مفهوم قانون جول:
قانون جول في الكهرباء هو وصف رياضي لمعدل تحويل المقاومة في الدائرة الكهربائية إلى طاقة حرارية، حيث اكتشف الفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول في عام 1840 أن كمية الحرارة في الثانية التي تتطور في سلك يحمل تيارًا تتناسب مع المقاومة الكهربائية للسلك ومربع التيار.
حيث قرر جول أن الحرارة المتصاعدة في الثانية تعادل القدرة الكهربائية الممتصة أو فقدان الطاقة. إن الشكل الكمي لقانون جول هو أن الحرارة تتطور في الثانية، أو خسارة الطاقة الكهربائية P ، تساوي التيار I تربيع المقاومة R، أو P = I2R، كما تحتوي القوة P على وحدات واط، أو جول في الثانية، عندما يتم التعبير عن التيار بالأمبير والمقاومة بالأوم.
قانون جول:
إن لجول قانونيين: الأول حول الحرارة الناتجة عن التيار الكهربائي، والثاني حول كيفية ارتباط طاقة الغاز بالضغط والحجم، حيث يظهر قانون جول الأول بين الحرارة المتولدة عن تيار كهربائي يتدفق عبر موصل، إذ أن مبدأ الحرارة الناتجة عن التيار الكهربائي تساوي ناتج مقاومة الموصل ومربع التيار والوقت الذي يتدفق فيه سمي على اسم جيمس بريسكوت جول ويظهر على النحو التالي: Q = I 2 ⋅ R ⋅ t
حيث Q هي مقدار الحرارة وI هي التيار الكهربائي المتدفق عبر الموصل وR هي مقدار المقاومة الكهربائية الموجودة في الموصل،وt هي مقدار الوقت الذي يحدث فيه هذا.
ينص قانون جول الثاني على أن الطاقة الداخلية للغاز المثالي لا تتغير إذا تغير الحجم والضغط، ولكنها تتغير إذا تغيرت درجة الحرارة، حيث يوضح مبدأ الديناميكا الحرارية أن الطاقة الداخلية للغاز المثالي عند درجة حرارة ثابتة مستقلة عن الحجم، كما أن الغازات الحقيقية تغير طاقتها الداخلية بالحجم نتيجة للقوى بين الجزيئات.
المقاومة:
المقاومة في الكهرباء هي خاصية الدائرة الكهربائية أو جزء من الدائرة التي تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية في التيار الكهربائي المعاكس، حيث تتضمن المقاومة اصطدام الجسيمات المشحونة الحاملة للتيار مع الجسيمات الثابتة التي تشكل هيكل الموصلات، وغالبًا ما تعتبر المقاومة موضعية في مقاومة الأجهزة مثل: المصابيح والسخانات والمقاومات التي تسود فيها، على الرغم من أنها مميزة لكل جزء من الدائرة بما في ذلك توصيل الأسلاك وخطوط النقل الكهربائي.
يؤثر تبديد الطاقة الكهربائية على شكل حرارة على الرغم من صغرها، على مقدار القوة الدافعة الكهربائية أو الجهد الدافع المطلوب لإنتاج تيار معين عبر الدائرة، وفي الواقع فإن القوة الدافعة الكهربائية V (تقاس بالفولت) عبر دائرة مقسومة على التيار I (أمبير) عبر تلك الدائرة تحدد كميًا مقدار المقاومة الكهربائية R. بدقة ، R = V / I.
وبالتالي، إذا كانت بطارية 12 فولت تدفع بثبات تيارًا ثنائي الأمبير عبر طول السلك، فإن السلك لديه مقاومة ستة فولت لكل أمبير أو ستة أوم.
أوم هي الوحدة الشائعة للمقاومة الكهربائية، والتي تعادل فولت واحد لكل أمبير ويمثلها الحرف اليوناني الكبير omega Ω، كما تتناسب مقاومة السلك بشكل مباشر مع طوله وتتناسب عكسياً مع مساحة المقطع العرضي.
تعتمد المقاومة أيضًا على مادة الموصل، تزداد مقاومة الموصل أو عنصر الدائرة بشكل عام مع زيادة درجة الحرارة عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، فإن بعض الموصلات لديها مقاومة صفرية، حيث تستمر التيارات في التدفق في هذه المواد والتي تسمى الموصلات الفائقة، وذلك بعد إزالة القوة الدافعة الكهربائية المطبقة.
يُطلق على مقلوب المقاومة، 1 / R، التوصيل ويتم التعبير عنه بوحدات أوم متبادلة، تسمى mho.
شدة التيار الكهربائي:
في أي موصل، دائمًا ما تتحرك الجسيمات المتحركة الحاملة لشحنات كهربية في اتجاهات عشوائية كما في جزيئات الغاز، ولكي يتولَّد تدفق صافٍ من الشحنات، يجب أن تتحرك هذه الجسيمات معًا بمتوسط معدل دَفْق معين، حيث تعتبر الإلكترونات بمثابة العناصر الناقلة للشحنات الكهربية في الفلزات، حيث تسلك مسارًا عشوائيًا بانتقالها السريع من ذرةٍ إلى أخرى، ولكنها تتدفق عمومًا في نفس اتجاه المجال الكهربائي.
عادةً ما تسري التيارات الكهربية في الأجسام الصلبة ببطء شديد، على سبيل المثال، في سلك نحاسي لمقطع عرضي مساحته 0.5 ملم2 وشدة التيار الكهربي المار فيه 5 نانوأمبير؛ حيث تُحسَب سرعة الانجراف الإلكترونات بالملليمتر في الثانية، وإذا أخذنا مثالًا مختلفًا، ففي الفراغ الموجود داخل أنبوب أشعة الكاثود، تتحرك الإلكترونات في خطوط شبه مستقيمة حركةً بالستية بسرعة تصل إلى عشر سرعة الضوء تقريبًا.
إن أية شحنة كهربية متسارعة، ومن ثمَّ أي تيار كهربي متغير، ينشأ عنها موجة كهرومغناطيسية تنتشر بسرعة كبيرة جدًا خارج سطح الموصل، وعادةً ما تكون هذه السرعة عبارة عن كسر دلالي من سرعة الضوء، كما يمكن أن نستنتج من معادلات ماكسويل وبالتالي، فإنها تكون أكبر عدة مرات من سرعة انسياق الإلكترونات، على سبيل المثال، في خطوط القدرة ذات التيار المتردد، تنتشر موجات الطاقة الكهرومغناطيسية في الفراغ الموجود بين الأسلاك، فتنتقل من أي مصدر إلى حمل بعيد، في حين تتحرك الإلكترونات جيئةً وذهابًا فقط عبر مسافة متناهية الصغر.
الاتجاة الموضعي:
عند توصيل الدوائر الكهربية، عادةً ما يكون الاتجاه الفعلي للتيار الكهربي عبر أي عنصر من عناصر الدائرة الكهربية غير معروف، وبالتالي، يتم تعيين قيمة تيار كهربي متغيرة لكل عنصر من عناصر الدائرة الكهربية على حدة وباتجاه مرجعي يتم اختياره عشوائيًا.
وبمجرد توصيل الدائرة الكهربية، قد تتولَّد شحنات موجبة أو سالبة في التيارات الكهربية السارية في عناصر الدائرة. تعني القيمة السالبة أن الاتجاه الفعلي للتيار الكهربي المار عبر هذا العنصر في الدائرة يكون عكس الاتجاه المرجعي الذي تم اختياره.
