ثالثا: توصيل الدوائر الكهربية

1. توصيل الدوائر الكهربية على التوالي Series Connection

يقصد بالتوصيل على التوالي أن تتصل مكونات الدائرة الكهربية المغلقة بصورة متتالية، بحيث يكون طرف كل مكون من مكونات الدائرة، متصلا بطرف واحد من المكون الذي يليه؛ وهو يتيح مساراً واحداً فقط، للإلكترونات في هذه الدائرة.

التيار الكهربي هو حركة الإلكترونات، الناتجة عن فرق الجهد الكهربي المطبق بين نقطتين، (أُنظر شكل التوصيل على التوالي)، توفر البطارية الجهد الكهربي V، الذي يدفع الإلكترونات إلى الانتقال من الطرف السالب A للبطارية، خلال السلك الموصل، حتى النقطة B، ثم خلال المقاومة R₁، إلى النقطة C، ثم خلال المقاومةR₂  ، إلى الطرف D، ثم من خلال سلك التوصيل، إلى طرف البطارية الموجب E؛ أي أن الإلكترونات ذات الشحنات السالبة تنتقل خلال المقومات R₁، R₂ مبتعدة عن الطرف السالب للبطارية، وفي اتجاه الطرف الموجب لها، وتكون سرعة انتقال الإلكترونات خلال مكونات الدائرة ثابتة؛ هذا يعني أن شدة التيار الكهربي I، المار في الدائرة ثابتـة، لا تتغير.

وطريقة حساب المقاومة الكلية للدائرة الموصلة على التوالي، حيث تتحرك الإلكترونات مبتعدة عن الطرف السالب للبطارية A، ويلزم أن تتغلب على المقاومات الموجودة بالدائرة، حتى تتمكن من الوصول إلى الطرف الموجب E للبطارية؛ وبعبارة أخرى يلزم أن تتغلب على المقاومة الكلية R_T، للدائرة حيث

وبصفة عامة، فإن المقاومة الكلية للدائرة، تساوي مجموع كل المقاومات المكونة لهذه الدائرة هي

وهذه الصورة صحيحة، لأي عدد من المقاومات المتصلة على التوالي؛ من قانون أوم:

حيث إن V_T، هو فرق الجهد الكلى، المطبق على طرفي دائرة التوالي، وI شدة التيار المار في الدائرة، وR_T المقاومة الكلية للدائرة.

التيارI يمر في المقاومة R₁، وهذا يعنى وجود فرق جهد كهربي بين طرفيها، من النقطتين B وC، وبتطبيق قانون أم، يكون فرق الجهد الكهربي بين النقطتين B وC هو:

وعلى المنوال نفسه، يكون فرق الجهد الكهربي بين النقطتين C وD هو:

وبجمع العلاقتين السابقتين يتضح أن:

أي أن الجهد الكلي، المطبق على الدائرة الموصلة على التوالي، يساوي مجموع فروق الجهد الجزئية، الواقعة على المقاومات المكونة لهذه الدائرة، وبصورة عامة، يمكن القول إن فرق الجهد الكلي، الموصل بين أطراف دائرة موصلة على التوالي، يتوزع على المقاومات المكونة لها، بحيث يكون فرق الجهد بين طرفي كل مقاومة، متناسباً طرد ياً مع قيمة هذه المقاومة، ويساوي شدة التيار المار في الدائرة مضروباً في قيمة المقاومة، وهذا يعني أنه كلما زادت قيمة المقاومة، ازدادت قيمة فرق الجهد الكهربي الواقع على طرفيها، مع ملاحظة أن شدة التيار ثابتة في الدوائر الموصلة على التوالي.

القدرة الكهربية، هي التعبير عن الطاقة المخزونة في البطارية، التي يمكن أن تبذل الشغل اللازم، لدفع الإلكترونات، عبر طرفي الدائرة الكهربية، متغلبة على المقاومات التي تواجهها، ويرمز لها بالرمز P، ويعبر عنها بحاصل ضرب فرق الجهد الكهربي، وشدة التيار المار بالدائرة:

هذه القدرة الكهربية، تستهلك في تنفيذ الغرض، من أجله صممت الدائرة الكهربية، مثل الإضاءة، أو التدفئة، أو إدارة محرك، وفي حالة الدائرة الموضحة بشكل التوصيل على التوالي، فإن الطاقة P ، تتبدد في المقاوماتR₁ ،R₂ في صورة حرارة، وتكون الطاقة الكلية المستهلكة في الدائرة الكهربية، مساوية لمجموع الطاقات، التي يستهلكها كل مكون من مكونات الدائرة:

حيث إن P_T هي الطاقة الكلية، المستهلكة في الدائرة الكهربية، وP₁ الطاقة المستهلكة في المقاومة R₁، وP₂ الطاقة المستهلكة في المقاومة R₂.

2. توصيل الدوائر الكهربية على التوازي

يقصد بالتوصيل على التوازي أن يتصل مكون أو أكثر، من مكونات دائرة كهربية، بين طرفي مصدر الجهد الكهربي، وهذا يعني أن فرق الجهد الكهربي، المطبق على أطراف المكونات المتصلة على التوازي ثابت؛ أي أن جميع المكونات المتصلة على التوازي، تشترك في فرق جهد كهربي واحد، وهذا الجهد يسبب تياراً كهربياً في كل مكون، يختلف طبقاً لمقاومة هذا المكون؛ ، يلاحظ أن المقاومتينR₁ ، R₂ متصلتان بين طرفي البطاريةA ، B وهذا يعني، أن فرق الجهد الكهربي، المطبق على طرفي R₁، هو جهد البطاريةV ، وكذلك فرق الجهد المطبق على طرفي R₂ هو نفسه V؛ هذا الأسلوب للتوصيل، هو الأسلوب المستخدم لتوصيل الكهرباء المنزلية، حيث تحتاج كل الأجهزة الكهربية المنزلية لجهد كهربي واحد ومحدد، 220 فولت، مثلاً، لكي تعمل بصورة سليمة.

بتطبيق قانون أوم، على كل مكون من مكونات الدائرة الكهربية، الموصلة على التوازي، يلاحظ أن شدة التيار المار في كل مقاومة، يتناسب مع قيمة هذه المقاومة، أي أن شدة التيار I ₁ المار في المقاومةR₁ يكون:

وشدة التيار المار في المقاومة R₂ تكون

ومجموع التيارينI₁ ،I₂  هو التيار الكلي، الذي يمر في الدائرة الكهربية، وإذا درست الدائرة الموضحة (أُنظر شكل التوصيل على التوازي)، بصفة عامة فإن التيار الكلي، الذي تدفعه البطارية في الدائرة يكون:

حيث I_T يرمز إلى التيار الكلي المار في الدائرة، وR_T إلى المقاومة الكلية للدائرة، وV إلى فرق الجهد بين طرفي الدائرة؛ أي أن:

وهذا يعني، أن المقاومة الكلية للدائرة الكهربيةR_T  ، تكافئ مقاومة أخرى قيمتها هي:

أي أن القيمة المكافئة للمقاومتينR₁ ،R₂  المتصلتين على التوازي، هي:

وبصورة عامة، فإن المقاومة الكلية لأي عدد من المقاومات المتصلة على التوازي، هي:

وهذه العلاقة صحيحة، لأي عدد من المقاومات المتصلة على التوازي، ويمكن التعبير عن الدوائر، المتصلة على التوازي بصورة أبسط، إذا استخدم تعريف التوصيلية الكهربية G حيث إن:

وفي هذه الحالة، تكون التوصيلية الكهربية الكلية للدائرة الكهربية، المتصلة علي التوازي هي:

القدرة الكهربية الكلية، المستهلكة في الدائرة المتصلة على التوازي، تساوي القدرة الكهربية المستهلكة، في كل مكون من مكونات الدائرة على حدة، أي أن:

PT = P1 + P2 + …

وهذه العلاقة، هي نفسها العلاقة، التي تنطبق على حالة الدوائر الكهربية الموصلة على التوالي، والتطابق ناتج، من أن مصدر الطاقة، هو المسؤول عن بذل الشغل، لدفع التيار الكهربي في جميع مكونات الدائرة؛ يستخلص من ذلك أن طريقة التوصيل الكهربي للدائرة، تؤثر في توزيع الجهد أو التيار الكهربي بين مكونات الدائرة، ولكن تبقى القدرة الكهربية المستهلكة في مكونات الدائرة ثابتة في جميع الأحوال، ولا ترتبط بأسلوب التوصيل.

3. التوصيل المختلط، التوالي والتوازي معاً في دائرة كهربية واحدة

يلاحظ في العديد من الدوائر الكهربية، أن بعض المكونات متصلة على التوالي، حتى يمر بها التيار الكهربي نفسه، وبعض المكونات الأخرى متصلة على التوازي، حتى يقع على أطرافها فرق الجهد الكهربي نفسه، (أُنظر شكل التوصيل المختلط)؛ وهذا الأسلوب من التوصيل للدوائر الكهربية، يلجأ إليه عندما يكون من الضروري، توفير قيم مختلفة من التيار الكهربي، ومن الجهد الكهربي من مصدر تغذية كهربية واحد، مثل حالة أربعة مصابيح كهربية، كل منها يحتاج لفرق جهد 120 فولت، ليعطي إضاءة بقدرة 100 وات، مطلوب توصيلها جميعاً، مع استخدام المصدر الكهربي المتاح، وهو مصدر يحقق فرق جهد مقداره 240 فولت، فإذا تم توصيل المصابيح الأربعة على التوالي مع المصدر انطبق على كل منها 60 فولت فقط، وهذا الجهد لا يكفي، بطبيعة الحال، للحصول على الإضاءة المناسبة من المصابيح، وإذا تم توصيل المصابيح الأربعة على التوازي، مع المصدر، انطبق على كل مصباح فرق جهد 240 فولت، الأمر الذي يؤدي إلى تلف المصابيح كلها؛ ولحل هذه المشكلة يلزم توصيل كل مصباحين معاً، على التوالي في فرع واحد، ثم توصيل الفرعين معاً على التوازي، فيقع على كل فرع فرق جهد240 فولت، ويقع على كل مصباح 120 فولت، وهو الجهد المناسب لتحقيق الإضاءة المناسبة، (أُنظر شكل توصيل أربعة مصابيح)؛ يستفاد من هذا الأسلوب فيما يطلق عليه مجزئ الجهد، ومستنزف التيار:

أ. مجزئ الجهد:

عند تصميم، الدوائر الكهربية المختلفة وتنفيذها، تظهر أحياناً الحاجة إلي استخدام جهد كهربي، يكافئ جزءاً فقط، من جهد مصدر الجهد الكهربي الكلي، المغذي للدائرة، ولتحقيق هذا المطلب، تستغل خاصية تقسيم الجهد على المقاومات الموصلة على التوالي، ويطلق على التوصيل الكهربي، في هذه الحالة "مجزئ الجهد"، (أُنظر شكل مجزئ الجهد)؛ يحسب الجهد V_BC كالآتي:

التيارI المار بالدائرة تحدده المعادلة:

ويكون الجهد الكهربيV_BC هو:

أي أنه، يمكن التحكم في قيمة الجهد V_BC ، باختيار قيم مناسبة لكل منR₁ ،R₂ .

ب. مستنزف التيار:

عند تصميم، الدوائر الكهربية المختلفة وتنفيذها، تظهر أحيانا الحاجة إلي التحكم في قيمة التيار، المار بمكون معين، ليكون جزءاً من التيار الكلي، المار بالدائرة، ولتحقيق ذلك، تستخدم خاصية تقسيم التيار الكهربي، بين المكونات الموصلة على التوازي، ويطلق على التوصيل الكهربي، في هذه الحالة، "مستنزف التيار"، (أُنظر شكل مستنزف التيار).

أي أن التيار I₁ المار في المقاومةR₁ هو جزء من التيار الكليI ، ويمكن التحكم في قيمته، بالاختيار المناسب، لقيم كل منR₁ ، R₂، وبصفة عامة، يمكن استخدام مجزءات الجهد، ومستنزفات التيار معاً، وبأي عدد من المرات، لتوفير الجهد الكهربي، وشدة التيار المناسبة، لكل جزء من أجزاء الدائرة الكهربية، التي تغذى من مصدر كهربي واحد، مثل جهاز التليفزيون المغذى من مصدر كهربي واحد، ولكن تحتاج مكوناته المختلفة، إلى قيم شديدة التباين من الجهد والتيار.