المقاومة الكهربائية

عادل الثبيتي · #1 16-02-2007, 14:46

[move="right"]المقاومة الكهربائية [/move]

المواد المختلفة تختلف فى قدرتها على توصيل التيار الكهربى ويمكن تشبيه المقاومة بالإحتكاك فى الميكانيكا .

والمقاومة يرمز لها عادة بالرمز R وتقاس بالأوم OHMS ورمزها بالاتينية هو أوميجا (يشبه حدوة الحصان) أما عن طريقة رسمها فى مخططات الدوائر فى ترسم كخط منكسر عدة كسرات

والمقاومة التى مقاومتها أوم واحد يمكن أن تسمح لتيار مقداره 1 أمبير للمرور خلالها عندما يكون الجهد عليها مساويا واحد فولت .

والمواد التى لها مقاومة كبيرة يلزمها طاقة كبيرة لإثارة الإلكترونات بها حتى توصل التيار الكهربى وهذه الطاقة تظهر فى صورة حرارة ولهذا تجد داخل أجهزة الحاسبات مبردات heatsinks لتبريد هذه المكونات وذلك لزيادة عمرها الإفتراضى.

و على المقاومة يعتمد عمل الكثير من الأجهزة الموجودة فى حياتنا اليومية مثل السخان الكهربى الذى نسخن به الماء فى المنازل .

ويمكننا ملاحظة قيمة المقاومة المكتوبة على السماعات speakers والتى تحدد كم من الأومات على السماعة أن تقاوم قبل أن تفسد (تكافىء المقاومة القصوى الذى يمكن أن يتحملها الأنبوب الذى يمر فيه الماء قبل أن ينفجر)

والمقاومة لموصل تحدد بأربع عوامل :
1- مقاومة مادة الموصل
2- حجم الموصل
3- طول الموصل
4- درجة حرارة الموصل

ويمكن الربط بينهم بالقانون
R=pL/A

حيث R هى المقاومة بالأوم
و L هو طول الموصل بالمتر
و A هو المساحة المقطعية لهذا الموصل بالمتر مربع
و p هى المقاومة النوعية resistivity للموصل والتى تعتمد على تركيب الموصل ودرجة الحرارة وحجم الموصل.

لاحظ أنه كلما قلت المساحة المقطعية للسلك كلما زادت مقاومته أى أن الأسلاك الرفيعة أكثر إعاقة للتيار من الأسلاك السميكة.

يذكرنى هذا الموضوع بصديق لى معرفته بالإلكهرباء جدا عندما توقفت مروحة التبريد فى سيارته عن العمل وعندما جرب المروحة منفردة وجدها تعمل وعندما جرب الثيرموستات وجده بحالة جيدة وحينما قاس المنصهر Fuse وجده سليما .ولكن المروحة لا تعمل عندما يسخن المحرك . ففكر . وقرر أن ينزع السلك الواصل بالثيرموستات وأن يضع بدله مفتاح عادى ليتحكم فى تشغيل المروحة يدويا عندما يحس بأن المحرك زادت حرارته . فذهب واشترى سلكا غير مناسب ومفتاحا غير مناسب ووصلهم بالبطارية وبالمروحة . وكان من الواضح أن كل شيىء سليما ... ولكن ماذا حدث بعد ذلك ؟ عندما سخن المحرك أدار صديقى المروحة يدويا فعملت بشكل جيد لفترة وجيزة قبل أن تبدأ حرارة المفتاح والسلك فى الإرتفاع سريعا .. فلماذا حدث ذلك ؟؟؟

لم يكن هذا السلك مصمما ليحمل هذا التيار العالى لبطارية السيارة .. ولكن عندما حاول التيار المرور عنوة إحتاج لمزيد من الطاقة التى أهدرت فى صورة حرارة . ولو لم يطفىء صديقى المروحة فورا لكان السلك شبيها بالأنبوب البلاستيكى الذى لم يتحمل ضغط الماء بداخله فانفجر. وربما كانت النتيجة حريقا ثم إنفجارا ثم ..

ومن هذه القصة نستنتج أن الكهرباء إما أن تكون صديقا أو عدوا وذلك ما يدفعك لتعلم هذه الأساسيات حتى أليس كذلك ؟؟

من القانون R=pL/A نلاحظ ايضا أن مقاومة السلك تزيد مع زيادة طوله كذلك تزيد المقاومة مع زيادة درجة حرارة السلك.

ولكن لماذا لا يوصل السلك التيار بصورة أفضل عند إرتفاع درجة حرارته ؟

عند إرتفاع درجة حرارة الموصل يتحرر الكثير من الإلكترونات وتصبح حرة ولكنها لا تسير فى إتجاه التيار بقدر ما تصطدم ببعضها البعض مما يعيق سريان التيار الإلكترونى ولا يقويه .

وكما للأسلاك مقاومة فإن لكل عنصر كهربائي مقاومة كهربائية خاصة به
و قد تكون هذه العناصر الكهربائية مصنعة بتلك المقاومة عن سبيل القصد .. و أعطي أمثلة على ذلك :

1- مقاومة سلك السخانة الكهربائية .. حيث أنه تم اختيار مادة السلك ذات مقاومة عالية لتسخن عند مرور التيار الكهربائي بها
و الغرض الوحيد من المقاومة هنا تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية .
و لما كانت الحرارة هي القصد هنا .. فيجب أن تكون المادة الناقلة ذات تحمل جيد لدرجات الحرارة العالية و مقاومة التأكسد الذي ستتعرض له مع ارتفاع درجة الحرارة في الهواء و بالتالي تقصير عمر الناقل .. فتستخدم مادة التنغستين هنا مثلاً لما تتميز به من تحمل للحرارة .

2- عناصر المقاومة الالكترونية – التي نجدها في الأجهزة الالكترونية ..
هنا تصنع هذه العناصر بهذه الصفات المقاومة عن سبيل القصد – و ليس كحالة مقاومة أسلاك التوصيل المفروضة علينا شئنا أم أبينا ..-
تستخدم هذه المقاومات من أجل تحديد قيمة التيار و بالتالي الجهد الكهربائي في كل نقطة من نقاط الدارة الالكترونية
بحيث يتم تأمين ظروف العمل الصحيحة لهذا العنصر الالكتروني أو ذاك .
إذاً الهدف هنا ليس هو نشر الحرارة على الاطلاق و هذا الأمر يجب الانتباه إليه
و عموماً فإن معظم المقاومات المستخدمة في الدارات الالكترونية تكون ذات قيم كبيرة لأن جهد التغذية يكون صغير -غالباً …
مثلاً جهد 5 أو 12 فولت أو 24 فولت ..
كما أن الاستطاعة الكهربائية الكلية للجهاز الالكتروني عادة ما تكون صغيرة فمثلاً جهاز التلفزيون أو الكومبيوتر استطاعته أقل من 100 واط .. بينما استطاعة بعض أجهزة الراديو أقل من واط واحد ..
بينما استطاعة السخان الكهربائي قد تصل إلى 2200 واط ..
و تكون أشكال و أحجام المقاومات الكهربائية في الأجهزة الالكترونية متناسبة مع الوظيفة
فهناك مقاومات مختلفة لها نفس القيمة الأومية .. لكنها تختلف بالحجم كثيراً .. بحسب التيارات المفروضة عليها ..

إذاً : المقاومة الالكترونية لها عدة بارامترات أساسية

1- قيمة المقاومة الكهربائية مقدرة بالأوم : هناك قيم محددة ضمن مقياس عالمي تم اعتمادها متوفرة عملياً . أما إن لزم قيماً مخالفة لتلك فيجب تركيبها من القيم المتوفرة عن طريق الربط التسلسلي و التفرعي و المختلط لتلك المقاومات – و قد جاء تفصيل لذلك الأمر في دروس لأستاذي محمد زكي يمكن مراجعتها لمن يرغب .

2- الاستطاعة مقدرة بالواط : و هي الاستطاعة العظمى التي يمكن لجسم المقاومة تبديده دون أن تتعرض للتلف .
و هذه الاستطاعة تتحدد من نوع التعليب و الغلاف المستخدم . أيضاً هناك عدد من الأغلفة المعيارية المستخدمة
فهناك 1/8 واط 1/6 واط 1/ 4 واط 1/ 2 واط … و هي تعرف من حجمها .. كما أن هناك بعض الأغلفة الخاصة للاستطاعات الأكبر ..

3-الدقة و سماحية التفاوت : معظم المقاومات تصنع بقيم تتراوح حول قيمتها المعيارية الأسمية بمقدار 5/100 و يمكن تمييز ذلك من خلال الخطوط المرسومة على المقاومة حيث يستخدم الشريط الرابع باللون الذهبي للدلالة على ذلك ..
و لكن هناك بعض التطبيقات مثل أجهزة القياس يتوجب معها أن تكون المقاومات ذات دقة عالية لأن التفاوت في هذه القيم يؤثر على دقة القياس .. و كتطبيق آخر المقاومات المستخدمة في بعض الدارات المهتزة (مولدات الاهتزاز) قد يكون الخطأ فيها يؤدي إلى اختلال العمل في الجهاز ..

هناك حديثاً شكل جديد للعناصر الالكترونية التي قد نراها في الأجهزة الدقيقة و الحديثة مثل دارات الكومبوتر و الريسيفرات الرقمية و الآلات الحاسبة .. و هي مقاومات مصنعة وفق تقنية اللصق السطحي smd و هي عناصر صغيرة يتم توضيعها على البورد من طرف واحد فقط حيث يتم لحامها بواسطة الهواء الحار مع قصدير من نوع خاص على شكل الكريم (هلام)

[blink]سؤال : كيف لي أن أعرف أي المقاومات أختار من حيث الاستطاعة ؟؟[/blink]
أنظر إلى مخطط الدارة الالكترونية .. فألاحظ قيمة الجهد بين طرفي المقاومة و قيمة المقاومة المستخدمة
مثلاً تربط مقاومة قيمتها 1 كيلو أوم بين جهد التغذية 12 فولت و مجمع ترانزستور .. حيث أن باعث الترانزستور موصول إلى الأرضي المشترك للدارة (الجهد السالب) .. أقول عند ذلك قد تتعرض المقاومة إلى فرق جهد مقداره 12 فولت كحد أقصى و لما كانت قيمة المقاومة ا كيلو أوم . فإن التيار الذي سيسري بحسب قانون أوم :
التيار = فرق الجهد / قيمة المقاومة
التيار = 12/ 1000= 0.012 أمبير أو 12 ميلي أمبير
و حسب قانون الاستطاعة الكهربائية
الاستطاعة = الجهد * التيار
الاستطاعة = 12فولت * 12ميلي أمبير = 144 ميلي واط
و هكذا يجب انتقاء أي مقاومة ذات استطاعة تتحمل تبديد هذه الاستطاعة على الأقل .. و الخيارات واسعة
و لا ضرورة لاستخدام مقاومة تتحمل 1000 ميلي واط = ا واط مثلاً لعدة أسباب
كبر الحجم – زيادة الكلفة
ربما تكون المقاومة رخيصة جداً .. و لكن تخيل أن معملاً ينتج 500 تلفزيون يومياً مثلاً .. و كل تلفزيون يحتوي 100 مقاومة صغيرة .. هنا سيكون لموضوع الكلفة أهمية .. كما أن الاتجاه العام نحو تصغير حجم الأجهزة الالكترونية مع رفع التقنية المستخدمة .

و قد تكون المقاومة الكهربائية للعنصر الكهربائي مفروضة علينا .. و ليست عبارة عن عنصر كهربائي مقصود بالدارة
مثل مقاومة أسلاك النقل للتيار الكهربائي .. والمقاومة الكهربائية للملفات في المحولات … و غيرها ..
ففي هذه الحالة نرغب أن تكون هذه المقاومة تساوي الصفر .. و لكن للأسف المقاومة موجودة بسبب أن ناقلية النحاس و الالمنيوم ليست معدومة بل هناك مقدار معين لها فالعامل p في قانون المقاومة حيث أنه لا يساوي الصفر لأي مادة كانت –
ففي التمديد المنزلي للكهرباء على سبيل المثال :
إن مرور التيار ضمن الاسلاك من المنبع (ساعة الكهرباء) إلى الأحمال الكهربائية في المنزل (سخان كهربائي- مكواة- غسالة اوتومتيك..) يؤدي إلى نشر بعض الحرارة في أسلاك التوصيل .. و هذا أمر سيء لكن يمكن التغاضي عنه ضمن الحدود الآمنة التي لا يحدث معها أي ارتفاع للحرارة قد يسبب انصهار العوازل حولها و بالتالي حالات القصر الخطيرة ..
بينما هناك مشكلة أخرى .. و هي أن مرور التيار ضمن السلك الكهربائي قد تسبب هبوط الجهد عند الحمل

[glow="6699CC"]تطبيق عملي [/glow]

بفرض أن لدينا سلك نحاسي ذو طول و مقطع ما .. المهم أن مقاومته الكلية (الخط الذاهب و العائد – phase & neuterial) 1 أوم
و هذا السلك يغذي منزل يستهلك أحمالاً كهربائية تستلزم تياراً مقداره 35 أمبير ..
طبعاً التغذية عند المنبع 220 فولت

ما هي قيمة الجهد الكهربائي الواصلة إلى الحمل (البيت- سخانات و مكواة و …) ؟؟؟

الجواب
قانون أوم
الجهد بين طرفي المقاومة أو هبوط الجهد (مقدراً بالفولت) = قيمة المقاومة (مقدرة بالأوم ) . التيار المار بالمقاومة (مقدرة بالأمبير)

V=R*I

حيث أن
المقاومة هنا هي مقاومة كبل التوصيل و تساوي 1 أوم فقط ..
التيار هنا هو التيار الذي يسري بالسلك و يساوي 35 أمبير ..
الجهد بين طرفي المقاومة : هو هبوط الجهد على طول السلك الناقل .. و هو ما سنحسبه وفقاً للقانون

و بالتالي يكون :
هبوط الجهد = 1 * 35 = 35 فولت

ماذا يعني هذا ؟؟
يعني أن الجهد الذي يصل للحمل فعلاً هو
الجهد الواصل للحمل من المنبع = جهد المنبع – هبوط الجهد على الطريق
= 220- 35 = 185 فولت

و هكذا يصل للحمل جهد أقل من جهد المنبع و بالتالي فإن الأجهزة الكهربائية تعمل بشكل غير مقبول .. فالانارة تضعف و ربما تتعطل بعض الأجهزة الكهربائية مثل الغسالة الاوتوماتيك .. علماً أن التغذية الواصلة إلى مدخل البناء 220 لا خطأ فيها
و لكن الذنب كله يقع على اختيار كبلات و أسلاك غير مناسبة
عند اطفاء بعض الأحمال في البيت نجد أن الأمور تتحسن و الإضاءة تتحسن لأن التيار المسحوب على الأسلاك قد انخفض..

ماذا نعمل لحل المشكلة ؟؟
أولاً بحسب قانون أخي محمد
المقاومة الكهربائية للناقل = ناقلية المادة * طول الناقل / مقطع الناقل
ناقلية المادة : قد لا نستطيع التحكم بها لأنها نحاس غالباً في كل الأحوال (تستخدم كبلات الالمنيوم لنقل الجهود العالية جداً)
طول الناقل : مضطرين لهذا الطول لأنه يمثل البعد بين المنبع و الحمل .. لا يمكن تغييره
مقطع الناقل : نعم هنا هي النقطة .. يمكن استبدال الكبل بآخر ذو مقطع أكبر بحيث تكون المقاومة الكلية لا تسبب هبوط جهد ملحوظ .
حل آخر .. كي نحافظ على الكبل القائم بمكانه .. نقوم بتجزئة الأحمال .. فنصل كبل إضافي من المنبع إلى المطبخ و الحمام مثلاً و نبقي الكبل القديم لباقي البيت .. بحيث نكون قد وزعنا التيار بين الكبلين ..

أمر يحير العقل ..

الفيوز المنصهر – الفاصمة الكهربائية المستخدمة في الحماية من التيار الزائد :

قد يسأل أحد الاصدقاء .. الفيوز أو الفاصمة المستخدمة للحماية عبارة عن سلك رفيع توضع على طريق التيار الكهربائي لأسلك غليظة .. لماذا لا تؤثر هذه المقاومة على التيار و تضعفه ؟؟؟؟؟؟
السؤال جميل .. و على الرغم من بساطة الجواب فقد يحير الكثيرين للوهلة الأولى ..

الجواب : نعم الفيوز عبارة عن سلك دقيق و هذا ما يزيد من مقاومته الكهربائية لينصهر عند مرور تيار كهربائي
و لكن لا تنسى أنه (( قصير )) أيضاً .. و بالتالي فإن مقاومته صغيرة لا تؤثر على التيار الذي يمر من المنبع إلى الحمل .. لكنه يسخن هو وحده من يسخن عند ازدياد التيار لأن الكبل ذو المقطع العريض على طرفيه يبدد الحرارة بسهولة بينما هو قد يلتهب و ينصهر عند زيادة التيار بشكل مفاجئ .. و هكذا فهو يؤمن الحماية المطلوبة .

التماسات – المفاتيح و القواطع الكهربائية – نقاط الوصل – مقابس الكهرباء :

أيضأ هذه تعتبر مقاومات كهربائية مفروضة علينا غير مرغوب بها ..
من المهم عملياً مراعاة استخدام الأنواع الجيدة و أن نستخدم الأنواع المناسبة بحسب طبيعة الحمل
نلاحظ أن الأجهزة التي تستهلك قدرة عالية تكون ذات مقابس ثخينة .. و ربما لا تكون المآخذ الكهربائية في بيوتنا معدة لمثل هذه المقابس و بالتالي يتم قص هذه المقابس و استخدام آخر أرفع .. و هذا قد ينفع لزمن قصير .. و لكنه يقصر عمر التماسات عند المقابس و قد يتسبب بنشر حرارة تذيب البلاستيك العازل حول المآخذ ..
يجب الأخذ بعين الاعتبار عند تخطيط التوزيع الكهربائي أن نقلل عدد نقاط الوصل ما أمكن ..
يوجد على كل قاطع كهربائي أو مفتاح قيمة التيار الأعظمي الذي يتحمله .. و هكذا يجب مراعاة هذا الأمر عند اختيار هذه العناصر الكهربائية .
[GLINT][glint]سؤال :[/glint][/GLINT]

عند الربط التسلسلي للمقاومات قد تستنفذ الطاقة على الطريق .. فكيف نقول أن التيار لا يتغير ؟؟؟

[glow="CC0000"]الجواب :[/glow]

التيار لن يتأثر .. لأن التيار عبارة عن جريان لحوامل الشحنة (الالكترونات) على طول المسار من منبع التغذية لتعود إليه
و الطاقة التي يتم اطلاقها بشكل حراري ليست عبارة عن الكترونات تخرج من السلك حتى يقل عددها ..
بل إن التيار عبارة عن تدفق مستمر ينتج عن الضغط الكهربائي للمنبع (البطارية) و يتم تحديد قيمته بواسطة ممانعة تلك المقاومات على الطريق ..
فأنت عندما تلوح بيدك في الهواء تتحرك بكل حرية و سهولة و لكنك لا تبذل إلا طاقة قليلة جداً ..
و لكنك لو بذلت نفس القوة (الجهد الكهربائي) في الماء لتحركت يدك بسرعة أقل (التيارالكهربائي أقل) و لكنك قد صرفت استطاعة أكبر (يتم صرف قدرة كهربائية) و هذا يسبب التعب ..
فلو كانت القدرة هي التيار(السرعة) لكانت الحالة الأولى تعني صرف طاقة أكبر
و الحقيقة أن الطاقة مرتبطة بضرب قيمة الجهد بالتيار
ننظر إلى الدائرة
سلك طوله 10متر يصدر عن منبع التغذية الكهربائية- الموجب باتجاه سلك السخانة و نفرض أن مقاومته 0.1 أوم
ثم يدخل التيار ضمن السخانة و مقاومتها 100 أوم
و يخرج ليعود بواسطة سلك طوله 10 متر ليعود إلى منبع التغذية الكهربائية – السالب مقاومته 0.1 أوم
السلك الذاهب و السلك العائد و سلك السخانة يمر في كل منهم نفس التيار
قيمة المقاومة الكلية = 0.1 + 100 +0.1 أوم = 100.2 أوم
و التيار بحسب قانون أوم
التيار = جهد منبع التغذية / مجموع المقاومات
التيار = 220 فولت / 100.2 = 2.196 أمبير
و لكن كلاً من السلك الذاهب و العائد لا يسخنان و مع ذلك سلك التنغستين يشع حرارة شديدة ..