مواد دروس الكهرباء الفيزياء

·         الشحنة الكهربائية

ما هي الشحنة الكهربائية؟ يعرف الإنسان الظواهر التي تتعلّق بالشحنات الكهربائية منذ آلاف السنين. لكن ما هي الشحنة الكهربائية حقًّا؟ بما أنّه لا يمكننا رؤية الشحنة الكهربائية أو الشعور بها بإحدى حواسّنا، يجد الكثيرون صعوبة في الإجابة عن هذا السؤال. هناك مَن يعتقد أنّ الإجابة تكمن في الجسيمات الصغيرة، كالإلكترونات والبروتونات. لكن لهذه الجسيمات أيضًا، التي لا يمكن رؤيتها، ينسبون شحنة كهربائية.

الشحنة الكهربائية، كالطول والزمن والكتلة، هي مقدار أساسي لا يمكن تعريفه بواسطة مقادير أخرى، أساسية أكثر. في حالة الطول مثلاً، من المعتاد تعريفه حسب طريقة القياس: الطول هو ما نقيسه بالمسطرة. وكما يمكن تعريف الطول حسب طريقة قياسه، كذلك الشحنة الكهربائية: الشحنة الكهربائية هي ما يقيسه انحراف العقرب في جهاز الإلكتروسكوب (إلكترو= كهرباء؛ سكوب= رؤية، أي- "مبيّن الشحنة الكهربائية").   

·         الإلكتروسكوب

الإلكتروسكوب هو مقياس الشحنة الكهربائية. نسمّي المقدار الذي يقيسه

الإلكتروسكوب شحنة كهربائية. في البداية بُني إلكتروسكوب الأوراق (من قِبل

الفيزيائي أڤراهام بنيت سنة 1787) من قضيب معدني مربوط بطرفه العلوي كرة أو

قرص موصل وبطرفه السفلي قطاعان من "الأوراق" الذهبية. عندما نقرّب قضيبًا

مشحونًا من الجهاز، تتنافر الورقتان الذهبيتان عن بعضهما البعض، وتتعلّق الزاوية التي

بينهما بمقدار الشحنة. كلّما كانت الشحنة أكبر ازدادت الزاوية. تجدون شرحًا

وعرضًا حركيًا عن عمل الإلكتروسكوب في موقع متحف العلوم في القدس:

http://www.mada.org.il/education/electrostatics/electroscope

·         الشحن والتفريغ

الشحن الكهربائي هو عملية تؤدّي إلى تغيير في عدد الإلكترونات في الجسم (فائض أو نقص في الإلكترونات). الشحن يحوّل الجسم المتعادل إلى جسم مشحون.

يمكن إجراء الشحن الكهربائي: أ. بواسطة فرك الأجسام المصنوعة من موادّ مختلفة (ينعكس في ظواهر كهروستاتية). ب. بواسطة الوصل بمصدر كهربائي قويّ.

التفريغ الكهربائي هو العملية المعاكسة للشحن، التي تؤدّي إلى تحويل جسم مشحون إلى جسم متعادل من الناحية الكهربائية. أثناء الشحن أو التفريغ يتغيّر توزيع كمّية الإلكترونات بين الأجسام، لكنّ الشحنات لا تنتج ولا تختفي.

يمكن أن يتمّ التفريغ بواسطة إضافة الشحنات السالبة التي تنقص الجسم المشحون بشحنة موجبة (على سبيل المثال، انتقال إلكترونات من الهواء إلى جسم في البيئة) أو بواسطة إبعاد الشحنات السالبة الفائضة من الجسم المشحون بشحنة سالبة (على سبيل المثال، إعطاء إلكترونات لبخار الماء في الهواء أو للأرض من جسم موصول بها).

التفريغ في الشحنة الكهربائية: تتجمّع الإلكترونات في الطرف السالب في الدائرة، وكذلك في الدائرة المفتوحة. عندما نفصل في الدائرة المفتوحة القطبين عن المصدر ونوصلهما ببعضهما البعض، يحدث سريان قصير باتّجاه معاكس لتيّار الشحن- هذا هو "تيّار التفريغ". يمكن تفسير تيّار التفريغ بأنّ الإلكترونات التي تجمّعت في الطرف السالب تنافرت فيما بينها وسرت عائدة.

الحثّ الكهروستاتي هو فصل الشحنات الذي يتكوّن في الجسم المتعادل في أعقاب اقتراب جسم مشحون وتأثير قوى التجاذب بين الأجسام. (المزيد عن الحثّ الكهروستاتي، انظروا على سبيل المثال، الكتاب "فصول في الكهرباء والكيمياء" صفحة 186.)    

·         المادّة الموصلة والمادّة العازلة + حركة الإلكترونات الحرّة

الموادّ الموصلة هي الموادّ التي جزء من الشحنات الكهربائية التي داخلها تكون حرّة نسبيًا، بحيث يمكنها التحرّك والانتقال من مكان إلى آخر داخل المادّة عندما تؤثّر عليها قوى كهربائية، لذلك تمكّن الموادّ الموصلة مرور التيّار الكهربائي في المادّة. 

أمثلة لموادّ موصلة: الفلزّات (المعادن)، الجرافيت، جسم الإنسان، الكرة الأرضية.

الموادّ العازلة هي موادّ لا تستطيع فيها الشحنات الكهربائية التحرّك بحرّية بتأثير القوى الكهربائية (إلاّ إذا كانت هذه القوى شديدة للغاية)، لذلك هذه الموادّ لا تمرّر تيّارًا كهربائيًا. هناك تسلسل من الموادّ التي تمرّر شحنات بصورة جزئية، لذلك التوصيل الكهربائي هو صفة متسلسلة.

هناك حركة معيّنة للشحنات في الموادّ العازلة أيضًا (على سبيل المثال في أعقاب حثّ كهروستاتي)، ولكنّها قليلة للغاية بالمقارنة مع حركة الشحنات الحرّة في الموادّ الموصلة.

هناك أيضًا موادّ تسمّى شبه موصلة التي تتمتّع بصفات بينية، بين الموادّ الموصلة والموادّ العازلة.

توجد في ذرّات العناصر الفلزّية إلكترونات حرّة (تنفصل عن الذرّة بسهولة بسبب التجاذب الضعيف بينها وبين البروتونات)، بينما لا توجد إلكترونات حرّة في ذرّات الموادّ العازلة.

الإلكترونات الحرّة التي انفصلت عن الذرّة لا تنفصل عن الجسم الفلزّي. تتواجد في حركة دائمة (عشوائية) بين الذرّات التي تركّب المادّة الفلزّية الموصلة. تحدث هذه الحركة طوال الوقت وتتأثّر بدرجة حرارة المادّة الموصلة. كلّما كانت درجة الحرارة أعلى ازدادت سرعة الحركة.

·         التيّار الكهربائي

التيّار الكهربائي هو ظاهرة سريان شحنات عبر مادّة موصلة.

التيّار الكهربائي في المادّة الفلزّية الموصلة هو حركة إلكترونات حرّة باتّجاه واحد (في حالة البطّارية- من القطب السالب إلى القطب الموجب).

في حالة المحاليل، التيّار الكهربائي هو نتيجة حركة الأيونات الموجبة إلى الإلكترودة السالبة أو الأيونات السالبة إلى الإلكترودة الموجبة.

شدّة التيّار هي كمّية الشحنة الكهربائية التي تمرّ عبر مقطع المادّة الموصلة خلال وحدة زمن واحدة. في السلك الموصل نتحدّث عن عدد الإلكترونات التي تمرّ في كلّ ثانية عبر مساحة مقطع المادّة الموصلة. كلّما كانت وتيرة مرور الإلكترونات في الموصل (عدد الإلكترونات في الثانية) أكبر ازدادت شدّة التيّار. تتعلّق شدّة التيّار بالمصدر الكهربائي، لكن أيضًا بمركِّبات الدائرة الكهربائية وبطريقة توصيلها.

 من المهمّ التشديد على أنّ شدّة التيّار لا تدلّ على الكمّية الكلّية للشحنة التي مرّت في الموصل، لأنّ كمّية الشحنة تتعلّق أيضًا بالمدّة الزمنية للسريان.

نصف العلاقة بين التيّار  (I)  والشحنة (q) والزمن (t) في المعادلة:  I = q / t  

بحيث تُقاس  q  بوحدات كولون وَ t  بوحدات ثانية.

إلكترونات حرّة

 

مساحة المقطع

 

موصل

 

وحدات قياس شدّة التيّار الكهربائي تسمّى أمبير، على اسم أندرا أمبير، الفيزيائي وعالم الرياضيات والكيميائي الفرنسي الذي عاش في القرن التاسع عشر وبحث صفات التيّار الكهربائي. 

·         اتّجاه التيّار في الدائرة الكهربائية

تسري الإلكترونات باتّجاه واحد فقط، يتحدّد عن طريق فرق الجهد في البطّارية. بيّنت التجارب أنّ اتّجاه سريان الإلكترونات هو من القطب السالب من البطّارية، عبر الموصلات، إلى قطبها الموجب. رغم ذلك، اتّجاه التيّار المقبول في الدائرة الكهربائية هو من القطب الموجب إلى السالب، أي بعكس اتّجاه سريان الإلكترونات. هذا قرار اعتباطي، الذي دلالته هي الاتّجاه الذي كان ستتحرّك به الشحنة الموجبة في الدائرة الكهربائية (من جهد عالٍ إلى جهد منخفض).

·         القياس النوعي لاتّجاه التيّار وشدّته

يمكن تحديد أو قياس شدّة التيّار قياسًا نوعيًا أيضًا بوسائل أخرى بالإضافة إلى مقياس التيّار:

اللامبة- شدّة الضوء تدلّ على شدّة التيّار.

      البوصلة- اتّجاه الإبرة يدلّ على اتّجاه التيّار، ومدى انحرافها يدلّ على شدّة التيّار.

الصمام الثنائي (الديودا)- يمكّن مرور التيّار باتّجاه واحد فقط، ولذلك يمكن استعماله مقياسًا (دلالة) لذلك أنّ للتيّار اتّجاهًا، وكذلك إيجاد اتّجاه التيّار. 

·         تماثلات لوصف التيّار الكهربائي

يستعملون في الموادّ التعليمية المختلفة تماثلات لتفسير جوانب مختلفة للتيّار الكهربائي. يمكن لاستعمال التماثلات أن يجسّد ويوضّح جانبًا معيّنًا من تصرّف الدائرة الكهربائية، لكن مع ذلك يمكنه أن يبعث على الخطأ في جانب آخر، لذلك من المهمّ أن نعي إيجابيات وسلبيات كلّ تماثل.

التماثل

جوانب موصى بها لاستعمال التماثل (يمكن استعمال التماثل للإيضاح)

محدودات التماثل

تيّار الماء في الأنبوب

توصف شدّة التيّار بواسطة كمّية الماء التي تمرّ عن طريق الأنبوب في وحدة زمن.

يمكن للماء أن يخرج من الأنبوب بخلاف الشحنات الكهربائية التي تتحرّك في دائرة مغلقة.

تيّار الماء ملموس يمكن رؤيته والشعور به، بينما تيّار الشحنات لا يمكن رؤيته.

تيّار المشترين في السوبرماركت

يقتنني المشترون من السوبرماركت احتياجاتهم مقابل النقود التي يدفعونها، كما هي الحال في الطاقة الكهربائية.

تيّار المشترين ملموس يمكن رؤيته والشعور به، بينما تيّار الشحنات لا يمكن رؤيته.

تيّار السيّارات في الشارع

تتأثّر حركة السيّارات بعرض الشارع وبطوله وبنوع المادّة التي بُني منها الشارع.  

تيّار السيّارات ملموس يمكن رؤيته والشعور به، بينما تيّار الشحنات لا يمكن رؤيته.

·         قانون حفظ الشحنة الكهربائية

لا تتكوّن الشحنة الكهربائية من الفراغ ولا تختفي. الشحنة الكهربائية تُحفَظ في الدائرة الكهربائية. الإلكترونات لا تُهدَر أثناء السريان، والتيّار يبقى نفس التيّار قبل وبعد أيّ جهاز كهربائي. تمّ فحص قانون حفظ الشحنة الكهربائية في تجارب كثيرة، ويعتبر اليوم قانونًا من قوانين الطبيعة.

في الدائرة الكهربائية التي تخلو من التفرّعات (الدائرة الموصولة على التوالي) شدّة التيّار الكهربائي في جميع أجزاء الدائرة متساوٍ. إذا كانت الدائرة متفرّعة إلى عدّة تفرّعات، عندها يكون التيّار في الخطّ الرئيسي مساويًا لمجموع التيّارات التي في التفرّعات (مجموع التيّارات التي تخرج من العقدة يساوي مجموع التيّارات التي تدخل إليها).

·         التوصيل الكهربائي والمقاومة الكهربائية

قدرة الإلكترونات على المرور في المادّة تختلف من مادّة إلى أخرى، وتوصف بواسطة صفة تسمّى التوصيل وَ/أو المقاومة (يستعملون مصطلحين مختلفين لوصف الحالة والحالة العكسية لنفس الصفة). يتطرّق التوصيل الكهربائي إلى قدرة الإلكترونات على المرور في المادّة. كلّما كان التوصيل أفضل، استطاعت الإلكترونات المرور في المادّة بسهولة أكبر، ولذلك تكون شدّة التيّار في الدائرة أكبر.

تتطرّق المقاومة الكهربائية إلى مقاومة المادّة لمرور الإلكترونات في الموصل في كلّ ثانية. في الموصلات التي مقاومتها صغيرة، عدد الإلكترونات التي تمرّ في الثانية أكبر، ولذلك يكون التيّار الكهربائي أيضًا أكبر بالمقارنة مع الموصلات التي مقاومتها كبيرة.

يكون توصيل المادّة جيّدًا عندما تكون المقاومة أصغر وبالعكس.

يتأثّر مدى مقاومة السلك الموصل لمرور الإلكترونات عبره بعدّة عوامل:

o       نوع المادّة المصنوع منها السلك الموصل (المعبَّر عنه بالمقاومة النوعية)

o       طول السلك الموصل

o       مساحة مقطع السلك الموصل  

نصف العلاقة بين العوامل التي تؤثّر على مقاومة السلك الموصل بواسطة المعادلة:

 R= \rho \frac{l}{A} 

 

عندما  ρ هي المقاومة النوعية للمادّة، وَ  l  هو طول السلك، وَ A  هي مساحة مقطع السلك.  

المقاوم هو مركِّب كهربائي صفته الأساسية هي المقاومة الكهربائية. عندما يمرّ تيّار كهربائي في المقاوم يتكوّن عليه فرق جهد. تبيّن التجارب أنّ شدّة التيّار في المقاوم الفلزّي هي بعلاقة طردية مع فرق الجهد (التوتّر) بين طرفيه. 

يُعبَّر عن العلاقة بين فرق الجهد والتيّار والمقاومة في قانون أوم  V=R*I  . حسب قانون أوم، تُقاس المقاومة الكهربائية بوحدات أوم (Ω) ، ومن المعتاد الرمز إليها بالحرف R. من الجدير ذكره أنّ قانون أوم لا يتحقّق دائمًا في الأجهزة الكهربائية. على سبيل المثال، في لامبة التوهّج تتغيّر المقاومة مع درجة الحرارة.

·         الدائرة الكهربائية (مركِّبات الدائرة ورموزها، الدائرة الكهربائية المغلقة والمفتوحة، ترتيب مركِّبات الدائرة على التوالي وعلى التوازي)

تضيء اللامبة عندما تكون موصولة ببطّارية بواسطة أسلاك موصلة، تكوّن مسارًا مغلقًا= دائرة كهربائية مغلقة. لا تستطيع كلّ الموادّ إغلاق الدائرة الكهربائية، ووفقًا لذلك نميّز بين "الموادّ الموصلة" وبين "الموادّ العازلة". لا تمرّر جميع الموادّ الموصلة تيّارًا كهربائيًا بنفس المدى، ويمكن ملاحظة فروق في الدوائر المختلفة التي تشمل موادّ موصلة مختلفة (عندما يكون السُمك والطول متساويين). 

مركِّبات الدائرة الكهربائية الأساسية تشمل مصدرًا وسلكًا موصلاً ولامبة. تشمل المركِّبات الإضافية مفتاحًا (لإغلاق أو فتح الدائرة) ومقاومًا ومقياس تيّار (أمبيرمتر).

ترتيب مركِّبات الدائرة الكهربائية على التوالي وعلى التوازي

إضافة مقاوم على التوالي إلى مقاوم معطى في الدائرة الكهربائية تقلّل من شدّة التيّار في الدائرة.

وصل على التوالي

 

 

إضافة مقاوم على التوازي إلى مقاوم معطى في الدائرة الكهربائية تزيد من شدّة التيّار في الدائرة.

وصل على التوازي

 

 

عندما تكون المركِّبات في الدائرة الكهربائية موصولة على التوالي، فإنّ فتح الدائرة في نقطة ما يوقف التيّار في الدائرة كلّها. بخلاف ذلك، عندما تكون عدّة مركِّبات في الدائرة الكهربائية موصولة على التوازي، فإنّ الفصل في تفرّع ما لا يؤدّي إلى وقف التيّار في التفرّعات الأخرى. 

الأجهزة الكهربائية المنزلية موصولة على التوازي، ولذلك يمكن التحكّم بكلّ جهاز على حدة. عندما نطفئ أحد الأجهزة تستمرّ باقي الأجهزة في العمل.