مدار الکتریکی یک مسیر رسانای بسته است که جریان الکتریکی می تواند از آن عبور کند. در هر electrical circuit، جریان الکتریکی از یک منبع مانند باتری در موارد رسانایی مانند سیم ها و کابل ها جریان می یابد و از آن طرف دوباره به منبع باز می گردد. یک مدار از اجزای فعال و غیرفعالی مانند مقاومت ها، خازن ها، منابع انرژی، دیود، ترانزیستور و ... تشکیل می شود. در واقع یک مدار از تولید کننده های جریان الکتریکی مانند باتری، ژنراتور و مصرف کننده های جریان الکتریکی مانند لامپ ها تشکیل می شود. دو قانون اساسی که عملکرد مدارهای الکتریکی را توصیف می کند قانون اهم و قوانین کیرشهف هستند.
انواع مدار الکتریکی
مدار الکتریکی را می‌توان بر اساس معیارهای مختلفی دسته بندی کرد. یکی از این معیارها مدارهای جریان مستقیم و جریان متناوب هستند. مدارهای جریان مستقیم، جریان الکتریکی را فقط در یک جهت از خود عبور می دهند. اما مدارهای جریان متناوب جریانی را از خود عبور می دهند که در هر ثانیه چندین بار جهت آن تغییر پیدا می کند. برق شهری جریان متناوب است و لوازم خانگی که از برق شهری استفاده می کنند، در خود مدارهای جریان متناوب دارند.
مدار سری و موازی
یکی دیگر از تقسیم بندی های electrical circuit ، مدار سری و موازی است. در مدار سری اجزا به گونه ای پشت سر هم چیده شده‌اند که یک جریان الکتریکی از همه آنها عبور می کند و ولتاژ الکتریکی المان ها با هم متفاوت است. اما در مدار موازی اجزا به گونه ای قرار گرفته اند که جریان الکتریکی بین شاخه های مختلف مدار تقسیم شده و هر شاخه جریان منحصر به فرد خود را دارد. اندازه جریان ورودی به هر شاخه متفاوت بوده و به المان های قرار گرفته در آن شاخه بستگی دارد. در مدار موازی ولتاژ الکتریکی شاخه ها با هم برابر است. به طور مثال وقتی در منزل با خاموش کردن یک کلید، چند لامپ با هم خاموش می شود، بدین معنی است که لامپ ها و کلید به صورت یک مدار سری هستند و جریان الکتریکی عبوری از آنها یکسان است.
یکی از راه های تحلیل مدار الکتریکی بررسی ولتاژ و جریان الکتریکی مدار است. برای این کار قطب مثبت و منفی باتری یا منبع تغذیه را با حروف A و B نشان داده و نقاط متصل به آن را مشخص کنید. یک مدار در واقع ترکیبی از مدارهای سری و موازی کوچک است. در هر قسمتی از مدار که ولتاژ دو سر شاخه با هم برابر شدند، آن قسمت از مدار موازی و هر قسمتی که ولتاژها متفاوت شد را سری در نظر می گیریم.
اتصال باز و اتصال کوتاه در مدار الکتریکی
در تعریف مدار الکتریکی گفتیم که مدار باید یک اتصال بسته باشد که جریان از آن عبور کند. در حالت اتصال باز، مدار از یک نقطه قطع شده و جریان الکتریکی دیگر از آن نقطه به المان های بعدی مدار نمی رسد. در مدار اتصال باز، جریان الکتریکی صفر بوده اما ولتاژ الکتریکی وجود دارد. به عبارتی اتصال باز با تعریف مدار مغایر بوده و هیچ چیزی کار نمی کند. مثلا اگر در یک مدار ساده متشکل از یک باتری و یک لامپ اتصال باز صورت بگیرد، لامپ دیگر روشن نمی شود.
یکی دیگر از موارد مهم در بررسی یک مدار، مفهوم اتصال کوتاه است. اتصال کوتاه حالتی است که دو قطب مثبت و منفی منبع از طریق یک مسیر کوتاه به هم متصل می شوند. در این حالت مقاومت بین آنها آنقدر کم می شود که جریان الکتریکی از آن می گذرد. در این حالت دیگر جریان الکتریکی بین المان های مدار تقسیم نشده و حداکثر جریان الکتریکی از کل مدار می گذرد. در حالت اتصال کوتاه جریان الکتریکی ماکزیمم بوده و چون دو سر منبع تغذیه به هم متصل هستند، ولتاژ الکتریکی یا اختلاف پتانسیل صفر است. اگر در یکی از وسایل خانگی شما اتصال کوتاه صورت بگیرد جریان زیادی از آن وسیله گذشته و می سوزد. فیوزها در ورودی ساختمان ها برای جلوگیری از اتصال کوتاه و آسیب به وسایل شما هستند.
تحلیل مدار الکتریکی
در تحلیل یک مدار الکتریکی ما به دنبال پیدا کردن جریان الکتریکی هر شاخه و ولتاژ الکتریکی دو سر آن شاخه هستیم. یکی از قوانین مهم در تحلیل مدار قانون اهم است. قانون اهم رابطه بین مقاومت الکتریکی، ولتاژ الکتریکی و جریان الکتریکی را بیان می کند. طبق این قانون اگر ولتاژ الکتریکی یک ولت به دو سر یک مدار اعمال شود و جریان الکتریکی یک آمپر هم از آن شاخه مدار بگذرد، مقاومت الکتریکی آن شاخه از electrical circuit برابر با یک اهم است.
قوانین کیرشهف که شامل دو قانون جریان کیرشهف و ولتاژ کیرشهف هستند هم از قوانین پایه تحلیل مدارهای الکتریکی هستند. طبق قانون جریان کیرشهف جریان الکتریکی که وارد یک شاخه مدار می شود با جریان الکتریکی که از آن شاخه مدار خارج می شود برابر است. در واقع اگر شما یک گره در مدار الکتریکی داشته باشید مجموع تمام جریان های ورودی و خروجی از آن گره مدار برابر با صفر است که این قانون پایستگی یا بقای بار را هم نشان می دهد. قانون ولتاژ کیرشهف هم بیان می کند که مجموع تمام ولتاژهای یک حلقه برابر با صفر است. این قانون نیز به پایستگی انرژی معروف است.
