مقاومت در مدار های الکتریکی چگونه کار می‌کند ؟ آموزش مفهومی با مثال لامپ

مقاومت در مدار های الکتریکی چگونه کار می‌کند ؟ آموزش مفهومی با مثال لامپ ، مداری که در بخش قبلی بررسی شد، مدار چندان کاربردی‌ای نبود. در واقع، ساختن آن می‌تواند بسیار خطرناک باشد؛ زیرا در این حالت، دو قطب یک منبع ولتاژ مستقیماً با یک تکه سیم به هم متصل می‌شوند. خطر اصلی این کار به این دلیل است که در چنین وضعیتی، که به آن «اتصال کوتاه» گفته می‌شود، مقدار جریان الکتریکی می‌تواند بسیار زیاد شود و آزاد شدن انرژی به‌شکل شدیدی رخ دهد که معمولاً به صورت گرما ظاهر می‌شود. به‌طور معمول، مدارهای الکتریکی به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که از این انرژی آزادشده به شکلی عملی و تا حد امکان ایمن استفاده شود.

عبور جریان از رشته لامپ

یکی از کاربردهای عملی و بسیار رایج جریان الکتریکی، استفاده از آن در روشنایی الکتریکی است. ساده‌ترین شکل یک لامپ الکتریکی شامل یک «رشته» فلزی بسیار نازک است که درون یک حباب شیشه‌ای شفاف قرار دارد. زمانی که جریان الکتریکی کافی از این رشته عبور می‌کند، رشته به‌شدت داغ شده و با درخشش سفیدرنگ خود نور تولید می‌کند. لامپ نیز مانند باتری دارای دو نقطه اتصال رسانا است: یکی برای ورود جریان و دیگری برای خروج آن. اگر یک لامپ را به منبع ولتاژ متصل کنیم، مدار آن به‌صورت زیر قابل تصور است:

وقتی جریان از میان رشته فلزی بسیار نازک لامپ عبور می‌کند، در مقایسه با عبور از یک سیم ضخیم، با مانع بیشتری در برابر حرکت خود روبه‌رو می‌شود. این مانع در برابر حرکت جریان الکتریکی به نوع ماده، سطح مقطع آن و دمای ماده بستگی دارد و از نظر فنی «مقاومت» نامیده می‌شود. به‌طور کلی، رساناها مقاومت کمی دارند و نارساناها دارای مقاومت بسیار بالایی هستند.

وجود مقاومت باعث می‌شود که برای یک ولتاژ مشخصِ تأمین‌شده توسط باتری، مقدار جریان در مدار محدود شود؛ برخلاف حالت اتصال کوتاه که تنها یک سیم، دو سر منبع ولتاژ را به هم متصل می‌کند و هیچ محدودیتی وجود ندارد. هنگامی که جریان الکتریکی در برابر مقاومت حرکت می‌کند، نوعی «اصطکاک الکتریکی» ایجاد می‌شود. همان‌گونه که اصطکاک مکانیکی باعث تولید گرما می‌شود، این اصطکاک الکتریکی نیز به شکل گرما ظاهر می‌شود. در لامپ، تمرکز مقاومت در رشته باعث می‌شود مقدار زیادی انرژی گرمایی دقیقاً در همان نقطه آزاد شود. این گرما آن‌قدر زیاد است که رشته را سفیدداغ کرده و نور تولید می‌کند، در حالی که سیم‌های متصل‌کننده لامپ به باتری ـ که مقاومت بسیار کمتری دارند ـ با وجود عبور همان جریان، تقریباً گرم هم نمی‌شوند.

همانند حالت اتصال کوتاه، اگر در هر نقطه‌ای از مدار پیوستگی قطع شود، جریان در کل مدار متوقف خواهد شد. در حضور یک لامپ، این به معنای خاموش شدن آن است:

در این وضعیت، چون جریانی وجود ندارد، کل اختلاف پتانسیل یا ولتاژ باتری در دو سر محل قطع‌شده قرار می‌گیرد و منتظر ایجاد یک اتصال است تا دوباره جریان برقرار شود. به این حالت «مدار باز» گفته می‌شود؛ یعنی مداری که در آن، قطع شدن مسیر باعث جلوگیری از عبور جریان در تمام مدار شده است. تنها یک قطع کوچک برای باز شدن مدار کافی است. هنگامی که این قطع دوباره برطرف شود و پیوستگی مدار برقرار گردد، مدار در وضعیت «مدار بسته» قرار می‌گیرد.

مبنای روشن و خاموش کردن لامپ‌ها

آنچه تا اینجا دیدیم، اساس عملکرد کلیدهای روشن و خاموش است. از آنجا که هرگونه قطع در پیوستگی مدار باعث توقف جریان در کل مدار می‌شود، می‌توان از وسیله‌ای استفاده کرد که عمداً این پیوستگی را قطع یا وصل کند. به چنین وسیله‌ای «کلید» گفته می‌شود. کلید را می‌توان در هر محل مناسبی که امکان سیم‌کشی به آن وجود دارد نصب کرد تا جریان مدار را کنترل کند:

به همین دلیل است که یک کلید نصب‌شده روی دیوار خانه می‌تواند لامپی را که در انتهای یک راهرو طولانی یا حتی در اتاقی دیگر قرار دارد، کنترل کند. خود کلید معمولاً از دو کنتاکت رسانا (اغلب فلزی) تشکیل شده است که به‌وسیله یک اهرم مکانیکی یا دکمه فشاری به هم متصل یا از هم جدا می‌شوند. وقتی این کنتاکت‌ها با هم تماس دارند، جریان می‌تواند از یکی به دیگری عبور کند و پیوستگی مدار برقرار می‌شود. زمانی که کنتاکت‌ها از هم جدا می‌شوند، هوای عایق میان آن‌ها مانع عبور جریان شده و پیوستگی مدار قطع می‌گردد.

کلید چاقویی

برای نمایش ساده اصل عملکرد کلید، شاید بهترین نمونه «کلید چاقویی» باشد:

کلید چاقویی چیزی جز یک اهرم رسانا نیست که می‌تواند حول یک لولا بچرخد و با یک یا چند کنتاکت ثابتِ رسانا تماس فیزیکی برقرار کند. کلیدی که در تصویر بالا دیده می‌شود، روی یک پایه چینی ساخته شده است که عایق بسیار خوبی محسوب می‌شود، و برای تیغه و کنتاکت‌ها از مس استفاده شده که رسانای بسیار مناسبی است. دسته کلید از پلاستیک ساخته شده تا دست کاربر را هنگام باز و بسته کردن کلید از تیغه رسانا عایق کند. نوع دیگری از کلید چاقویی نیز وجود دارد که به‌جای یک کنتاکت ثابت، دو کنتاکت دارد:

در این نوع خاص، کلید یک تیغه دارد اما دو کنتاکت ثابت، به این معنا که می‌تواند بیش از یک مدار را قطع یا وصل کند. در این مرحله، آشنایی با این جزئیات چندان ضروری نیست؛ مهم درک مفهوم پایه‌ای کلید و نحوه کار آن است. کلیدهای چاقویی برای نمایش اصول عملکرد کلید بسیار مناسب‌اند، اما در مدارهای پرقدرت مشکلات ایمنی جدی ایجاد می‌کنند. رساناهای بدون پوشش در این کلیدها احتمال تماس تصادفی را بالا می‌برد و هرگونه جرقه میان تیغه متحرک و کنتاکت ثابت می‌تواند مواد قابل‌اشتعال اطراف را آتش بزند. به همین دلیل، بیشتر کلیدهای مدرن، رساناها و نقاط تماس خود را درون یک محفظه عایق پنهان می‌کنند تا این خطرات کاهش یابد. تصویر زیر چند نمونه از کلیدهای امروزی را نشان می‌دهد که در آن‌ها سازوکار داخلی بسیار پوشیده‌تر از طراحی چاقویی است:

مدارهای باز و بسته

در هماهنگی با اصطلاحات «مدار باز» و «مدار بسته»، کلیدی که اتصال الکتریکی میان دو ترمینال خود برقرار می‌کند (مانند کلید چاقویی وقتی تیغه کاملاً با کنتاکت ثابت در تماس است) مسیر پیوسته‌ای برای عبور جریان فراهم می‌کند و «کلید بسته» نامیده می‌شود. در مقابل، کلیدی که پیوستگی را قطع می‌کند (مانند کلید چاقویی وقتی تیغه با کنتاکت تماس ندارد) اجازه عبور جریان را نمی‌دهد و «کلید باز» نام دارد.

این اصطلاحات معمولاً برای دانشجویان تازه‌وارد به الکترونیک گیج‌کننده است؛ زیرا در زندگی روزمره، «باز» بودن درِ یک فضا به معنای عبور آزادانه و «بسته» بودن آن به معنای مسدود شدن مسیر است. در کلیدهای الکتریکی، دقیقاً برعکس است: «باز» یعنی جریان عبور نمی‌کند و «بسته» یعنی مسیر عبور جریان آزاد است.

سوالات متداول

مرور مطالب

• مقاومت، معیاری از میزان مخالفت یک ماده یا مسیر با عبور جریان الکتریکی است.
• اتصال کوتاه، مداری است که مقاومت بسیار کم یا تقریباً صفر دارد. اتصال کوتاه در منابع ولتاژ بالا بسیار خطرناک است، زیرا جریان زیاد می‌تواند مقدار زیادی انرژی گرمایی آزاد کند.
• مدار باز، مداری است که در آن پیوستگی مسیر جریان در جایی قطع شده است.
• مدار بسته، مداری کامل با پیوستگی مناسب در تمام مسیر است.
• وسیله‌ای که برای باز یا بسته کردن مدار به‌صورت کنترل‌شده طراحی شده است، کلید نام دارد.
• اصطلاحات «باز» و «بسته» هم برای کلیدها و هم برای کل مدارها به کار می‌روند. کلید باز پیوستگی ندارد و جریان از آن عبور نمی‌کند، در حالی که کلید بسته مسیری با مقاومت کم برای عبور جریان فراهم می‌کند.

اگر این مقاله مقاومت در مدار های الکتریکی چگونه کار می‌کند ؟ آموزش مفهومی با مثال لامپ برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.