You are currently viewing الكهرباء ما هى؟
الكهرباء ما هى؟

الكهرباء ما هى؟

الكهرباء إسم يضم مجموعة من الظواهر الناتجة عن وجود شحنة كهربية وتدفقها. وتضم هذه الظواهر البرق والكهرباء الساكنة. ولكن تحتوى على مفاهيم أقل شيوع مثل المجال الكهرومغناطيسى والحث الكهرومغناطيسى.

أما فى الإستخدام العام فمن المناسب استخدام كلمة كهرباء للإشارة لعدد من التأثيرات الفيزيائية. ولكن فى الإستخدام العلمى يعد مصطلح غامضا. وهذه المفاهيم المتعلقة به يُفضل تعريفها وفق مصطلحات أكثر دقة كما يلى

  • الشحنة الكهربية  … هى خاصية الجسيمات دون الذرية تحدد التفاعلات الكهرومغناطيسية الخاصة بها. فالمادة المشحونة كهربيا تتأثر بالمجالات الكهرومغناطيسية وتنتجها.
  • التيار الكهربى … هو تدفق الجسيمات المشحونة كهربيا ويُقاس بالأمبير.
  • المجال الكهربى … هو تأثير تنتجه شحنة كهربية فى الشحنات الموجودة بالقرب منها.
  • الجهد الكهربى … قدرة المجال الكهربى على الشغل ويُقاس بوحدة الفولت.
  • الكهرومغناطيسية … هى التفاعل الأساسى الذى يحدث بين المجال المغناطيسى والشحنة الكهربائية وحركتها.

خضعت الظواهر الكهربية للدراسة منذ القِدم إلا أن علم الكهرباء لم يشهد أى تقدم حتى القرنين السابع عشر والثامن عشر. وظلت التطبيقات العملية المتعلقة بالكهرباء قليلة ولم يتمكن المهندسون من تطبيق علم الكهرباء فى الصناعة والإستخدامات السكنية إلا فى أواخر القرن التاسع عشر. وأدى التقدم السريع فى تكنولوجيا الكهرباء إلى إحداث تغييرات فى المجال الصناعى وفى المجتمع. والإستعمالات المتعددة للكهرباء كمصدر من مصادر الطاقة أظهر إمكانية استخدامها فى عدد من التطبيقات مثل المواصلات والتدفئة والإضاءة والاتصالات والحساب. فأساس المجتمع الصناعى الحديث يعتمد على استخدام الطاقة الكهربية ويمكن التكهن بأن الإعتماد على الطاقة الكهربائية سيستمر فى المستقبل.

الكهرباء ما هى؟

مفاهيم شائعة

الشحنة الكهربائية

الشحنة الكهربائية خاصية موجودة فى مجموعة من الجسيمات دون الذرية وهى سبب توليد القوة الكهرومغناطيسية فضلا عن تفاعلها معها. وتعد القوة الكهرومغناطيسية واحدة من القوى الأساسية الأربعة فى الطبيعة. وتنشأ الشحنة داخل الذرة و يعد الإلكترون والبروتون أشهر حامليها. كما أنها كمية مخزنة أو بمعنى آخر أن الشحنة الكائنة داخل نظام معزول تظل ثابتة بغض النظر عن أى تغييرات تحدث داخل هذا النظام  وتنتقل الشحنة بين الأجسام داخل النظام إما عن طريق الإتصال المباشر أو المرور من خلال مادة موصلة مثل السلك.

وتشير الكهرباء الساكنة لوجود شحنات على الجسم. ويحدث ذلك عندما يتم حك مواد مختلفة معا فتنتقل الشحنة من مادة لأخرى.

تتسبب الشحنة الكهربية الموجودة على المكشاف الكهربى ذهبى الوريقات فى تنافر.

إن وجود شحنة كهربية هو ما يولد القوة الكهرومغناطيسية إذ أن الشحنات تدفع بعضها بالقوة وهذا التأثير معروف منذ قديم الزمن على الرغم من عدم فهمه.

فمن الممكن شحن كرة خفيفة معلقة بسلك بملامستها لقضيب من الزجاج مشحون بحَكِّه فى قطعة من القماش. وفى حالة شحن كرة أخرى مماثلة بقضيب الزجاج نفسه يُلاحظ أنها تتنافر مع الكرة الأولى حيث أن الشحنة الكهربائية ستدفع الكرتين بعيد عن بعضهما. وتتنافر الكرتان المشحونتان بملامستهما لقضيب من الكهرمان تم حَكِّه فى قطعة من القماش. وإذا تم شحن الكرة الأولى بقضيب الزجاج والثانية بقضيب الكهرمان فسوف تنجذبان لبعضهما. وقد قام تشارلى أوجستين دو كولوم ببحث هذه الظواهر فى القرن الثامن عشر وتوصل لأن الشحنة الكهربية تظهر فى شكلين متقابلين. وأدى الإكتشاف للمسلمة المعروفة القائلة إن الشحنات الكهربية المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب. وإن القوة تعمل على الجسيمات المشحونة نفسها وتميل الشحنة للإنتشار بشكل متساوى قدر الإمكان على سطح موصل. سواء كانت تجاذب أم تنافر من خلال قانون كولوم الذى يكوّن علاقة بين القوة وحاصل ضرب الشحنات وبين القوة والتربيع العكسي للمسافة بينها. أدى هذا إلى البديهية الشهيرة “قوة التنافر بين جسمين كرويين صغيرين مشحونين بنفس النوع من الكهرباء يتناسبان عكسيا مع مربع المسافة بين مركزيهما”. وتعد القوة الكهرومغناطيسية قوية وتحتل المرتبة الثانية فقط من حيث القوة فى التفاعلات القوية. ولكن بخلاف تلك القوة يمتد تأثير الكهرومغناطيسية عبر كل المسافات. ومقارنة بقوة الجاذبية الأكثر ضعف فإن القوة الكهرومغناطيسية التى تدفع إلكترونين بعيد عن بعضهما أكبر من قوة التجاذب التثاقلى التى تجذبهما معا بحوالى 1042 مرة. تتقابل الشحنة الموجودة على الإلكترونات والبروتونات ولذلك يوصف مقدار الشحنة بأنه سالب أو موجب. وقد جرت العادة اعتبار الشحنة التى تحملها الإلكترونات سالبة والتى تحملها البروتونات موجبة. وبدأت هذه العادة مع أعمال بنيامين فرانكلين. يُرمز إلى مقدار الشحنة بالرمز “Q” ويُعبر عنه بوحدة الكولوم. ويحمل كل إلكترون الشحنة نفسها والتى تساوى تقريبا -1.6022×10−19 كولوم. ويحمل البروتون شحنة متعادلة ومتقابلة تساوى +1.6022×10−19 كولوم. ولا تنحصر الشحنة الكهربائية فى المادة فقط بل توجد فى المادة المضادة. فكل جسيم مضاد يحمل شحنة متعادلة ومتقابلة مع الجسيم المماثل والشبيه له. بالإضافة لذلك يمكن قياس الشحنة الكهربائية بعدة وسائل مثل المكشاف الكهربى ذهبى الوريقات والذى يحتوى على شريطين رقيقين من أوراق الذهب متدليين فى إناء زجاجى فيبتعدان عن بعضهما البعض عندما يشحنان وتعتمد زاوية ابتعادهما على كمية الشحنة. وعلى الرغم من أن استخدام هذا المكشاف مستمر حتى الآن فى التجارب الإيضاحية داخل الفصول الدراسية فإن الإلكترومتر الإلكترونى قد حل محله.

الكهرباء ما هى؟

التيار الكهربائى

تُعرف حركة الشحنة الكهربية باسم التيار الكهربى الذى تقاس شدته بوحدة الأمبير. ويتكون التيار الكهربى من أى جسيمات مشحونة متحركة. وتعد الإلكترونات الأكثر شيوع بين هذه الجسيمات ولكن أى شحنة متحركة يمكنها أن تكون تيار. والتيار الموجب يُعَرّف بالتيار المتدفق فى الإتجاه نفسه الذى تتدفق فيه أية شحنة موجبة يحملها أو أنه التيار المتدفق من أقصى طرف موجب فى الدائرة الكهربائية لأقصى طرف سالب. ويُطلق عليه التيار الإصطلاحى. وبالتالى تعد حركة الإلكترونات السالبة حول الدائرة الكهربائية ـ وهى أحد أشهر أشكال التيار الكهربائى ـ موجبة فى الإتجاه المقابل لإتجاه الإلكترونات.

ووفق للظروف المحيطة يتكون التيار من تدفق الجسيمات المشحونة (الجسيم المشحون) فى أيٍى من الإتجاهين أو فى كلا الإتجاهين فى وقت واحد. ويشيع استخدام مصطلح السالب والموجب لتبسيط هذه الحالة.

يقدم القوس الكهربى دليل فعال على التيار الكهربى

علاوةً على ذلك يُطلق على العملية التى يمر فيها التيار الكهربى خلال أحد المواد “التوصيل الكهربي”. وتختلف طبيعة التوصيل عن طبيعة الجسيمات المشحونة والمادة التى يمر خلالها. ومن أمثلة التيارات الكهربية: التوصيل الفلزى الذى تتدفق فيه الإلكترونات فى موصل مثل الفلز. بالإضافة لذلك التحليل الكهربائى الذى تتدفق فيه الأيونات (وهى ذرات مشحونة) خلال السوائل. فى حين تتحرك الجسيمات نفسها ببطء تام ليصل متوسط سرعة الإنسياق إلى أجزاء من المليمتر فى الثانية.

فإن المجال الكهربى الذى تتدفق فيه هذه الجسيمات ينتشر بسرعة مقاربة لسرعة الضوء ما يسمح للإشارات الكهربية بالمرور بسرعة خلال الأسلاك. يؤدى التيار الكهربى إلى حدوث عدة تأثيرات ملحوظة ـ كانت تعتبر فى الماضى الوسيلة التى يدرك بها الأفراد وجود تيار كهربى. وقد اكتشف ويليام نيكلسون وأنطونى كارلايل عام 1800 أن بإمكان التيار الكهربى تحليل الماء من بطارية فولتية وتُعرف هذه العملية باسم التحليل الكهربى. وقام مايكل فاراداى بعمل دراسة موسعة فى اكتشاف نيكلسون وكارلايل عام 1833. ويسبب التيار المار من مقاومة نوع من التدفئة فى المكان المحيط وهو تأثير كان جيمس بريسكوت قد بحثه حسابيا عام 1840. ومن أهم الإكتشافات الخاصة بالتيار الكهربى ما توصل إليه هانز كريستيان أورستد بالصدفة عام 1820 عندما كان يحضر إحدى محاضراته. حيث وجد أن التيار الكهربى فى أحد الأسلاك يشوش حركة إبرة البوصلة المغناطيسية

كما اكتشف الكهرومغناطيسية وهى تفاعل أساسى يحدث بين الكهرباء والمغناطيسات.

يوصف التيار الكهربى فى التطبيقات الهندسية وفى المنازل بأنه إما تيار مستمر أو تيار متردد. وتشير المصطلحان للكيفية التى يتغير بها التيار من حيث الزمن. فالتيار المستمر الذى يتم إنتاجه من البطارية على سبيل المثال واللازم لتشغيل معظم الأجهزة الإلكترونية يتدفق فى اتجاه واحد من الطرف الموجب للدائرة الكهربائية إلى الطرف السالب منها.

وفى حالة قيام الإلكترونات بحمل التيار المتدفق وهو الأمر الأكثر شيوع فإنها ستمر فى الإتجاه المعاكس. أما التيار المتردد فهو أى تيار ينعكس اتجاهه تكرراريا. وغالبا يأخذ التيار شكل موجة جيبية. وبالتالى يتذبذب التيار المتردد ذهاب وإياب داخل الموصل دون أن تتحرك الشحنة الكهربائية لأى مسافة على مدار الوقت. ويبلغ متوسط الفترة الزمنية التى يستغرقها التيار المتردد صفر. إلا أنه يقوم بتوصيل الطاقة فى اتجاه واحد وهو الإتجاه الأول ثم يعكس. ويتأثر التيار المتردد بالخصائص الكهربائية فى حالة الإستقرار التى يتمتع بها التيار المستمر. ومن أمثلة هذه الخصائص: المحاثة والسعة.

وتزيد أهمية هذه الخصائص عندما تتعرض مجموعة من الدوائر لتراوح مؤقت فى التيار مثلما يحدث عند تزويدها بالطاقة لأول مرة.

الكهرباء ما هى؟

المجال الكهربائى

تَحَدّث مايكل فاراداي عن مفهوم المجال الكهربى فقال أنه ينشأ خلال جسم مشحون فى الحيز المحيط به ويُحْدث قوة على الشحنات الأخرى داخل المجال. ويعمل المجال الكهربى بين شحنتين بنفس الطريقة التى يعمل بها مجال الجاذبية بين كتلتين (كتلة). كما يتمدد المجال الكهربى مثله فى ذلك مثل مجال الجاذبية إلى ما لا نهاية ويظهر علاقة تربيع عكسى مع المسافة

ومع ذلك يوجد اختلاف مهم بينهما:

إذ تعمل الجاذبية على عنصر الجذب فتجذب كتلتين نحو بعضهما. بينما يتسبب المجال الكهربى فى جذب الجسيمات أو فى تنافرها. وبما أن الأجسام كبيرة الحجم مثل الكواكب لا تحمل أى صافى شحنة فإن المجال الكهربائى عن بُعد يساوى صفر. وبالتالى تعد الجاذبية القوة الغالبة فى الكون على الرغم من ضعفها مقارنة بالقوى الأخرى.

بشكل عام يختلف الحيز الذى يشغله المجال الكهربى

وتُعرّف شدته فى أى نقطة بأنها القوة (لكل وحدة شحنة) التى تشعر بها شحنة ثابتة ومهملة إذا وضعت عند هذه النقطة. ويجب أن تكون الشحنة التى يطلق عليها اسم “شحنة اختبار” شديدة الصغر لتمنع مجالها الكهربى من التشويش على المجال الرئيسى. كما ينبغى أن تكون ثابتة لتمنع تأثير المجالات المغناطيسية . وبما أن المجال الكهربى يتم تعريفه من منطلق القوة وبما أن القوة تعتبر متجه يُستخلص من ذلك أن المجال الكهربى متجه وله مقدار واتجاه. وبشكل أدق يعد المجال الكهربى مجال متجهى. ويطلق على دراسة المجالات الكهربية التى تُحْدثها الشحنات الثابتة اسم الكهرباء الساكنة. ويمكن تصوير المجال الكهربى مجموعة من الخطوط التخيلية التى يكون اتجاهها فى أى نقطة يكون نفسه اتجاه المجال. ويعتبر فاراداي أوّل من قدّم هذا المفهوم. ولا يزال مصطلح “خطوط القوة” الذى وضعه فاراداي يستعمل أحيانا. وتعتبر خطوط المجال بمثابة المسارات التى تُحْدِثها شحنة موجبة لأنها اضطرت للتحرك داخل هذا المجال. ومع ذلك تعد هذه الخطوط مفهوم تخيلى ليس له وجود مادى. ويتخلل المجال الحيز الواقع بين الخطوط. وأما خطوط المجال المنبعثة من الشحنات الثابتة تتمتع بخصائص رئيسية. الخاصية الأولى هى أنها تنشأ عند الشحنات الموجبة وتنتهى عند الشحنات السالبة والخاصية الثانية هى وجوب دخولها أى موصل جيد بزوايا قائمة. أما الخاصية الثالثة أنها لا تتقاطع ولا تطوق نفسها. إن أى جسم موصل أجوف يحمل شحناته الكهربائية على سطحه الخارجى. وبناء عليه فالمجال الكهربى يساوى صفر فى جميع الأماكن الموجودة داخل الجسم. وهذه قاعدة التشغيل الرئيسية التى يعتمد عليها قفص فاراداى وهو عبارة عن هيكل فلزى موصل يعزل ما بداخله عن المؤثرات الكهربية الخارجية. تزيد أهمية الكهرباء الساكنة عند تصميم عناصر المعدات ذات الجهد العالى. ويوجد حد تنتهى عنده شدة المجال الكهربى التى يمكن مقاومتها بأى وسيط. وبخلاف ذلك يحدث الإنهيار الكهربي ويسبب القوس الكهربى وميض عابر بين الأجزاء المشحونة. فعلى سبيل المثال يسير الهواء فى مسار منحنى عبر الفجوات الصغيرة التى تتجاوز عندها شدة المجال الكهربى 30 كيلو فولت لكل سنتيمتر. وفى الفجوات الأكبر تضعف شدة الإنهيار الكهربى حيث تصل إلى كيلو فولت لكل سنتيمتر على الأرجح. وأوضح ظاهرة طبيعية تدل على هذا الأمر هى البرق إذ أنه يحدث عندما تنفصل الشحنات الكهربية فى السحاب بفعل الأعمدة الهوائية المرتفعة وعندما تقوم الشحنات برفع المجال الكهربى فى الهواء أكثر مما تحتمل. ومن الممكن أن يزيد الجهد فى إحدى سحب البرق الكبيرة ليصل إلى 100 ميجا فولت ويقوم بتفريغ كمية هائلة من الطاقة تصل إلى 250 كيلوات فى الساعة. تتأثر شدة المجال بالأجسام الموصلة المجاورة وتزداد شدته خاصة عندما يضطر إلى الإنحناء حول أجسام مدببة الأطراف. ويتم استخدام هذا المبدأ فى مانعة الصواعق. وهى عمود معدنى ذى طرف مدبب يعمل على امتصاص التيار الكهربى الناتج من الصواعق بدل من نزوله على المبنى الذى يحميه.

الكهرباء ما هى؟

فرق الجهد الكهربى

يرتبط مفهوم الجهد الكهربى ارتباط وثيق بالمجال الكهربى. فالشحنة الصغيرة الموجودة داخل المجال الكهربى تواجه قوة ويتطلب نقل هذه الشحنة إلى تلك النقطة المضادة للقوة بعض الشغل. ويتم تعريف الجهد الكهربى فى أى مرحلة أنه الطاقة اللازمة لجلب وحدة شحنة الإختبار ببطء من بُعد لا نهائى لهذه النقطة. ويُقاس الجهد الكهربى بوحدة الفولت. والفولت الواحد هو الجهد الذى يجب أن يستهلكه جول من الشغل لجلب كولوم من الشحنة الكهربية اللانهائية.

وعلى الرغم من أن تعريف الجهد الكهربى تصورى فإنه يتضمن جانب عملى بسيط. ويعتبر المفهوم الأكثر أهمية هو فرق الجهد الكهربائى ويُعَرّف بأنه الطاقة اللازمة لتحريك وحدة شحنة بين نقطتين محددتين. ويتمتع المجال الكهربى بخاصية مميزة وهى أنه “محافظ” ـ الأمر الذى يعنى أن المسار الذى تتخذه شحنة الإختبار ليست مهما: فكل المسارات بين نقطتين محددتين تستهلك مقدار الطاقة نفسه. وبالتالى يمكن تحديد قيمة مميزة لفرق الجهد.

ويُعرف الفولت بأنه وحدة لقياس ووصف فرق الجهد الكهربى حتى أن مصطلح الجهد الكهربى يزيد استخدامه اليومى بصورة كبيرة.

وفيما يتعلق بالأغراض العملية تُحدد نقطة إسناد مشتركة يتم خلالها التعبير عن الجهود ومقارنتها. وفى حين أن هذا الأمر قد يكون لا نهائى فإن الإسناد الأكثر إفادة هو كوكب الأرض نفسه الذى يفترض البعض أن جهده لا يتغير فى أى مكان. ويطلق على نقطة الإسناد اسم الأرضى. ويفترض أن الأرض مصدر لا نهائى من كميات متساوية من الشحنات الموجبة والشحنات السالبة. وبالتالى فهى غير مشحونة كهربيا وغير قابلة لإعادة للشحن. الجهد الكهربى كمية سلمية أو قياسية أى أن له مقدار فقط ولا اتجاه له. ومن الممكن اعتباره مشابه للارتفاع: فكما يسقط الجسم الحر عند ارتفاعات مختلفة بفعل الجاذبية تسقط كذلك الشحنة عند جهود مختلفة بفعل المجال الكهربى.

وكما تظهر الخرائط المجسمة لخطوط الكفاف التى تبين النقاط المتساوية فى الإرتفاع من الممكن رسم مجموعة من الخطوط التى تبين نقاط الجهود الكهربائية المتساوية (والمعروفة باسم تساوي الكمون) حول جسم مشحون ساكنيا. فهذه الخطوط تمر فى جميع خطوط القوة بزوايا قائمة. كما يجب أن تمتد لسطح الموصل وإلا أدى ذلك لإنتاج قوة على حوامل الشحنة ولما أصبح المجال ساكنا. كان يتم تعريف المجال الكهربى على أنه القوة المبذولة لكل وحدة شحنة إلا أن مفهوم الجهد الكهربى سمح بوضع تعريف مرادف وهو أن المجال الكهربى تدرج موضعى للجهد الكهربى. ويتم التعبير عنه بوحدة الفولت لكل متر واتجاه متجه المجال الكهربى عبارة عن خط لأكبر تدرج للجهد وهو الخط الذى تكون فيه خطوط تساوى الجهد قريبة من بعضها.

الكهرباء ما هى؟

كهرومغناطيسية

دلل اكتشاف أورستد عام 1821 بوجود مجال مغناطيسى حول جوانب السلك الحامل للتيار الكهربى دلل على وجود علاقة مباشرة بين الكهرباء والمغناطيسية. وبدا التفاعل مختلف عن قوة الجاذبية والقوة الكهربية الساكنة وهما قوتا الطبيعة اللتان تم اكتشافهما بعد ذلك.

والقوة الواقعة على إبرة البوصلة لم توجهها نحو السلك الحامل للتيار الكهربى ولا بعيدا عنه ولكنها كانت تعمل نحو الزوايا القائمة بالنسبة لها. وفيما يلى كلمات أورستد التى اتسمت بالغموض: “إن التعارض الكهربى يعمل بطريقة دوارة”. كما اعتمدت القوة على اتجاه التيار إذا انعكس التدفق انعكست القوة كذلك. ولم يستوعب أورستد اكتشافه استيعاب كامل لكنه لاحظ أن التأثير كان متبادل أو عكسى بمعنى أن التيار يبذل قوة على المجال المغناطيسى والمجال المغناطيسى يبذل قوة على التيار. وقد بحث أندريه ماري آمبير هذه الظاهرة واكتشف أن السلكين المتوازيين الذين يحملان التيار الكهربى يبذلان قوة على بعضهما : بمعنى أن السلكين الموصلين للتيار فى الإتجاه نفسه ينجذبان لبعضهما بينما يتنافر السلكان اللذان يحملان التيار فى اتجاهات متقابلة. ويتوسط المجال الذى ينتجه كل تيار هذا التفاعل الذى يُمثل أساس التعريف الدولى لوحدة الأمبير.

يستخدم المحرك الكهربى تأثير مهم يتعلق بالكهرومغناطيسية: وهو أن التيار المار فى مجال مغناطيسى يتعرض لقوة فى الزوايا القائمة لكل من المجال والتيار.

تُعتبر العلاقة بين المجالات المغناطيسية والتيارات الكهربائية علاقة مهمة حيث إنها أدت لاختراع مايكل فاراداى للمحرك الكهربى عام 1821. إذ يتكون محرك فاراداى وهو محرك أحادى القطب من مغناطيس دائم موضوع فى حوض من الزئبق. وتم توصيل تيار داخل سلك متدلى من مرتكز فوق المغناطيس ومغموس فى الزئبق. ويبذل المغناطيس قوة مماسية على السلك تجعله يدور حول المغناطيس طول فترة سريان التيار.

كشفت تجربة فاراداى عام 1831 أن السلك الذى يتحرك عمودى نحو مجال مغناطيسى يحدث فرق جهد بين طرفيه. وسمح له التحليل الإضافى لهذه العملية المعروفة باسم الحث الكهرومغناطيسى بوضع المبدأ المعروف باسم قانون فاراداى للحث المغناطيسى. وينص هذا القانون على أن فرق الجهد المحثوث فى دائرة مقفلة يتناسب مع معدل تغير التدفق المغناطيسي فى الدائرة. وتمكن فاراداى باستخدام هذا الإكتشاف من اختراع أول مولّد كهربى عام 1831. وفى هذا المولّد قام بتحويل الطاقة الحركيّة لقرص نحاسى دوار لطاقة كهربية. وعلى الرغم من عدم كفاءة قرص فاراداي وقصوره كمولّد فإنه أظهر إمكانية توليد قدرة كهربائية باستخدام المغناطيسية. ولقد استفاد من تبعه من بعده من أعماله استفادة كبيرة. كشفت أعمال كل من فاراداى وأمبير أن المجال المغناطيسى المتفاوت فى الزمن يعمل كمصدر للمجال الكهربى وأن المجال الكهربى المتغير فى الزمن يعمل كمصدر للمجال المغناطيسى. ولذلك عند تغير زمن أى من المجالين يُستحث المجال الآخر. وتتمتع هذه الظاهرة بخصائص الموجة ويُشار لها باسم الموجة الكهرومغناطيسية. وقام جيمس كليرك ماكسويل بتحليل الموجات الكهرومغناطيسية نظريا عام 1864. كما طور ماكسويل مجموعة معادلات تصف العلاقة المتبادلة بين المجال الكهربى والمجال المغناطيسى والشحنة الكهربية والتيار الكهربى. وتمكن من إثبات أن هذه الموجة ستسير بسرعة الضوء وبالتالى فإن الضوء نفسه شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسى. وتعتبر قوانين ماكسويل التى تربط بين الضوء والمجالات والشحنة الكهربية أحد أعظم إنجازات الفيزياء النظرية.

الكهرباء ما هى؟

الدوائر الكهربائية

الدائرة الكهربائية عبارة عن ترابط بين المكونات الكهربية وتهدف إلى القيام ببعض المهام مع مسار العودة بهدف تمكين الشحنة من الرجوع إلى مصدرها. إن مكونات الدائرة الكهربائية تأخذ أشكال عدة وتتضمن هذه الأشكال عناصر مثل المقاومات والمكثفات والمفاتيح والمحولات والإلكترونيات. وتشمل الدوائر الإلكترونية مكونات نشطة وتكون أشباه موصلات وتظهر بشكل لا خطى ما يتطلب تحليل معقد. أما أبسط المكونات الكهربائية توصف بأنها سلبية وخطية. فبينما تقوم هذه المكونات بتخزين الطاقة بشكل مؤقت فإنها لا تحتوى على مصادر للطاقة. كما ينتج عنها استجابات خطية للمثيرات.

المقاومة هى أبسط العناصر السلبية فى الدائرة. وكما يوحى اسمها فهى تقاوم التيار الكهربائى الذى يمر من خلالها ويبدد طاقته الحرارية. والمقاومة نتيجة حركة الشحنة خلال الموصل. فعلى سبيل المثال ترجع المقاومة فى المعادن إلى تصادم الإلكترونات بالأيونات. ويعتبر قانون أوم قانون أساسى لنظرية الدائرة الكهربية. وينص على أن التيار المار من خلال مقاومة فى موصل يتناسب طردى مع فرق الجهد بين طرفيه. ومقاومة معظم المواد ثابتة نسبيا على اختلاف درجات الحرارة والتيار. والمواد التى ينطبق عليها هذه الشروط توصف بالأومية. ولقد أُطلق اسم أوم وهو وحدة قياس المقاومة نسبة إلى واضعه جورج أوم ويرمز له بالحرف اليوناني “Ω”. إن الرمز 1 Ω يشير للمقاومة التى تنتج فرق جهد واحد فولت استجابة لتيار يساوى واحد أمبير. أما المكثف فعبارة عن جهاز يقوم بتخزين الشحنة الكهربية وبالتالى تخزين طاقة كهربية فى المجال الناتج عن هذه العملية. ومن الناحية التصورية يتكون المكثف من لوحين موصلين تفصلهما طبقة رقيقة عازلة. ومن الناحية العملية يتم لف رقائق معدنية رقيقة معا ما يزيد من سُمْك منطقة السطح من حيث وحدة حجم والسعة. ووحدة السعة هى الفاراد وسُميت باسم مايكل فاراداى ويرمز إليها بالرمز “F” والفاراد الواحد يساوى السعة التى تنشأ عن فرق الجهد البالغ واحد فولت عندما يقوم بتخزين شحنة تساوى واحد كولوم. والمكثف الموصَّل بمورد الجهد الكهربى يتسبب فى مرور تيار حيث إنه يجمع الشحنة الكهربية. ومع ذلك يضمحل التيار بمرور الوقت كلما امتلأ المكثف ويصل بالتدريج للصفر. ولذلك لا يسمح المكثف بمرور تيار فى حالة الاستقرار بل يعوقه. ويعتبر ملف الحث بمثابة موصل مكون ملف من السلك يقوم بتخزين الطاقة فى المجال المغناطيسى استجابةً للتيار المار به. وعندما يتغير التيار يتغير المجال المغناطيسى بالتبعية ويحث الجهد الكهربى بين طرفى الموصل. والجهد الحثى يتناسب مع المعدل الزمنى للتغيير فى التيار الكهربى. أما ثابت التناسب فيطلق عليه اسم المحاثة. ووحدة المحاثة هى “هنرى” تيمنا بجوزيف هنرى الذى عاصر فاراداى. وواحد هنرى يساوى المحاثة التى تحث فرق الجهد البالغ واحد فولت فى حالة تغير التيار المار به بمعدل واحد أمبير لكل ثانية.

وتنعكس طريقة عمل ملف الحث فى بعض الأحيان على طريقة عمل المكثف بمعنى أنه يسمح بمرور تيار غير متغير بسهولة ويسر ولكنه يقاوم مرور التيار سريع التغير.

الكهرباء ما هى؟

الإنتاج والاستخدامات

إن التجارب التى أجراها طاليس باستخدام قضبان الكهرمان كانت أولى الدراسات التى أجريت على عملية إنتاج الطاقة الكهربية. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة المعروفة الآن باسم تأثير كهرباء الإحتكاك قادرة على رفع الأجسام الخفيفة وكذلك توليد الشرارات فإنها غير فعالة على الإطلاق.

ولم يتم الوصول لمصدر كهربى فعال إلا بعد اختراع البطارية الفولتية فى القرن الثامن عشر. وهذه البطارية وكذلك الطراز الأحدث منها ألا وهو البطارية الكهربائية تخزن الطاقة بشكل كيميائى وتجعلها متاحة للإستخدام فى شكل طاقة كهربية. وتتميز البطارية بتعدد استخداماتها وتعد مصدر شائع وقوى للطاقة ويصلح استخدامها فى كثير من التطبيقات. إلا أن قدرتها على تخزين الطاقة محدودة وبمجرد تفريغ الطاقة المخزنة يجب التخلص من البطارية أو إعادة شحنها. وبالنسبة للإحتياجات الضخمة من الطاقة الكهربائية فينبغى توليدها وتحويلها بكميات كبيرة. وتولد الطاقة عن طريق المولدات الحركيّة الكهربية التى يديرها البخار الناتج عن احتراق الوقود الحفرى أو الحرارة الناتجة عن التفاعلات النووية. كما تولد الطاقة من مصادر أخرى مثل الطاقة الحركية الناتجة عن الرياح أو الماء المتدفق. ولا تتشابه هذه المولدات مع مولد فاراداى عام 1831 وهو مولد أحادى القطب. ولكن لا يزال الإعتماد قائم على مبدئه الكهرومغناطيسى القائل إن الموصل الذى يتصل بمجال مغناطيسى يحث فرق جهد عبر طرفيه. إن اختراع المحول فى أواخر القرن التاسع عشر جعل بالإمكان توليد الكهرباء من محطات توليد مركزية عن طريق الإستفادة من وفورات الحجم، ونقل هذه الكهرباء عبر الدول بكفاءة متزايدة.وبما أنه من الصعب تخزين الطاقة الكهربية بكميات كبيرة تكفى لتلبية الإحتياجات على المستوى القومى ينبغى أن يكون الإنتاج بقدر الإحتياج فى جميع الأوقات. وهذا الأمر يتطلب أن تتحرى المرافق الكهربية الدقة فى توقعاتها باحتياجاتها الكهربية وتحافظ على التنسيق مع محطات توليد الكهرباء. وهناك مقدار من عملية التوليد يجب أن يكون احتياطى ليقلل صدمات الشبكة  التى تحدث بسبب الإضطرابات والفواقد التى يتعذر اجتنابها. والطلب على الطاقة الكهربية يتزايد بسرعة كبيرة كلما زاد تقدم الدولة ونما اقتصادها. وقد كشفت الولايات المتحدة عن تزايد الطلب على الكهرباء بنسبة 12% كل عام على مدار الثلاثة عقود الأولى من القرن العشرين وهو معدل نمو تشعر به الآن الإقتصادات الناشئة مثل الهند أو الصين. ومن الناحية التاريخية زاد معدل نمو الطلب على الطاقة الكهربية عن صور الطاقة الأخرى. لقد أدت بعض المخاوف البيئية المتعلقة بتوليد الكهرباء إلى التركيز بشكل متزايد على التوليد من مصادر متجددة وخاصةً الطاقة المائية وطاقة الرياح.

الكهرباء ما هى؟

الإستخدامات

يعمل مصباح الإضاءة وهو أحد التطبيقات الأولى على الكهرباء عن طريق التسخين بحرارة جول: فالتيار المار خلال المقاومة يولد الحرارة.

إن الكهرباء صورة مرنة من صور الطاقة فهى تلائم عدد كبير ومتزايد من الإستخدامات.

وقد كان لاختراع مصباح الإضاءة المتوهج على يد توماس أديسون فى سبعينات القرن التاسع عشر الفضل فى أن تصبح الإضاءة من أولى التطبيقات المتوفرة من الطاقة . على الرغم من مخاطر الكهرباء فإن الإستعاضة بها عن اللهب المكشوف للإضاءة المعتمدة على الغاز قللت من مخاطر الحريق داخل البيوت والمصانع. وتم إنشاء مرافق عامة فى مدن كثيرة لتستهدف سوق الإضاءة الكهربية الآخذ فى الإزدهار. علاوة على ذلك كان لتأثير التسخين بحرارة جول المستخدم فى مصباح الإضاءة أثر مباشر فى مجال التدفئة الكهربية. ومع أن هذا التأثير متعدد الإستعمالات ويمكن التحكم فيه يرى البعض أنه مضيعة للوقت حيث إن معظم عمليات التوليد الكهربى يلزمها بالفعل إنتاج الحرارة فى إحدى محطات توليد الكهرباء. ولقد سنت عدة دول مثل الدنمارك قانون يحد أو يمنع من استخدام التدفئة الكهربية فى المبانى الجديدة. ومع ذلك تعد الكهرباء مصدر عملى للطاقة يمكن استخدامه فى عمليات التبريد حيث إن تكييف الهواء يمثل أحد القطاعات التى تزيد احتياجاتها للطاقة وهى متطلبات تضطر دائما مرافق الكهرباء إلى تلبيتها. وتستخدم الكهرباء فى الإتصال عن بُعد. وفى الواقع كان التلغراف الكهربي الذى ابتكره ويليام كوك وتشارلز ويتستون عام 1837 من أوائل تطبيقات الكهرباء فى هذا المجال. ومع وضع أول نظام تلغراف عابر للقارات ثم عبر المحيط الأطلسى فى الستينات من القرن التاسع عشر سهلت الكهرباء وسائل الإتصال فأصبحت لا تستغرق سوى دقائق معدودة فى جميع أنحاء العالم. وعلى الرغم من أن تكنولوجيا الألياف البصرية والإتصال عبر الأقمار الصناعية قد شغلت حصة فى سوق نظم الإتصالات ولكن ما زالت الكهرباء جزء أساسى من هذه العملية. وتظهر تأثيرات الكهرومغناطيسية بوضوح فى المحرك الكهربى الذى يعد وسيلة نظيفة وفعالة للقدرة المحركة. ويسهل تزويد المحرك الثابت مثل الرافعة بمصدر للإمداد بالقدرة. أما المحرك الذى يتحرك مع تطبيقه مثل السيارة الكهربية فيجب أن يحمل معه مصدر للقدرة كالبطارية أو يجمع شحنة كهربية مستمدة من تماس انزلاقى مثل البانتوجراف مما يضع قيود على مداه أو أدائه. هذا وتستخدم الأجهزة الإلكترونية المقحل الذى يعد من أهم الإختراعات فى القرن العشرين. كما أنه وحدة بناء أساسية تدخل فى تكوين جميع الدوائر الكهربية الحديثة. وقد تحتوى الدائرة المتكاملة الحديثة على مليارات من أجهزة المقحل صغيرة الحجم فى محيط لا يتجاوز بعض السنتيمترات المربعة.

الكهرباء ما هى؟

الكهرباء والعالم الطبيعى

التأثيرات الفيزيولوجية

أخطار الكهرباء

يتسبب تعرض جسم الإنسان لجهد كهربى فى سريان تيار عبر الأنسجة. وعلى الرغم من أن العلاقة بين الجهد والتيار لا خطية فإنه كلما زاد الجهد اشتد التيار.

وبداية الإدراك الحسى للتعرض للتيار يختلف باختلاف تردد المصدر ومسار التيار. ولكنه يتراوح ما بين 0.1 ملى أمبير إلى 1 ملى أمبير فيما يختص بكهرباء تردد الموصلات الرئيسية. ومع ذلك مكن الكشف عن تيار منخفض شدته ميكروأمبير على أنه تأثير الإهتزازات الكهربائية فى ظروف معينة. وفى حالة ارتفاع التيار بالنسبة الكافية يتسبب فى حدوث تقلص عضلى وارتجاف القلب وحروق فى الأنسجة. كما أن غياب أى علامة مرئية تدل أن أحد الموصلات مشحون كهربيا يجعل منها خطر بالغ. ومن الممكن أن يكون الألم الناجم عن الصدمة الكهربائية شديد ما يؤدى فى بعض الأحيان إلى تحول الكهرباء لوسيلة تعذيب. ويطلق على الوفاة التى تنتج عن صدمة كهربائية اسم الصعق الكهربى. ويعد الصعق الكهربى وسيلة من وسائل تنفيذ الأحكام القضائية فى بعض الدول على الرغم من ندرة استخدامه فى الآونة الأخيرة.

الكهرباء ما هى؟

الظواهر الكهربائية فى الطبيعة

إن الكهرباء ليست اختراع من اختراعات الإنسان. والدليل على ذلك هو إمكانية ملاحظتها فى صور متعددة فى الطبيعة وأبرز هذه الدلائل هو البرق. وعدد كبير من التفاعلات المألوفة والبسيطة مثل اللمس أو الاحتكاك أو الربط الكيميائى يحدث نتيجة للتفاعلات بين المجالات الكهربائية على المقياس الذرى. ويعتقد البعض أن المجال المغناطيسى للأرض ينشأ عن التيارات الدوارة فى مركز الأرض والتى تعد مولد كهربى طبيعى.

بعض البلورات مثل المرو أو حتى السكر تولد فرق فى الجهد على أسطحها عندما تتعرض لضغط خارجى. وتعرف هذه الظاهرة باسم الكهرضغطية وقد اكتشف هذه الظاهرة بيير كورى وجاك كورى عام 1880. ويعد هذا التأثير متبادل فعندما تتعرض مادة كهرضغطية لمجال كهربى يحدث تغيير بسيط فى الأبعاد الفيزيائية. بالإضافة إلى ذلك تستطيع بعض الكائنات الحية مثل أسماك القرش الكشف عن التغييرات التى تحدث فى المجالات الكهربائية والاستجابة لها ويعرف ذلك باسم “الاستشعار الكهربى”. بينما تتمتع بعض الكائنات الحية الأخرى بما يطلق عليه “القدرة على التفريغ الكهربائى” أى أنها تولد جهد كهربى بنفسها كطريقة لافتراس غيرها من الكائنات أو كسلاح دفاعى لها. ويعتبر الأنقليس الرعاد أشهر مثال على ذلك حيث بوسعه اكتشاف فريسته وصعقها بتفريغ جهود كهربية عالية تتولد من خلايا عضلية تسمى الخلايا الكهربائية. وتقوم الحيوانات جميعها بإرسال المعلومات على امتداد أغشية الخلايا مع نبضات مشحونة كهربيا تسمى جهود الفعل وهى الموجة المتشكلة من التفريغ الكهربى التى تنتقل من منطقة لأخرى مجاورة لها على طول الغشاء الخلوى لأى خلية حية. ووظيفة هذه الجهود تتضمن الإتصال بين الخلايا العصبية والعضلات بالنظام العصبى. تخفز الصدمة هذا النظام وتتسبب فى تقلص العضلات.

كما أن جهود الفعل مسؤولة عن تنسيق الأنشطة فى مجموعة من النباتات والثدييات.

الكهرباء ما هى؟

المفهوم الثقافى للكهرباء قديما

لم تكن الكهرباء تشغل جزء رئيسى من الحياة اليومية للعديد من الأفراد فى القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين حتى فى الدول الصناعية فى العالم الغربي. وبناء على ذلك صورت الثقافة الشعبية الكهرباء فى هذا الوقت على أنها قوة غامضة وشبه سحرية وقادرة على قتل الأحياء وإحياء الموتى أو بتعبير آخر فهى تستطيع تغيير قوانين الطبيعة.

ويظهر هذا الموقف تجاه الكهرباء فى الرواية التى كتبتها مارى شيلى بعنوان فرانكنشتاين سنة 1819 وكانت أولى الروايات التى وضعت الصورة المكررة التى تصور عالم مجنون يقوم بإحياء كائن من رقع من القماش بالقدرة الكهربائية.

علاوة على ذلك ومع اعتياد العامة على الكهرباء كقوام الحياة فى الثورة الصناعية الثانية كانت استخداماتها تنصب على الجانب الإيجابى

مثل العاملين فى مجال الكهرباء الذين “يكونون قاب قوسين أو أدنى من الموت وهم يقطعون الأسلاك الكهربية ويصلحونها” كما ورد فى قصيدة “أبناء مارثا” وقد برزت جميع أنواع السيارات التى تعمل باستخدام الطاقة الكهربائية بشكل كبير فى قصص المغامرات مثل روايات الكاتب الفرنسى “جول فيرن” أو سلسلة روايات بطل الخيال العلمى”توم سويفت”. وقد كان العامة ينظرون إلى كبار الأساتذة فى مجال الكهرباء سواء كانوا أشخاص من الواقع أم من وحى الخيال بما فيهم العلماء مثل توماس إديسون أو تشارلز شتاينمتز أو نيقولا تسلا على أنهم يتمتعون بقدرات تشبه قدرات السحرة. أما والآن بعد أن صارت الكهرباء أمر عادى وتقليدى وأساسى فى الحياة اليومية منذ النصف الثانى من القرن العشرين فلم يعد الأمر يلفت نظر الناس إلا عند توقف الكهرباء عن التدفق وهو حدث يساوى كارثة بالنسبة لهم.

الكهرباء ما هى؟

اترك رد