ما هو الجهد الكهربائي

أنظمة الأمان الكهربائية هي مجموعة من الأجهزة والتقنيات الكهربائية التي تضمن تشغيل المعدات الكهربائية بأمان. وظائفها هي حماية الأشخاص من الصعق الكهربائي وحماية المعدات من الأعطال والأضرار التي يمكن أن تحدث نتيجة لحدوث أعطال كهربائية. فمثلاً، تشمل أنظمة الأمان الكهربائية مثل هذه الأجهزة والتقنيات:

– الأرض المحمية: وهي وسيلة لتوصيل جزء من الدائرة الكهربائية مباشرة إلى الأرض، مما يسمح بتصريف التيار الكهربائي بمنتهى السرعة، ويحمي الأشخاص من الصعق الكهربائي.
– الحماية من الماس الكهربائي: توجد بعض الأجهزة الكهربائية التي قد تسبب زيادة في التيار الكهربائي، وتشمل هذه الأجهزة المحركات الكهربائية والمصابيح الكهربائية والفرن الكهربائي وغيرها. تتمثل وظيفة الحماية من الماس الكهربائي في وجود قواطع دائرة كهربائية تغلق الدائرة عندما يزيد التيار عن قيمة محددة.
– الحماية من الزيادة في الجهد: توجد بعض الظروف التي يمكن أن تؤدي إلى زيادة في الجهد الكهربائي المستخدم داخل المبنى، مما يمكن أن يتسبب في تلف الأجهزة الكهربائية. تشمل وظيفة الحماية من الزيادة في الجهد جهاز تسمى بمنظم الجهد (Voltage Regulator).
– الحماية من تسرب التيار الكهربائي: يحدث تسرب التيار الكهربائي عندما يمكن للتيار الكهربائي التسرب من الدائرة الكهربائية المغلقة إلى الأرض. وتشمل وظيفة الحماية من تسرب التيار الكهربائي وجود مقاطع تيار كهربائي (Circuit Breakers) وفصل المقاطع عند حدوث تسرب في التيار.

تتميز دائرة الكهربائية بعدة خصائص أساسية بما في ذلك:

1. الجهد الكهربائي: وهو فرق الجهد الكهربائي بين نقطتي الدائرة، ويتم قياسه بالفولت.

2. التيار الكهربائي: وهو تدفق الشحنات الكهربائية من نقطة الدائرة إلى الأخرى، ويتم قياسه بالأمبير.

3. المقاومة الكهربائية: وهي قدرة المواد على عرقلة تدفق التيار الكهربائي، وتتم قياسها بالأوم.

4. الطاقة الكهربائية: وهي الطاقة التي تحملها الشحنات الكهربائية وتحرك الأجهزة في الدائرة، وتتم قياسها بالواط.

5. المكونات الكهربائية: وهي العناصر التي تشكل الدائرة الكهربائية مثل المقاومات والمكثفات والملفات الكهربائية والترانزستورات والمكونات المتكاملة والمحولات.

6. الحماية الكهربائية: وهي الإجراءات التي يتم اتخاذها لحماية الأشخاص والأجهزة والبيئة من الأخطار الكهربائية، مثل قطع الطاقة عند وجود تسرب كهربائي أو قصر دائرة.

تتضمن الدوائر الكهربائية المستخدمة في التحكم بأنظمة الإضاءة الذكية عادةً مجموعة من الحساسات والمفاتيح والبرامج والمحولات والتحويلات الكهربائية. ويتم استخدام هذه المكونات بشكل مختلف وفقًا للتطبيق المحدد وهدف التحكم في الإضاءة. ومن بين الأمثلة على الدوائر الكهربائية المستخدمة في التحكم بأنظمة الإضاءة الذكية:

– دائرة الحساسات الضوئية والحركة، والتي تستخدم لتحديد متى يجب تشغيل الإضاءة وإيقافها عندما لا يكون هناك حركة أو وجود شخص في المنطقة.
– دائرة التحكم في الأبعاد اللونية للإضاءة، والتي تسمح بتحديد درجات اللون ودرجة السطوع للإضاءة وتحكم فيها لخلق أجواء مختلفة في المنزل أو المكتب أو المصنع.
– دائرة التوصيل اللاسلكي والتحكم عن بعد، والتي تتيح للمستخدم التحكم في الإضاءة عن بُعد عبر تطبيقات الهاتف الذكي أو الأجهزة الأخرى المتصلة بالإنترنت.
– دائرة تحويل التيار الكهربائي، والتي تستخدم لتحويل التيار المستمر أو المتردد إلى مستوى تيار يمكن تحكمه به بسهولة والتحكم في إخراج الجهد الكهربائي بشكل دقيق.

القدرة الكهربائية هي القدرة على إنتاج الطاقة الكهربائية أو استهلاكها في الدوائر الإلكترونية. يتم قياس القدرة الكهربائية بوحدة الواط (W) وهي تعبر عن كمية الطاقة التي يمكن تحويلها في الوقت الواحد.

يمكن حساب القدرة الكهربائية باستخدام القانون الأساسي للطاقة الكهربائية والذي يقول أن القدرة الكهربائية (P) تساوي حاصل ضرب الجهد الكهربائي (V) بالتيار الكهربائي (I) أي P = VI.

يتم قياس الجهد الكهربائي بوحدة الفولت (V) والتيار الكهربائي بوحدة الأمبير (A) باستخدام أجهزة القياس الكهربائية مثل المولتيميتر. يتم توصيل المولتيميتر بالدائرة الكهربائية ويتم قياس الجهد الكهربائي والتيار الكهربائي ومن ثم يتم حساب القدرة الكهربائية باستخدام القانون المذكور أعلاه.

تعتمد الرجولات الكهربائية في الأنظمة الصناعية على الكهرباء لتحريك المحركات وتشغيل الآلات الأخرى. وتتكون الرجولات الكهربائية من لفات ملفوفة حول قلب من الحديد اللين، يعمل على تركيز خطوط قوة المجال المغناطيسي وتبادلها بين المشطوف والأسطوانة، من أجل توليد الحركة وإنتاج قوة ميكانيكية لدفع الآلات والعتاد الصناعي.

وتناسب تصميمات الرجلة الكهربائية حجم الجهد الكهربائي الذي تستخدمه للعمل والتردد الذي يستخدم لإنتاج الحركة، ويمكن تحديد قوة الرجلة الناتجة من هذه العمليات باستخدام المعادلات الرياضية الخاصة بتصميم الرجولات كمصدر حركة للآلات الصناعية. وتستخدم الرجلات الكهربائية في العديد من التطبيقات الصناعية، مثل تشغيل مضخات المياه ومحركات الطائرات المسيرة ومضخات الزيت والمضخات الهيدروليكية والكمبريسورات ومحركات المكابس وغيرها الكثير، بما يمكنها تحسين الإنتاجية وتحسين كفاءة العمليات الصناعية.

تستخدم محولات التيار في الأنظمة الكهربائية لتحويل التيار المتردد من مستويات جهد إلى مستويات أخرى. وتستخدم هذه المحولات في العديد من التطبيقات ، بما في ذلك:

1. في نقل الطاقة الكهربائية عبر خطوط النقل الكهربائية ، حيث يتم استخدام محولات التيار للحفاظ على الجهد الكهربائي عند مستويات مختلفة لتوفير الطاقة الكهربائية للشبكات المنزلية.

2. في صناعة الصلب والأسمدة والصناعات الأخرى التي تستخدم الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة ، حيث يمكن استخدام محولات التيار لتحويل الجهد العالي لتوفير الطاقة الكهربائية للمعدات والآلات والأجهزة.

3. في الصناعات الكيميائية وصناعة البتروكيماويات والتحكم في العمليات الصناعية التي تشمل تحويل الجهد لتحقيق تشغيل آلي فعال.

4. في الأنظمة الكهربائية للسكك الحديدية والمترو والقطارات الكهربائية ، حيث يتم استخدام محولات التيار لتحويل الجهد العالي لتوفير الطاقة الكهربائية لتشغيل القطارات.

5. في الأنظمة الكهربائية للمكاتب والمباني التجارية والسكنية ، حيث يمكن استخدام محولات التيار لتحسين فعالية استخدام الطاقة الكهربائية.

1. التيار الكهربائي: يجب أن تتماشى مقاومة الدائرة مع التيار المطلوب حسب قوانين الكهرومغناطيسية.

2. الجهد الكهربائي: يجب تصميم الدائرة لتتحمل الجهد المطلوب دون التاثير على كفاءتها واستهلاك الطاقة.

3. الموثوقية: يجب تصميم الدائرة لتتحمل الظروف المختلفة للاستخدام مثل درجات الحرارة المختلفة والصدمات والاهتزازات.

4. سرعة العملية: يجب أن تكون الدائرة قادرة على العمل بسرعة كافية لإنجاز عملية الغرض منها.

5. الحجم والتكلفة: يجب تصميم الدائرة بحيث تحقق الغرض منها باستخدام أقل عدد ممكن من العناصر وبأقل التكاليف الممكنة.

يمكن حساب مقدار الطاقة الكهربائية في الدوائر الإلكترونية باستخدام القانون الأساسي للطاقة الكهربائية وهو:

E = P x t

حيث:

E: الطاقة الكهربائية بالجول (J)
P: القدرة الكهربائية بالواط (W)
t: الزمن بالثواني (s)

لحساب القدرة الكهربائية، يمكن استخدام القانون التالي:

P = V x I

حيث:

P: القدرة الكهربائية بالواط (W)
V: الجهد الكهربائي بالفولت (V)
I: التيار الكهربائي بالأمبير (A)

بعد حساب القدرة الكهربائية، يمكن استخدامها في القانون الأساسي للطاقة الكهربائية لحساب مقدار الطاقة الكهربائية في الدائرة.

تحميل الدوائر الكهربائية يمكن أن يتأثر بعدة عوامل، بما في ذلك:

1. مقاومة الموصلية: تحدد مقاومة الموصلية مقدار التيار الكهربائي الذي يمكن أن يمر عبر الدائرة. كلما زادت مقاومة الموصلية، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

2. الجهد الكهربائي: يشير الجهد الكهربائي إلى القوة الدافعة للتيار الكهربائي. كلما زاد الجهد الكهربائي، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

3. السعة: تحدد السعة قدرة الدائرة على تخزين الطاقة الكهربائية. كلما زادت السعة، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

4. المقاومة: تحدد المقاومة قدرة الدائرة على تدفق التيار الكهربائي. كلما زادت المقاومة، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

5. التردد: يحدد التردد كمية التيار الكهربائي التي تمر عبر الدائرة في وحدة الزمن. كلما زاد التردد، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

6. درجة الحرارة: تحدد درجة الحرارة قدرة الدائرة على تحمل التيار الكهربائي. كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

يؤدي الحث المتبادل في الدوائر الكهربائية إلى عدة تأثيرات، منها:

1- زيادة المقاومة الكهربائية: يؤدي التيار الكهربائي المار في ملفات الحث المتبادل إلى إنتاج حقل مغناطيسي، وهذا الحقل يؤدي إلى توليد جهد كهربائي في الملفات المجاورة. هذا الجهد الكهربائي يؤدي إلى تيار كهربائي في هذه الملفات المجاورة، ويزيد هذا التيار من مقاومتها الكهربائية.

2- تأثير على الجهد الكهربائي: يؤدي التغير في التيار الكهربائي المار في ملفات الحث المتبادل إلى توليد جهد كهربائي في الملفات المجاورة. وبالتالي، يؤدي ذلك إلى تأثير على الجهد الكهربائي في هذه الملفات.

3- تأثير على التوافق الكهربائي: قد يؤدي الحث المتبادل إلى تداخل في التوافق الكهربائي بين الأجهزة المختلفة لأن التيارات المارة في الملفات المختلفة قد تؤدي إلى توليد اضطرابات كهرومغناطيسية.