوائر الكهربائية في ٧ دقائق: قانون أوم وإشارة التيار، KCL وKVL، المقاومة وShort Circuit، التوالي والتوازي، المكثف، المحث، والتحليل العابر Transient

قانون أوم وإشارة التيار

أولًا: التيار يساوي الفولت تقسيم المقاومة، والفولت هنا المقصود فيه فرق جهد؛ يعني لازم يكون فيه فرق جهد بين نقطتين عشان يمشي التيار. فممكن نشبّه الجهد بأنه ارتفاع، ونشبّه التيار بأنه سائل زي الماء مثلًا، وأسلاك الدائرة هي المسارات.

فتخيّل أن عندك ماء بين ارتفاعين: هنا الارتفاع الأول وهنا الارتفاع الثاني. إذا تساوى الارتفاعان ما يصير فيه تحرّك للماء. لو كان V1 أعلى، التحرّك راح يصير من V1 إلى V2. ولو طلبت منك التيار اللي جاي بالعكس، من المنخفض إلى الأعلى، فتدفق الماء والتيار راح يكون بالسالب، وهذا هو سر إشارة السالب للتيارات.

قانون KCL

ثانيًا: قانون KCL البديهي. بما أننا اتفقنا على أن فيه تدفقًا، فلو عندنا node مثلًا من تفرّعين، فالماء اللي يدخل هنا ما راح يبقى في الـ node، لازم يكمّل طريقه مع التفرّعات. فنفس الشيء التيار: التيار اللي يدخل لازم يكمّل طريقه مع التفرّعات، أو نقول مجموع التيارات عند أي node يساوي صفرًا. وهذا هو مفهوم الـ Nodal Analysis: نطلع معادلات في الـ node بناءً على KCL.

قانون KVL

ثالثًا: KVL. لو رجعنا لمثالنا أن الفولت عبارة عن ارتفاع، فـ KVL يقول لك: لو بدأت من ارتفاع معيّن وبعد كذا صار عندك ارتفاعات معيّنة، خلنا نقول مثلًا ثلاث مرات ارتفاع، لازم تنزل ثلاث مرات عشان ترجع إلى نفس المستوى. فهذا هو مبدأ KVL: في لوب كاملة مجموع الارتفاعات يساوي مجموع الانخفاضات، في أي لوب في الدائرة الكهربائية سواء كانت mesh أو غير mesh. وهذا هو مبدأ الـ Mesh Analysis اللي نطلع منه معادلات لكل mesh بناءً على KVL.

المقاومة والـ Short Circuit

رابعًا: مفهوم المقاومة. المقاومة نحطها عشان نتحكم في التيار. فلو عندي voltage source بـ 12 فولت ودائرة كهربائية تحتاج 2 أمبير مثلًا، راح أحط مقاومة 6 أوم عشان يطلع عندي هنا 2 أمبير.

ومن هنا لازم ننتبه لمبدأ الـ short circuit: إحنا نعرف أن التيار يساوي V على R؛ المقاومة لو صارت صفرًا أو قريبة من الصفر راح يقفز التيار بشكل عالٍ جدًا. وهذا سبب يخلينا دائمًا ننتبه للمقاومات ونتأكد من التيار قبل ما نشغّل الدائرة. من أكثر الممارسات الخاطئة لما نشبك أصابع البطارية، السالب في الموجب مباشرة: فالآن عندك بطارية وعندك سلك مقاومته قريبة من الصفر، راح ينتج عندك تيار هائل فجأة يسبب شرارة كهربائية خطيرة.

التوازي والتوالي

خامسًا: المقاومات على التوازي والتوالي. تكون المقاومات على التوازي إذا كان على أطرافها نفس الفولت بالضبط، وما هو ضروري أن واحدًا من الأطراف يكون صفرًا أو قريبًا منه. تعوّدنا نشوف مقاومات زي كذا واضح أنها على التوازي، ولكن لو كان هنا V مختلف وهنا V مختلف، هذي الاثنتان عندهما هنا نفس الفولت فما زالتا على التوازي، حتى لو رسمت الرسمة بشكل يختلف عن اللي تعوّدنا عليه؛ طالما الفولت هنا والفولت هنا نفس الشيء على الـ nodes اللي تجمعهما، فالمقاومتان على التوازي.

أما المقاومات على التوالي فلها نفس التيار: طالما يمر فيها نفس التيار فهي على التوالي، فلازم تكون على نفس المسار وما فيه أي تفرّع للتيار.

ونقطة مهمة بالنسبة للتوازي: لو كان عندنا مقاومتان على التوازي وطلعنا المقاومة المكافئة، فالمقاومة هذي تفسّر لنا كيف يشوف المصدر المقاومتين مع بعض، فبناءً عليها راح يطلع هنا 2 أمبير. والنقطة اللي نغلط فيها أن 2 أمبير هي اللي تمر فيها كلها لو طلعنا مقاومتها المكافئة؛ ولكن في الدائرة الحقيقية التيار هنا راح يتوزّع: المقاومة الأقل تأخذ نسبة أعلى من التيار. فلو طُلب منك التيار في واحدة منها لازم تطلع الفولت عليها، بعدين تقسم على المقاومة المطلوبة بالضبط.

المكثف Capacitor

سادسًا: الـ capacitor أو المكثف. نقدر ننظر للمكثف على أنه أداة إذا مرّ فيها تيار تشحن ويتعبّى فيها فولت؛ الفولت هذا يتعبّى على أطرافها إلى أن يوصل إلى نفس الفولتية اللي على أطرافها. يعني لو شبكناها على 12 فولت راح توصل إلى 12 فولت، ولو دخّلناها في دائرة زي كذا وهنا مثلًا على أطرافها 4 فولت راح توصل إلى الـ 4 فولت.

وفي عالم الـ DC أو التيار الثابت، لما توصل إلى نفس الفولت على أطرافها فما عاد فيه فرق جهد، فما فيه أي سبب للتيار أنه يمر، فتصير open circuit. وإذا غيّرنا فرق الجهد فجأة على أطراف الـ capacitor راح يتغيّر معه: إذا رفعنا الجهد راح يشحن إلى الأعلى، وإذا قلّلنا الجهد على طرفه راح يبدأ يفرّغ الشحنة ويقل مع الجهد على طرفه لين يلحق بنفس الفولت اللي على أطرافه. فنقدر نقول إن الـ capacitor يقاوم تغيّر الفولت، وهذه أحد استخداماته: أنه يصير زي بطارية مؤقتة على الـ load، فلو صار انقطاع مفاجئ في الكهرباء يصير الـ capacitor كأنه بطارية مؤقتة ويعطينا وقتًا نتصرّف.

المحث Inductor

سابعًا: الـ inductor أو المحث. الـ inductor يقاوم تغيّر التيار، زي ما شفنا الـ capacitor يقاوم تغيّر الفولت. فالـ inductor يقاوم تغيّر التيار بحيث إنه يمنع الصدمات المفاجئة أو الانقطاع المفاجئ للتيار، وفي عالم الـ DC أو التيار الثابت يكون short circuit، لأن مقاومته هذي ما تطلع ما لم يصر فيه تغيّر في التيار.

كيف يقاوم؟ يطلع فولتية معاكسة، وهذه معادلة الفولت المعاكس على أطرافه إذا تغيّر التيار: v = −L · di/dt. لاحظ السالب هنا عشان تعطينا فولتية معاكسة، وعندنا هنا di على dt يعني تغيّر التيار مع الوقت. فلو التيار ثابت، يعني di على dt ما فيها أي تغيّر وتساوي صفرًا، فالفولتية المعاكسة تساوي صفرًا والـ inductor يصير كأنه short circuit.

التحليل العابر Transient

ثامنًا وأخيرًا: بالنسبة للـ capacitor أو الـ inductor، لما نتكلم عن الوقت اللي يحتاجه الـ capacitor عشان يشحن أو يفرّغ، أو نتكلم عن وقت مقاومة الـ inductor للتيار، فإحنا نتكلم عن milliseconds وأحيانًا microseconds. فالوقت قصير جدًا لدرجة أنه ممكن نعتقد أننا ما نحتاج نحلّله، ولكن بالنسبة للدوائر الكهربائية هذا نسمّيه transient، فالوقت هذا كأنه ساعات أو سنوات بالنسبة للدائرة الكهربائية، فممكن يصير فيها أي شيء غير متوقع، وغالبًا يرتبط بالسلامة، زي مثلًا short circuit، أو مثلًا ظاهرة الـ arcing الخطيرة لما نفتح switch مباشرة وعندنا inductor: فالـ inductor يقاوم بشكل كبير لدرجة أن حتى الهواء يصير موصلًا، فيصير عندنا شرارة خطيرة.