اقرأ في هذا المقال
- ما هي الفيزياء الكهربائية؟
- أنواع الكهرباء
- أنواع التيار الكهربائي
- دائرة التيار المستمر – Direct Current Circuit
- دائرة التيار المتردد – Alternating Current Circuit
ما هي الفيزياء الكهربائية؟
التعريف الأساسي للكهرباء هو شكل من أشكال الطاقة التي تنتج عن تدفق الجسيمات المشحونة، نظرًا لكون الكهرباء هي تدفق الإلكترونات المتحركة، يجب أن نعرف أنّ هذا ينتج نتيجة ما يسمّى بالتيار الكهربائي. يسمح هذا التيار للأشياء بالعمل مع بعضها البعض عن طريق التدفق خلال المواد الموصلة التي تربطها. يسمّى المسار الذي تتدفق خلاله الإلكترونات بالدائرة الكهربائية. تربط الدوائر الكهربائية جميع أجهزتنا الإلكترونية ممّا يتيح لنا العيش بالطريقة التي نعيشها اليوم.
يمكن للكهرباء أن تنتقل عبر شيء ما عندما يسمح هيكلها للإلكترونات بالمرور من خلاله بسهولة. تحتوي المعادن مثل النحاس على إلكترونات حرة غير مرتبطة بإحكام بذراتها الأم. تتدفق هذه الإلكترونات بحريّة عبر بنية النحاس وهذا ما يتيح التدفق للتيار الكهربائي.
في المطاط، تكون الإلكترونات أكثر إحكامًا، لا توجد إلكترونات حرة، ونتيجةً لذلك، لا تتدفق الكهرباء حقًا عبر المطاط على الإطلاق. ويقال إنّ الموصلات التي تسمح بتدفق الكهرباء بحريّة لها موصلية مرتفعة ومقاومة منخفضة، والعوازل التي لا تسمح بتدفق الكهرباء هي عكس ذلك، فهي تتميز بموصلية منخفضة ومقاومة عالية.
أنواع الكهرباء:
هناك نوعان من الكهرباء: الكهرباء الساكنة والتيار الكهربائي. يتم إنشاء الكهرباء الساكنة عن طريق فرك جسمين أو أكثر معًا وإحداث احتكاك فيما بينهما، بينما التيار الكهربائي هي تدفق الشحنة الكهربائية عبر مجال كهربائي.
الكهرباء الساكنة – Static Electricity:
تحدث الكهرباء الساكنة عندما تتراكم الشحنات الكهربائية على سطح مادة ما. عادةً ما يحدث بسبب فرك المواد معًا. نتيجة تراكم الكهرباء الساكنة هو أنّ الأشياء قد تنجذب إلى بعضها البعض أو قد تتسبب في قفز شرارة من واحدة إلى أخرى. على سبيل المثال، فرك بالونًا على قطعة صوف وتثبيته على الحائط، قبل الفرك، مثل كل المواد، يكون للبالونات وسترة الصوف شحنة محايدة، هذا لأنّ كل منهم لديه عدد متساوي من الجسيمات موجبة الشحنة (البروتونات) والجسيمات سالبة الشحنة (الإلكترونات).
عند فرك البالون بالسترة الصوفية، تنتقل الإلكترونات من الصوف إلى المطاط بسبب الاختلافات في جاذبية المادتين للإلكترونات. يصبح البالون مشحونًا سالبًا لأنه يكتسب إلكترونات من الصوف، ويصبح الصوف مشحونًا إيجابياً لأنه يفقد الإلكترونات.
التيار الكهربائي – Current Electricity:
التيار هو معدل تدفق الإلكترونات في المادة. يتم إنتاجه عن طريق تحريك الإلكترونات ويتم قياسه بالأمبير. على عكس الكهرباء الساكنة، يجب أن تتدفق الكهرباء الحالية عبر موصل، عادةً ما يكون سلك نحاسي. التيار مع الكهرباء يشبه تماماً تيار الماء في النهر. تدفق مياه النهر من بقعة إلى أخرى، والسرعة التي يتحرك بها هي سرعة التيا . مع الكهرباء، التيار هو مقياس لكمية الطاقة المنقولة خلال فترة زمنية، تسمّى هذه الطاقة بتدفق الإلكترونات. إحدى نتائج التيار هي تسخين الموصل، عندما يتم تسخين الموقد الكهربائي، يكون ذلك بسبب تدفق التيار.
هناك مصادر مختلفة للكهرباء الحالية بما في ذلك التفاعلات الكيميائية التي تحدث في البطارية. المصدر الأكثر شيوعًا هو المولّد، ينتج مولّد الكهرباء البسيط عندما يتحول ملف من النحاس داخل مجال مغناطيسي. في محطة توليد الكهرباء، تولّد المغناطيسات الكهربائية التي تدور داخل العديد من ملفات الأسلاك النحاسية كميات هائلة من الكهرباء الحالية.
أنواع التيار الكهربائي:
هناك نوعان رئيسيان من التيار الكهربائي: المستمر (DC) والمتردد (AC). التيار المباشر يشبه الطاقة التي تحصل عليها من البطارية. التيار المتردد يشبه المقابس الموجودة في الحائط. الفرق الكبير بين الاثنين هو أنّ التيار المستمر يعمل على تدفق للطاقة بينما يمكن تشغيل التيار المتردد وإيقافه. ويعمل التيار المتردد أيضاً على عكس اتجاه الإلكترونات.
التيار المستمر (DC):
التيار المستمر هو تيار كهربائي يتدفق في اتجاه واحد فقط. ويمكننا عادةً العثور على التيار المباشر في البطاريات. يتم شحن البطارية أولاً باستخدام تيار مباشر يتحول بعد ذلك إلى طاقة كيميائية، عندما تكون البطارية قيد الاستخدام، فإنها تحول الطاقة الكيميائية مرة أخرى إلى كهرباء في شكل تيار مباشر. تحتاج البطاريات إلى تيار مباشر للشحن، ولن تنتج إلا تيارًا مباشرًا.
التيار المتردد (AC):
أنت بحاجة إلى مولد حثي لإنتاج التيار المتردد، اكتشف الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي الحث الكهرومغناطيسي، وطوّر نيكولا تيسلا، المولدات الحثيّة الكبيرة التي تدعم الحضارة اليوم. نظرًا لأنّ المولد الحثي يحتوي على عجلة دوار، فإنّ الكهرباء التي ينتجها تغير اتجاهها مرة تلو الأخرى مع كل دورة من الدوار. في الولايات المتحدة، تم توحيد فترة هذه الدورة لتكون 60 هرتز.
عندما يتم إنتاج الكهرباء على نطاق واسع، كما هو الحال في محطة توليد الطاقة، فإنّ لديها جهدًا عاليًا بشكل خطير يجب التنحي عنه عند طرف المستخدم. من الأسهل القيام بذلك باستخدام تيار متردد أكثر من التيار المستمر، ومع ذلك، ليس هذا هو السبب الرئيسي الذي يجعل التكييف هو الخيار الحالي للاستهلاك المحلي. في أواخر القرن التاسع عشر، انتهى الصراع بين المنتجين الصناعيين “وستنجهاوس” و”جنرال إلكتريك”، والذي روّج لكهرباء التيار المستمر لصالح “وستنجهاوس” عندما نجح في تشغيل معرض شيكاغو العالمي عام 1893 باستخدام تيار متردد. منذ ذلك الحين، وصول التيار الكهربائي للمنازل وأي شيء آخر يعتمد على التيار في خطوط الكهرباء.
دائرة التيار المستمر – Direct Current Circuit:
التيار المستمر (DC): هو التدفق المستمر للشحنة الكهربائية من الجهد العالي إلى المنخفض، في تاريخ علم الكهرباء، تم تعريف التيار التقليدي على أنه تدفق الشحنة الإيجابية. دارة التيار المباشر عبارة عن دائرة يتدفق خلالها التيار الكهربائي في اتجاه واحد. يوجد التيار المستمر بشكل شائع في العديد من التطبيقات ذات الجهد المنخفض، خاصةً عندما يتم تشغيلها بواسطة البطارية. تتطلب معظم الدوائر الإلكترونية مصدر طاقة تيار مستمر.
يتدفق التيار الكهربائي المباشر فقط عندما تكون الدائرة الكهربائية مغلقة، لكنه يتوقف تمامًا عندما تكون الدائرة مفتوحة.
المفتاح: هو جهاز لعمل أو كسر دائرة كهربائية . أثناء إغلاق المفتاح، يتم إغلاق الدائرة وتشغيل المصباح مثلا، أثناء فتح المفتاح، تكون الدائرة مفتوحة ويتم إيقاف تشغيل المصباح.
وفقًا لقانون أوم : إنّ التيار الأول في المقاومة يتناسب مع الجهد المطبق V ويتناسب عكسًا مع المقاومة R.
قانون أوم : I = V / R
بعبارة أخرى، بالنسبة للمقاومة الثابتة (R)، كلما زاد الجهد (V) عبر المقاوم، زاد التيار (I) المتدفق خلاله، بالنسبة للجهد الثابت عبر المقاوم، فكلما زادت المقاومة قل التيار المتدفق خلاله.
عند إضافة المقاومة إلى دائرة التيار المستمر تصبح المقاومة الإجمالية (R) للدائرة أكبر، ولكن جهد إمداد الطاقة (V) يظل دون تغيير، وبالتالي، يتم تقليل التيار (I) المتدفق عبر الدائرة. مع تدفق تيار أقل، يصبح المصباح أكثر قتامة.
دائرة التيار المتردد – Alternating Current Circuit:
التيارات والفولتية المتناوبة هي عبارة عن موجة جيبية وتختلف مع مرور الوقت، تنتج التيارات المتناوبة استجابات مختلفة في المقاومات والمكثفات والمحاثات عن التيارات المباشرة.
لأنّ الجهد والتيار يصلان إلى قيمهما القصوى في نفس الوقت، فإنهما في نفس الطور عندما نجدهما في الرسم البياني. قانون أوم والتعبيرات السابقة للقدرة صالحة لهذه الدائرة إذا تم استخدام جذر متوسط التربيع للجهد وجذر متوسط التربيع للتيار، والتي تسمّى أحيانًا القيمة الفعالة. هذه العلاقات هي :
يتم التعبير عن قانون أوم على النحو التالي:
V R = IR،
حيث V R هو جهد جذر متوسط التربيع عبر المقاوم و I هو جذر متوسط التربيع في الدائرة الكهربائية.
