جدول المحتويات
تلعب الكهرباء دوراً رئيسياً في حياتنا، حيث إنّ الأجهزة والوسائل بمختلف أنواعها تعتمد اعتماداً كاملاً على الطاقة الكهربائية، ومهما كان الجهاز الكهربائي الذي من الممكن أن يخطر في البال، فهو من دون أدنى شك قطعة من الخردة عندما تنعدم الكهرباء من حياتنا.
تعريف التيار الكهربائي
يعرّف التيار الكهربائي (Electric current) على أنه معدّل سريان سيل من الإلكترونات الحرة يتدفق عبر موصّل في اتجاه معين تحت تأثير الجهد الكهربائي، فإذا تدفّق عدد قليل من الإلكترونات تكون شدة التيار مرتفعة.
التيار الكهربائي يمثّل كمية متجهة أي له مقدار واتجاه، ويمكن تشبيهه بالمياه المتدفقة في القناة، ونقول بأن كمية المياه المتدفقة خلال الثانية الواحدة يمكن التعبير عنها بنفس الطريقة عن شدة التيار الكهربائي المار خلال ثانية عبر موصّل نحاسي، فكلّما كان عدد الإلكترونات المارّة من نقطة معينة أكبر كلّما زادت شدة التيار الكهربائي وكلّما كان عدد الإلكترونات المارّة من نقطة معينة أقل كلّما نقصت شدة التيار الكهربائي.
يقسم التيار الكهربائي إلى نوعين: تيار مستمر Direct current وتيار متناوب Alternating current، وقد اخترع العالم “توماس أديسون” التيار المستمر واستخدمه في إضاءة المصابيح الكهربائية في الشوارع في عام 1882 لأول مرة في مدينة نيويورك في الولايات المتحدة الأمريكية، أما بالنسبة للتيار المتناوب فإن براءة اختراعه ترجع إلى المهندس والمخترع الصربي الأمريكي “نيكولا تيسلا”.
التيار الاصطلاحي
يؤدي سريان الشحنة الكهربائية الموجبة إلى توليد التيار الكهربائي نفسه الذي يتولّد عن السريان العكسي للشحنة الكهربائية السالبة، وهكذا، تؤدي التدفقات العكسية للشحنات الكهربائية المتقابلة إلى توليد تيار كهربائي أحادي. لهذا السبب، يمكن عادة تجاهل نوعية الشحنة الكهربائية للشحنات المنبعثة خلال عمليات القياس، لأنه من المفروض أن تكون كل الشحنات موجبة القطبية، هذا النوع من التدفق يعرف باسم التيار الاصطلاحي، ويعبّر التيار الاصطلاحي عن كل خصائص التيار باستثناء إشارة شحنة الأجسام الناقلة للتيار.
في الفلزات الصلبة مثل الأسلاك، تظل الجسيمات الحاملة للشحنة الكهربائية الموجبة ساكنة، وتتحرك فقط الإلكترونات سالبة الشحنة، ولأن الإلكترون يحمل شحنة كهربائية سالبة، فإن هذا يكشف سبب أن حركة الإلكترون في أي فلز تكون معاكسة لاتجاه التيار الاصطلاحي.
من الأمثلة الطبيعية لمصادر توليد التيار الكهربائي شرارة البرق والرياح الشمسية أيضاً تولّد التيار الكهربائي ومصدر الشفق القطبي بنوعيه: الشفق القطبي الشمالي والشفق القطبي الجنوبي يتمثّل الشكل الاصطناعي للتيار الكهربائي في سريان إلكترونات التوصيل في أسلاك معدنية، مثلما يحدث في خطوط القدرة الكهربائية المعلّقة التي تعمل على توصيل الطاقة الكهربائية عبر مسافات طويلة وكذلك في الأسلاك الأصغر الموجودة في الأجهزة الكهربائية والالكترونية، وفي الإلكترونيات، توجد أشكال أخرى للتيار الكهربائي، منها سريان الإلكترونات عبر مقاومات، أو عبر الفراغ في صمّام مفرغ، وسريان الأيونات داخل بطارية أو خلية عصبية، وأيضاً لدينا سريان الفجوات عبر شبه موصّل.
أنواع التيار الكهربائي
يقسم التيار الكهربائي إلى نوعين: مستمر ومتناوب، إذ يستخدم كل منهما في تطبيقات عملية عديدة، كإضاءة مصباح كهربائي أو تشغيل الأجهزة الكهربائية بمختلف أنواعها، ولكن ما يميز أحدهما عن الآخر هو طريقة تدفق الشحنات الكهربائية في كل منهما، وفيما يلي توضيح أكبر للمفهومين والفروقات بينهما:
التيار المستمر Direct current
ما هو التيار المستمر؟
يعرّف التيار المستمر DC على أنه تيار كهربائي يتدفق في اتجاه واحد ثابت، حيث يمكن له أن يتدفق عبر الموصّلات مثل السلك وأشباه الموصّلات وحتى عبر المواد العازلة وعبر الفراغ أيضاً كما يلاحظ في الحزم الإلكترونية أو الأيونية، ويتولد أيضاً في البطاريات والخلايا الشمسية وبعض مصادر الطاقة الأخرى، ويسمّى التيار المستمر أيضاً باسم التيار الثابت حيث كان يسمّى سابقاً باسم”التيار الغلفاني”.
ما هي مميزات التيار المستمر؟
تم استخدام التيار المستمر في ثمانينيات القرن التاسع عشر بشكل واسع مثله مثل التيار المتناوب، إذ اقتصرت تطبيقات الطاقة الكهربائية في ذلك الحين على الإضاءة والإنارة ولكن وفي وقت لاحق، نشأ جدل بين العلماء حول أفضلية أحدهما على الآخر (التيار المستمر أم المتناوب؟) لتوليد الطاقة ونقلها، وفيما يلي ذكر لبعض مميزات التيار المستمر:
- عند الاعتماد على التيار المستمر في وظيفة نقل الطاقة الكهربائية من مكان لآخر فإن كل ما يلزم هو سلكين فقط عوضاً عن ثلاثة أسلاك، ويتميز أيضاً بأن له مفاعلة كهربائية سعوية و حثية قليلة.
- تم استخدام التيار المستمر في بطاريات السيارات القديمة.
- يمكن تحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر وذلك من خلال استخدام “دائرة تقويم جسرية”.
- يعد السبب في تدفق الإلكترونات فيه هو القوة المغناطيسية الثابتة على طول السلك فيه.
- تردد التيار الكهربائي المستمر يساوي الصفر.
- يتميز التيار المستمر بثبات قيمته مع الزمن.
- يتم استخدام البارامترات المجهولة المقاومة فقط.
- يبلغ معامل قوته الواحد دوماً.
- يتميز بأن موجته تكون على شكل نبضات مستمرة.
ما هي عيوب التيار المستمر؟
وصلت حرب التيارات ذروتها عام 1893، وذلك عند منح عقد توفير الكهرباء لمعرض شيكاغو العالمي لشركة “ويستنجهاوس” Westinghouse التي توصّلت في المحصلة إلى أن التيار المتردد أقل كلفة من التيار المستمر بنسبة 30%، مما جعل التيار المتناوب في تسعينيات القرن التاسع عشر يتفوق على التيار المستمر، وفيما يلي ذكر لبعض عيوب التيار المستمر:
- لا يعمل التيار الثابت في محولات الطاقة وذلك لأن المحوّلات تحتاج إلى جهد عالي لنقل الطاقة.
- يسبب استخدام التيار الثابت في المولّدات الكهربائية خسائر عالية، وذلك بسبب حركة الجزء الدوّار ومقاومة الفرشاة فيها.
- يجب مراعاة القطب الموجب والقطب السالب خاصة عند التوصيل إذ أن عكس تلك الأقطاب في الدارات الكهربائية المباشرة ينتج عنها تلف تلك الدارة أو بعض من عناصرها وفي بعض الأحيان ينشب عنها حريق.
- عدم قدرة التيار الكهربائي المستمر على الانتقال إلى مسافات بعيدة في السلك الكهربائي.
- خطورة التيار المباشر المستمر أعلى منها في حالة التيار المتردد المتناوب.
استخدامات التيار المستمر
- يقوم التيار المستمر DC بتدفق الشحنة الكهربائية في نفس الاتجاه وذلك بعكس التيار الكهربائي المتناوب، ولذلك يتم استخدامه في أنظمة مقيدة وتطبيقات تعمل بنظام البطاريات وتنتج تياراً كهربائياً مستمر فقط ولا تقدّم أي تيار كهربائي متناوب.
- يتم استخدامه أيضاً في أنظمة الطاقة الشمسية نظراً لقدرة الخلايا الشمسية على توليد تيار كهربائي مستمر فقط.
- يتم الاستخدام الأكبر للتيار المستمر في مجال الخلايا الكهروضوئية، وذلك في الأنظمة الشمسية المتنقلة، وأيضاً في التطبيقات غير المرتبطة مع الشبكة.
التيار المتناوب
ما هو التيار المتناوب؟
يتم تعريف التيار المتناوب AC بأنه التيار الكهربائي التي تقوم فيه الشحنة الكهربائية بعكس اتجاهها بشكل متناوب مرة تلو الأخرى، وهو التيار الكهربائي الذي يتم استخدامه لتغذية المنشآت مثل الشركات والمنازل، حيث إنّ شكل موجات طاقة التيار المتناوب في دارة كهربائية تأخذ شكل موجات جيبية موجبة والتي تختلف بحسب التطبيق المستخدمة فيه، فمنها ما تكون موجات مثلثة الشكل ومنها ما تكون رباعية، ويسمى التيار المتناوب أيضاً باسم التيار المتردد.
إذاً التيار المتردد هو التيار الذي تقوم به الشحنات الكهربائية بتغيير اتجاهها بشكل دوري وتقوم بالتذبذب في مكانها ذهاباً وإياباً حوالي 50 أو 60 مرة لكل ثانية على حسب النظام الكهربائي المستخدم، وبالتالي فهو يقوم بتغيير اتجاه سريانه بين القطبين الموجب والسالب أي أنه يمتاز بتغيير الاتجاه والشدة وتأخذ موجاتها شكل الموجات الجيبية الموجبة.
ما هي مميزات التيار المتناوب؟
على الرغم من شعبية التيار المستمر بين العلماء في ثمانينيات القرن التاسع عشر، إلا أن أهمية التيار المتناوب لم تكن شيئاً سريع الاكتشاف فقد استغرق الأمر وقتاً إلى أن تم اكتشاف الأمر واثباته إذ قام “جورج وستنجهاوس” بشراء براءة اختراع التيار المتردد من “نيكولا تسلا” لبناء نظام طاقة يعمل بالتيار المتناوب، وعلى أثر ذلك كسب التيار المتناوب الحرب، حيث أنه ما زال إلى الآن المصدر الأكثر شعبية للتيار الكهربائي، وفيما يلي ذكر لبعض مميزات التيار المتناوب:
- يتميز التيار الكهربائي المتردد بأنه أكثر ملائمة عندما يتم نقل التيارات إلى مسافة طويلة.
- لا يفقد الكثير من طاقته لنقل وتوزيع الطاقة الكهربائية.
- يمتاز بتكلفته القليلة في نقله وذلك بالمقارنة مع التيار المستمر.
- يمكن تحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب باستخدام المقوّمات بكل سهولة.
- يمكن استخدامه في المحوّلات.
ما هي عيوب التيار المتناوب؟
- إن استخدام التيار المتناوب في شحن السيارات يعد محدوداً ومكلفاً.
- بسبب الفولتية العالية للتيار المتناوب فإنه يتطلب المزيد من العزل مما يعني صعوبة التعامل معه.
- إن مولّدات التيار المتناوب تولّد تيارات عالية مما قد يؤدي إلى حدوث صدمات كهربائية وحرائق.
- بما أن التيار المتناوب يتغير اتجاهه بالنسبة إلى الزمن بشكل دوري فعليه سيكون من الصعب تحديد القطب الموجب من السالب في فترة قصيرة من الزمن.
- يتأثر اتجاه التيار فيه بالمجال المغناطيسي، وعليه فإن التيار المتناوب أكثر عرضة للتشويش Noise.
- لا تعمل عليه المحركات الكهربائية من نوع DC مباشرة، وأيضاً قد تتلف بعض الأجهزة الكهربائية بسبب التردد الدوري لذلك التيار وعليه يجب تركيب دارة مقوّم للتيار ومواسع لضمان الحفاظ على نبضات مستمرة Pulsating current ومباشرة قدر الإمكان.
ما هي خصائص التيار المتناوب الجيبي؟
- يتغير اتجاه التيار فيه بالنسبة للزمن.
- يتم توليد التيار المتناوب إما من المولّدات الكهربائية أو بفعل الحث الكهرومغناطيسي كما في المحوّلات الكهربائية.
- بما أن التيار المتردد يتغير بالنسبة إلى الزمن فإنه ينتج موجة جيبية تتذبذب بتردد مقداره إما 50 أو 60 هرتز أي بمقدار 50 أو 60 موجة في الثانية الواحدة بحسب مصدر البلد.
- لا يقتصر تغيير الاتجاه فقط على التيار المتناوب وإنما شدة ذلك التيار أيضاً.
- هنالك العديد من أنواع التيار المتردد أهمها التيار المتردد المثلثي، والتيار المتردد الرباعي، والتيار المتردد الشبه منحرف، وأخيراً التيار المتردد الجيبي، والذي يعتبر الأكثر شيوعاً بعد التيار المتردد الرباعي المستخدم في جميع الأنظمة الرقمية Digital Systems.
- يتحدد اتجاه التيار الكهربائي المتردد بحسب القوة المغناطيسية الدوارة على طول السلك والتي تولد ذلك التيار.
- يتراوح معامل القدرة الكهربائية Power Factor لدى التيار المتردد من الصفر إلى الواحد الصحيح.
استخدامات التيار المتناوب
- يتم استخدام التيار الكهربائي المتردد في كل المجالات ومنها نقل الطاقة الكهربائية.
- يتم استخدامه اليوم في جميع المنازل بما تحويه من أجهزة كهربائية مثل الكومبيوتر والتلفاز، بل والكهرباء المنزلية أيضاً.
- على الرغم من أن الخلايا الشمسية تقوم بإنتاج تيار كهربائي مستمر فقط والذي يرمز له بالرمز DC إلا أنه يتم تحويل ذلك التيار إلى تيار كهربائي متردد والذي يرمز له بالرمز AC.
- يستخدم التيار الكهربائي المتردد في القيام بتشغيل الأجهزة الكهربائية التي تعمل بنظام التيار الكهربائي المتردد، وذلك من خلال استخدام جهاز يسمى بالـ “Inverter”.
- ومن الضروري وجود جهاز الـ “Inverter” لتحويل التيار الكهربائي المستمر إلى تيار كهربائي متناوب ويتم ذلك بهدف تشغيل كافة الأجهزة الموجودة في المنزل.
خصائص التيار الكهربائي
يعد التيار الكهربائي عنصراً مهماً في الدوائر الإلكترونية، لذا من المهم معرفة الخصائص الفيزيائية للتيار الكهربائي، وهي كالتالي:
الطاقة الكهربائية
ينتج التيار الكهربائي كنتيجة لتدفق الإلكترونات، ويعرف الشغل المنجز في تحريك تيار الإلكترونات بالطاقة الكهربائية، ومن المعروف أن الطاقة تتخذ عدة أشكال أي يمكن تحويلها من شكل لآخر، مثل الطاقة الحرارية والطاقة الضوئية، على سبيل المثال تتحول الطاقة الكهربائية في صندوق حديدي إلى طاقة حرارية، كما تتحول الطاقة الكهربائية في المصباح إلى طاقة ضوئية.
طريقة تدفق التيار الكهربائي
يوجد نوعان من التيار الكهربائي، التيار المتناوب AC والتيار المستمر DC ويتميز التيار المستمر بأنه يتدفق في اتجاه واحد فقط، ويستخدم في الغالب في التطبيقات ذات الجهد المنخفض، مثل شحن البطاريات، وتطبيقات الطائرات، بينما يتدفق التيار المتردد في اتجاهين، ويتم استخدامه في إنتاج الكهرباء لتشغيل الأجهزة المستخدمة في القطاع المنزلي والصناعي والتجاري على حد سواء.
شدة التيار الكهربائي
يقاس التيار الكهربائي بوحدة الأمبير A، ويعرّف الأمبير بأنه مقدار مرور كولوم واحد فقط من الشحنة الكهربائية بنقطة معينة في ثانية واحدة فقط، 1 أمبير= 1 كولوم/1 ثانية.
- مثال (1): احسب شدة التيار الكهربائي عند مرور كمية من الكهرباء مقدارها 5400 كولوم، في مقطع موصّل مدة خمس دقائق؟
- الحل: كمية الشحنات الكهربائية (ك)= 5400 كولوم، بينما الزمن (5) دقائق أي 5*60=300 ثانية. إذاً شدة التيار (ت)= 5400/300= 18 A (أمبير).
- مثال (2): احسب مقدار الشحنة الكهربائية المارة خلال مصباح، عندما يمر به تيار شدته 6A، في ثلاث ثواني؟
- الحل: باستخدام خاصية الضرب التبادلي نجد أن كمية الشحنات=شدة التيار*الزمن=6*3=18 كولوم.
- مثال (3): احسب الزمن اللازم لمرور شحنة كهربائية مقدارها 60 كولوم، بين نقطتين في دارة يمر بها تيار شدته 0.25 أمبير؟
- الحل: الزمن=كمية الشحنة/التيار= 60/0.25=240 ثانية.
اتجاه التيار الكهربائي
يعرف الاتجاه المتعارف عليه للتيار الكهربائي بأنه الاتجاه الذي تتحرك فيه الشحنة الموجبة إذ يوجّه التيار المتدفق في الدارة الكهربائية بعيداً عن الطرف الموجب ونحو الطرف السالب.
فرق الجهد الكهربائي
ليحدث تدفق التيار الكهربائي، يجب توافر عدد من الشروط، ويعدّ أولها وجود فرق جهد كهربائي بين نقطتين في مجرى سريان التيار، ويمكن تعريف مصطلح فرق الجهد بأن القوة الناتجة عن مجموعة من الإلكترونات في نقطة ما أكبر من قوة الإلكترونات في النقطة الأخرى، إذ تدفع القوة الأكبر الإلكترونات بعيداً عن النقطة الأولى باتجاه النقطة الثانية، وغالباً ما يتم توزيع الإلكترونات في العالم حولنا متساوياً إلى حد ما، لذا اخترع العلماء أنواعاً معينة من الأجهزة يمكن تراكم الإلكترونات فيها، الأمر الذي ينتج عنه فرق جهد، وبالتالي تيار كهربائي، ومثال ذلك البطارية.
وبذلك يكون فرق الجهد (بوحدة الفولت)=الشغل المبذول (بوحدة الجول)/كمية الشحنات الكهربائية (بوحدة الكولوم)، إذاً الفولت هو عبارة عن فرق الجهد بين طرفي موصّل عند بذل شغل مقداره (1 جول) لنقل كمية من الشحنات الكهربائية مقدارها (1 كولوم) بين طرفي موصل.
- مثال (1): إذا كان الشغل المبذول لتحريك شحنة كهربائية تقدّر بـ 500 كولوم بين نقطتين هو 5500 جول، احسب فرق الجهد.
- الحل: فرق الجهد= الشغل/كمية الشحنة=5500/500=11V (فولت).
- مثال (2): احسب الكمية الكهربائية التي تتحول عند مرورها في سخان إلى طاقة حرارية مقدارها 45000 جول، إذا علمت أن فرق الجهد بين طرفيه 225 فولت؟
- الحل: كمية الشحنة=الشغل/الجهد=45000/225= 200 كولوم.
المقاومة الكهربائية
الشرط الثاني المطلوب لتدفق التيار هو المسار الذي يمكن للإلكترونات أن تنتقل عبره، إذ إنّ بعض المواد قادرة على توفير مثل هذا المسار، والبعض الآخر ليس كذلك، وتعرف المواد التي تتمتع بالناقلية الكهربائية بالنواقل أو الموصّلات بينما تعرف المواد التي تمنع تدفق التيار الكهربائي بغير الموصّلات أو العوازل، والموصلية أو المقاومة الكهربائية خاصية طبيعية في المادة تعتمد على مقاومتها لحركة الإلكترونات، وترتبط الموصلية بعلاقة عكسية مع المقاومة، وتقاس المقاومة الكهربائية في وحدة تعرف باسم أوم، وعلى سبيل المثال، يتدفق التيار الكهربائي عبر الفضة بسهولة أكبر مما هي عليه في الرصاص، وتعتمد مقاومة السلك في دارة كهربائية على ثلاثة عوامل: طول السلك، ومساحة مقطعه العرضية، ومقاومة المواد التي تمت صناعة السلك من خلالها.
قانون “أوم”
ينص قانون أوم (بالإنجليزية: Ohm’s law) على أن الجهد المتولد عبر موصّل يتناسب طردياً مع التيار الكهربائي المار فيه، مع الثبات على نفس الظروف الخارجية من درجة حرارة ورطوبة والعوامل المادية الأخرى، وتمت تسمية هذا القانون بقانون أوم نسبة للعالم أوم، ويستخدم قانون أوم بشكل رئيسي فيما يأتي:
- تحديد الجهد أو التيار الكهربائي، أو المقاومة.
- استخدامه في الأميتر لقياس التيارات المستمرة وتحويلاتها.
- المساعدة على بقاء الجهد الكهربائي منخفضاً في الدارة الإلكترونية.
ويمكن صياغة قانون أوم رياضياً كما يأتي:
الجهد الكهربائي= التيار الكهربائي*المقاومة داخل الموصّل.
و بالرموز: ج = ت * م.
وباللغة الإنجليزية: Voltage =current * resistance
و بالرموز الإنجليزية: V = I * R
حيث إن:
- ج (V): الجهد الكهربائي، ويقاس بوحدة الفولت.
- ت (I): التيار الكهربائي، ويقاس بوحدة أمبير.
- م (R): المقاومة داخل الموصّل، وتقاس بوحدة الأوم.
ويحتوي القانون على عدة كميات، يمكن شرحها كما يلي:
- فرق الجهد: يمثّل الطاقة المحمولة لكل شحنة، رمزها (ج)، وحدة قياسها (فولت)، قانونها الرياضي: ج = ت * م.
- التيار الكهربائي: يمثّل كمية تدفق الشحنات في السلك، رمزه (ت)، وحدة قياسه (أمبير)، قانونه الرياضي: ت = ج / م.
- المقاومة الكهربائية: تمثّل خاصية يمتلكها المكوّن وتحد من انتقال الشحنة خلاله، رمزها (م)، وحدة قياسها (أوم)، قانونها الرياضي: م = ج / ت.
رمز التيار الكهربائي
يرمز للتيار الكهربائي بالحرف I وليس C، ويعود السبب لقانون أمبير الذي وضعه العالم الفرنسي أمبير الذي تكلّم عن فكرة الملف المغلق والتيار المتدفق في الملف والمجال المغناطيسي الناجم عن هذا التيار والذي يتولّد حول الملف، وقرر أمبير أن يطلق على معدّل تدفق الشحنة اسم “التيار-Current”، وكمية التيار بـ “شدة التيار- Current Intensity” لذلك اتخذ الحرف I رمزاً لكثافة التيار، وانتقل الرمز من فرنسا إلى بريطانيا حيث أصبح رمزاً قياسياً، ولكن بعد ذلك، وفي الكتب تحديداً، تم اختصار “شدة التيار- Current Intensity” إلى “التيار- Current” على الرغم من أن بعض الكتب القديمة لا زالت تكتبها كاملة من دون أي اختصار، وذلك ما أدى إلى إرباك وحيرة البعض أن يكون رمز التيار هو I وليس C، وقد اقترح البعض في المملكة المتحدة تعديل الرمز ليصبح C بدلاً من i و لكن لم يتم تنفيذ الفكرة، ربما لأنه قد تم التعود على الرمز I أو كي لا يحدث خلط مع رمز “السعة الكهربائية- Capacitance” وهو C الذي كان يستخدم في نفس الوقت.
شدة التيار الكهربائي وقياسه
يطلق على وحدة قياس التيار الكهربائي اسم “الأمبير”، إن شدة تيار تساوي 1 أمبير فذلك يعني أن شحنة قيمتها 1 كولوم مرّت عبر موصّل كهربائي خلال فترة زمنية مقدّر بثانية واحدة، ويعود أصل التسمية إلى العالم الفرنسي “أندريه ماري أمبير”.
يتم قياس التيار الكهربائي عادة بجهاز يطلق عليه اسم “الأميتر” بتوصيله بالتوالي مع العنصر الكهربائي المراد قياس التيار عبره، كما يقاس فرق الجهد الكهربائي بواسطة جهاز الفولتميتر، ويتم قياس المقاومة بواسطة جهاز الأوميتر ويتم توصيل الفولتميتر بالتوازي عادة مع العنصر الكهربائي المراد قياس قيمه، ويتم قياس قيمة شدة التيار الكهربائي بشكل رياضي باستخدام المعادلة الآتية: شدة التيار الكهربائي = فرق الجهد الكهربائي (فولت) / المقاومة الكهربائية (أوم).
فلو وضعنا مصدراً للجهد الكهربائي (بطارية على سبيل المثال) موصول على مقاومة كهربائية تبلغ قيمتها 2.2 أوم يصدر منها فرق جهد قيمته 9 فولت، فإن شدة التيار الكهربائي المار في تلك المقاومة يساوي 4.09 أمبير بعد تطبيق الأرقام على المعادلة السابقة.
سريان التيار الكهربائي في سلك فلزي
يحتوي الفلز الصلب (Solid) الموصل الناقل (Conductive) للكهرباء على كم هائل من الإلكترونات المتحركة أو حرة الحركة (Free electrons)، وترتبط هذه الإلكترونات بشبكة من الأسلاك الفلزية (Metal lattice) ولكنها لا ترتبط بأية ذرّة مفردة، وحتى في حالة انعدام المجال الكهربائي الخارجي، وتتحرك هذه الإلكترونات بصورة عشوائية لحد ما بفعل الطاقة الحرارية (Thermal energy) ولكن، في المتوسط، يكون صافي قيمة التيار داخل الفلز صفراً، وإذا افترضنا أنه لدينا سطحاً مستوياً يمر السلك من خلاله، فسنجد أن عدد الإلكترونات الحرة التي تتحرك من طرف لآخر في فترة زمنية X يتساوى تقريباً مع عدد الإلكترونات التي تمر في الاتجاه المعاكس.
إن أنسب سلك للتوصيل الكهربائي هو السلك(Wire) النحاسي (Copper) المجدول، وعند توصيل سلك من الفلز بطرفي مصدر جهد كهربائي (Voltage source) ذي تيار مستمر (DC) مثل البطارية (Battery)، سيعمل المصدر على توليد مجال كهربائي عبر الموصّل، وبمجرد توصيل السلك الفلزي، تندفع الإلكترونات حرة الحركة نحو الطرف الآخر الموجب في الموصّل بفعل ذلك المجال الكهربائي، وبالتالي، تمثّل الإلكترونات الحرة ناقل التيار الكهربائي (Current carrier) في الموصّل الصلب النموذجي، ففي تيار كهربائي شدته 1 أمبير، يندفع 1 كولوم (Coulomb) من الشحنة الكهربائية Electric charge (التي تتألف من نحو 6.242 إلكترون تقريباً مضروباً بـ 10 قوة 18) كل ثانية (Second) عبر أي سطح مستوي يمر من خلاله الموصّل.
في أي تدفق ثابت، يمكن حساب التيار I المقاس بالأمبير (Ampere) باستخدام المعادلة التالية: I = Q/T: حيث Q هو الشحنة الكهربائية (Electric charge) السارية مقاسه بالكولوم (Coulomb)، و T هو الزمن (Time) محسوباً بالثواني.
التيارات الكهربائية في الوسائط الأخرى
في الفلزات الصلبة، تتدفق الكهرباء بفعل تحرك الإلكترونات، تنطلق من الجهد الكهربائي الأدنى وتصل إلى الجهد الكهربائي الأعلى (لاحظ أن التيار الكهربائي معرّف عكسياً أي أن الإلكترونات تتجه من الأعلى للأسفل ولكن ينظر مهندسو الكهرباء إلى التيار الموجب أنه من الأسفل للأعلى أي أن التيار في الحقيقة يسير من القطب السالب وهو الأدنى إلى القطب الموجب وهو الأعلى) أما في أي وسط آخر فإن أي تدفق لأجسام ذات شحنة كهربائية يمكن أن يؤدي إلى توليد تيار كهربائي.
في الفراغ، يمكن أن تتكون حزمة من الأيونات الموجبة أو الإلكترونات السالبة، أما في المواد الأخرى الموصّلة للكهرباء، فيتولّد التيار الكهربائي نتيجة لتدفق جسيمات ذات شحنة سالبة وأخرى ذات شحنة موجبة في آن واحد.
في المواد الساكنة يعود التيار الكهربائي في مجمله إلى سريان شحنة كهربائية موجبة، على سبيل المثال، تكون التيارات الكهربائية في الإلكتروليتات عبارة عن تدفقات من ذرّات ذات شحنة كهربائية (أيونات)، موجبة أو سالبة، وفي أي من الخلايا الكهروكيميائية الشهيرة التي تحتوي في تركيبها على حمض الرصاص، وتتكون التيارات الكهربائية من أيونات هيدروجيينية موجبة “بروتونات” تسري في اتجاه واحد وأيونات أخرى سالبة تسري في الاتجاه المعاكس للنوع الأول، أما بالنسبة للتيارات الكهربائية التي تسري في الشرارات أو البلازما، فهي عبارة عن تدفق دفعات من الإلكترونات وكذلك من أيونات من النوع الموجب والسالب، في الثلج وفي أنواع معينة من الإلكتروليتات الصلبة، يتألف التيار الكهربائي في مجمله من أيونات متدفقة.
في أشباه الموصّلات قد يكون من المفيد أحياناً التفكير في التيار الكهربائي على أنه نتاج سريان “فجوات” إلكترونية موجبة (وهي المواضع التي يجب أن تحتوي على إلكترون لتحقيق التعادل الكهربائي في الموصّل)، وهذا ما يحدث في شبه الموصّل من النوع الموجب.
سرعة تدفّق الشحنات الكهربائية
في أي موصّل تتحرك الجسيمات المتحركة الحاملة لشحنات كهربائية في اتجاهات عشوائية كما في جزيئات الغاز، ولكي يتولّد تدفّق صافي من الشحنات، يجب أن تتحرك هذه الجسيمات معاً بمتوسط معدّل تدفق معين، تعتبر الإلكترونات بمثابة العناصر الناقلة للشحنات الكهربائية في الفلزات حيث تسلك مسار عشوائي، بانتقالها السريع من ذرة لأخرى، لكنها تتدفق في نفس اتجاه المجال الكهربائي، ويمكن حساب سرعة انسياق الإلكترونات وفق المعادلة التالية:
i = n a v q
حيث i هو التيار الكهربائي.
و n هو عدد الجسيمات المشحونة كهربائياً لكل وحدة حجم.
و a هو مساحة المقطع العرضي في الموصّل.
و v هي سرعة الانسياق.
وأخيراً q هي الشحنة الكهربائية الموجودة في كل جسيم من الجسيمات.
تسري التيارات الكهربائية في الأجسام الصلبة ببطئ، على سبيل المثال، في سلك نحاسي لمقطع عرضي مساحته 0.5 ملم مربع، وشدة التيار الكهربائي المار منه تقدّر بـ 5 أمبير، تحسب سرعة تدفّق الإلكترونات بالملليمتر في الثانية، وإذا أخذنا مثال مختلف، ففي الفراغ الموجود داخل أنبوب أشعة الكاثود، تتدفق الإلكترونات في خطوط شبه مستقيمة (حركة بالستية) بسرعة تصل إلى 0.1 من سرعة الضوء تقريباً.
نذكر أن أية شحنة كهربائية متسارعة، وأي تيار كهربائي متغير، ينشأ عنها موجة كهرومغناطيسية تنتشر بسرعة كبيرة خارج سطح الموصّل، وتكون 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، في حين تتحرك الإلكترونات ذهاباً وإياباً عبر مسافة غاية في الصغر حصراً.
تعرف نسبة سرعة الموجة الكهرومغناطيسية لسرعة الضوء في الفراغ الحر باسم معامل السرعة، وتعتمد تلك النسبة على الميزات الكهرومغناطيسية للموصّل وعلى المواد العازلة المحيطة به وشكلها وحجمها.
لكي نتعرّف أكثر على طبيعة هذه السرعات الثلاث، يمكننا مقارنتها بالسرعات الثلاث المشابهة لها في الغازات، تتشابه سرعة الانسياق المنخفضة لعناصر حمل الشحنات الكهربائية، مع حركة الهواء، أما في حال السرعة العالية للموجات الكهرومغناطيسية، فتتشابه مع سرعة الصوت في الغاز، بينما تتشابه السرعة العشوائية للشحنات الكهربائية مع السرعة الحرارية لجزيئات الغاز ذات الحركة العشوائية.
الكهرومغناطيسية
الكهرومغناطيسية (باللغة الإنجليزية Electromagnetism) هو علم دراسة الشحنة الكهربائية من حيث عناصر متعددة هي القوى والمجالات المرتبطة بالشحنة الكهربائية سالبة كانت أو موجبة، وهو علم يجمع بين علم الكهرباء وعلم المغناطيسية اللذان يشكّلان معاً علم الكهرومغناطيسية، وحتى القرن التاسع عشر كان يتم النظر إلى الكهرباء والمغناطيسية على أنهما علمان منفصلان، إلى أن جاء العالم “ألبرت آينشتاين” وفي أطروحته للنظرية النسبية الخاصة والتي أثبتت فيما لا يدع مجالاً للشك على أن الكهرباء والمغناطيسية ما هما إلا جانبان لظاهرة واحدة مشتركة ألا وهي الكهرومغناطيسية.
أما مفهوم المجال الكهرومغناطيسي (باللغة الإنجليزية Electromagnetic field) فهو خاصية يتميز فيها الفراغ ناشئة عن شحنة كهربائية متحركة مما يؤدي إلى إنتاج مجال مغناطيسي ناشئ عنها، وينتج عن التفاعل المتبادل بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية مجالاً كهرومغناطيسياً، وتحت ظروف معينة يمكن وصف هذا المجال الكهرومغناطيسي بأنه موجة تنقل الطاقة الكهرومغناطيسية.
تتأثر الشحنة في هذا المجال المغناطيسي بقوة تسمى قوة لورنز (باللغة الإنجليزية Lorentz Force) وهي القوة المؤثرة على شحنة كهربائية موجبة كانت أو سالبة تتحرك في مجال كهرومغناطيسي، بحيث ستكون القوة أعلى ما يمكن عندما تتحرك الشحنة بشكل عمودي على المجال المغناطيسي، وستكون هذه القوة معدومة إذا تحركت الشحنة بشكل يوازي المجال المغناطيسي.
أما مفهوم الموجات الكهرومغناطيسية (باللغة الإنجليزية Electromagnetic wave) هي موجات تنشأ نتيجة التذبذب الحاصل بين المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي، وتتشكل الموجات الكهرومغناطيسية عندما يتفاعل المجال الكهربائي مع المجال المغناطيسي، ليكوّنا معاً ما يعرف باسم الموجات الكهرومغناطيسية، ويتعامد المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية على بعضهما البعض كما أنهما متعامدان على اتجاه الموجة الكهرومغناطيسية.
تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية بسرعة عالية جداً مماثلة لسرعة الضوء، حيث لا تحتاج لوسط كي تكون قادرة على الانتقال حيث يمكنها الانتقال عبر الهواء أو حتى عبر الفراغ، وتعتبر الموجات الكهرومغناطيسية موجات مستعرضة حيث توصف باتساعها وطولها الموجي.
يدرس علم الكهرومغناطيسية (باللغة الإنجليزية Electromagnetism)، التفاعل الحاصل بين المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي وكيفية حدوث هذا التفاعل والأمور التي تحدث نتيجة لهذا التفاعل، في حين أن القوى الكهربائية والمغناطيسية تقع ضمن نطاق هذه المجالات، وتعتبر هذه المجالات جميعها من العناصر الأساسية الوجود في الطبيعة والتي تتواجد في الفضاء بعيداً حتى عن الشحنة أو التيار الذي ولّدها، ومن دراسة علم الكهرومغناطيسية تمت ملاحظة أن المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي يمكن أن يولّد أحدهما الآخر.
من الأمثلة المهمة على هذا التفاعل ما يتم ملاحظته عند تطبيق مجال مغناطيسي متغير بأنه يولّد مجالاً كهربائياً، وهو ما يحدث أيضاً عند تطبيق مجال كهربائي متغير والذي يولّد بدوره مجالاً مغناطيسياً، وتوجد هناك العديد من تطبيقات الكهرومغناطيسية والأجهزة التي تستعمل الكهرومغناطيسية في مبدأ عملها والتي يستعملها البشر يومياً وباستمرار، وتستعمل في المجالات المتنوعة جميعها، ومن أبرزها ما يلي:
- مجال الأجهزة المنزلية: فمصابيح الفلورسنت وأفران المايكروويف ومكبرات الصوت في الأجهزة الكهربائية جميعها تعمل على مبدأ الكهرومغناطيسية.
- مجال التطبيقات الصناعية: العمليات فيها تعتمد على عمل المحركات وعمل المولّدات التي تنتج الطاقة الكهربائية والرافعات أيضاً وجميعها يعتمد على مبدأ الكهرومغناطيسية في عمله.
- بعض الأجهزة الطبية: مثل جهاز الرنين المغناطيسي (MRI) والذي يستخدم الكهرومغناطيسية ليصور التفاصيل الدقيقة داخل جسم الإنسان.
- أجهزة الاتصالات: والتي تستخدم جميعها الكهرومغناطيسية في عملها، فيتم نقل المعلومات من جهاز إرسال إلى جهاز استقبال على شكل طاقة، وتنقل هذه الطاقة عبر مسافات شاسعة عن طريق الموجات الكهرومغناطيسية بترددات عالية، وتسمى هذه الموجات أيضاً باسم مايكرويف أو موجات الراديو عالية التردد.
نذكر مساهمة العديد من العلماء في مجال الكهرباء ومجال المغناطيسية وتطويرهم علم الكهرومغناطيسية إلى أن وصل هذا العلم إلى شكله الحالي، نذكر أبرزهم: العالم أندريه “ماري أمبير” فرنسي الجنسية، والعالم الدنماركي “هانز كريستيان أورستد”، والعالم انجليزي الجنسية “مايكل فاراداي”، والأسكتلندي “جيمس كليرك ماكسويل”.
الاتجاه المرجعي
عند توصيل الدوائر الكهربائية، عادة ما يكون الاتجاه الفعلي للتيار الكهربائي عبر أي عنصر من عناصر الدارة الكهربائية غير محدد، ما يؤدي إلى تعيين قيمة تيار كهربائي متغيرة غير ثابتة لكل عنصر من عناصر الدارة الكهربائية على حدة وباتجاه مرجعي يتم اختياره عشوائياً، وبمجرد توصيل الدارة الكهربائية، قد تتولد شحنات موجبة أو سالبة في التيارات الكهربائية السارية في عناصر الدارة.
تعني القيمة السالبة أن الاتجاه الفعلي للتيار الكهربائي المار عبر هذا العنصر في الدارة يكون عكس الاتجاه المرجعي الذي تم اختياره.
معايير السلامة والأمان ضد مخاطر الكهرباء
مع تزايد معدّلات الحرائق المرتبطة باستخدام الطاقة الكهربائية سواء داخل الشركات والمنازل، التي أدت إلى وقوع وفيات، تبرز أهمية طرق الوقاية من مخاطر الكهرباء لحفظ الأرواح والممتلكات، وفيما يلي عدد من النصائح للحفاظ على السلامة العامة والشخصية من مخاطر الكهرباء:
- وضع أغطية السلامة على جميع المقابس التي يمكن للأطفال الوصول إليها.
- تبديل المقابس الجدارية التالفة.
- التأكد من أن جميع الدوائر الموجودة بالقرب من مصادر المياه قد تم تأمينها بقواطع أرضية.
- التأكد من أن القدرة على تحمل الطاقة الكهربائية لجميع المصابيح متماشية مع التركيبات وأنها تعمل بشكل سليم.
- عدم ترك الأجهزة الكهربائية في وضع التشغيل عند مغادرة المنزل.
- عدم ترك الأطفال بمفردهم قرب الأجهزة الكهربائية.
- تجنب تحميل المخرج الكهربائي بعدد كبير من الأجهزة.
- التأكد من فصل جميع الأجهزة الكهربائية غير المستخدمة.
- التأكد من سلامة ثرموستات السخانات وجهاز المنظم وصمّام الأمان.
- التأكد من كفاءة الأجهزة الكهربائية ومراعاتها للمواصفات القياسية.
ما الذي يحمي المنازل من التيار الكهربائي الكبير؟
ما لا خلاف فيه هو أن جميع الأجهزة الكهربائية بمختلف أنواعها معرضة لخطر عدم استقرار الجهد، حيث أن تجاوز الحدود المسموح بها ينطوي على مشاكل خطيرة، بما في ذلك انهيار المعدّات باهظة الثمن، وتلف الخط الكهربائي، وما نود قوله، هو الدور الرئيسي الذي تشغله أجهزة الحماية ضد التيار الكهربائي 220 فولت في سبيل حماية الأجهزة بمختلف أنواعها من التلف، وحماية البشر والمستهلكين من مشاكل الكهرباء المختلفة، فتلك الأجهزة هي صمّام الأمان الذي يجب أن يتواجد في كل بيت أو منشأة، ويتم تركيبه بإشراف أخصائي كهربائي، ودرهم وقاية خير من قنطار علاج.
