المواضيع:
- مقدمة
- نواة الذرة مع الإلكترونات
- تدفق الإلكترون
- التيار والجهد والمقاومة
مقدمة:
يجب على كل فني سيارات، من المساعد إلى المتخصص الفني، أن يتعامل مع الإلكترونيات. بالإضافة إلى إلكترونيات أنظمة الراحة والأمان مثل الإضاءة ومحرك مساحات الزجاج الأمامي ونظام ABS نجد إلكترونيات في التحكم في نظام إدارة المحرك وعلى شكل شبكات الاتصالات (بما في ذلك CAN bus). المزيد والمزيد من المركبات تحصل أيضًا على نظام نقل الحركة الكهربائي. يجب على أي شخص يريد فهم الإلكترونيات أن يبدأ بالأساسيات. نبدأ في هذا القسم بشرح مختصر للإلكترونات التي تدور حول الذرة وننتقل بسرعة إلى المخططات الكهربائية حيث يتم شرح المفاهيم الأساسية لإلكترونيات المركبات بطريقة عملية.
نواة الذرة مع الإلكترونات:
وفقًا لنموذج بور الذري، تتكون الذرة من نواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات، وتدور حولها إلكترونات في عدة أغلفة. تحتوي ذرة النحاس على 29 بروتونًا و35 نيوترونًا في نواتها.
تقع الإلكترونات في أربع قذائف. يسمى توزيع الإلكترونات على هذه الأغلفة بالتكوين الإلكتروني. تحتوي كل قذيفة على الحد الأقصى لعدد الأماكن للإلكترونات. يتسع الغلاف الأول (K) لاثنين من الإلكترونات، والغلاف الثاني (L) لثمانية إلكترونات، والغلاف الثالث (M) يتسع لثمانية عشر إلكترونًا، والأغلفة الأخرى تتسع لـ 32 إلكترونًا.
الإلكترونات الموجودة في الأغلفة الثلاثة الداخلية هي إلكترونات مرتبطة. تشارك الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي في الروابط والتفاعلات الكيميائية وتسمى أيضًا "إلكترونات التكافؤ". تحتوي ذرة النحاس على إلكترون تكافؤ واحد. يمكن لهذه الإلكترونات أن تتحرك بحرية وتنتقل إلى ذرة أخرى. في حالة الأسلاك النحاسية، تتداخل الأغلفة الخارجية ويمكن للإلكترون الواحد أن يتحرك عبر غلاف الذرة المجاورة له.
يعد التبرع بإلكترون التكافؤ أمرًا مهمًا لهذا الموضوع. إن انتقال الإلكترون من ذرة إلى أخرى يتيح للمادة إمكانية التوصيل. تحتوي المواد مثل النحاس والذهب والألومنيوم على إلكترون تكافؤ في الغلاف الخارجي. وفي المقابل، فإن العوازل مثل البلاستيك والزجاج والهواء لا تحتوي على إلكترون تكافؤ. وبالتالي فإن هذه المادة أيضًا غير موصلة للكهرباء.
تدفق الإلكترون:
في الصورة التالية نرى بطارية ومصباح وموصل (سلك نحاسي) ومفتاح. اعتمادًا على موضع المفتاح، قد يتدفق التيار أو لا يتدفق عبر الدائرة. يمثل المستطيل الأزرق الفاتح موصل النحاس مع ذرات النحاس (الصفراء) وإلكترونات الستارة القافزة (الأخضر).
- المفتاح مفتوح: تدور الإلكترونات حول ذرة النحاس، لكن لا يوجد تدفق للإلكترونات عبر المستهلك (المصباح). المصباح غير مضاء؛
- المفتاح مغلق: نظرًا لأن البطارية تخلق فرقًا في الجهد، يحدث تدفق للإلكترون من ناقص إلى زائد. يتدفق التيار عبر المصباح ويتم تشغيله بسبب تدفق الإلكترون وفرق الجهد.
ينتقل التيار من - (سالب) إلى + (زائد). هذا هو اتجاه التدفق الفعلي. كان يُعتقد أن التيار سينتقل من الموجب إلى الناقص، لكن هذا غير صحيح. ومع ذلك، ومن باب التيسير، فإننا نتمسك بهذه النظرية ونسميها "اتجاه التدفق الفني". وفيما يلي سوف نحافظ على اتجاه التدفق الفني هذا، على افتراض أن التدفق يمتد من الموجب إلى الناقص.
التيار والجهد والمقاومة:
في هذا القسم نركز على المفاهيم الثلاثة: التيار والجهد والمقاومة. نواجه هذه المفاهيم طوال الوقت في تكنولوجيا السيارات. لكل من التيار والجهد والمقاومة كمية ووحدة ورمز خاص بهم.
- أنا = التيار = الأمبير (أ)
- U = الجهد = فولت (V)
- R = المقاومة = أوم (Ω)
حاضِر: في القسم السابق رأينا تدفق الإلكترونات عبر الدائرة. تسمى كمية الإلكترونات التي تتدفق عبر مساحة مقطعية معينة من الموصل الكهربائي خلال ثانية واحدة بالتيار. وحدة التيار هي أمبير (A). يتم الوصول إلى تيار قدره 1 A عندما يتدفق 6,24 كوينتيليون (6.240.000.000.000.000.000) إلكترونًا عبر مقطع عرضي خلال ثانية واحدة. كلما زاد تدفق الإلكترونات خلال فترة زمنية معينة، كلما زاد التيار.
للحصول على نظرة ثاقبة حول مقدار الطاقة التي يحتاجها مستهلكو الكهرباء في تكنولوجيا السيارات، إليك قائمة حيث يتم تقدير التيار بجهد شحن يبلغ 14 فولت:
- محرك بدء تشغيل محرك البنزين: 40 - 80 أمبير؛
- محرك بدء تشغيل محرك الديزل: 100 - 300 أمبير؛
- ملف الإشعال: من 3 إلى 6 أمبير، حسب النوع؛
- حاقن وقود محرك البنزين: 4 - 6 أ؛
- مضخة الوقود الكهربائية: 4 – 12 أمبير، حسب الضغط والتدفق؛
- مروحة تبريد كهربائية: 10 – 50 أمبير؛
- مصباح H7 (شعاع مغمس بالهالوجين) بقدرة 55 وات: 3,9 أ؛
- مصباح زينون 35 وات: 2,5 أ؛
- مصابيح LED (يتم التحكم فيها بواسطة PWM وليس عبر مقاومة متسلسلة): 0,6 – 1 أمبير؛
- تسخين النافذة الخلفية: 10 - 15 أ؛
- تدفئة المقعد: 3 – 5 أمبير لكل مقعد؛
- راديو السيارة القياسي بدون كمبيوتر داخلي: ~5 أمبير؛
- محرك المساحات: 2 -5 أمبير حسب الطاقة؛
- محرك المروحة الداخلية: 2 – 30 أمبير حسب السرعة؛
- توجيه كهربائي: 2 – 40 أمبير حسب القوة.
الجهد االكهربى: الجهد هو القوة التي تجعل الإلكترونات تتحرك. الجهد هو قياس الفرق في القوة بين الإلكترونات عند نقطتين. يتم قياس الجهد بالفولت، ويختصر بـ V. وفي تكنولوجيا السيارات، نعمل بـ "الجهد الاسمي" وهو 12 فولت. وهذا يعني أن البطارية وجميع مستهلكات الكهرباء تعتمد على 12 فولت. ومع ذلك، من الناحية العملية، نرى أن الجهد لا يبلغ أبدًا 12 فولتًا بالضبط، ولكنه دائمًا أقل قليلاً، ولكنه غالبًا ما يكون أعلى. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الجهد مع الدفع الكهربائي أعلى عدة مرات. المستهلكون في السيارة يستهلكون الجهد. لنأخذ سخان النافذة الخلفية كمثال: فهو يستخدم تيارًا يبلغ 10 أمبير تقريبًا بجهد 14 فولت. يصبح التدفق niet يتم استهلاكه ويعود إلى البطارية. يستخدم جهد 14 فولت في سخان النافذة الخلفية للتسخين. في النهاية (الجانب الأرضي) لا يزال هناك 0 فولت متبقي.
للحصول على نظرة ثاقبة لمستويات الجهد المحتملة في سيارة الركاب، إليك قائمة مختصرة من الفولتية التي قد نواجهها:
- جهد البطارية: 11 - 14,8 فولت (بطارية فارغة تقريبًا إلى الحد الأقصى لجهد شحن المولد)؛
- جهد فتح الحاقن الضغطي: لفترة وجيزة 60 - 200 فولت؛
- جهد النظام للمركبة ذات الدفع الكهربائي (الهجين أو BEV): 200 - 800 فولت.
مقاومة: كل مكون كهربائي لديه مقاومة داخلية. تحدد قيمة المقاومة هذه مقدار التيار الذي سيتدفق. كلما زادت المقاومة، انخفض التيار. المقاومة لها الحرف R ووحدة الأوم. كوحدة نستخدم علامة أوميغا من الأبجدية اليونانية: Ω. يمكننا استخدام واحد في الدائرة الكهربائية مقاومة اضافية إضافة للحد من التيار.
عند حدوث دائرة كهربائية قصيرة، على سبيل المثال، عندما يلامس سلك موجب هيكل السيارة، تكون المقاومة منخفضة جدًا. يزداد التيار على الفور حتى ينفجر المصهر لمنع حدوث ضرر. وفي القائمة التالية نرى مدى المقاومة التي تتمتع بها المكونات التي نواجهها في تكنولوجيا السيارات:
- سلك نحاسي بطول 2 متر ومقطع عرضي 1,25 مم²: 0,028 أوم؛
- المصباح (لمبة 21 وات): 1,25 أوم؛
- حاقن وقود محرك البنزين (النسخة ذات المعاوقة العالية): 16 أوم؛
- القسم الحالي للتحكم في التتابع: ~ 60 Ω؛
- تتابع قسم الطاقة الرئيسي: <0,1 Ω.
غالبًا ما تعتمد مقاومة أحد المكونات على درجة الحرارة: على سبيل المثال، تكون مقاومة المصباح عند تشغيله أعلى بكثير مما كانت عليه أثناء القياس عندما يكون الجو باردًا، حيث يتناقص التيار عندما يصبح أكثر دفئًا.
في ملخص: تحدد مقاومة المكون الكهربائي مقدار التيار الذي سيتدفق. المقاومة الصغيرة تعني أن الكثير من التيار سوف يتدفق. يتم استهلاك الجهد المزود (غالبًا حوالي 12 فولت) في المكون الكهربائي، مما يؤدي إلى 0 فولت على الجانب الأرضي. لا يتم استهلاك الطاقة، لذا فهي مرتفعة على الجانب الإيجابي تمامًا كما هي على الجانب الأرضي.
لفهم المفاهيم بشكل أفضل، من المفيد أحيانًا النظر إلى مثال برميل الماء. يمتلئ البرميل بالماء ويغلق من الأسفل بصنبور. إن الجهد الكهربي وتدفق المياه من خلال الصنبور الذي يسمح بمرور كمية معينة من الماء، يعطي فكرة جيدة عما يحدث للكهرباء في المستهلك ذي المقاومة الداخلية.
الجهد االكهربى:
عندما يمتلئ البرميل بالماء، يزداد ضغط الماء عند الصنبور. يمكن مقارنة ضغط الماء بمفهوم الجهد في الكهرباء. يجب إغلاق النظام، وإلا فسوف يتم تصريف المياه ولن يكون هناك أي ضغط للمياه.
حاضِر:
عندما نفتح الصنبور، يبدأ الماء بالتدفق عبر الصنبور. يمكن مقارنة تدفق المياه بمفهوم التيار في الكهرباء.
مقاومة:
ينظم الصنبور مقاومة مرور تدفق المياه. ومع فتح الصنبور أكثر، تقل المقاومة ويزداد التيار.
الشيء نفسه ينطبق على الكهرباء. كلما زادت المقاومة في الدائرة الكهربائية، قل التيار، والعكس صحيح. المقاومة ليس لها أي تأثير على الجهد.
