الدوائر المفتوحة ودوائر القصر

الدائرة الكهربائية المسار الذي يتبعه تيار كهربائي، حيث لابد للكهرباء من السريان في دائرة كهربائية لتعطي قدرة كهربائية. وتحتوي كل نبيطة كهربائية على دائرة كهربائية واحدة على الأقل.

تشتمل الدائرة الكهربائية على ثلاثة أجزاء رئيسية:
1- مصدر للطاقة الكهربائية كبطارية أو مولد، 2- نبيطة خرج كمحرك أو مصباح، 3- توصيلة بين المصدر ونبيطة الخرج كسلك أو كيبل.


نموذج لدائرة كهربية بسيطة

يقوم المصدر بتغيير نوع من الطاقة غير الكهربائية إلى طاقة كهربائية؛ فعلى سبيل المثال يقوم المولد الكهربائي بتغيير الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. ويقوم المصدر الكهربائي بإنتاج قوة دافعة كهربائية (ق د ك) تسبب سريان تيار كهربائي في الدائرة. تُقاس القوة الدافعة الكهربائية بوحدات تسمى فولت، ويُقاس التيار المار الناتج عنها بوحدات تُسمى أمبير. توصل الكهرباء إلى المنازل في كثير من الأقطار عند فرق جهد 220 أو 240 فولت، ولكن فرق الجهد المقنن في الولايات المتحدة الأمريكية، وكندا، وبعض البلدان الأخرى هو 110 أو 120 فولت. ولا يعتبر الخرج الكهربي نفسه مصدرًا، بل تقوم خطوط النقل بتوصيله إلى مولد في محطة لتوليد القدرة الكهربائية التي ُتعد المصدر.


يقوم المصدر بتغيير نوع من الطاقة غير الكهربائية إلى طاقة كهربائية؛ فعلى سبيل المثال يقوم المولد الكهربائي بتغيير الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. ويقوم المصدر الكهربائي بإنتاج قوة دافعة كهربائية (ق د ك) تسبب سريان تيار كهربائي في الدائرة. تُقاس القوة الدافعة الكهربائية بوحدات تسمى فولت، ويُقاس التيار المار الناتج عنها بوحدات تُسمى أمبير. توصل الكهرباء إلى المنازل في كثير من الأقطار عند فرق جهد 220 أو 240 فولت، ولكن فرق الجهد المقنن في الولايات المتحدة الأمريكية، وكندا، وبعض البلدان الأخرى هو 110 أو 120 فولت. ولا يعتبر الخرج الكهربي نفسه مصدرًا، بل تقوم خطوط النقل بتوصيله إلى مولد في محطة لتوليد القدرة الكهربائية التي ُتعد المصدر.

تقوم نبيطة الخرج باستخدام الطاقة الكهربائية التي تأتي من المصدر لعمل شيء مفيد، فالمصباح يمدنا بالضوء وينتج المحرك الكهربائي حركة ميكانيكية تُشغل مكنسة كهربائية على سبيل المثال. ولابد من توصيل المصدر بنبيطة الخرج حتى يتسنى للتيار الكهربائي أن ينساب من المصدر إلى النبيطة وبالعكس، ويُعتبر مسار العودة ضروريًا حتى لا تتجمع شحنات كهربائية عند أي نقطة في الدائرة، حيث أن أي تجمع للشحنات من شأنه أن يعوق سريان التيار، ويمنع الدائرة من تأدية وظيفتها.
يمكن إضافة نبائط مختلفة إلى دائرة كهربائية للتحكم في التيار المار فيها. فقد تحتوي دائرة مصباح كهربائي مثلاً على مفتاح كهربائي لتوصيل المصباح أو فصله بسهولة. فعندما يكون المفتاح في وضع الفصل تقوم الفجوة التي تفصل الأسلاك الموصلة بمنع التيار من إتمام مساره. وتسمى الدائرة التي تحتوي على هذه الفجوة بالدائرة المفتوحة. أما الدائرة التي لا تحتوي على فجوة فتسمى الدائرة المغلقة.

تُجهَّز بعض الدوائر الكهربائية بما في ذلك تلك المستخدمة في المنازل بصمام كهربائي (صهيرة) أو قاطع الدائرة الكهربائية. وتعمل كل واحد من هاتين النبيطتين عمل المفتاح فتفتح الدائرة إذا مر بها تيار بالغ القوة. فمرور تيار زائد عن الحد يؤدي إلى زيادة تسخين الأسلاك، وقد يتسبب ذلك في إشعال حرائق أو إتلاف نبائط الخرج. وقد تكون الدائرة الكهربائية بسيطة التكوين أو معقدة. فالدائرة البسيطة المستخدمة في المشاعل الكهربائية والمصابيح قد تحتوي فقط على الأجزاء الثلاثة الرئيسية للدائرة. أما الدائرة المعقدة، كتلك التي تُستخدم في الحواسيب، وأجهزة التلفاز، فتحتوي على مئات الأجزاء، بل ربما على الآلاف منها. ومهما تعددت أجزاء الدائرة الكهربائية فإن جميع الدوائر، عدا أبسطها،





يُمكن تصنيفها إلى ثلاثة أنواع:
1- دوائر توال، 2- دوائر تواز، 3- دوائر مركبة تتكون من كل من النوعين السابقين.
دوائر التوالي. تُستخدم هذه الدوائر مسارًا منفردًا لتوصيل المصدر أو المصادر الكهربائية إلى نبيطة أو نبائط الخرج. فإذا رسمت دائرة توال على الورق، فإن أي خط يبدأ عند أي جزء من الدائرة يمر خلال كل الأجزاء الأخرى مرة واحدة قبل أن يعود إلى نقطة البدء. ففي الدائرة المستخدمة في مشعل كهربائي ذي بطاريتين على سبيل المثال يوصل الطرف الموجب للبطارية الأولى بالطرف السالب للبطارية الثانية، ويلمس الطرف الموجب للبطارية الثانية الطرف الأوسط من مؤشر المشعل. فإذا أُغلق المفتاح الكهربائي فإن الطرف الخارجي للمؤشر سوف يتصل بالطرف السالب للبطارية الأولى مكملاً بذلك مسار الدائرة فيضيء المشعل.

توجد دوائر التوالي أساسًا في المشاعل الكهربائية وبعض أنواع أضواء الزينة، وفي بعض التجهيزات البسيطة الأخرى.

ولهذه الدوائر استخدامات محددة لأن أي تغير في أحد أجزاء الدائرة يؤثر على كل أجزائها الأخرى. فإذا احترق المؤشر في دائرة توال فستنطفئ كل المصابيح الأخرى، لأن المؤشر عندما يحترق فإنه يفتح الدائرة.

وفرق الجهد الناتج عن مجموعة من المصادر المتصلة على التوالي هو مجموع فروق جهد كل هذه المصادر. ولكن نفس التيار ينساب خلال كل مصدر وخلال نبيطة الخرج أيضًا. فعلى سبيل المثال تقوم كل بطارية من بطاريات المشعل الكهربائي وحدها بإمداد المشعل بفرق جهد مقداره فولت واحد ونصف، وتمده البطاريتان معًا بثلاثة فولتات بينما يمر نفس التيار بكل بطارية بالمؤشر. وتوصل المصادر الكهربية على التوالي للحصول منها على فرق جهد أعلى من ذلك الذي يستطيع مصدر كهربائي واحد إمداده. دوائر التوازي. تقدم هذه الدوائر أكثر من مسار للتيار، فبعد أن يتحرك التيار من مصدر معين يتبع مسارين أو أكثر قبل عودته إلى المصدر. فإذا ما وصل مؤشر مشعلين كهربائيين متماثلين على التوازي، فإن التيار يسري من البطارية خلال كل مصباح على حدة ثم يعود إلى البطارية. ويمكن استبعاد أي من هذين المؤشرين من الدائرة دون قطع دائرة المؤشر الأخرى.

توفر دوائر التوازي نفس فرق الجهد لكل مصدر، وكل نبيطة خرج في الدائرة. فإذا ما وصلت بطاريتان لكل منهما فرق جهد مقداره فولت واحد ونصف على التوازي فإن فرق الجهد المحصل لهما هو أيضًا فولت واحد ونصف. توصل المصادر الكهربية على التوازي لإنتاج تيار أكبر من ذلك الذي يستطيع مصدر واحد إمداده، ولكن لا توصل على التوازي إلا المصادر متساوية فرق الجهد، وإلا فإن تيارًا قد ينساب من مصدر إلى آخر مسببًا فقدًا في القدرة الكهربائية.



توصل جميع الأنوار والأجهزة المنزلية على التوازي، لأن دوائر التوازي تسمح لجميع هذه النبائط بالعمل بنفس فرق الجهد، كما لا يتغير فرق الجهد بإضافة معدّة أو باستبعاد أخرى. ومع ذلك فقد يزداد أو يقل التيار الكلي المار عبر الصمام الكهربائي أو قاطع الدائرة، إذ يساوي هذا التيار مجموع التيارات المارة بكل عنصر متصل على التوازي.


رياضيات الدوائر. يستخدم الكهربائيون والمهندسون صيغًا رياضية متعددة لحساب التيار وفرق الجهد في كل جزء من أجزاء دائرة كهربائية. وأهم هذه الصيغ هو قانون أوم وقانوني كيرتشوف. وقد تم اكتشاف هذه القوانين بوساطة عالمين ألمانيين هما جورج. أوم وجوستاف. كيرتشوف.

يربط قانون أوم بين فرق الجهد والتيار في الدائرة ومقاومة الدائرة. تضاد المقاومة سريان الكهرباء، وتستهلك قدرة كهربائية من الدائرة بتغيير الطاقة الكهربائية إلى حرارة. ويقيس الكهربائيون المقاومة بوحدات تسمى أوم. ويُعبر عن قانون أوم بالمعادلة ق= ت م. ينص هذا القانون على أن فرق الجهد ق يساوي حاصل ضرب التيار ت في المقاومة م التي يمر خلالها التيار. فإذا مر تيار مقداره ثلاثة أمبيرات مثلاً في مقاومة مقدارها أربعة أوم فإن فرق الجهد هو 3 × 4 = 12 فولتًا.

والمقاومة الكلية في دائرة توال تساوي مجموع مقاومات كل النبائط في الدائرة. وعلى هذا تؤدي إضافة نبائط إلى دائرة توال إلى زيادة المقاومة الكلية للدائرة ويقلل ذلك من التيار المار. بينما تؤدي إضافة نبائط إلى دائرة تواز إلى تقديم مسارات جديدة للتيار مما يُسبب نقصًا في المقاومة الكلية للدائرة.

ينص قانون كيرتشوف الأول على أن مجموع التيارات الداخلة إلى أي نقطة في دائرة مقاومات يساوي مجموع التيارات الخارجة من هذه النقطة. وقد بُني هذا القانون على مبدأ عدم قدرة الشحنات الكهربائية على التجمع عند أي نقطة في دائرة مغلقة.

أما قانون كيرتشوف الثاني فينص على أن مجموع التغير في فروق الجهد حول أي دائرة كهربائية يساوي صفرًا. وبتعبير آخر فإن فرق الجهد يزداد عبر المصادر بنفس القيمة التي ينخفض بها عبر نبائط الخرج. فإذا بدأنا مثلاً عند قاعدة إحدى بطاريتي مشعل كهربائي، فإن القوة الدافعة الكهربائية ترتفع خلال كل بطارية بمقدار واحد ونصف لكل بطارية، وبالتالي تصبح الزيادة الكلية ثلاثة فولتات. ويكون مقدار الهبوط في فرق الجهد ثلاثة فولتات تسري خلال المصباح.


الدائرة الكهربية المفتوحة يكون لها فرق جهد بين طرفيها المفتوحين , بينما التيار يكون دائما



اما بالنسبة لدائرة القصر فيكون فرق الجهد بين طرفية الذي تم القصربينهما مساوي للصفر بينما يمر بين هذين الطرفي
تيار كهربي


مخطط دوائر قصر

تمثل دائرة تحويل بها قصور




تحليل دائرة القصر للمولد بين طرفيها المفتوحين :
تعتبر حالة القصر الكهربي من اخطر الحالات لجميع الالآت الكهربية حيث كثير مايتسبب في تلف الالات الكهربية نتيجة
لارتفاع التيار المار فيها وارتفاع درجة الحرارة الملفات مما يؤدي الي تلفها ويقدر ارتفاع التيار المصاحب لحالة قصر
الدائرة من 4-2 من قيمة التيار المقننوالذي يعرف بتيار قصر الدائرة وتعتمد قيمة التيار علي قيمة الجهد وقيمة القدرة الكهربائية
والمفاعلة الحثية للآلة والشكل التالي يوضح المراحل التي يمر بها تيار قصر الدائرة .

من الشكل السابق نلاحظ ان تيار قصر الدائرة يمر بثلاثة مراحل
Sc وتكون دائما في بداية حالة ال
أ/ المرحلة الاولي مرحلة الانتقال العليا
وتكون مابعد مرحلة الانتقال العليا .Transientب/ المرحلة الثانية محلة الانتقال
وهي آخر مرحلة تيار قصر .Steady stateج/ لمرحلة الثالثة مرحلة الثبوت
ولكل مرحلة من المراحل التي يمر بها تيار قصر الدائرة مفاعلة حثية خاصة لتلك المرحلة حيث عند مرحلة الانتقال العليا

حيث يكون تيار القصر Xd وعند مرحلة الثبوت تسمي Xd’ وتكون اقل مايمكن وعند مرحلة الانتقال تسمي Xd “تسمي
أعلي مايمكن عند مرحلة الانتقال العليا ثم مرحلة الانتقال ثم مرحلة الثبوت ويقدر زمن مرحلة الانتقال العليا في المولدات ذات
القدرة المتوسطة ب 0.043 ثانية وزمن مرحلة الانتقال ب 1.048 وتعتبر المفاعلة الحثية لجميع المراحل من اهم الثوابت
لحساب تيار قصر الدائرة .
والشكل التالي يوضح شكل تيار القصر لمولد متوسط القدرة حيث يمكن ملاحظة جميع المراحل .






انواع دوائر القصر:
دائرة قصر ثلاثي الطور
وفيها تكون دائرة القصر على الانواع الثلاثة وتسمى دائرة قصر متماثله نظراً لتساوي تيار القصر في الطوار الثلاثة
دائرة قصر بين طورين
وفيها تكون دائرة القصر على طورين من الطوار الثلاثة وتسمى دائرة قصر غير متماثلة نظر لعدم تساوي تيار القصر
دائرة قصر بين طور والارض
وفيها تكون دائرة القصر بين طور من الطوار الثلاثه والارض وتسمى دائرة قصر غير غير متماثلة نظرا لعدم تساوي تيار القصر بين الطوار
دائرة قصر بين الطوار الاثلاثة والارض
وفيها تكون دائرة قصر بين الطوار الاثلاثة والارض وتسمى دائرة قصر متماثلة نظرا لتساوي تيارالقصر في الطوار الثلاثة
دائرة بين طورين والارض:
وفيها تكون دائرة القصربين طورين من الطوار الاثلاثة والارض وتسمى دائرة قصر غير متماثلة نظرا لعدم تساوي تيار القصر
ويعتبر تيار دائرة القصر بين طورين والارض هو اعلى تيار في حالات دوائر القصر السابقة




الشكل التالي يوضح اختبار حالة قصر دائرة على قضبان توزيع لمولد متوسط القدرة مع عزل دائرة فصربعد ثانيه واحدة حيث نلاحض ثم تأرجح للتيار بعدعزل 3pu ثم تأرجح الجهد بعد دائرة القصر كما نلاحظ ارتفاع التيار الي [1pu-0.20pu]هبوط سريع للجهد من
دائرة القصر
حيث الخط الاحمر يمثل جهد المولد
والخط الازرق يمثل تيار المولد






و الخط الازرق يمثل القدرة الغير فعالة للمولد
حيث الخط الاحمر يمثل القدرة الفعلية للمولد


















الشكل التالي يوضح اختبار قصر دائرة على قضبان توزع لمحول رفع خاص بمولد متوسط القدرة مع عزل دائرة قصر بعد




حيث الخط الاحمر يمثل القدرة لفعالة للمولد
والخط الازرق يمثل القدرة الغير فعالة للمولد






NEPLANومما سبق نلاحظ ان كلما دائرة القصر قريبة من المولد كلما كان تأثيرها اكبر ويمكن اختبار ذالك بواسطة برنامج
الدوائر الكهربية .






وهناك ايضا نوع آخر من الدوائر يدعي
دوائر متسلسلة ودوائر مشتقة

الدائرة المتسلسلة هي الدائرة الكهربية المكونة من حلقة واحدة. (الشكل


الشكل ٢: دائرة متسلسلة بسيطة
وفي هذا الشكل يظهر باللون الأحمر خط السير الذي تسلكه الكهرباء. غير أنه إذا كان خط السير خارج العامود الجاف سهل التتبع نظراً لوضوح الأسلاك، فإن خط السير داخل العامود الجاف غير معروف بدقة. لذلك تم تلوين المنطقة الداخلية من العامود الجاف باللون الأحمر. ومن ذلك، يصبح خط السير الداخلي في العامود الجاف ابتداء من أحد الأطراف ووصولاً إلى الطرف الآخر مقبولاً




وعندما تتواجد في الدائرة المتسلسلة البسيطة العديد من المصابيح الكهربية، فإنها تضئ جميعاً بنفس الطريقة أياً كان مكانها داخل الدائرة. غير أن المصباح الواحد داخل الدوائر الكهربية المتسلسلة يضئ بشدة أكثر من أي من المصابيح المتعددة المتواجدة داخل هذه الدوائر التي تحتوي على أكثر من مصباح. ففي بعض أدوات الزينة الخاصة باحتفالات رأس السنة الميلادية، تكون كل المصابيح متسلسلة وعند احتراق أحد هذه المصابيح تنطفئ جميع المصابيح الأخرى نظراً لأن الدائرة الكهربية قد أصبحت مفتوحة.
أما الدوائر المشتقة، فتتألف من عدة حلقات (هنا في شكل ٣، توجد حلقتين)

شكل دائرة كهربية مشتقة




الدوائر المغلقة :-

تتكون الدائرة الكهربية من مجموعة متواصلة من العناصر تشتمل مثلاً على عامود جاف (مولد) وأسلاك كهربية ومفتاح ومصابيح وعند الضرورة قد يتواجد محرك. وترتبط هذه الأشياء معاً لتكون حلقة مغلقة واحدة على الأقل.
وفيهذه الحلقة المغلقة، يسمح العامود الجاف بمرور الكهرباء.
ويحدث ذلك بشرط:
- إذا كان العامود الجاف بحالة جيدة
- أن تكون نقاط الاتصال بين مختلف أجزاء الحلقة بحالة جيدة
- أن تكون كافة الأجزاء جيدة التوصيل مما يسمح بمرور الكهرباء.
بمجرد أن تقطع الحلقة، تفتح الدائرة ويفقد العامود الجاف قدرته على ضمان مرور التيار الكهربي. وقد يساعد المفتاح على فتح أو غلق هذه الدائرة الكهربية.
قد يفيد ملاحظة أحد المصابيح ذات غطاء زجاجي مكسور بهدف التمكن من تتبع خط السير

الذي تتبعه الكهرباء (الشكل ١


لمبة ذات غطاء زجاجي مكسور تدل الخطوط المنقوطة علي مكان السلك الداخلي




ولدراسة اي دائرة لابد من دراسة الاتي

شدة التيار الكهربي، الجهد، الطاقة الكهربية
والأمر الهام هو معرفة أن الكهرباء لا يمكن أن تمر إلا إذا كانت الدائرة تكون حلقة مغلقة
في الدوائر التي تتكون من عامود جاف وعدة مصابيح كهربية، تضئ جميع المصابيح بنفس الطريقة أياً كان اتجاه التوصيل بالعامود الجاف. وفي الدوائر الكهربية التي تتكون من عناصر أكثر تعقيداً، يتم دائماً تحديد اتجاه التوصيل بالعامود الجاف نظراً لأهميته حينئذ. كما هو الحال بالنسبة لأجهزة الراديو الصغيرة والمنبهات والمصابيح المتنقلة.
شيء ما يسمى "كهرباء" يسري إذاً في هذه الدائرة المغلقة. ولا يسري أي شيء إذا كانت الدائرة مفتوحة. وتقاس شدة التيار الكهربي بكمية الكهرباء التي تمر في وحدة زمنية معينة في منطقة ما من الدائرة المتسلسلة. أياً كانت النقطة في الدائرة المشار إليها داخل الدائرة المتسلسلة، فإن التيار يكون بنفس القيمة في أي جزء. وهذا أمر شديد الأهمية.
ولنقارن ذلك بقطار صغير مثلاً وهى مقارنة قد تبدو معقدة بعض الشيء
.

الشكل ٤

تمثل القضبان المرتبطة ببعضها البعض حلقة مغلقة. يوجد على هذه القضبان عربات القطار حيث ترتبط كل منها بالأخرى مكونة جميعاً سلسلة متواصلة من العربات. وهذا هو مثال الدائرة الكهربية.
ولنتخيل الآن وجود بعض العمال (في مكان ما من الدائرة) يدفعون عربات القطار معاً وبصورة مستمرة. وهذ١ يمثل العامود الجاف ذات تيار شدته ١.٥ أو ٤.٥ فولت. فبمجرد أن يبدأ العمال في دفع العربات، تبدأ جميع العربات في الحركة في نفس الوقت. وإذا ما قمنا بوضع ملاحظين في أماكن متفرقة من هذه الدائرة حيث يقوم كل ملاحظ بحصر عدد العربات التي تمر من أمامه خلال نفس الفترة الزمنية، سيجد كل منهم نفس القيمة: وهذا يشبه شدة التيار الكهربي.
أما الطاقة، فيمثلها الجهد المبذول من قبل العمال.
ومن هنا يتضح لنا ارتباط كل من شدة التيار و الطاقة. ففي الواقع، إذا تباطأ العمال في الدفع، يقل عدد العربات التي تمر خلال وحدة زمنية محددة في نقطة ما. وإذا أصيب العمال بالإرهاق (تلف العامود الجاف)، فإنهم يدفعون العربات بطاقة اقل بكثير مما يجعلها تسير ببطء أكثر: وبهذا، يقل عدد العربات التي تمر خلال وحدة زمنية محددة في نقطة ما (تقل قيمة شدة التيار الكهربي). وهذا أيضاً ما يحدث في أي دائرة كهربية عندما نقوم باستبدال العامود الجاف ٤.٥ فولت بعامود آخر ١.٥ فولت.
ومن ناحية أخرى، إذا تم شد فرامل العربات، توجد حينئذ مقاومة أكبر أمام الحركة وبتوفير نفس الجهد المبذول حال عدم شد الفرامل، تتحرك العربات ببطء أكثر: حيث تقل قيمة شدة التيار