القوة الدافعة الكهربائية

إذا نسيت إطفاء أضواء سيارتك، فإنّها تخفت ببطء مع نفاد البطارية. لماذا لا تُطفئ فجأة عند نفاد طاقة البطارية؟ يشير التعتيم التدريجي إلى انخفاض جهد البطارية مع نفاد البطارية، يعود سبب انخفاض جهد الخرج للبطاريات المستنفدة إلى أنّ جميع مصادر الجهد تتكون من جزأين أساسيين هما: مصدر للطاقة الكهربائية والمقاومة الداخلية.

ما هي القوة الدافعة الكهربائية؟

تُعرَّف القوة الدافعة الكهربائية على أنّها الجهد الكهربائي الناتج عن خلية كهروكيميائية أو عن طريق تغيير المجال المغناطيسي، (EMF) هو الاختصار الشائع الاستخدام للقوة الدافعة الكهربائية. يتم استخدام مولد أو بطارية لتحويل الطاقة من شكل إلى آخر، في هذه الأجهزة، يصبح أحد الطرفين موجب الشحنة بينما يصبح الآخر سالب الشحنة، لذلك، فإنّ القوة الدافعة الكهربائية هي عمل يتم إجراؤه على وحدة الشحنة الكهربائية. تُستخدم القوة الدافعة الكهربائية في مقياس التدفق الكهرومغناطيسي وهو تطبيق لقانون فاراداي.

القوة الدافعة الكهربائية (EMF): هي جهد طوّر بواسطة أي مصدر للطاقة الكهربائية مثل البطارية أو الخلية الكهروضوئية، كلمة “قوة – force” مضللة إلى حد ما، لأنّ المجالات الكهرومغناطيسية ليست قوة، بل هي “إمكانية – potential” لتوفير الطاقة. يتم الاحتفاظ بمصطلح (EMF) لأسباب تاريخية، وهو مفيد للتمييز بين الفولتية المتولدة والطاقة المفقودة للمقاومات.

عندما يكون الجسيم المشحون موجوداً في المجال الكهرومغناطيسي، فإنّ الجهد سوف يمد الجسيم بالطاقة الحركية وهو ما يحرك الدوائر الكهربائية، يمكن بعد ذلك فقدان هذه الطاقة كحرارة في جميع أنحاء الدائرة الكهربائية حيث يلتقي التيار الكهربائي المحرك للشحنات مع المقاومة الكهربائية، وتحدد كمية المقاومة في جميع أنحاء الدائرة مقدار التيار الذي سيتدفق فيه وفقاً لقانون “أوم”.

رمز القوة الدافعة الكهربائية:

عادةً ما يُرمز للقوة الدافعة الكهربائية بالرمز (ε).

ما هي معادلة القوة الدافعة الكهربائية؟

فيما يلي معادلة القوة الدافعة الكهربائية:

(ε = V + Ir)

حيث أن:

• V هو جهد الخلية.
  
• I هو التيار عبر الدائرة.
  
• r هي المقاومة الداخلية للخلية.
  
• ε هي القوة الدافعة الكهربائية.
  

ما هي وحدة – EMF؟

وحدة القوة الدافعة الكهربائية هي الفولت (Volt). ويتم التعبير عن المجالات الكهرومغناطيسية (EMF) عددياً على أنّها عدد جول من الطاقة الذي يعطيه المصدر مقسوماً على كل كولوم لتمكين وحدة الشحنة الكهربائية من التحرك عبر الدائرة الكهربائية:

(Volts=Joules/Coulombs)

أبعاد القوة الدافعة الكهربائية:

يتم تعريف (EMF) كنسبة العمل المنجز على وحدة الشحنة والتي يتم تمثيلها على النحو التالي:

(EMF = Joules / Coulombs)

لذلك، يتم إعطاء البعد EMF كـ (M¹L²T^-3I^-1).

الفرق بين القوة الدافعة الكهربائية وفرق الجهد الكهربائي:

القوة الدافعة الكهربائية – Electromotive Force:

• يتم تعريف (EMF) على أنّه العمل المنجز على وحدة الشحنة.
  
• تبقى (EMF) ثابتة.
  
• تكون (EMF) مستقلة عن مقاومة الدائرة.
  
• بسبب المجالات الكهرومغناطيسية (EMF)، يحدث المجال الكهربائي والمغناطيسي ومجال الجاذبية الأرضية.
  
• يمثله الرمز (E).
  

فرق الجهد الكهربائي – Potential Difference:

• يُعرّف فرق الجهد الكهربائي بأنّه الطاقة التي تتبدد مع مرور وحدة الشحنة عبر المكونات في الدائرة الكهربائية.
  
• فرق الجهد الكهربائي ليس ثابتاً.
  
• يعتمد فرق الجهد الكهربائي على المقاومة بين النقطتين أثناء القياس.
  
• بسبب اختلاف الجهد، يتم إحداث المجال الكهربائي الوحيد.
  
• يمثله الرمز (V).
  

هل يمكن أن تكون القوة الدافعة الكهربائية سالبة؟

نعم، يمكن أن تكون القوة الدافعة الكهربائية سالبة، افترض هذا المثال، يقوم (inductor) بتوليد (EMF) بحيث يعارض الطاقة الواردة في الدائرة الكهربائية. ثم يتم اعتبار (EMF) الناتج سالباً حيث يكون اتجاه التدفق معاكساً للقوة الحقيقية الموجودة لدينا، لذلك، يمكن أن تكون القوة الدافعة الكهربائية سالبة.

ما هو الفرق بين الجهد الطرفي وEMF؟

فيما يلي الفرق بين الجهد الطرفي و(EMF):

• يُعرّف الجهد الطرفي بأنّه فرق الجهد عبر أطراف الحمل عندما تكون الدائرة قيد التشغيل، بينما يتم تعريف (EMF) على أنّه أقصى فرق جهد محتمل توفره البطارية عندما لا يكون هناك تدفق للتيار الكهربائي.
  
• يستخدم الفولتميتر (voltmeter) لقياس الجهد الطرفي بينما يستخدم مقياس الجهد (potentiometer) لقياس (EMF).
  

أصل طاقة البطارية – The Origin of Battery Potential:

يحدد مزيج المواد الكيميائية وتركيب الأطراف في البطارية قوة (EMF) الخاصة بها. تعد بطارية الرصاص الحمضية المستخدمة في السيارات والمركبات الأخرى من أكثر تركيبات المواد الكيميائية شيوعاً، ويتم توصيل طرف الكاثود (السالب) للخلية بلوحة أكسيد الرصاص، بينما يتم توصيل طرف الأنود (الموجب) بلوحة الرصاص، يتم غمر كلا الصفيحتين في حامض الكبريتيك المحلول بالكهرباء. تساعد معرفة القليل عن كيفية تفاعل المواد الكيميائية الموجودة في بطارية الرصاص الحمضية في فهم الإمكانات التي تولدها البطارية.

يتم وضع إلكترونين على الكاثود، مما يجعله سالبًا، بشرط أن يوفر الكاثود إلكترونين. وهذا يترك الكاثود مشحوناً بشكل إيجابي، لأنّه فقد إلكترونين. باختصار، تم فصل الشحنة عن طريق تفاعل كيميائي. لاحظ أنّ التفاعل لا يحدث إلّا إذا كانت هناك دائرة كاملة للسماح بتزويد إلكترونين للكاثود. وفي ظل العديد من الظروف، تأتي هذه الإلكترونات من القطب الموجب، وتتدفق عبر مقاومة، وتعود إلى القطب السالب. كما نلاحظ أيضاً أنّه نظراً لأنّ التفاعلات الكيميائية تشتمل على مواد ذات مقاومة، فلا يمكن إنشاء (EMF) بدون مقاومة داخلية.

المقاومة الداخلية والجهد الطرفي:

تسمى كمية المقاومة لتدفق التيار داخل مصدر الجهد بالمقاومة الداخلية، يمكن أن تتصرف المقاومة الداخلية (r) للبطارية بطرق معقدة عديدة. حيث تزداد بشكل عام مع نفاذ البطارية، بسبب أكسدة الألواح أو انخفاض حموضة الإلكتروليت. ومع ذلك، قد تعتمد المقاومة الداخلية أيضاً على حجم واتجاه التيار من خلال مصدر الجهد ودرجة حرارته وحتى تاريخه.

تعتمد المقاومة الداخلية لخلايا النيكل والكادميوم القابلة لإعادة الشحن على سبيل المثال، على عدد المرات ومدى عمق استنفادها. افترض أنّ المقاومة الخارجية المعروفة باسم مقاومة الحمل (R) متصلة بمصدر جهد مثل البطارية، ومقاومة داخلية (r) ومقاومة الحمل (R) متصلة عبر أطرافها. باستخدام تدفق التيار التقليدي، حيث تترك الشحنات الموجبة الطرف الموجب للبطارية وتنتقل عبر المقاومة، وتعود إلى الطرف السالب للبطارية. يعتمد الجهد الطرفي للبطارية على (EMF)، والمقاومة الداخلية والتيار الكهربائي وهو يساوي ما يلي:

بالنسبة إلى (EMF) والمقاومة الداخلية، يتناقص الجهد الطرفي مع زيادة التيار بسبب الانخفاض المحتمل (Ir) للمقاومة الداخلية، كما يلي:

التيار الكهربائي خلال مقاومة الحمل يساوي:

نرى من هذا التعبير أنّه كلما قلت المقاومة الداخلية (r) زاد التيار الكهربائي الذي يوفره مصدر الجهد لمقاومة الحمل (R)، مع نفاد البطاريات تزداد (r). إذا أصبحت (r) جزءاً مهماً من مقاومة الحمل، فسيتم تقليل التيار بشكل كبير.