الدائرة الكهربائية هي مسار مغلق يسمح بتدفق التيار الكهربائي. ويعد فهم الأنواع المختلفة للدوائر الكهربائية أمرًا مهمًا لتصميم وتحليل الأنظمة الكهربائية وفي إجراء الحسابات وحل مسائل الدوائر. وتعتبر دوائر التوالي، ودوائر التوزي، ودائرة التوالي – التوازي، هي أكثر أنواع الدوائر شيوعًا. بالإضافة إلى أنواع أخرى تم شرحها في هذا المقال.
دوائر التوالي Series Circuit
دوائر التوالي أو (الدائرة المتسلسلة) هي دائرة يتم توصيل مكوناتها مثل المقاومات على التوالي بحيث يمر التيار عبر المقاومة الأولى ثم الثانية وهكذا يستمر بالتدفق عبر كل مكونات الدائرة. في الدائرة المتوالية، يبقى التيار ثابتًا في جميع مكونات الدائرة ومتساوي في كل المقاومات. بينما يتجزأ فرق الجهد على عدد المقاومات المربوطة بحسب قيمتها بحيث ان مجموع الجهد على كل المقاومات يساوي فرق جهد المصدر.
ويتم توصيل بداية المقاومة الأول بالمصدر، وتوصيل نهاية المقاومة الأولى ببداية المقاومة الثانية، وتوصيل نهاية المقاومة الثانية ببداية المقاومة الثالثة، وهكذا حتى نهاية المقاومة الأخيرة التي توصل مرة أخرى بالطرف الثاني للمصدر.
يمكن أن تحل مقاومة واحدة محل مجموعة المقاومات، ويطلق عليها اسم المقاومة المكافئة (RT) وتساوي مجموع المقاومات في الدائرة وتزداد قيمة المقاومة المكافئة كلما زادت عدد المقاومات على التوالي.
RT = R1+ R2+ + R3
القيمة العددية للتيار في الدائرة تُساوي جهد المصدر مقسوما على المقاومة الكلية للدائرة، بحسب قانون اوم Ohm’s law.
التيار الكلي = جهد المصدر ÷ المقاومة الكلية
I = E / RT
يُطبق أيضًا قانون أوم على كل مكونات الدائرة على حدة.
أما فرق الجهد بين طرفي كل جهاز فيتناسب طرديا مع مقاومته. يعود ذلك إلى حقيقة أن الطاقة التي تُستخدم لتحريك وحدة الشحنة خلال المقاومة الأكبر تكون أكبر من تلك اللازمة لتحريكها خلال المقاومة الأقل. ينقسم الجهد الكلي المؤثر على دائرة التوالي على مكونات للدائرة بحيث يكون مجموع الجهود عبر كل مقاومة مساويا للجهد الكلى للمصدر.
E =V1 +V2+V3
يستفاد من ربط التوالي عند الحاجة الى تجزئة الجهد وتستخدم مقاومات مربوطة على التوالي في كثير من الدوائر الكهربائية ذات القدرة المنخفضة للحصول على جزء من جهد المصدر في تشغيل الدوائر الالكترونية كالترانزستورات وغيرها.
إن العيب الأساسي في دائرة التوالي يمكن ملاحظته إذا توقفت أحد مكونات الدارة عن العمل. في هذه الحالة، يتوقف التيار في كل الدائرة، وبالتالي لا يعمل أي من بقية المكونات. إذا حدث أي قطع في الدائرة، فإنّها تُصبح مفتوحة، وينقطع مرور الإلكترونات فيها.
في منزلك يُمكنك تشغيل جهاز ما أو عدم تشغيله من دون أن يؤثر ذلك على تشغيل المصابيح أو الأجهزة الكهربائية الأخرى. وذلك لأن أن تلك الأجهزة ليست متصلة على التوالي بل متصلة مع بعضها بعضا على التوازي.
دارات التوازي Parallel Circuit
الدائرة المتوازية هي دائرة تتصل فيها المكونات بفروع متعددة، يتم توصيل بداية كل المقاومات بنقطة واحدة ونهايتها بنقطة واحدة أخرى. في دوائر التوازي التيار المار بإحدى المقاومات لا يمر بالمقاومات الأخرى، وبالتالي يكون هناك مسارات منفصلة للتيار الكهربائي بحسب عدد الفروع المتوازية، ويتناسب التيار عبر كل فرع مع مقاومته، بينما يكون الجهد متساوي عبر كل فرع ومساوي لجهد المصدر. في حالة فشل أحد المكونات في الدائرة المتوازية، لا تتأثر بقية الدارة وتستمر في العمل.
تتصل كل الأجهزة على التوازي بالنقطتين نفسيهما، ويكون فرق الجهد بين طرف كل جهاز متساوي. ينقسم التيار الكلى في الدائرة على الفروع المتوازية، ويمر التيار بسهولة في الفروع ذات المقاومة المنخفضة، أي تتناسب شدة التيار المار في أي فرع عكسيُا مع مقاومة هذا الفرع. وينطبق قانون أوم على كل فرع على حدة
يساوي التيار الكلى في الدائرة مجموع التيارات المارة في الفروع المتوازية.
IT = I1+ I2+I3
المقاومة الكلية تكون قيمتها أقل من أصغر مقاومة موجودة في الدائرة وكلما زاد عدد المقاومات الموصلة على التوازي انخفضت قيمة المقاومة الكلية.
ويمكن احتساب المقاومة الكلية لمجموعة مقاومات موصلة على التوازي باستخدام العلاقة الرياضية التالية:
1/RT = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3+ ……… 1/Rn
يستخدم ربط التوازي عند الحاجة الى جهد ثابت أو متساوي على كل مكونات الدارة الكهربائية كما نلاحظ ذلك في التمديدات الكهربائية في المعامل والمصانع والمنازل، وكذلك لا يؤثر انطفاء أحد الأجهزة على بقية أجزاء الدارة، مثلا عند غلق جهار التلفاز لا يؤثر على عمل الثلاجة او أي جهاز آخر، وذلك لأن التيار المار في كل جهاز يختلف عن التيار المار بالجهاز الآخر.
دوائر التوالي والتوازي
الدائرة المتوازية المتوالية (Series-Parallel Circuite) أو الدائرة المركبة هي مزيج من دائرة توالي ودائرة توازي يتم توصيل بعض المقاومات على التوالي، بينما يتم توصيل البعض الآخر على التوازي. يمكن أن يكون تحليل دائرة التوازي التوالي معقدًا، ولكن يمكن تبسيطه عن طريق تقسيم الدائرة إلى دوائر فرعية أصغر وتحليل كل دائرة فرعية على حدة.
في هذا النوع من الربط تُستخدم قوانين ربط التوالي وقوانين ربط التوازي، أذ أن الدائرة المركبة تعني وجود مقاومات موصلة على التوازي ومقاومات موصلة على التوالي ولكي نجد المقاومة الكليةـ أما أن نحول الدائرة الى توالي، أو نحول الدائرة إلى توازي.
دائرة مفتوحة Open Circuit
الدائرة المفتوحة عبارة عن دائرة حدث فيها انقطاع لمسار تدفق التيار الكهربائي بسبب انقطاع أسلاك الدائرة أو عدم توصيل أحد مكونات الدارة. في الدائرة المفتوحة، لا يمر أي تيار ولا يتم نقل أي طاقة كهربائية إلى الحمل وعناصر الدارة وبالتالي فإنها لا تعمل. مثال على الدائرة المفتوحة هو مفتاح المصباح الذي تم إيقاف تشغيله وهذا ينتج عنه انقطاع دائرة المصباح وبالتالي توقف التيار وانطفاء المصباح.
يكون الجهد على الطرف المفتوح من الدائرة له قيمة معينة بينما التيار المار في الدارة المفتوحة مساوي للصفر.
الدائرة المغلقة Closed-circuit
الدائرة المغلقة (Closed-circuit) هي الدائرة التي يكون فيها الأسلاك والعناصر الكهربائية متصلة ببعضها بشكل سليم، ولا يوجد أي انقطاع في المسار. عندما تكون الدائرة مغلقة، يمكن للتيار الكهربائي أن يتدفق بحرية وينتقل من مصدر الطاقة (مثل البطارية) إلى الأحمال الموصولة في الدائرة (مثل المقاومات أو المصباح الكهربائي)، مما يسمح لها بالعمل بشكل صحيح.
مثال على الدائرة المغلقة هو المصباح الكهربائي الذي تم تشغيله.
دائرة مقصورة Short Circuit
دائرة القصر هي الدائرة التي يحدث فيها توصيل مباشر بين القطب الموجب والسالب أو بين نقطتين في الدائرة دون وجود مقاومة عالية للتيار. مثل توصيل سلك بدلًا عن المقاومة، نتيجة لذلك يتدفق التيار بشكل كبير وسريع من الطرف الموجب إلى السالب دون المرور في الحمل، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة ويمكن أن يتسبب في تلف الدائرة والمكونات.
يجب تفادي دوائر القصر واتخاذ التدابير اللازمة لمنع حدوثها، مثل استخدام الفيوز والقواطع الكهربائية المناسبة التي تقوم بفصل الدائرة تلقائًيا في حالة حدوث قصر في الدائرة وحماية الأجهزة.
شرح مبسط وممتاز