معلمات الكهربائية

مراجعة الأساسيات والطرق الدقيقة التي تتفاعل بها

القيمة: ساعة اتصال واحدة (1 CEU)

تمت الموافقة على هذه المقالة للتعليم المستمر من قبل NAEC لـ CET® و CAT®.

تمت الموافقة حاليًا على التعليم المستمر في الحرب الإلكترونية في الولايات التالية: AL و AR CO و FL و GA و IL و IN و KY و MD و MO و MS و MT و NJ و OK و PA و UT و VA و VT و WA و WI و WV | المقاطعة الكندية بي سي أند أون. يرجى التحقق من التحقق من الموافقة على الدورة التدريبية المحددة في كتب المصاعد.

في هذه المقالة ، نناقش المعلمات الكهربائية الأساسية ، الفولت ، أمبير ، الشحنة الكهربائية ، السعة ، المحاثة والأوم. يعرف جميع الفنيين الإلكترونيين ، وخاصة فنيي المصاعد وعمال الصيانة ، الأساسيات ، ولكن هناك بعض التفاصيل الدقيقة في كيفية تفاعلهم والتي تستحق المراجعة.

للعمل على المعدات الكهربائية ، وخاصة المصاعد ، في التصميم والتصنيع أو التشخيص والإصلاح ، يلزم معرفة دقيقة بالمعلمات الكهربائية. أبسط هذه هي أمبير ، فولت ، أوم وكولوم.

أمبير هو وحدة للتيار الكهربائي ، يبدأ في إلكتروليت البطارية أو اللفات في مولد كهربائي ، ويتدفق عبر الموصلات ، عبر الحمل والعودة إلى the source. خلال هذه الدائرة ، ما لم تنقسم إلى فروع منفصلة ، فإن التيار هو نفسه ، وفقًا لقانون كيرشوف الحالي. هذا مبدأ أساسي للغاية في الإلكترونيات ، وهو مفيد للغاية في التشخيص الأولي. يجب أن تذهب كل هذه الإلكترونات إلى مكان ما ، ولا تضيع ، حتى عند المرور بحمل مقاوم حيث يتبدد جزء من الطاقة على شكل حرارة. (إنها القوة التي تبددت وليست حالية).

واحد أمبير ، بحكم التعريف ، يتكون من تدفق 6.24 × 10¹⁸ تتحرك الإلكترونات عبر نقطة معينة في دائرة كهربائية في الثانية. (هذا 624 متبوعًا بـ 18 صفرًا. إذا كنت لا تفهم ، فابحث عن الترميز العلمي على الإنترنت.) هذا الرقم دقيق تمامًا لأنه ثابت بالتعريف. تم اشتقاق تعريفات المعلمات الكهربائية الأخرى من تعريف أمبير.

نظرًا لأن الأمبير هو مقياس لتدفق التيار عبر جسم موصل ، فمن غير المناسب التحدث عن التيار الكهربائي على أنه خاصية the source باستثناء أن أي مصدر لديه أقصى تيار متاح ، والذي يزيد بسرعة عندما تنخفض مقاومة أو مقاومة الحمل إلى ما دون قيمة حرجة.

يستخدم الكهربائيون مشبك تيار لقياس التيار المسحوب بأحمال ثقيلة مثل محرك المصعد. بالضغط على مفتاح الإبهام على جانب الجهاز ، يفتح الفكين ويمكن إغلاقهما حول موصل حي ، عاريًا أو معزولًا. تُظهر الشاشة التيار المتدفق بالأمبير عبر الدائرة. يمكن إجراء القياس على موصل يغذي معدات التشغيل مثل محرك المصعد ، دون إخراجها من الخدمة.

الموصل الحي وفكي الجهاز هما الأساسي والثانوي للمحول. يقيس هذا المجال المغناطيسي حول الموصل ، ويتم معايرة الشاشة لإظهار الأمبيرات. على الرغم من أن Amprobe هو في جوهره محول ، يمكن للنماذج المتقدمة قراءة التيار المباشر عن طريق جهاز تأثير هول داخلي.

المشبك الحالي قادر على قياس 200-600 أمبير. لا يعمل على الكابلات التي تحتوي على موصلين أو أكثر لأن التيارات المتدفقة من خلالها تتحرك في اتجاهين متعاكسين وتلغي المجالات المغناطيسية بعضها البعض.

يمكن قراءة كميات صغيرة من التيار بمقياس متعدد. من الضروري قطع الدائرة المفتوحة تحت الاختبار ووضع العداد في سلسلة. ثم ، بعد أخذ القياس ، أعد لحام الدائرة. تأكد من التحقق من تصنيف جهاز القياس المتعدد في وضع أمبير لأن المقياس لن يتحمل الحمل الزائد. تذكر أنه عند أخذ هذا النوع من القراءة ، على عكس مقياس التيار الكهربائي أو الفولتميتر أو الأومتر ، فإن الكمية الكاملة للتيار تمر عبر العداد.

الفولت هو وحدة القوة الدافعة الكهربائية. بحكم التعريف ، هو الجهد الكهربائي بين موصلين أو محطتين عندما يتدفق أمبير واحد من التيار عبر الدائرة. عندما لا يكون الحمل متصلاً ، فإن أمبير التيار لا يتدفق عبر الدائرة ، لكن هذا لا ينفي تعريف الفولت. بالتناوب ، يمكننا القول أن فولت واحد هو فرق الجهد بين سلكين أو طرفين عندما يمر جول واحد من الطاقة لكل كولوم شحنة عبر الدائرة. من غير المناسب التحدث عن جهد كهربائي يمر عبر دائرة كما أنه من غير المناسب التحدث عن تيار معين على طرف.

لاحظ العلاقات التالية:

• الفولت يساوي أمبير مضروبًا في أوم
• فولت يساوي ويبر في الثانية (تدفق مغناطيسي في كل مرة)
• الفولت يساوي جول لكل كولوم

نظرًا لأن الجهد هو اختلاف في الجهد ، فعادة ما يتم قياسه باستخدام مقياس متعدد في تقييمه للتحقيق عبر مكون حي أو نقطتين في دائرة أو نقطة واحدة في دائرة وأرض. من المهم تشغيل العداد ضمن جهده المقنن. إذا لم يكن الجهد معروفًا ، فمن الآمن غالبًا افتراض أن الجهد لا يتجاوز جهد الإمداد ، على الرغم من أن هذا قد لا يكون صحيحًا كما هو الحال في محرك التردد المتغير لمحرك المصعد أو المعدات مثل أنبوب أشعة الكاثود التلفزيوني مع الفولتية عالية الانحراف ، أو في أي مكان يوجد محول تصعيد.

لفهم شامل للإلكترون فولت وكيف يوحدان مفاهيم الجهد والشحنة ، علينا مناقشة الإلكترون فولت (eV) ، والذي استخدمه المنظرون والباحثون تاريخيًا. إن الجهد الكهربائي هو إمكانات طاقة صغيرة جدًا. ترليون eVs هي تقريبًا الطاقة التي تنفقها البعوضة الطائرة. ومع ذلك ، لا ينبغي أن يزعجنا ذلك ، لأنه باستخدام الرموز أو البادئات العلمية ، يمكن إحضار eV ، دعنا نقول ، إلى مقدار الطاقة لتشغيل مصعد من أي حجم. مائة واثنان وسبعون جيجا إلكترون فولت هي الطاقة المتبقية لكوارك علوي ، وهو أثقل جسيم أولي تم قياسه.

في الفيزياء ، eV هو مقدار الطاقة الحركية التي يكتسبها إلكترون واحد يتسارع من السكون من خلال فرق الجهد الكهربائي بمقدار واحد فولت في الفراغ. عند استخدامها كوحدة للطاقة ، فإن قيمة 1 فولت في الجول تساوي الكمية العددية لشحنة الإلكترون في كولوم.

هذا يقودنا إلى مفهوم هام للشحن. تقاس الشحنة الكهربائية بوحدة الكولوم. عند العمل على تشخيص المصعد وتصميمه ، نادرًا ما تحتاج إلى قياس الشحنة ، ولكن المفهوم مهم في الدائرة الحركية ووحدة التحكم ، خاصة فيما يتعلق بما يحدث في ترانزستورات التأثير الميداني لأشباه الموصلات المعدنية (MOSFETs).

تعرف الكتاب القدامى على خمس ظواهر متميزة نوضحها باستخدام مفهوم الشحنة الكهربائية:

1. صاعقة
2. الثعابين الكهربائية وأسماك الطوربيد
3. حريق سانت إلمو
4. يفرك العنبر بالفراء الذي يجذب الأشياء الصغيرة
5. الكهرباء الساكنة ، كما هو الحال عندما تقفز شرارة من يد المرء إلى جسم معدني

لم يترك طاليس الميليتوس (624-546 قبل الميلاد) أي كتابات موجودة ، لكن يُقال إنه وصف تأثير العنبر ، الذي ذكره كدليل على أن للجمادات أرواح.

بشكل عام ، لا يبدو أن الإغريق القدماء يدركون أن الفئات الخمس المذكورة أعلاه كانت متصلة بأي شكل من الأشكال. لاحظ المجربون اليونانيون أن الكهرمان المشحون سوف يجذب الأجسام الخفيفة ، ولاحظوا أن الكهرمان المحمر يمكن أن ينتج قوسًا كهربائيًا خافتًا.

تم إجراء تحليل أكثر تفصيلاً في عام 1600 بعد الميلاد ، في ويليام جيلبرت دي ماجنيت. ابتكر هذا العالم الإنجليزي كلمة "electrica" ​​لوصف تأثير العنبر.

في القرنين التاليين ، طور العلماء ، بمن فيهم بنجامين فرانكلين ، نظريات أكثر تعقيدًا من نظريتين ثم سائل واحد للشحنة الكهربائية. تصور فرانكلين الكهرباء على أنها سائل غير مرئي موجود في جميع المواد. وذكر أن الزجاج الموجود في جرة Leydon التي تم اختراعها مؤخرًا هو الذي يحمل شحنة كهربائية متراكمة. كان يعتقد أن فرك الأسطح المعزولة معًا يتسبب في انتقال السائل من مكان إلى آخر ، مكونًا تيارًا كهربائيًا. وذكر أنه عندما تحتوي المادة على فائض من السائل ، فإنها تحمل شحنة موجبة وعندما يكون لديها عجز يتم شحنها سالبة. لقد فهم الديناميكيات بشكل صحيح لكنه كان مخطئًا بشأن اتجاه التدفق. حتى يومنا هذا ، نقول إن الإلكترون له شحنة سالبة ، على الرغم من أنه لا يوجد شيء سلبي بطبيعته.

في عام 1838 ، بدأ مايكل فاراداي دراسة تفصيلية للشحنة الكهربائية. لاحظ أن الشحنة الكهربائية هي علاقة بين جسمين ماديين لأنه من المستحيل شحن جسم دون نقل الشحنة المعاكسة إلى جسم مادي آخر. وفقًا لذلك ، فإن الشحنة الكهربائية هي عجز أو زيادة في الإلكترونات أو ناقلات الشحنة الأخرى. علاوة على ذلك ، خلص إلى أن الحالة الطبيعية للجسيمات يجب أن تكون غير مستقطبة. عند الاستقطاب ، تميل هذه الجسيمات إلى العودة إلى حالتها غير المستقطبة.

بعد عقدين من الزمان ، أدرك جيمس كليرك ماكسويل أن الشحنة ، وليست المادة ، هي الطاقة الموجودة في المجال بين مادتين مشحنتين. نرى هذا في سلوك المكثف. يتكون المكثف من لوحين موصلين متصلتين بأسلاك مفصولة بطبقة رقيقة من مادة غير موصلة تعرف باسم الطبقة العازلة. عندما يتم تطبيق الجهد على ألواح مكثف ، على عكس الاعتقاد الشائع ، لا يتدفق التيار خلالها ، كما هو الحال في المقاوم. هذا هو السبب في أن المكثفات لا تبدد الكثير من الحرارة على الرغم من انخفاض الجهد الذي يمكن قياسه عبرها عند تنشيطها. أين تذهب هذه الطاقة؟ يتم تخزين الشحنة في الطبقة العازلة ، وعند إزالة الجهد المطبق ، يعود الجهد إلى الدائرة المتصلة. وبالتالي ، فإن وظيفة الطبقة العازلة ليست فقط فصل الألواح عن بعضها وعزلها كهربائيًا عن بعضها البعض ولكن أيضًا لتخزين الشحنة الكهربائية. تستمر هذه العملية حتى يتم الوصول إلى حالة من التوازن. ثم ، إذا تم تطبيق قطبية معاكسة ، يتم تفريغ العازل الكهربائي ثم شحنه إلى القطبية المعاكسة. يحدث هذا بسرعة كبيرة إذا تم تطبيق التيار المتردد ، وخاصة التردد العالي.

بالنسبة للمراقب الخارجي ، يظهر هذا كتدفق تيار ، ولكنه في الواقع هو الطبقة العازلة التي تخزن وتحرر حاملات الشحنة.

يعمل الحث (الملف) بطريقة مماثلة ، باستثناء أن الطاقة موجودة في المنطقة المحيطة بالملف وداخله في مجال مغناطيسي. عندما ينقطع التيار إلى المحرِّض ، يُقال إن المجال المغناطيسي ينهار وتُعاد الطاقة إلى اللفات التي يتألف منها الملف. عندما يتم تطبيق التيار المباشر على مغو ، يوجد ارتفاع قصير للجهد العالي عبره ، وارتفاع آخر عند إزالة الجهد.

الشحنة الكهربائية مكمَّمة. إنه موجود فقط في مضاعفات عدد صحيح مما نسميه e، وهو صغير جدًا ، يساوي 1.62 × 10^-19 كولوم. 

وحدة الشحن هي كولوم. يتم تعريفه على أنه مقدار الشحنة التي تمر بنقطة محددة على موصل كهربائي يحمل أمبير واحد من التيار في ثانية واحدة.

في المسار العادي لتشخيص الدائرة أو النماذج الأولية ، نادرًا ما يحتاج العمال إلى قياس الشحنة لأنها جزء لا يتجزأ من التيار والتيار ويمكن قياسها بسهولة بمقياس متعدد في وضع أمبير أو بمقياس التيار الكهربائي. إذا كان يجب قياس الشحنة مباشرة ، فاستخدم مقياسًا كهربيًا أو جلفانومترًا باليستيًا.

المعلمة الكهربائية الأساسية الأخرى هي أوم. إنها وحدة المقاومة الكهربائية ، وهي خاصية لأي مادة ، بما في ذلك الفراغ ، القادرة على إجراء ناقلات الشحنة.

في الخيال الشائع ، عندما يتم تطبيق الجهد من مصدر مثل البطارية أو المولد عبر موصل ، تصطف الإلكترونات عند الطرف السالب الشحنة وتنتقل بسرعة الضوء إلى النهاية الموجبة ، التي تنجذب إليها ، ثم تعود لمصدر الطاقة. في الواقع ، رحلتهم أبطأ بكثير وحركتهم أكثر عشوائية. وهي عرضة للتصادم مع الذرات والأيونات والإلكترونات الحرة في الموصل. هذا يشكل مقاومة ، مما يؤدي إلى إشعاع جزء من الإلكترونات وتبديدها كحرارة.

يتم قياس هذه المقاومة بواسطة المتر المتعدد في وضع أوم. يتم قياس المقاومة على أساس يومي بواسطة كهربائيين وفنيي الإلكترونيات. على عكس الأمبيرات والفولتات ، فهو ليس قياسًا مباشرًا. إذا كنت ترغب في قياس مقاومة أحد المكونات داخل الدائرة ، كما هو الحال في لوحة الدوائر المطبوعة في وحدة التحكم في حركة المصعد ، فتأكد أولاً من إيقاف تشغيل الجهاز. يمكن للجهد غير المتوقع المطبق على خيوط جهاز قياس المقاومة أن يدمر العداد ويؤذي المستخدم إذا كان الجهد و / أو تيار العطل مرتفعًا بدرجة كافية. احذر أيضًا من أن المعدات ذات المكثفات الإلكتروليتية مثل مصدر الطاقة يمكنها تخزين الجهد المتبقي لفترة طويلة بعد إيقاف تشغيلها. يوجد أيضًا شيء مثل السعة الموزعة في جميع أنحاء الهيكل. لهذا السبب ، من الأفضل قطع سلك واحد ، باستخدام أداة قطع معزولة ضمن تصنيفها وقفازات عالية الجهد (متوفرة من أمازون) عند الاقتضاء. 

المقاومة R للجسم هي نسبة الجهد عبره إلى التيار I خلاله. المواصلة G هي المعاملة بالمثل ، كما هو معبر عنه في هذه المعادلات:

• R = V / I
• G = أنا / ص
• G = I / V.

هذه المساواة تشكل قانون أوم. إنها قابلة للتطبيق على المواد الأومية ، ولكن ليس على أجهزة معينة مثل البطارية أو الصمام الثنائي أو المحول ، والتي لها خصائص جوهرية تحجب المعلمات الأومية.

يتم تحديد المقاومة والموصلية للجسم بشكل أساسي من خلال هندسته والمواد المكونة له. تؤثر الهندسة على المقاومة كما هو الحال في سلك طويل ورفيع ، والذي يتمتع بمقاومة أعلى من السلك القصير السميك من نفس المادة. المادة هي العامل الآخر. يتدفق التيار الكهربائي مع خسارة قليلة عبر الأسلاك النحاسية ، بينما يتدفق التيار الكهربي مع خسارة أكبر عبر الأسلاك الفولاذية بنفس السماكة والطول. يُعرف النطاق الواسع في خصائصها بالمقاومة. تكون مقاومة مادة معينة ثابتة بغض النظر عن حجمها أو شكلها أو تكوينها داخل الدائرة. مقاومة صندوق من الأسلاك في المستودع هي نفس مقاومة وصلة عبور قصيرة على لوحة دوائر مطبوعة ، بالنظر إلى نفس مادة السلك. لكن المقاومة تعتمد على المقاومة والشكل والحجم. العوامل الإضافية ، بخلاف الشكل والحجم والمقاومة ، مثل درجة الحرارة والانفعال ، تؤثر أيضًا على مقاومة الموصل أو الجهاز في دائرة كهربائية ، على الرغم من أن هذه التأثيرات لا تفعل ذلك في المستوى الأساسي للتحكم في الحركة وتشخيصات محرك السرعة المتغيرة يجب أن يؤخذ في الاعتبار ، ما لم يكن هناك اشتباه في ظروف خفية.

المقاومة عبر معظم الأجسام من نفس الحجم والشكل والمقاومة ثابتة. لكن مقاومة المواد المختلفة تختلف اختلافًا كبيرًا. على سبيل المثال ، موصلية التفلون ، وهو عازل جيد ، هي 10³⁰ أقل من النحاس. هذا لأن الإلكترونات الموجودة في العازل مرتبطة بمواقع محددة وبالتالي لا يمكنها حمل الشحنات من أحد طرفي المادة إلى الطرف الآخر. في المقابل ، تحتوي الموصلات مثل المعادن على عدد أكبر من الإلكترونات الحرة التي لا ترتبط في مكانها بالذرات ، ولكنها قادرة على السفر بحرية عبر المساحات الشاسعة نسبيًا بين الذرات. تتمتع معظم المواد ، مثل الكربون ، بمقاومة وسيطة. يتم تصنيع معظم المقاومات عن طريق خلط نسب مختلفة من الكربون المسحوق مع عجينة ذات مقاومة مختلفة.

قد تكون الموصلات الفائقة هي موجة المستقبل ، خاصة في الفضاء الخارجي ذي درجة الحرارة المنخفضة. تُصنع الموصلات الفائقة من مواد ذات مقاومة قريبة من الصفر (الموصلية اللانهائية) إذا تم تبريدها بشكل كافٍ. وبالتالي ، لا يوجد تقريبًا أي تبديد للطاقة الكهربائية ، ولا خسارة ملحوظة. ما يمثل مشكلة هو أنه في هذه المرحلة من الزمن ، يجب تبريد الموصلات المعدنية باستخدام الهيليوم السائل إلى حوالي 4 درجات كلفن لتعمل كموصلات فائقة.

تم تطوير أنظمة متقدمة تعمل عند 77 درجة مئوية ، وهي تعمل مع مبرد النيتروجين السائل الأقل تكلفة بكثير ، ولكن المواد الخزفية أغلى ثمناً وهشة وهشة ، وهي غير عملية. نظرًا لأن الموصلات الفائقة المعدنية تتطلب مبردات صعبة ، لا سيما الهيليوم السائل ، فهناك حافز كبير للباحثين لاكتشاف مواد أفضل ذات درجات حرارة عالية ، أي تلك التي تصبح فائقة التوصيل عند درجة حرارة النيتروجين السائل سهل الاستخدام.

حتى الآن ، تم العثور على أكاسيد النحاس ومركبات أساسها الحديد. لسوء الحظ ، لا يمكن تشكيل هذه المواد لتصبح موصلات عملية. هناك مجال واعد في الغازات فائقة التوصيل ، ولكن حتى الآن ، هذا في الغالب تخميني.

تُستخدم الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة في تطبيقات متخصصة ، مثل مصادمات الجسيمات ، التي تتطلب موصلات كبيرة منخفضة المقاومة للغاية لتشغيل مغناطيس ضخم يعمل على تسريع الجسيمات في طريقها.