پل وتستون برای اولین بار توسط Samuel hunter Christie در سال 1833 اختراع شد و 10 سال بعد در سال 1843 توسر Charles Wheatstone تکمیل شد. یکی از اولین کاربردهای این مدار برای اندازه گیری مقاومت خاک در آنالایزر های خاک می باشد.

پل وتستون از چهار مقاومت تشکیل می شود. مانند شکل زیر:

از کاربردهای پل وتستون اندازه گیری مقدار مقاومت نا مشخص می باشد. در حقیقت در کاربردهایی که امکان اندازه گیری مقاومت با ابزار مولتی متر مهیا نباشد، پل وتستون یکی از روش های اندازه گیری دقیق می باشد.

در این حالت مقاومت های R1 و R3 مقدار ثابت دارند و مقدار R2 متغییر می باشد و Rx مقدار مقاومت مجهول می باشد. حال با تغییر R2 تا جایی که جریان عبوری از گره D به گره B صفر شود و یا این دو نقطه هم پتانسیل گردند، با استفاده از رابطه زیر می توان مقدار Rx را محاسبه کرد:

R2/R1=Rx/R3

یک استرین گیج (گاهی اوقات به عنوان یک سوئیچ فشار شناخته می شود) یک حسگر است که مقاومت آن با نیروی اعمال تغییر می کند؛ این نیرو، فشار، تنش، وزن و غیره را تبدیل به تغییر در مقاومت الکتریکی می کند که بعد از آن می تواند اندازه گیری شودهنگامی که نیروهای خارجی به یک جسم ثابت اعمال می شوند، باعث ایجاد فشار و کرنش در آن می شونداسترس به عنوان نیروهای مقاومت درونی جسم تعریف می شود و فشار به عنوان جابه جایی و تغییر شکل تعریف می شود

استرین گیج ها یکی از مهمترین سنسورهای اندازه گیری در اندازه گیری مکانیکی استهمانطور که از نام آنها مشخص است، آنها برای اندازه گیری تغییر شکل داخلی استفاده می شود.که به صورت فنی آنرا کرنش یا خمیدگی ناشی از کشیدگی با فشردگی نامیده می شود و با نشانه مثبت یا منفی متمایز می شوند.

استرین گیج ها در اشکال مختلف بر اساس روش کاربرد آنها ساخته می شوند. البته در بسیاری از کاربردها از ترکیب چند استرین گیج ساده که در مدارهایی مانند پل وتستون بسته شده اند برای اندازه گیری استفاده می شود.

همچنین با استفاده از مقاومت هایی در کنار استرین گیج ضرایب تغییر مقدار مقاومت بر اثر دما را به حداقل می رسانند.

لودسل ها نمونه هایی از سنسورهایی هستند که در آنها از استرین گیج استفاده شده است.

 

استرین گیج ها معمولا برای کاربردهای زیر استفاده می شوند:

-        اندازه گیری فشار به یک جسم. در این حالت با چسباندن استرین گیج به بدنه آن جسم میزان فشار اعما شده به آنرا اندازه گیری می کنند.

-        اندازه گیری مقدار برخی از کمیت ها مانند فشار، وزن، جابجایی، نیرو، شتاب و ...

رسانایی الکتریکی به مفهوم قابلیت هدایت جریان الکتریکی در یک ماده، و یکای آن در سیستم استاندارد بین‌المللی واحدها، زیمنس است. در بعضی از مواد، انتقال بار الکتریکی از نقطه ای از ماده به نقطه دیگر آن به آسانی صورت می‌گیرد و در بعضی چنین نیست. به عنوان مثال اگر سر یک سیم مسی را به میلهٔ نایلونی باردار و سر دیگر آن را به یک گلوله چوب‌پنبه‌ای که در ابتدا بدون بار است، وصل کنیم، با نزدیک کردن اجسام باردار دیگر، معلوم می‌شود که گلوله باردار شده‌است؛ بنابراین سیم مسی که در آن انتقال بار صورت می‌گیرد، رسانا است.

تعریف رسانایی از دیدگاه جریان الکتریکی

اجسامی که می‌توانند جریان الکتریسیته را بدون اتلاف زیاد (با مقاومت الکتریکی کم) از خود عبور دهند، رسانای الکتریسته خوانده می‌شوند.

افرادی که بیشتر با وسایل برقی کار می‌کنند، در هنگام کار از وسایلی استفاده می‌کنند که دچار برق گرفتگی نشوند. به عنوان مثال، کفشهای مخصوص می پوشند. یعنی از آنجا که بدن انسان رسانا است، برای اینکه جریان برق از طریق بدن انسان به زمین منتقل نشود، (چون در این صورت برق گرفتگی اتفاق می‌افتد) باید از کفشها و دستکش‌ های مخصوص استفاده کنند. دسته فازمتر ماده‌ای عایق است و لذا می‌توان با استفاده از آن به راحتی برای تشخیص وجود یا عدم جریان برق استفاده نمود.

هنگام کار با برق باید بدانیم که چه اجسامی (موادی) قابلیت انتقال جریان الکتریکی دارند و چه موادی ندارند. دسته اول را رسانا و دسته دوم را نارسانا می‌نامند.

رسانایی الکترونی

برای پی بردن به دلیل رسانایی می‌توان ساختمان مواد رسانا را مورد توجه قرار داد. از جمله مواد رسانای بسیار معروف، فلزات هستند. ویژگی عمده فلزات از نظر الکتریکی این است که این مواد دارای الکترونهای آزاد هستند. این الکترونها را اصطلاحاً حاملان بار می‌گویند. هنگامی که اتمهای منزوی برای تشکیل جسم جامد فلزی با هم ترکیب می‌شوند، الکترونهای لایه خارجی اتم، مقید به اتمهای منفرد باقی نمی‌مانند، بلکه آزادانه در سراسر جسم جامد حرکت می‌کنند.

زمانی که در جسمی جابجایی بار صورت می‌گیرد، می‌گویند از جسم جریان الکتریکی می‌گذرد؛ بنابراین اگر فلزی را در مسیر جریان الکتریکی قرار دهیم، این جریان توسط الکترونهای آزاد منتقل می‌شود و از این رو خاصیت رسانایی بیشتر به دلیل حاملان بار و سرعت آنهاست. البته غیر از فلزات رساناهای دیگری نیز وجود دارند. از این جمله می‌توان به محلولهای آبی نمکها و اسیدها اشاره کرد در این مواد رسانایی به شیوهٔ یونی انجام می‌گیرد.

ابر رسانا

. اَبَررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیسی کامل پیدا می‌کند، یعنی میدان مغناطیسی را دفع می‌کند. دفع میدان مغناطیسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا رسانای کامل میدان مغناطیسی را عبور می دهد (آن را دفع نمی کند).

مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می‌شود. در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات دیگر این روند را کند می‌کند. به طوری که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتریکی کمی دارند. در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمایشان از یک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقهٔ ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. مانند پدیدهٔ فرّومغناطیس و خطوط طیفی اتم‌ها، ابررسانایی نیز پدیده‌ای کوانتومی است. هر چند یک تئوری جهانشمول برای اَبَررسانایی وجود ندارد؛ و نمی‌توان آن را با فیزیک کلاسیک به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.

پدیدهٔ ابررسانایی برای طیف وسیعی از مواد مانند قلع و آلومینیوم وجود دارد. همچنین برخی آلیاژها و نیمه‌رساناها نیز ابررسانا هستند، ولی فلزاتی مثل طلا و نقره این پدیده را از خود نشان نمی‌دهند، همچنین پدیدهٔ ابررسانایی در فلزات فرومغناطیس هم روی نمی‌دهد. در سال ۱۹۸۶ ابررسانایی دمای بالا کشف شد. دمای بحرانی این ابررساناها بیش از ۹۰ کلوین است. نظریه‌های کنونی ابررسانایی نمی‌توانند ابررسانایی دمای بالا را، که به ابررسانایی نوع ۲ (Type II) معروف است، توضیح دهند. از نظر عملی ابررساناهای دمای بالا کاربردهای بسیار بیشتری دارند، زیرا در دماهایی ابررسانا می‌شوند که راحت‌تر قابل ایجاد هستند. پژوهش برای یافتن موادی که دمای بحرانی آن‌ها باز هم بیشتر باشد، و همچنین برای یافتن نظریه‌ای برای توضیح ابررسانایی دمای بالا همچنان ادامه دارد.

رسانا

اجسامی که می‌توانند جریان الکتریسیته را بدون اتلاف زیاد (با مقاومت الکتریکی کم) از خود عبور دهند، رسانای الکتریسته خوانده می‌شوند.

نیمه رسانا

نیمه رسانا یا نیمه‌هادی عنصر یا ماده‌ای است که در حالت عادی عایق است ولی با افزودن مقداری ناخالصی قابلیت هدایت الکتریکی پیدا می‌کند. (منظور از ناخالصی عنصر یا عناصر دیگری است غیر از عنصر اصلی؛ مثلا اگر عنصر اصلی سیلیسیوم باشد ناخالصی می‌تواند آلومینیوم یا فسفر باشد). نیمه‌رساناها در لایه ظرفیت خود چهار الکترون دارند. مقاومت الکتریکی نیمه‌رساناها، چیزی بین رساناها و نارساناها است. از نیمه رساناها برای ساخت قطعاتی مانند دیود، ترانزیستور، آی سی و استفاده می‌شود. ظهور نیمه رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است. نیمه‌رساناها به دو نوع دارند

·        نیمه‌رسانای ذاتی

·        نیمه‌رسانای غیرذاتی

در نیمه‌رسانای ذاتی تعداد حفره و الکترون برابر است، در صورتی که در نیمه‌رسانای غیر ذاتی چنین نیستنیمه رسانای غیر ذاتی با آلاییدن نیمه‌رسانای چهار ظرفیتی با یک عنصر سه یا پنج ظرفیتی پدید می‌آید. نیمه‌رساناهای غیر ذاتی به دو دسته تقسیم می‌شوند.

1.     نوع پی P یا Positive یا دارنده الکترون آزاد (دهنده) که در آن تعداد حفره‌ها بیشتر است.

2.     نوع ان N یا Negative یا گیرنده الکترون آزاد (پذیرنده) که در آن تعداد الکترون‌ها بیشتر است.

عایق

موادی که نمی‌توانند جریان الکتریسیته را بدون اتلاف زیاد از خود عبور دهند، نارسانای الکتریسته خوانده می‌شوند.

 

عبارت IP مخفف International Protection می باشد و معیاری بین المللی برای ارزیابی میزان محافظت دستگاه در مقابل نفوذ مواد جامد و مایع به داخل آن می باشد. در حقیقت هدف این استاندارد، ارائه اطلاعات دقیق تر به کاربران نسبت به عبارات بازاریابی مبهم مانند ضد آب است به عنوان مثال، یک تلفن همراه دارای درجه IP68 مقاوم در برابر گرد و غبار است و می تواند در عرض 1.5 متر آب تا 30 دقیقه غوطه ور شودبه طور مشابه، یک سوکت IP22 دارای حفاظت در برابر انگشتان دست است و در طول آزمون  با پاشش عمومی آب آسیب نخواهد دید. IP2X حداقل الزامات مورد نیاز برای طراحی لوازم جانبی الکتریکی برای استفاده در محیط داخلی است.

درجات IP با دو عدد پشت عبارت IP مشخص می شوند Tرقم اول که بین ۰ تا ۶ است سطح حفاظت در برابر جسم سخت خارجی و نیز حفاظت افراد را مشخص می‌کند. رقم دوم بین ۰ تا ۸ است و میزان حفاظت را در برابر نفوذ آب (و نه هیچ مایع دیگر) مشخص می‌کند. هر چه این رقم‌ها بیشتر باشند میزان حفاظت بیشتر است.

 

رقم IP

حفاظت در برابر جسم خارجی

0

بدون حفاظت

1

اجسام جامد خارجی با قطر ۵۰ میلی‌متر یا بیشتر

2

اجسام جامد خارجی با قطر ۱۲٫۵ میلی‌متر یا بیشتر

3

اجسام جامد خارجی با قطر ۲٫۵ میلی‌متر یا بیشتر

4

اجسام جامد خارجی با قطر ۱٫۰ میلی‌متر یا بیشتر

5

در برابر نفوذ گرد و غبار حفاظت شده است ولی مقدار کمی نفوذ می کند و این مقدار مانع عملکرد عادی دستگاه نمی شود.

6

ضد گرد و غبار به طور کامل

 

رقم دوم IP

حفاظت‌شده در برابر

آزمایش‌شده با

جزئیات

۰

محافظت نشده

چکیدن آب (ریزش عمودی قطرات آب) اثر مضری نخواهند گذاشت.

۱

چکیدن آب

اگر محفظه تا ۱۵° نسبت به حالت عادی کج شود چکیدن عمودی آب اثر زیان‌باری نمی‌گذارد.

مدت‌زمان: ۱۰ دقیقه

آبی معادل ریزش ۱ میلی‌متر باران در دقیقه

۲

چکیدن آب هنگام کج‌شدگی تا ۱۵°

ریزش آب به صورت افشانه تا زاویهٔ ۶۰° از حالت عمودی اثر زیان‌باری ندارد.

مدت آزمایش: ۱۰ دقیقه

آبی معادل ریزش ۳ میلی‌متر باران در دقیقه

۳

آب افشانده‌شده

پاشش آب روی محفظه از هر جهتی روی آن اثر زیان‌بار نمی‌گذارد.

مدت آزمایش: ۵ دقیقه

حجم آب: 0.7 لیتر بر دقیقه
فشار: 80100 kPa

۴

پاشیدن آب

آب افشانده‌شده با یک افشانک (6.3 میلی‌متر) بر روی محفظه از هر جهتی اثر زیان‌بار نخواهد داشت.

مدت‌زمان: 5 دقیقه

حجم آب: 10 لیتر بر دقیقه
فشار: 80100 کیلوپاسکال

۵

جت‌های آب

آب افشانده‌شده با جت‌های قوی (افشانهٔ 12.5 mm) بر روی محفظه از هر جهتی اثر زیان‌بار نخواهد داشت.

مدت آزمایش: دست کم 3 دقیقه

حجم آب: 12.5 لیتر بر دقیقه
فشار: 30 kPa at distance of 3 m

۶

جت‌های قوی آب

در شرایط تعیین‌شده برای غوطه‌وری از نظر زمان و فشار، نفوذ آب به میزان زیان‌بار به درون محفظه ناممکن خواهد بود (تا 1 متر غوطه‌وری).

مدت آزمایش: دست کم ۳ دقیقه

حجم آب: 100 لیتر بر دقیقه
فشار آب: 100 کیلو پاسکال از فاصلهٔ 3 متر

۷

غوطه‌وری تا 1 متر

تجهیز برای غوطه‌وری دائم در آب در شرایط یادشده توسط سازنده مناسب است. معمولاً این به معنای آن است که وسیله آب‌بندی شده است. با این وجود، در برخی تجهیزات، به معنای آن است که آب می‌تواند نفوذ کند اما اثر زیان‌باری ندارد.

زمان آزمایش: 30 دقیقه

قوطه‌وری در ژرفای کمینهٔ 1 متر اندازه‌گیری‌شده از پایین وسیله، و دست کم 15 سانتی‌متر اندازه‌گیری‌شده از بالای وسیله

۸

غوطه‌وری ورای 1 متر

 

مدت آزمایش: غوطه‌وری مداوم در آب

ژرفای تعیین‌شده توسط سازنده