الأحد , نوفمبر 29 2020

الكهرباء

 

قبل معرفة الكهرباء بفترة طويلة، كان الناس على دراية بالصدمات التي يحدثها سمك الرعاش، وقد أشارت النصوص التي تركها قدماء المصريين، والتي يرجع تاريخها إلى سنة 2750 قبل الميلاد، إلى هذه الأسماك باسم “صاعقة نهر النيل”، كما وصفوها بأنها حامية جميع الأسماك الأخرى. وبعد حوالي ألف عام، أشار إليها أيضًا الإغريق والرومان وعلماء الطبيعة والأطباء المسلمون. ولقد أكد الكتّاب القدامى، مثل بليني الأكبر وسكريبونيس لارجوس على الإحساس بالتنميل الناتج عن الصدمات الكهربائية التي يحدثها سمك السلّور الصاعق وأنقليس الرعاد الكهربائي. كما اكتشف هؤلاء الكتّاب أن هذه الصدمات يمكن أن تنتقل عبر الأجسام الموصلة. وبجميع الأحوال، ينسب أقدم وأقرب أسلوب لاكتشاف ماهية البرق والكهرباء الصادرة عن أي مصدر آخر إلى العرب الذين أطلقوا كلمة “رعد” العربية على الرَّعَّاد قبل القرن الخامس عشر. وقد كان معروفًا في الثقافات القديمة للدول المطلة على البحر الأبيض المتوسط أن هناك أجسامًا معينة مثل قضبان الكهرمان، يمكن حَكِّها بفرو قطة فتجذب الأجسام الخفيفة مثل الريش. وقد قام العالم والفيلسوف الإغريقي، طاليس الملطي، حوالي عام 600 قبل الميلاد بتسجيل مجموعة من الملاحظات تتعلق بالكهرباء الساكنة. وبعد هذه الملاحظات، توصل إلى أن الاحتكاك يحول الكهرمان إلى مادة مغناطيسية. وعلى عكس ذلك، لا تحتاج المعادن، مثل الماغنتيت المعروف باسم أكسيد الحديد الأسود، إلى عملية الاحتكاك حتى تكتسب صفة المغناطيسية. إلا أن طاليس كان مخطئًا في اعتقاده بأن سبب الانجذاب هو التأثير المغناطيسي، فقد أثبتت الأبحاث العلمية فيما بعد وجود علاقة بين المغناطيسية والكهرباء. ووفقًا لإحدى النظريات المثيرة للجدل، فقد عرف البارثيون، إحدى شعوب بلاد فارس، الطلاء الكهربائي وفقًا لما أفادت المعلومات التي تحصلت من اكتشاف بطارية بغداد عام 1936. وعلى الرغم من أن هذه البطارية تشبه الخلية الجلفانية، فإنه من غير المؤكد ما إذا كانت ذات طبيعة كهربية أم لا.

بنيامين فرانكلين، أبرز العلماء والباحثين في مجال الكهرباء، حيث أجرى أبحاثًا شاملة حول هذا الموضوع في القرن الثامن عشر

ظلت الكهرباء لا تعني أكثر من مجرد فضول فكري لآلاف السنين حتى عام 1600. ففي ذلك العام، أجرى الطبيب الإنجليزي ويليام جيلبرت دراسة دقيقة حول الكهرباء والمغناطيسية، وفرّق فيها بين تأثير حجر المغناطيس والكهرباء الساكنة التي تنتج عن احتكاك مادة الكهرمان. وابتكر كلمة “electricus” وهي باللغة اللاتينية الجديدة (“من الكهرمان” أو “شبيه الكهرمان”، ومأخوذة من “ήλεκτρον” أي “إلكترون”، وهي المرادف اليوناني لكلمة “كهرمان”) للإشارة إلى خاصية جذب الأجسام الصغيرة بعد حكها. أدى هذا الارتباط إلى إبراز الكلمتين “Electric” و”Electricity” اللتين ظهرتا لأول مرة في كتاب توماس براون “الأخطاء الشائعة” (باللاتينية: Pseudodoxia Epidemica) الذي صدر عام 1646.

مايكل فاراداي، واضع أسس تقنية المحرك الكهربائي.
وقد قدم أوتو فون جيريك وروبرت بويل وستيفن جراي وسي إف ديو فاي المزيد من الأعمال. وأجرى بنيامين فرانكلين في القرن الثامن عشر أبحاثًا شاملة بشأن الكهرباء، حتى أنه اضطر إلى بيع ممتلكاته لتمويل أبحاثه. وقيل أنه في شهر حزيران/يونيو من سنة 1752، قام بربط مفتاح معدني أسفل خيط طائرة ورقية رطب وأطلق الطائرة في سماء تنذر بهبوب عاصفة. ثم لاحظ مجموعة متلاحقة من الشرارات تخرج من المفتاح إلى ظهر يده، الأمر الذي برهن على أن البرق ذو طبيعة كهربائية بالفعل. نشر لودجي جالفاني عام 1791 اكتشافه الخاص بالكهرباء الحيوية الذي أظهر أن الكهرباء هي الوسيط الذي تقوم من خلاله الخلايا العصبية بنقل الإشارات إلى العضلات.

وفي عام 1800، اخترع أليساندرو فولتا أول بطارية كهربائي

 مايكل فاراداي، واضع أسس تقنية المحرك الكهربائي.
مايكل فاراداي، واضع أسس تقنية المحرك الكهربائي.

ة وأطلق عليها اسم “البطارية الفولتية”. وكانت مصنوعة من طبقات متوالية من الزنك والنحاس. ولقد مَدّت هذه البطارية العلماء بمصدر للطاقة الكهربائية يمكن الاعتماد عليه أكثر من الماكينات الإلكتروستاتية التي كانت تُستخدم من قبل. ويرجع الفضل في التعرّف على الكهرومغناطيسية، أي وحدة الظواهر الكهربية والمغناطيسية، إلى هانز كريستيان أورستد وأندريه-ماري أمبير في الفترة الممتدة بين عامي 1819 و1820، ثم اخترع مايكل فاراداي المحرك الكهربائي عام 1821. كما قام جورج أوم بتحليل الدائرة الكهربائية حسابيًا عام 1827.

وعلى الرغم من أن أوائل القرن التاسع عشر شهدت تقدمًا سريعًا في علم الكهرباء، فإن أواخر القرن نفسه شهدت أعظم تقدم في مجال الهندسة الكهربائية. وتحولت الكهرباء من مجرد فضول علمي مُحير إلى أداة رئيسية لا غنى عنها في الحياة العصرية وأصبحت القوة الدافعة للثورة الصناعية الثانية. وكل ذلك تحقق بفضل بعض الأشخاص مثل نيقولا تسلا وتوماس إديسون وأوتو بلاثي وجورج ويستنغهاوس وإرنست ويرنر فون سيمنز وألكسندر غراهام بيل واللورد ويليام تومسون، بارون كلفن الأول.

مصطلحات شائعة

الشحنة الكهربائية
الشحنة الكهربائية هي خاصية موجودة في مجموعة معينة من الجسيمات دون الذرية، وهي سبب توليد القوة الكهرومغناطيسية فضلاً عن تفاعلها معها. وتعد القوة الكهرومغناطيسية واحدة من القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة. وتنشأ الشحنة في الذرة التي يعد الإلكترون والبروتون أشهر حامليها. كما أنها كمية مخزنة، أو بمعنى آخر، أن الشحنة الكائنة داخل نظام معزول ستظل ثابتة بغض النظر عن أي تغييرات تحدث داخل هذا النظام ومن الممكن أن تنتقل الشحنة بين الأجسام داخل النظام، إما عن طريق الاتصال المباشر أو المرور من خلال مادة موصلة، مثل السلك. ويشير مصطلح “الكهرباء الساكنة” إلى وجود (أو عدم توازن بين) شحنات على الجسم. وعادةً ما يحدث ذلك عندما يتم حك المواد المختلفة معًا فتنتقل الشحنة من مادة إلى أخرى.

تتسبب الشحنة الكهربائية الموجودة على المكشاف الكهربائي ذهبي الوريقات في تنافرهما بشكل واضح.


إن وجود شحنة كهربائية هو ما يولد القوة الكهرومغناطيسية: إذ أن الشحنات تدفع بعضها البعض بالقوة، وهذا التأثير كان معروفًا منذ قديم الزمن على الرغم من عدم فهمه. فمن الممكن شحن كرة خفيفة الوزن معلقة بسلك عن طريق ملامستها لقضيب من الزجاج مشحون من خلال حَكِّه في قطعة من القماش. وفي حالة شحن كرة أخرى مماثلة بقضيب الزجاج نفسه، يُلاحظ أنها تتنافر مع الكرة الأولى؛ حيث أن الشحنة الكهربائية ستدفع الكرتين بعيدًا عن بعضهما البعض. كما تتنافر الكرتان المشحونتان عن طريق ملامستهما لقضيب من الكهرمان تم حَكِّه في قطعة من القماش. ومع ذلك، إذا تم شحن الكرة الأولى بقضيب الزجاج والثانية بقضيب الكهرمان، فستنجذبان إلى بعضهما البعض. وقد قام تشارلي أوجستين دو كولوم ببحث هذه الظواهر في القرن الثامن عشر وتوصل إلى أن الشحنة الكهربائية تظهر في شكلين متقابلين. وأدى هذا الاكتشاف إلى المسلمة المعروفة القائلة إن: “الشحنات الكهربائية المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب”.

إن القوة تعمل على الجسيمات المشحونة نفسها، ومن ثم تميل الشحنة إلى الانتشار بشكل متساوٍ قدر الإمكان على سطح موصل. سواء كانت تجاذب أم تنافر من خلال قانون كولوم الذي يكوّن علاقة بين القوة وحاصل ضرب الشحنات، وبين القوة والتربيع العكسي للمسافة بينها. أدى هذا الاكتشاف إلى البديهية الشهيرة: “قوة التنافر بين جسمين كرويين صغيرين مشحونين بالنوع نفسه من الكهرباء يتناسبان عكسيًا مع مربع المسافة بين مركزيهما”. تعد القوة الكهرومغناطيسية قوية جدًا، وتحتل المرتبة الثانية فقط من حيث القوة في التفاعلات القوية. ولكن بخلاف تلك القوة، يمتد تأثير الكهرومغناطيسية عبر جميع المسافات. ومقارنةً بقوة الجاذبية الأكثر ضعفًا، فإن القوة الكهرومغناطيسية التي تدفع إلكترونين بعيدًا عن بعضهما أكبر من قوة التجاذب التثاقلي التي تجذبهما معًا بحوالي 1042 مرة.

تتقابل الشحنة الكهربائية الموجودة على الإلكترونات والبروتونات، ولذلك يوصف مقدار الشحنة بأنه سالب أو موجب. وقد جرت العادة على اعتبار الشحنة التي تحملها الإلكترونات سالبة والتي تحملها البروتونات موجبة. وبدأت هذه العادة مع أعمال بنيامين فرانكلين. يُرمز إلى مقدار الشحنة عادةً بالرمز “Q” ويُعبر عنه بوحدة الكولوم. ويحمل كل إلكترون الشحنة نفسها والتي تساوي تقريبًا -1.6022×10−19 كولوم. ويحمل البروتون شحنة متعادلة ومتقابلة، تساوي +1.6022×10−19 كولوم. ولا تنحصر الشحنة الكهربائية في المادة فقط، بل توجد كذلك في المادة المضادة. فكل جسيم مضاد يحمل شحنة متعادلة ومتقابلة مع الجسيم المماثل له.

بالإضافة إلى ذلك، من الممكن قياس الشحنة الكهربائية بعدة وسائل، مثل المكشاف الكهربي ذهبي الوريقات والذي يحتوي على شريطين رقيقين من أوراق الذهب متدليين في إناء زجاجي فيبتعدان عن بعضهما البعض عندما يشحنان، وتعتمد زاوية ابتعادهما على كمية الشحنة. وعلى الرغم من أن استخدام هذا المكشاف مستمر حتى الآن في التجارب الإيضاحية داخل الفصول الدراسية، فإن الإلكترومتر الإلكتروني قد حل محله.

التيار الكهربائي

تُعرف حركة الشحنة الكهربائية باسم التيار الكهربائي الذي تقاس شدته عادةً بوحدة الأمبير. ويتكون التيار الكهربائي من أية جسيمات مشحونة ومتحركة. وتعد الإلكترونات الأكثر شيوعًا بين هذه الجسيمات، ولكن أي شحنة متحركة يمكنها أن تكون تيارًا. ووفقًا لما هو متعارف عليه، فإن التيار الموجب يُعَرّف بأنه التيار المتدفق في الاتجاه نفسه الذي تتدفق فيه أية شحنة موجبة يحملها؛ أو أنه التيار المتدفق من أقصى طرف موجب في الدائرة الكهربائية إلى أقصى طرف سالب. ويُطلق على هذا النوع من التيارات اسم التيار الاصطلاحي. وبالتالي، تعد حركة الإلكترونات السالبة حول الدائرة الكهربائية ـ وهي أحد أشهر أشكال التيار الكهربائي ـ موجبة في الاتجاه المقابل لاتجاه الإلكترونات. ومع ذلك، فإنه وفقًا للظروف المحيطة يمكن أن يتكون التيار الكهربائي من تدفق الجسيمات المشحونة (الجسيم المشحون) في أيٍّ من الاتجاهين أو حتى في كلا الاتجاهين في وقت واحد. ويشيع استخدام المصطلحين السالب والموجب لتبسيط هذه الحالة.

المجال الكهربائي

تَحَدّث مايكل فاراداي عن مفهوم المجال الكهربائي، فقال أنه ينشأ من خلال جسم مشحون في الحيز المحيط به، ويُحْدث قوة على أيٍّ من الشحنات الأخرى داخل المجال. ويعمل المجال الكهربائي بين شحنتين بالطريقة نفسها التي يعمل بها مجال الجاذبية بين كتلتين (كتلة). كما يتمدد المجال الكهربائي، مثله في ذلك مثل مجال الجاذبية، إلى ما لا نهاية ويظهر علاقة تربيع عكسي مع المسافة، ومع ذلك، يوجد اختلاف مهم بينهما:

إذ تعمل الجاذبية دائمًا على عنصر الجذب، فتجذب كتلتين نحو بعضهما البعض. بينما قد يتسبب المجال الكهربائي في جذب الجسيمات أو تنافرها. وبما أن الأجسام كبيرة الحجم، مثل الكواكب، لا تحمل عادةً أي صافي شحنة، فإن المجال الكهربائي عن بُعد يساوي صفر. وبالتالي، تعد الجاذبية القوة الغالبة في الكون، على الرغم من ضعفها مقارنةً بالقوى الأخرى.

خطوط المجال المنبعثة من شحنة موجبة فوق موصل مستوي.
بشكل عام، يختلف الحيز الذي يشغله المجال الكهربائي، وتُعرّف شدته في أي نقطة على أنها القوة (لكل وحدة شحنة) التي تشعر بها شحنة ثابتة ومهملة إذا وضعت عند هذه النقطة. ويجب أن تكون الشحنة التصورية، التي يطلق عليها اسم “شحنة اختبار” شديدة الصغر حتى تمنع مجالها الكهربائي من التشويش على المجال الرئيسي. كما ينبغي أن تكون ثابتة حتى تمنع تأثير المجالات المغناطيسية (المجال المغناطيسي). وبما أن المجال الكهربائي يتم تعريفه من منطلق القوة، وبما أن القوة تعتبر متجهًا، يُستخلص من ذلك أن المجال الكهربائي متجه أيضًا وله مقدار واتجاه. وبشكل أدق، يعد المجال الكهربائي مجالاً متجهيًا.

 

الجهد الكهربائي

يرتبط مفهوم الجهد الكهربائي ارتباطًا وثيقًا بالمجال الكهربائي. فالشحنة الصغيرة الموجودة داخل المجال الكهربائي تواجه قوة، ويتطلب نقل هذه الشحنة إلى تلك النقطة المضادة للقوة بعض الشغل. ويتم تعريف الجهد الكهربائي في أي مرحلة على أنه الطاقة اللازمة لجلب وحدة شحنة الاختبار ببطء من بُعد لا نهائي إلى هذه النقطة. ويُقاس الجهد الكهربائي عادةً بوحدة الفولت. والفولت الواحد عبارة عن الجهد الذي يجب أن يستهلكه جول من الشغل لجلب كولوم من الشحنة الكهربائية اللانهائية. وعلى الرغم من أن تعريف الجهد الكهربائي تصوري، فإنه يتضمن جانبًا عمليًا بسيطًا. ويعتبر المفهوم الأكثر أهمية هو فرق الجهد الكهربائي، ويُعَرّف بأنه الطاقة اللازمة لتحريك وحدة شحنة بين نقطتين محددتين. ويتمتع المجال الكهربائي بخاصية مميزة، وهي أنه “محافظ” ـ الأمر الذي يعني أن المسار الذي تتخذه شحنة الاختبار ليست مهما: فكل المسارات بين نقطتين محددتين تستهلك مقدار الطاقة نفسه. وبالتالي، يمكن تحديد قيمة مميزة لفرق الجهد. ويُعرف الفولت بأنه وحدة لقياس ووصف فرق الجهد الكهربائي، حتى أن مصطلح الجهد الكهربائي يزيد استخدامه اليومي بصورة كبيرة.

وفيما يتعلق بالأغراض العملية، من المفيد أن تُحدد نقطة إسناد مشتركة يتم من خلالها التعبير عن الجهود ومقارنتها. وفي حين أن هذا الأمر قد يكون لا نهائيًا، فإن الإسناد الأكثر إفادةً هو كوكب الأرض نفسه الذي يفترض البعض أن جهده لا يتغير في أي مكان. ويطلق على نقطة الإسناد هذه عادةً اسم الأرضي (يطلق عليه باللهجة البريطانية “Earth” وبالأمريكية “Ground”). ويفترض أن الأرض مصدر لا نهائي من كميات متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة. وبالتالي، فهي غير مشحونة كهربائيًا وغير قابلة لإعادة للشحن. الجهد الكهربائي عبارة عن كمية سلمية أو قياسية أي أن له مقدار فقط ولا اتجاه له. ومن الممكن اعتباره مشابهًا للارتفاع: فكما يسقط الجسم الحر عند ارتفاعات مختلفة بفعل الجاذبية، تسقط كذلك الشحنة الكهربائية عند جهود مختلفة بفعل المجال الكهربائي.

المصدر

ويكابيديا

عن احمد عبد الوهاب

بكالوريوس هندسة كهربائية - الجامعة المستنصرية - بغداد . دبلوم الكترونيك - معهد التكنولوجيا - بغداد . عضو نقابة المهندسين العراقيين.

شاهد أيضاً

الموقت الزمني 555

إن الموقت 555 IC عبارة عن دائرة (رقاقة) متكاملة تستخدم في مجموعة متنوعة من تطبيقات …

error: عذرا المحتوى محمي من النسخ !!