ما هى الكهرباء ؟
لكى تعرف إجابه هذا السؤال . يجب أيضا أن تعرف بعض الأشياء و منها بناء الذره.
فالموضوع هنا أن الذره لها كتله و الكتله هى التى تجعل الذره تشغل جزء من الفراغ حتى لو كان بسيطا و هذه الكتله من الممكن أن تكون فى عدة صور أو حالات :
الحاله الصلبه
الحاله السائله
الحاله الغازيه
حاله البلازما
و الذره تتحرك تحت تأثير نوعين من الطاقه
طاقة الوضع POTENTIAL ENERGY
و طاقه الحركه KINETIC ENERGY
فالذره الكامله تشبه النظام الشمسى .لها مركز كالشمس (النواه -وتتكون من بروتونات و نيترونات) و الكواكب تدور حولها ( الإلكترونات ).
و توجد مدارات حول النواه تدور فيها الإلكترونات . وكل مدار له عدد معين من الإلكترونات المسموح لها بالتواجد فيه
فالمدار الأول القريب من النواه مسموح فيه ب 2 ألكترون و المدار الثانى 8 و الثالث 8 و الرابع 18 . إلخ.
فإذا ملىء أحد المدارات بدأ فى إستعمال المدار التالى . حتى يمتلىء المدار الأخير فتعتبر الذره خامله . و من أمثلة الذرات الخاملة ( الهيليوم و النيون والأرجون ).
المزج بن ذرتين أو أكثر يكون ما يعرف بالجزىء . مثل ملح الطعام ( NaCl ) و هو مركب من مزج كميائى بين ذرات الصوديوم ( Na ) و الكلور ( Cl )
كيف تنتج الكهرباء ؟
البروتونات توجد فى النواة و الإلكترونات تدور حول النواه فى مداراتها الخارجيه متأثرة بقوى الجذب من النواه( الناتجه من التجاذب بين الإلكترونات السالبة الشحنه و البروتونات الموجبة الشحنه) و قوى الطرد ( الناتجه عن دورانها السريع حول النواة).
وهنا يجب أن تتساوى القوتان حتى تتزن الذره .
ولكن فى وجود قوى شد خارجيه ( ذرات أخرى أو جهود موجبه ) فإن الإلكترونات تترك النواه وتسير مكونة الكهرباء.
الشحنة الكهربيه
فى أيام الصيف الجافه عندما تمشط شعرك فإن شحنه ذرات شعرك وشحنة ذرات المشط سيتغيران فقد فقد شعرك بعض من الإلكترونات (فأصبحت ذرات شعرك أكثر إيجابيه ) و أعطاها لذرات المشط الذى أصبحت شحنته أكثر سالبية . و إذا أطفأت النور فى الحجره فإنك ربما ترى بعض من الشرارات التى تنتقل من المشط إلى شعرك و هذا ما يسمى بالكهرباء الإستاتيكيه .
ولكن لماذا تنتقل من المشط للشعر وليس العكس ؟
ذلك لأن النظام يبحث عن الإتزان . و ذلك يشبه فتحك لباب الثلاجه فى أحد الأيام الحاره وبعد بعض من الوقت ستصبح درجةالحراره بداخل الثلاجه مساويه لدرجة الحراره خارجها و هنا حدث الإتزان ( ولكن لا تنسى قطع الطاقه عن الثلاجه قبل إجراء التجربه ) .
فالذره أو الجسم المشحون يوجد به زياده فى الإلكترونات أو الشحنه و يسعى لتفريغها و إعطائها إلى جسم أخر تنقصه الشحنه .
بعض الناس يظنون أن الجسم المشحون هو جسم يحمل شحنه موجبه و هذا خطأ . فالذره عندما تكون فى حاجه إلى الإلكترونات فإنها بذلك تكون مشحونه بشحنه موجبه أما إذا كان بها زياده فى الإلكترونيات تكون بذلك مشحونه بشحنه سالبه .
وبما أن هذه الشحنات التى نتكلم عنها صغيره جدا جدا فإنه يجب إيجاد وحدات لها كبيره نسبيا حتى يمكن التعامل معها . وهذا ما فعله العالم كولوم (1736-1806 Charles Augustin Coulomb ) فلقد جعل الكولوم وحده تعبر عن شحنة الإلكترون .
1 كولوم = 6.24 بليون بليون وحدة شحنه. و إما أن يكون بالموجب أو بالسلب .
قانون كولوم للقوى الكهروستاتيكيه :
قوة الجذب أو التنافر (F)بين جسمين مشحونين يتناسب طرديا مع حاصل ضرب شحناتهما (Q) و يتناسب عكسيا مع الجذر التربيعى للمسافه بينهما.
قانون نيوتن للطاقه :
الطاقه لا تفنى ولا تستحدث من العدم . ولكنها تتحول من صوره إلى أخرى
فمثلا : فى البطاريه يتم تحويل الطاقه الكميائيه إلى طاقه كهربيه عند توصيلها فى الدائره و المحول الكهربى يحول الطاقه الميكانيكيه إلى طاقه كهربيه.
كيف تنفذ البطاريات ؟
لنفرض أن لديك إنائين بهما ماء .أحدهما مملوء و الأخر نصف مملوء و أنك أحضرت ماسوره بلاستيكيه صغيره لتصل بين الإنائين . ستلاحظ أن الماء سيمر من الإناء المملوء إلى الإناء النصف مملوء خلال الماسوره (وهذا هو التيار الكهربى) و سيستمر ذلك حتى يتعادل الضغط على طرفى الأنبوب ( فرق الضغط = 0)و هو مايعادل فرق الجهد فى البطاريه وعندما يحدث الإتزان فإن البطاريه قد ماتت .
و الوحده المستخدمه لقياس هذا الفرق فى الجهد هو الفولت ( وهو فرق الجهد الازم لتحريك شحنه مقدارها واحد كولوم لتبذل شغل مقداره واحد جول (JOULE))
V = W/Q
القدره الكهربيه( P ) :
الطاقه هى القدره على بذل جهد و القدره هى المعدل الذى يبذل به هذا الجهد
P = W/t
حيث t هى الزمن
والقدره تقاس بالواط (Watt ) و هو الوحده الأساسيه . و يقاس أيضا بالحصان (1 حصان = 746 وات )
--------------------------------------------------------------------------------
التيار والجهد الكهربى :
لكى نفهم الجهد الكهربى أكثر يمكننا أن نتخيل كوب زجاجى مملوء بالماء (وهنا يوجد الجهد كما فى البطارية ) وعندما نوصل هذا الكوب بأنبوب وندع الماء يتدفق خلال الأنبوب فإننا صنعنا تيارا (يماثل التيار الكهربى فى الأسلاك ) وكلما زاد معدل تدفق المياه فى الأنبوب فى الثانية الواحدة كلما زادت شدة التيار) وعندما يفرغ الكوب من محتواه من الماء تكون بطاريتنا نفذت .
لاحظ أن البطارية إذا كانت 10 فولت مثلا وهى جديدة (كوب الماء مملوء) فإن هذا هو أقصى جهد يمكن أن تعطيه ولكن يمكننا أن نزيد من التيار أو نقلله بواسطة تغيير حالة الصنبور من (مفتوح) إلى (مغلق).
ولكن تذكر أن هذا التيار يتناسب مع الجهد فكلما زاد الجهد (كمية الماءالموجودة فى الكوب ) كلما زاد التيار (معدل تدفق الماء فى الأنبوب).
وهكذا تعمل بطاريات التيار المستمر DC . أما فى حالة التيار المترددAC الذى نستخدمه فى منازلنا لتشغيل التليفزيون والغسالة وغيرهما فالأمر يختلف حيث لا ينضب مصدر الجهد الكهربى ويظل ثابتا حيث أنه لا يأتى من بطارية (كوب مياه ) ولكن من شركة توليد الكهرباء حيث توجد دائما كمية كافية من المياه تسمح لك بسحب المزيد والمزيد من التيار. (طبعا هذا مثال مثالى لا يتحقق حقيقيا ولكن عليك أن تضع هذه الفكرة فى رأسك)
وعندما يمر التيار (المائى) فى الأنبوب فإن هذا الأنبوب يحاول منع الماء من التدفق فيه عن طريق الإحتكاك مع السطح الداخلى أو عن طريق عدم وجود فراغ كافى داخل الأنبوب حتى يمر المزيد من الماء (كاما قل هذا الفراغ كلما زاد الضغط بداخل الأنبوب)
وطبعا يلزم لمرور التيار الكهربى أسلاك لكى يعبر من خلالها إلى المكونات المختلفة للدائرة (بالمناسبة فإن هذه المكونات تشبه الصمامات والمضخات فى أنبوب المياه السابق) حيث تقوم هذه العناصر بما فيها الأسلاك بممانعة التيار ومقاومته كل تبعا لتركيبه.
ولذلك دعونا نرى ما هى الأقسام الأساسية التى صنف علم الكهرباء بها المواد :
الموصلات CONDUCTORS والعوازل INSULATORS
1- الموصلات :
وهى المواد تمرر التيار الكهربى خلالها بسهولة حيث لا يجد منها سوى مقاومة بسيطة جدا لسريانه .
2- العوازل :
وهى المواد التى يقابل فيها التيار الكهربى بمقاومة شديدة يبذل فيها طاقة كبيرة جدا فى محاولته للمرور خلالها ولكن هيهات.
والأسلاك الكهربية التى نستخدمها تصنع من هاذين النوعين من المواد حيث يكون السلك الداخلى من مادة موصلة مغطاً بغلاف من مادة عازلة وذلك لعدة أسباب من أهمها حماية جسدك من صدمة كهربية عندما تلمس تلك الأسلاك . والسبب الأخر هو عزل الأسلاك عن بعضها حتى لا يحدث قصربينها وهذا القصر ممكن أن يؤدى إلى إنصهارها وإحداث حرائق وانفجارات وخسائر فى الأرواح.
من الموصلات الجيدة (الذهب و النحاس والفضة ) أما من العوازل الجيدة (البيلاستيك والزجاج والهواء )
توجدبعض المواد لا تنستطيع أن نقول عنها أنها موصلة كما لا نستطيع أن نقول أنها عازلة وهذه المواد أطلق عليها أسم أشباه الموصلات semi-conductors وهى مثل (الكربون والسيلكون والجرمانيوم )
وهذه الأشباه موصلات مهمة جدا فى مجال الإلكترونيات حيث تصنع منها كثير من المكونات الإلكترونية من المقاومات إلى الترانزستورات إلى الدوائر المتكاملة IC والتى هى أساس البناء فى مكونات حاسبك الشخصى .
يوجد نوع أخر يمكن لبعض المواد أن تصنف خلاله وهو الموصلات الفائقة Superconductivity حيث يمر التيار الكهربى فى هذه المواد دون أى مقاومة
لكى تعرف إجابه هذا السؤال . يجب أيضا أن تعرف بعض الأشياء و منها بناء الذره.
فالموضوع هنا أن الذره لها كتله و الكتله هى التى تجعل الذره تشغل جزء من الفراغ حتى لو كان بسيطا و هذه الكتله من الممكن أن تكون فى عدة صور أو حالات :
الحاله الصلبه
الحاله السائله
الحاله الغازيه
حاله البلازما
و الذره تتحرك تحت تأثير نوعين من الطاقه
طاقة الوضع POTENTIAL ENERGY
و طاقه الحركه KINETIC ENERGY
فالذره الكامله تشبه النظام الشمسى .لها مركز كالشمس (النواه -وتتكون من بروتونات و نيترونات) و الكواكب تدور حولها ( الإلكترونات ).
و توجد مدارات حول النواه تدور فيها الإلكترونات . وكل مدار له عدد معين من الإلكترونات المسموح لها بالتواجد فيه
فالمدار الأول القريب من النواه مسموح فيه ب 2 ألكترون و المدار الثانى 8 و الثالث 8 و الرابع 18 . إلخ.
فإذا ملىء أحد المدارات بدأ فى إستعمال المدار التالى . حتى يمتلىء المدار الأخير فتعتبر الذره خامله . و من أمثلة الذرات الخاملة ( الهيليوم و النيون والأرجون ).
المزج بن ذرتين أو أكثر يكون ما يعرف بالجزىء . مثل ملح الطعام ( NaCl ) و هو مركب من مزج كميائى بين ذرات الصوديوم ( Na ) و الكلور ( Cl )
كيف تنتج الكهرباء ؟
البروتونات توجد فى النواة و الإلكترونات تدور حول النواه فى مداراتها الخارجيه متأثرة بقوى الجذب من النواه( الناتجه من التجاذب بين الإلكترونات السالبة الشحنه و البروتونات الموجبة الشحنه) و قوى الطرد ( الناتجه عن دورانها السريع حول النواة).
وهنا يجب أن تتساوى القوتان حتى تتزن الذره .
ولكن فى وجود قوى شد خارجيه ( ذرات أخرى أو جهود موجبه ) فإن الإلكترونات تترك النواه وتسير مكونة الكهرباء.
الشحنة الكهربيه
فى أيام الصيف الجافه عندما تمشط شعرك فإن شحنه ذرات شعرك وشحنة ذرات المشط سيتغيران فقد فقد شعرك بعض من الإلكترونات (فأصبحت ذرات شعرك أكثر إيجابيه ) و أعطاها لذرات المشط الذى أصبحت شحنته أكثر سالبية . و إذا أطفأت النور فى الحجره فإنك ربما ترى بعض من الشرارات التى تنتقل من المشط إلى شعرك و هذا ما يسمى بالكهرباء الإستاتيكيه .
ولكن لماذا تنتقل من المشط للشعر وليس العكس ؟
ذلك لأن النظام يبحث عن الإتزان . و ذلك يشبه فتحك لباب الثلاجه فى أحد الأيام الحاره وبعد بعض من الوقت ستصبح درجةالحراره بداخل الثلاجه مساويه لدرجة الحراره خارجها و هنا حدث الإتزان ( ولكن لا تنسى قطع الطاقه عن الثلاجه قبل إجراء التجربه ) .
فالذره أو الجسم المشحون يوجد به زياده فى الإلكترونات أو الشحنه و يسعى لتفريغها و إعطائها إلى جسم أخر تنقصه الشحنه .
بعض الناس يظنون أن الجسم المشحون هو جسم يحمل شحنه موجبه و هذا خطأ . فالذره عندما تكون فى حاجه إلى الإلكترونات فإنها بذلك تكون مشحونه بشحنه موجبه أما إذا كان بها زياده فى الإلكترونيات تكون بذلك مشحونه بشحنه سالبه .
وبما أن هذه الشحنات التى نتكلم عنها صغيره جدا جدا فإنه يجب إيجاد وحدات لها كبيره نسبيا حتى يمكن التعامل معها . وهذا ما فعله العالم كولوم (1736-1806 Charles Augustin Coulomb ) فلقد جعل الكولوم وحده تعبر عن شحنة الإلكترون .
1 كولوم = 6.24 بليون بليون وحدة شحنه. و إما أن يكون بالموجب أو بالسلب .
قانون كولوم للقوى الكهروستاتيكيه :
قوة الجذب أو التنافر (F)بين جسمين مشحونين يتناسب طرديا مع حاصل ضرب شحناتهما (Q) و يتناسب عكسيا مع الجذر التربيعى للمسافه بينهما.
قانون نيوتن للطاقه :
الطاقه لا تفنى ولا تستحدث من العدم . ولكنها تتحول من صوره إلى أخرى
فمثلا : فى البطاريه يتم تحويل الطاقه الكميائيه إلى طاقه كهربيه عند توصيلها فى الدائره و المحول الكهربى يحول الطاقه الميكانيكيه إلى طاقه كهربيه.
كيف تنفذ البطاريات ؟
لنفرض أن لديك إنائين بهما ماء .أحدهما مملوء و الأخر نصف مملوء و أنك أحضرت ماسوره بلاستيكيه صغيره لتصل بين الإنائين . ستلاحظ أن الماء سيمر من الإناء المملوء إلى الإناء النصف مملوء خلال الماسوره (وهذا هو التيار الكهربى) و سيستمر ذلك حتى يتعادل الضغط على طرفى الأنبوب ( فرق الضغط = 0)و هو مايعادل فرق الجهد فى البطاريه وعندما يحدث الإتزان فإن البطاريه قد ماتت .
و الوحده المستخدمه لقياس هذا الفرق فى الجهد هو الفولت ( وهو فرق الجهد الازم لتحريك شحنه مقدارها واحد كولوم لتبذل شغل مقداره واحد جول (JOULE))
V = W/Q
القدره الكهربيه( P ) :
الطاقه هى القدره على بذل جهد و القدره هى المعدل الذى يبذل به هذا الجهد
P = W/t
حيث t هى الزمن
والقدره تقاس بالواط (Watt ) و هو الوحده الأساسيه . و يقاس أيضا بالحصان (1 حصان = 746 وات )
--------------------------------------------------------------------------------
التيار والجهد الكهربى :
لكى نفهم الجهد الكهربى أكثر يمكننا أن نتخيل كوب زجاجى مملوء بالماء (وهنا يوجد الجهد كما فى البطارية ) وعندما نوصل هذا الكوب بأنبوب وندع الماء يتدفق خلال الأنبوب فإننا صنعنا تيارا (يماثل التيار الكهربى فى الأسلاك ) وكلما زاد معدل تدفق المياه فى الأنبوب فى الثانية الواحدة كلما زادت شدة التيار) وعندما يفرغ الكوب من محتواه من الماء تكون بطاريتنا نفذت .
لاحظ أن البطارية إذا كانت 10 فولت مثلا وهى جديدة (كوب الماء مملوء) فإن هذا هو أقصى جهد يمكن أن تعطيه ولكن يمكننا أن نزيد من التيار أو نقلله بواسطة تغيير حالة الصنبور من (مفتوح) إلى (مغلق).
ولكن تذكر أن هذا التيار يتناسب مع الجهد فكلما زاد الجهد (كمية الماءالموجودة فى الكوب ) كلما زاد التيار (معدل تدفق الماء فى الأنبوب).
وهكذا تعمل بطاريات التيار المستمر DC . أما فى حالة التيار المترددAC الذى نستخدمه فى منازلنا لتشغيل التليفزيون والغسالة وغيرهما فالأمر يختلف حيث لا ينضب مصدر الجهد الكهربى ويظل ثابتا حيث أنه لا يأتى من بطارية (كوب مياه ) ولكن من شركة توليد الكهرباء حيث توجد دائما كمية كافية من المياه تسمح لك بسحب المزيد والمزيد من التيار. (طبعا هذا مثال مثالى لا يتحقق حقيقيا ولكن عليك أن تضع هذه الفكرة فى رأسك)
وعندما يمر التيار (المائى) فى الأنبوب فإن هذا الأنبوب يحاول منع الماء من التدفق فيه عن طريق الإحتكاك مع السطح الداخلى أو عن طريق عدم وجود فراغ كافى داخل الأنبوب حتى يمر المزيد من الماء (كاما قل هذا الفراغ كلما زاد الضغط بداخل الأنبوب)
وطبعا يلزم لمرور التيار الكهربى أسلاك لكى يعبر من خلالها إلى المكونات المختلفة للدائرة (بالمناسبة فإن هذه المكونات تشبه الصمامات والمضخات فى أنبوب المياه السابق) حيث تقوم هذه العناصر بما فيها الأسلاك بممانعة التيار ومقاومته كل تبعا لتركيبه.
ولذلك دعونا نرى ما هى الأقسام الأساسية التى صنف علم الكهرباء بها المواد :
الموصلات CONDUCTORS والعوازل INSULATORS
1- الموصلات :
وهى المواد تمرر التيار الكهربى خلالها بسهولة حيث لا يجد منها سوى مقاومة بسيطة جدا لسريانه .
2- العوازل :
وهى المواد التى يقابل فيها التيار الكهربى بمقاومة شديدة يبذل فيها طاقة كبيرة جدا فى محاولته للمرور خلالها ولكن هيهات.
والأسلاك الكهربية التى نستخدمها تصنع من هاذين النوعين من المواد حيث يكون السلك الداخلى من مادة موصلة مغطاً بغلاف من مادة عازلة وذلك لعدة أسباب من أهمها حماية جسدك من صدمة كهربية عندما تلمس تلك الأسلاك . والسبب الأخر هو عزل الأسلاك عن بعضها حتى لا يحدث قصربينها وهذا القصر ممكن أن يؤدى إلى إنصهارها وإحداث حرائق وانفجارات وخسائر فى الأرواح.
من الموصلات الجيدة (الذهب و النحاس والفضة ) أما من العوازل الجيدة (البيلاستيك والزجاج والهواء )
توجدبعض المواد لا تنستطيع أن نقول عنها أنها موصلة كما لا نستطيع أن نقول أنها عازلة وهذه المواد أطلق عليها أسم أشباه الموصلات semi-conductors وهى مثل (الكربون والسيلكون والجرمانيوم )
وهذه الأشباه موصلات مهمة جدا فى مجال الإلكترونيات حيث تصنع منها كثير من المكونات الإلكترونية من المقاومات إلى الترانزستورات إلى الدوائر المتكاملة IC والتى هى أساس البناء فى مكونات حاسبك الشخصى .
يوجد نوع أخر يمكن لبعض المواد أن تصنف خلاله وهو الموصلات الفائقة Superconductivity حيث يمر التيار الكهربى فى هذه المواد دون أى مقاومة
