مفاهیم اولیه برق

ولتاژ چیست ؟

می دانیم که هرگاه الکترونها در یک هادی در مسیر مشخصی به حرکت در آیند جریان الکتریکی ایجاد می شود. اما الکترونها بدون دریافت نیرو و انرژی از مدار گردش بدور هسته اتم خارج نمی شوند . بنابراین برای تولید جریان نیاز به یک نیرو داریم که آن از منابع تولید نیرو مانند باتری تأمین می شود . بعبارت ساده تر نیروی لازم جهت ایجاد جریان در مدار ،ولتاژ نام دارد که واحد اندازه گیری آن ولت است .

چگونه می توان ولتاژ تولید کرد ؟

پاسخ این سوال، همان روشهای تولید الکتریسیته است . می دانیم که انرژی تولید نمی شود بلکه از صورتی به صورت دیگر تبدیل می گردد . از آنجایی که الکتریسیته هم انرژی است پس باید حاصل تبدیل انرژی های دیگر باشد . انرژی هایی که بصورت متعارف برای تولید برق بکار می روند عبارتند از : انرژی شیمیایی در باتریها، انرژی مغناطیسی در ژنراتورها،انرژی نورانی در باتریهای خورشیدی، انرژی حرارتی در ترموکوپلها، انرژی ضربه ای در پیزو الکتریک و .... .

مقاومت چیست ؟

الکترونها در هادی براحتی نمی توانند حرکت کنند زیرا در مسیر حرکت آنها موانعی وجود دارد که این موانع را  مقاومت هادی در برابر عبور جریان می نامند. هر چقدر مقاومت هادی کمتر باشد عبور جریان بهتر صورت می گیرد و در این حالت جسم هادی بهتری است . این موضوع نخستین بار توسط سیمون اهم یک فیزیکدان آلمانی مطرح شد . به همین دلیل واحد اندازه گیری مقاومت اهم است .

منظور از مدار الکتریکی چیست ؟

حال با دانستن سه فاکتور اساسی در برق (ولتاژ ـ جریان ـ مقاومت ) مدار الکتریکی را تعریف می کنیم:مدار الکتریکی مجموعه ای از منبع ولتاژ ، مصرف کننده و سیم های رابط می باشد  و می تواند به دو صورت مدار باز و مدار بسته باشد.در مدار باز ارتباط بین منبع ولتاژ و مصرف کننده در نقطه یا نقاطی قطع است و در نتیجه جریانی در مدار وجود ندارد، اما در مدار بسته مسیر عبور جریان کامل است و مصرف کننده از منبع ولتاژ انرژی دریافت کرده و به صورتهای دیگر تبدیل می کند. مانند لامپ که برق را به نور تبدیل می کند.

جریان خطا چیست و چند نوع است ؟

در صورتیکه جریان در مدار از مسیر صحیح خود جاری نشود، جریان خطا نامیده می شود . این جریان ممکن است از طریق اتصال بدنه به زمین جاری شود و یا از مدار اصلی بگذرد ،اما اگر میزان جریان بیشتر از حد مشخص مدار باشد،اتصال کوتاه یا اضافه بار نامیده می شود . در حالت اتصال کوتاه دو نقطه از مدار که نسبت به هم دارای ولتاژ هستند بهم اتصال می یابند ( توسط یک مقاومت بسیار کوچک ) و در حالت اضافه بار تعداد مصرف کننده ها بیشتر از مقدار مجاز می شود . در حالت اتصال کوتاه سیم کشی مدار و منبع ولتاژ در معرض آسیب جدی قرار می گیرند زیرا جریان مدار بسیار زیاد شده و باعث داغ شدن سیم کشی و اضافه بار شدن منبع ولتاژ می گردد، در نتیجه اتصال کوتاه باید سریعاً و بصورت خودکار قطع شود که این وظیفه بر عهده فیوز است .

اساس کار فیوز چیست ؟

فیوز یک عنصر حفاظتی در مدار است که هرگونه اضافه جریانی را که بیشتر از مقدار تعیین شده آن باشد تشخیص داده و مدار را به سرعت قطع می کند . جریان اضافه سبب تولید گرما در فیوز شده و سیم حساس به حرارت ( که در مسیر عبور جریان و در داخل فیوز قرار دارد) را ذوب می کند در نتیجه مسیر عبور جریان قطع می گردد و اتصال کوتاه بطور موقت برطرف می شود .اما تا زمانی که عامل ایجاد کننده اتصال کوتاه رفع نشود تعویض فیوز فایده ای نخواهد داشت .

خطرات ناشی از برق کدامند ؟

عموماً به دو دسته آتش سوزی و برق گرفتگی تقسیم می شوند . در صورتیکه در مدار اتصال کوتاه پیش آید و برطرف نشود جریان در مدار بشدت افزایش یافته و حرارت زیادی تولید می کند . این حرارت سبب آتش گرفتن عایق سیم ها و گسترش آن به مواد آتش زای دیگر می شود .

 خطر ناشی از برق گرفتگی مستقیماً شخص را تهدید می کند .در صورت عبور جریان برق از بدن انسان برق گرفتگی صورت می گیرد . ممکن است اندازه جریان عبوری از بدن محسوس نباشد که در این صورت برق گرفتگی قابل تشخیص نیست، اما در صورتیکه میزان جریان عبوری زیاد باشد، ابتدا شوک به بدن وارد می شود و در صورت زیادتر شدن جریان سبب قطع ضربان قلب ، ایست تنفس و در نهایت مرگ مغزی می شود .

حداکثر  جریان و ولتاژ قابل تحمل بدن انسان چقدر است ؟

بدن انسان می تواند در جریان متناوب 15 میلی آمپر و در جریان مستقیم 60 میلی آمپر ـ ولتاژ متناوب 65 ولت و ولتاژ مستقیم 45 ولت را تحمل نماید.

توان الکتریکی چیست ؟

توان به معنی سرعت تبدیل انرژی است . در دستگاههایی که انرژی را به نوع دیگر آن تبدیل می کنند، هر چقدر سرعت تبدیل انرژی بیشتر باشد، قدرت دستگاه نیز بیشتر خواهد بود . مثلاً در ژنراتور توان بیشتر نشان دهنده تولید انرژی الکتریکی بیشتری است . در مصرف کننده ها نیز این موضوع صدق می کند، لامپی که توان بیشتری دارد نور زیادتری تولید می کند .

توان را چگونه محاسبه می کنند ؟

توان یا سرعت تبدیل انرژی از تقسیم مقدار انرژی بر زمان تبدیل آن بدست می آید.( انرژی الکتریکی از حاصل ضرب سه عامل ولتاژ ، جریان و زمان بدست می آید ) . اگر میزان انرژی را بر زمان تقسیم کنیم، حاصل ضرب ولتاژ در جریان باقی می ماند که این همان رابطه توان است (توان = ولتاژ × جریان ) . البته این رابطه فقط در مدارهای dc صدق می کند و در مدارات ac رابطه دیگری داریم که بعداً به آن می پردازیم .

واحد و دستگاه اندازه گیری توان چیست ؟

توان با واحد وات و در مقادیر بالاتر با کیلو وات و مگاوات سنجیده می شد که توسط واتمتر اندازه گیری می شود .

ادارات برق چگونه بهای برق مصرفی را محاسبه می کنند ؟

در همه انشعابات، کنتور میزان انرژی تحویلی به مصرف کننده ها را اندازه می گیرد و توسط شماره هایی نشان می دهد . این شماره ها بر حسب کیلو وات ساعت می باشند. برای دانستن میزان مصرف یک ماه شماره ماه قبل را از شماره جدید کسر می کنند .همچنین هر مشترک موظف است در هر ماه مبلغی را بعنوان حق اشتراک یا آبونمان که ارتباطی به میزان مصرف ندارد بپردازد . بهای برق مصرفی از حاصل ضرب مصرف یکماه در بهای هر کیلو وات ساعت بدست می آید که به آن آبونمان و مالیات صدا و سیما نیز اضافه می شود . که آخرین مورد هیچ نفعی برای اداره برق ندارد .

چرا نرخ برق بصورت تصاعدی حساب می شود ؟

این امر به منظور تشویق مشترکین به مصرف کمتر می باشد . البته مصرف کمتر سبب کاهش بار نیروگاهها و پست های توزیع می شود و این خود باعث کمتر روشن ماندن ژنراتورها و پایین آمدن هزینه می شود . البته در کشورهای پیشرفته بعلت فراوانی نیروگاهها هزینه روشن کردن مجدد ژنراتور زیادتر از خاموش ماندن آن است و این امر سبب تشویق مصرف کننده ها به افزایش مصرف است، بعبارت دیگر نرخ تصاعدی در این کشورها برعکس ایران است .

منظور از زمان اوج مصرف چیست ؟

در زمانهای خاصی از شبانه روز که معمولاً ابتدای شب است، به دلیل مصرف بالای روشنایی بیشترین انرژی از شبکه برق کشیده می شود، در این حالت ژنراتورها بیشترین مقدار بار را متحمل می شوند و در نتیجه سوخت بیشتری نیز مصرف می شود .

اساس کار کنتور چیست ؟

کنتور ها بر اساس نیروی الکترومغناطیس عمل می کنند . می دانیم که اگر از یک سیم پیچ جریان بگذرد در اطراف آن یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود که شدت و جهت این میدان به جریان عبوری از سیم پیچ بستگی دارد . در کنتورهای تکفاز دو دسته سیم پیچ وجود دارد که یکی از آنها دارای تعداد دور کم و قطر بیشتر نسبت به دیگری است . سیم پیچ ضخیمتر با دور کمتر را سیم پیچ جریان و دیگری را سیم پیچ ولتاژ می نامند .

نحوه نصب کنتور تکفاز در مدار چگونه است ؟

سیم فاز را به سر سیم پیچ جریان وصل نموده و از سر دیگر آن فاز را می گیرند . و دو سر سیم پیچ ولتاژ را به فاز و نول وصل می کنند . زمانی که مصرف کننده ای به کنتور وصل می شود، جریان مصرف کننده از سیم پیچ جریان می گذرد و در آن یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند . سیم پیچ ولتاژ همیشه به برق وصل است و دارای یک میدان مغناطیسی ثابت است و مقدار آن هیچ ارتباطی به مصرف کننده متصل شده به کنتور ندارد . این دو میدان مغناطیسی بر هم اثر کرده و سبب ایجاد نیروی حرکتی در صفحه آلومینیومی درون کنتور می شود . سرعت حرکت این صفحه با جریان مصرف کننده رابطه مستقیم دارد . این حرکت توسط یک محور و چرخ دنده با یک شماره انداز یا نمراتور ارتباط دارد و بر اساس گردش آن شماره ها زیاد می شود .این شماره ها بجز رقم اول میزان کارکرد کنتور یا همان مصرف انرژی الکتریکی را بر حسب کیلو وات ساعت نشان می دهند.البته داخل کنتور قطعات دیگری هم نظیر  آهنربای سرعت گیر و پیچهای تنظیم و ... وجود دارند که ما از توضیح آنها صرف نظر کرده ایم .

برای مصارف خانگی دو نوع کنتور تکفاز و سه فاز بطور عام وجود دارد که در دسته بندی کنتورها به نوع اکتیو معروفند . اما در مصارف صنعتی می توان به کنتورهای راکتیو و کنتورهای دو تعرفه اشاره کرد .

کنتور های پیشرفته چگونه کار می کنند ؟

در کشورهای برخوردار از تکنولوژی،کنتور نویسی به مفهوم رایج آن در ایران منسوخ شده است . در این کشورها که پول الکترونیکی بسیار رایج است از کنتورهای هوشمند استفاده می شود که در بازه های زمانی خاصی میزان مصرف را مشخص کرده و به ادارات برق گزارش می دهد. این کنتورها میزان مصرف را از طریق خطوط برق به شرکتهای فروشنده برق اطلاع می دهند و آنها نیز بطور خودکار از حساب مصرف کننده برداشت می کنند . در صورت موجود نبودن حساب و پس از اخطارهای کتبی ،از طریق فرمان از راه خطوط برق بصورت خودکار کنتور برق مشترک را قطع می کنند و مشترک پس از پرداخت هزینه می تواند از خدمات شرکت فروشنده استفاده کند .

چگونه با لمس کنتور به برق دار بودن آن پی ببریم ؟

زمانی که برق به کنتور وصل می شود در سیم پیچ ولتاژ آن جریان ایجاد می شود . این جریان همانطور که قبلاً گفتم ارتباطی به مصرف کننده ندارد . این جریان یک میدان مغناطیسی در کنتور ایجاد می کند که سبب لرزش خفیف آن می شود . پس اگر کف دست را روی شیشه کنتور بگذاریم با احساس این لرزش متوجه برقدار بودن آن می شویم .

توان الکتریکی در مقاومت چگونه است ؟

 توان در مقاومت همواره بصورت مصرفی است . به این معنی که مقاومت در یک مدار همیشه توان را مصرف می کند . این توان بصورت حرارت خود را نشان می دهد که مقدار آن تابع مستقیم مجذور جریان عبوری از مقاومت است .

منحنی تغییرات توان در مقاومت در جریان AC چگونه است ؟

 در جریان AC که شکل موج آن بصورت سینوسی است ،ولتاژ و جریان همفاز می باشند، در نتیجه حاصل ضرب ولتاژ و جریان همواره دارای علامت مثبت است ( توان همیشه در مقاومت مثبت می باشد )

توان الکتریکی در سلف خالص چگونه است ؟

 در جریان dc سلف فقط در حین قطع و وصل جریان از خود عکس العمل نشان می دهد و پس از جاری شدن جریان همانند یک مقاومت سیمی عمل می کند . اما در جریان ac سلف مطابق قانون لنز در برابر تغییرات جریان یک نیروی ضد محرکه ایجاد می کند و از خود عکس العملی در برابر تغییر جریان نشان می دهد . بنابراین در سلف جریان و ولتاژ همفاز نبوده بلکه جریان 90 درجه نسبت به ولتاژ پس فاز است . این موضوع در توان سلف خود را بصورت توانهای مثبت و منفی نشان می دهد .بعبارت سلف در توان مثبت از شبکه انرژی می گیرد و در توان منفی به شبکه انرژی پس می دهد .

با این اوصاف سلف در مدار توان مصرفی ندارد این موضوع را چگونه توضیح می دهید ؟

 در حالت تئوری محض این قضیه کاملا درست است و فقط در زمان اتصال مدار، سلف از شبکه جریان دریافت می کند، اما در عمل اتفاقی که روی می دهد این است که در مسیر عبور جریان به سلف اتلاف انرژی وجود دارد . به این معنی که بخشی از توانی را که سلف به شبکه برمی گرداند ،بصورت حرارت در مسیر عبور جریان آن هدر  می دهد.

چرا از سلف در مدارات استفاده می شود ؟

 هیچگاه امکان تفکیک الکتریسیته از مغناطیس وجود ندارد . هر جا که الکتریسته وجود دارد اثری از مغناطیس هم هست  و در تمامی وسایلی که در آنها از سیم پیچ استفاده می شود(مانند الکتروموتورها،مولدها ،ترانسها و... ) اثر سلفی وجود دارد . نمی توان کار دستگاههای ذکر شده را بدون تصور خاصیت سلفی ممکن دانست . پس سلف و خاصیت آن را نمی توان از بین برد .

منظور از توان راکتیو چیست ؟

 در مصرف کننده هایی که بین ولتاژ و جریان آنها اختلاف فاز وجود دارد توان دارای دو مقدار مثبت و منفی است . به این معنی که مصرف کننده گاهی از شبکه توان می گیرد و گاهی به آن توان می دهد . این موضوع سبب ایجاد توان راکتیو می شود . از آنجایی که در این مصرف کننده ها امکان صفر کردن اختلاف فاز ممکن نیست در نتیجه توان راکتیو را نمی توان از بین برد . دو عنصر خازن و سلف توان راکتیو ایجاد می کنند، در نتیجه توان راکتیو دارای دو نوع سلف و خازنی است .

توان راکتیو برای شبکه مفید است یا مضر ؟

 این توان سبب اضافه شدن جریان شبکه و در نتیجه افزایش تلفات توان در مسیر سیم کشی بصورت حرارت می شود .

آیا می توان مقدار توان راکتیو شبکه را بدون اینکه مصرف کننده دچار اخلال شود کاهش داد ؟

بله برای این منظور کافی است توان راکتیو مورد نیاز مصرف کننده را از راهی غیر از شبکه تامین نمود . با توجه به ماهیت سلف و خازن که عکس هم عمل می کنند کافی است برای کاهش توان راکتیو خازنی از توان راکتیو سلفی استفاده کرد و برعکس . از آنجائیکه بیشتر مصرف کننده های یک شبکه از نوع سلفی می باشند می توان با استفاده از بانک خازنی به این امر دست پیدا کرد .

ولت آمپر یا VA به چه معنا است ؟

ولت آمپر واحد اندازه گیری توان ظاهری کل مدار است که این توان از حاصل ضرب جریان مصرف کننده در ولتاژ آن بدست می آید . راه دیگر محاسبه توان ظاهری جمع برداری توانهای اکتیو و راکتیو است .