أساسيات الهندسة الكهربائية: دليلك الشامل لفهم مبادئ الكهرباء (2024)

مبادئ الهندسة الكهربائية

في هذا المقال نقدم لك مدخلا عاما حول أساسيات الهندسة الكهربائية و أنواع الكهرباء وكذلك أنواع التيارات الكهربائيه سواء كان تيار مستمر (DC) أو تيار متردد (AC) ثم سنتطرق الى المبادئ الأساسية للكهرباء ووصف كل .ما هو مهم في علم الهندسة الكهربائية وأيضا اساسيات الهندسة الكهربائية للمبتدئين 

دكيف تنتج الكهرباء؟

تتواجد البروتونات في نواة الذرة، بينما تدور الإلكترونات حول النواة في مدارات خارجية. وتؤثر قوى الجذب الناتجة عن التجاذب بين الإلكترونات ذات الشحنة السالبة والبروتونات ذات الشحنة الموجبة، بالإضافة إلى قوى الطرد الناتجة عن دوران الإلكترونات السريع حول النواة. لتحقيق توازن الذرة، يجب أن تتساوى هاتين القوتين. لكن في حالة وجود قوى جذب خارجية، مثل ذرات أخرى أو شحنات موجبة، يمكن للإلكترونات أن تترك النواة وتتحرك، مما يؤدي إلى تكوين الكهرباء أو ما يعرف بالتيار الكهربائي.

أنواع الكهرباء والفرق بينهم

1- الكهرباء الساكنه

عندما تمشى على سجادة ثم تمسك بمقبض الباب المعدني، تشعر برعشة، في الدول ذات درجات الحرارة المنخفضة، عندما يدخل شخص إلى البيت من مكان بارد، ويسحب القبعة عن رأسه، يحدث أن شعره يقف على أطرافه. ما الذي يحدث؟ ولماذا يحدث غالبا في الشتاء؟ الإجابة هي الكهرباء الساكنة.

2- الكهرباء الاستاتيكية

مثال هذه الظاهرة في الطبيعة ظاهرة البرق، سببها وجود غيوم مشحونة غالبا بشحنة سالبة وتريد أن تفرغ شحنتها، والارض هي أفضل مكان للتفريغ لانه توجد إلكترونات في الأرض تعتبر فارغة، عندما تقترب الغيوم إلى أي نقطة من الأرض يحدث ما يسمى بالبرق؛ وهذه العملية تسمى بالتفريغ الإلكتروستاتيكي.

سؤال: هل يمكن الاستفادة من الكهرباء الناتجة عن البرق؟

صعب جدا، لانه لحظي، يتم تفريغ ملايين من الشحنات في لحظة زمنية قصيرة، فطبعا لا يمكن معرفة مقدارها ولا تنظيمها وبالتالي لا يمكن الإستفاده منه

3- الكهرباء الديناميكية

تستخدم في بيوتنا في كل الأجهزة مثال: الكهرباء التي تصدر من المولد الكهربائي أو الكهرباء التي تصدر من البطاريات، هذه الكهرباء عبارة عن سريان دائم، التيار الكهربائي في هذا النوع من الكهرباء يمكن التحكم به وبالتالي فهذا النوع من الكهرباء يمكن الإستفاده منه

انواع التيار الكهربائي

ينقسم التيار الكهربائي إلى نوعين التيار المستمر والتيار المتردد وفيما يلي وصفا مبسطا لكل منهم.

التيار المستمر (Direct Current)

هو التيار الذي يسرى في أتجاه واحد فقط إما في الموجب أو في السالب، الشكل التالي يبين كيفية عمل التيار المستمر.

كما نلاحظ, فالطاقة الإلكترونية تنتقل في اتجاه واحد داخل أجزاء الدائرة الكهربائية، تتدفق فيه الإلكترونات من القطب السالب للدائرة إلى القطب الموجب، ويبقى هذا الإتجاه ثابتا مع ثبات الجهد والتيار الكهربائي مهما تغير الزمن.

نلاحظ في التيار المستمر أن كله ثابت الإتجاه سواء اتجاه موجب فقط أو سالب فقط.

متى نستخدم التيار المستمر؟

يستخدم هذا النوع في التطبيقات ذات الجهد المنخفض، كذلك التي تستخدم البطاريات أو الخاليا الشمسية.

التيار المتردد (Alternating Current)

ويختصر (AC)، وهو التيار الذي يحصل فيه تغير مستمر في القيمة مع الزمن ينتقل فيه من الموجب إلى السالب، ولذلك يسمى أيضا بالتيار المتناوب. وهو نوع من أنواع الكهرباء الديناميكية. الشكل التالي يبين كيفية عمل التيار المتردد في دائرة بسيطة

كما نلاحظ فاتجاه تدفق الإلكترونات في أجزاء الدائرة الكهربية يتغير عدة مرات في الثانية الواحدة بسبب تناوب القطبين السالب والموجب ويسمى هذا التيار بالتيار المتردد، نظرا لتردد أتجاه التيار بين القطبين السالب والموجب. لهذا السبب علينا الأخذ بالإعتبار احتساب دالة للوقت عند التعامل رياضيا مع هذا التيار

نلاحظ انه لا يوجد على الرمز قطبية سالبة أو موجبة لان القطبية تتغير باستمرار في التيار المتناوب أو المتردد

أمثلة للتيار المتردد:

طرق قياس التيار المتردد

السعة أو جهد القمة (VP- Amplitude): وهو أقصى جهد تصل إليه اإلشارة ويرمز له (Vp)، نلاحظ بأن الجهد العلوي (القمة) = الجهد السفلى (القاع).

لجهد من القمة إلى القاع (Vp-p): وهو أقصى جهد تصل إليه اإلشارة من الجهة الموجبة إلى الجهة السالبة وهو ضعف جهد القمة.

𝐕p-p = 𝟐𝑽𝐏

لاحظ أن مصدر التغذية الرئيسي لمعظم الأجهزه المنزلية هو التيار المتردد وشكلها الموجة الجيبيه، بجهد فعال (220 فولت) (Vrms 220)

الكميات الكهربائية الأساسية

تخضع الكميات والمقادير الكهربية سواء للتيار المتردد أو التيار المستمر للقياسات الكهربية بأجهزة قياس مناسبة ذات حساسية عالية ودقة كبيرة ومن هذه الكميات والمقادير الكهربائية:

• الشحنة الكهربائية
• فرق الجهد.
• التيار الكهربائي
• شدة التيار الكهربائي
• الأمبير
• الكولوم
• الفولت
• القوة الدافعة الكهربائية
• المقاومة الكهربائية
• التوصيلية الكهربائية للمادة
• القدرة الكهربائية
• الشغل الكهربائي

الشحنة الكهربائية (Electrical Charge)

هي خاصية تحملها الجسيمات الدون ذرية (الأصغر من الذرة)، وهي مصدر القوة الكهرومغناطيسية في الطبيعة، تحمل الجسيمات شحنة سالبة أو موجبة أو متعادلة، وتحمل الإلكترونات شحنات سالبة والبروتونات شحنات موجبة، والنيوترونات شحنات متعادلة، ووحدة قياس الشحنة هي الكولوم ويرمز للشحنة بالرمز (Q).

فرق الجهد (Potential Difference)

يسمى فرق الجهد بين نقطتين في دائرة كهربائية بالجهد أو الضغط الكهربائي وهو الذي يسبب مرور التيار الكهربائي من إحدى النقطتين إلى النقطة الاخرى ويرمز له بالرمز V او E، كما يعرف الجهد بأنه الطاقة المبذولة لتحريك وحدة الشحنة ضد المجال بين نقطتين، ووحدة الجهد هي الفولت (Volt) ويرمز له بالرمز (V).

التيار الكهربائي (Current):

هو فيض من الشحنات الكهربائية يسرى في موصل عند وجود فرق جهد أو بطارية

شدة التيار الكهربائي

شدة التيار هي مقدار الشحنة (Q) وتقاس بالكولوم (المارة في موصل في ثانية واحدة (t) خلال مساحة معينة ويرمز لها بالرمز I (ووحدة قياس شدة التيار هي الأمبير (Ampere) ويرمز له بالرمز (A).

الأمبير:

هو شدة التيار المار في دائرة كهربية عندما يكون معدل سريان الشحنة الكهربية خالل مقطع معين من الموصل واحد كولوم في الثانية

الكولوم:

هو الكمية الكهربائية التي تمر عبر مقطع معين من الموصل في الثانية الواحدة عندما تكون شدة التيار الكهربائي واحد أمبير

القوة الدافعة الكهربية:

هو الشغل الكلى المبذول لنقل وحدة الشحنات في الدائرة الكهربية من إحدى النقطتين إلى الاخرى

المقاومة (Resistance):

جميع المواد لها مقاومة كهربائية وهي تعنى درجة معاكسة مرور التيار الكهربائي في المادة بدرجات متفاوتة ويرمز لها بالرمز R (ويطلق عليها المقاومة المادية. ووحدة قياس المقاومة هي الأوم (Ohm) ويرمز لها بالرمز Ω

قانون أوم:

ينص قانون أوم على أنه تتناسب شدة التيار الكهربائي المار في موصل تناسبا طرديا مع فرق الجهد بين طرفيه عند ثبوت درجة الحرارة

الشغل الكهربائي (Electrical power)

تُعرف القدرة الكهربائية بأنها كمية قياسية تعبر عن معدل انتقال الطاقة الكهربائية عبر دائرة كهربائية خلال فترة زمنية محددة. يُرمز للقدرة الكهربائية بالرمز (P) في اللغة الإنجليزية، وتُقاس بوحدة الواط (جول/ثانية)، ورمزها هو (W).

السلامه المهنية من مخاطر الكهرباء

تنشأ معظم أخطار التيار الكهربائي من التعامل الخاطئ لغير الفنيين مع التجهيزات والآلات الكهربائية، لذلك يتحتم على فنيي الكهرباء المتخصصين، من واقع تأهيلهم التعليمي والتدريبي، تفادي مصادر الخطر وإزالتها فورًا. ولوقاية جميع العاملين في مجال الكهرباء من المخاطر والحوادث المحتمل حدوثها، يجب اتباع وتطبيق قواعد وإرشادات السلامة والصحة المهنية التالية:

1. نظرًا لأن التيار الكهربائي الذي شدته أعلى من 20 مللي أمبير يسبب لدى انسيابه خلال الجسم تقلصات عضلية، فإنه يتحتم تأريض الأجزاء الواقعة تحت جهد أعلى من 25 فولت تيار متغير، أو 60 فولت تيار مستمر، أو منع تلامسهما ببعضهما البعض مباشرة على الإطلاق.
2. لتفادي الأخطار الناشئة عن التيار الكهربائي، يجب ضمان عدم إطلاق العمل دون داعٍ على الأجزاء الواقعة تحت جهد ثانوي أو جهد أقل من الجهد المقنن. وإذا لم يمكن تنفيذ العمل مع انعدام الجهد، فإنه يجب أن يقوم بالعمل فني متخصص مؤهل مع استخدام عدد وملابس معزولة جيدًا.
3. ينبغي توصيل الأجزاء القابلة للتوصيل، والغير حاملة لجهد كهربائي، بموصل حماية منخفض المقاومة، ويتحتم مراعاة تعليمات إجراءات الحماية الخاصة بهذه الحالة.
4. معاينة التجهيزات باستمرار أثناء العمل.
5. استخدام عدد تحقق متطلبات الأمن والسلامة.
6. يجب أن تتوفر أجهزة القياس اللازمة لإجراء الفحوص والاختبارات الهامة مثل التيار، الجهد، مقاومة العزل، ومقاومة التأريض.
7. التأكد من وجود المواد العازلة على الأجهزة والأدوات الكهربائية وكسوتها بغلاف واقٍ في حالة عدم وجوده عليها.
8. الاختبار الدوري لوسائل الحماية للتأكد من صلاحيتها وخلوها من الأعطال مثل تمزق العوازل.
9. توعية جميع العاملين بمخاطر الكهرباء، وطرق الوقاية منها، وأهمية التزامهم بقواعد وتعليمات السلامة، واستخدام معدات الوقاية الشخصية.
10. عدم لمس خطوط نقل الكهرباء العلوية المتقطعة حتى يتم فصل التيار عنها، وإبلاغ المسؤول عن أي عطل كهربائي بسرعة.
11. التوصيل بين غلاف الجهاز الكهربائي الموصل للتيار ولوح أرضي ذو مقاومة منخفضة جدًا بواسطة سلك يوصل بالأرض، بهدف فصل التيار عندما يزيد عن الحد المسموح به في حالة حدوث ملامسة، ويسمى بالعزل الأرضي.
12. عزل الأجهزة التي تعمل بالضغط العالي عن بقية الأجهزة، ووضع اللوحات التحذيرية والإرشادية، وعدم السماح لغير المختصين بالوصول إليها.
13. إبعاد المواد سريعة الاشتعال (الغازات – الكيماويات … وغيرها) عن مواقع الأجهزة الكهربائية خوفًا من حدوث الحرائق.
14. تبريد بعض الأجهزة الكهربائية (المحولات) بالطرق المناسبة لخفض درجة حرارتها، وعدم تعرض الأجهزة الكهربائية ومكوناتها للرطوبة والغبار والغازات.
15. توفير أجهزة ومعدات إطفاء الحريق المناسبة وتوزيعها بشكل يغطي جميع أماكن العمل وخاصة الخطرة منها.
16. للوقاية من الكهرباء الساكنة يجب استخدام المواد غير المولدة للكهرباء الساكنة، والحد من تولد الشحنات السالبة، برش المواد برذاذ من السائل الملائم لذلك، بهدف تسريب الشحنات إلى الأرض.