الكهرباء, الشحنة الكهرباء

الحمدلله والصلاة والسلام على رسول الله وعلى آله وصحبه أجمعين

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته،،

كيف حالك إن شاء الله دائمــاً بخير ؟

الكهرباء

جاء اكتشاف الكهرباء عندما لاحظ أحد المفكرين انجذاب الريش وقصاصات الورق الصغيرة إلى قطع الكهرمان التي دلكت بالصوف وقد كانت هذه هي بداية اكتشاف الكهربية الساكنة أو الالكتروستاتيكية.
أصل كلمة كهرباء (بالإنجلیزیة) اغریقي فالكلمة (Electricity) تأتي من (elektron) و اصل الكلمة (بالعربية) يرجع إلى الكلمة الفارسية كهربا فهي تعني حرفيا "جاذب التبن"، وتطلق على صمغ شجرة إذا حُك صار يجذب التبن ونحوه ، الإغریق لم یصلوا إلى معلومات كبیرة حول الحقائق الخاصة بالكهرباء؛ كان كل ما عرفوه هو أنه بحك الكهرمان بقطعة من الصوف فإنه یقوم بجذب بعض الأجسام إلیه مر أكثر من ألفي عام بعد ذلك قبل أن یتمكن الإنسان من فهم بعض الخواص الخاصة بالكهرباء لكن خلال الثلاثمائة عام الماضیة فقط ، تحول عالم الكهرباء بكل خواصها إلى ملكیة تامة لنا.

الشحنة الكهربائية

لشحنة الكهربائية هي إحدى خواص الجسيمات دون الذرية (مثل الالكترون و البروتون) و التي تتفاعل مع المجال الكهرومغنطيسي و تسبب قوى الانجذاب و التنافر بينهم. الشحنة الكهربية أدت إلى وجود احدى القوى الرئيسية الطبيعية الأربعة, كما أنها من الخواص المحفوظة للمادة و يمكن قياسها كمّاً. لهذا يمكن استخدام عبارة "كمية الكهرباء" بدلاً من عبارات "شحنة الكهرباء" و "كمية الشحنة" و العكس صحيح. هناك نوعان من الشحنة و هي : نطلق على احداها موجبة و الأخرى سالبة بالتجربة, نجد أن الأجسام المشحونة بشحنة متماثلة تتنافر بينما الأجسام المشحونة بشحنات مختلفة تتجاذب يمكن حساب مقدار قوة التجاذب أو التنافر باستخدام قانون كولوم.

المجال الكهربي

قدم هذا المفهوم مايكل فاراداي. تؤثر قوة المجال الكهربي بين شحنتين بنفس الطريقة التي تؤثر بها قوة الجاذبية بين كتلتين و لكن المجال الكهربي مختلف قليلاً وة الجاذبية تعتمد على كتلة الجسمين بينما القوة الكهربية تعتمد على شحنة الجسمين وبينما يمكن للجاذبية جذب كتلتين تجاه بعضهما فقط, يمكن للقوة الكهربية أن تكون قوة تجاذب أو تنافر إذا كانت الشحنتان بنفس الاشارة (مثال: كلتاهما موجبة) ستكون هناك قوة تنافر بينهما أما إذا كانت الشحنتان مختلفتين فسيكون هناك قوة تجاذب بين الجسمين يتناسب مقدار القوة عكسياً مع مربع المسافة بين الجسمين, كما يتناسب طردياً مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين دون إشارة.

الجهد الكهربائي

فرق الجهد الكهربي بين نقطتين يعرف بالشغل المبذول (ضد القوى الكهربية) لكل وحدة شحنة في تحريك شحنة نقطية موجبة ببطء بين النقطتين إذا أخذت احدى النقطتين كنقطة مرجعية بجهد صفر, فيمكن تعريف الجهد الكهربي عند أي نقطة على أنه الشغل المبذول لكل وحدة شحنة في تحريك شحنة نقطية موجبة من نقطة المرجع إلى النقطة المراد تحديد جهدها للشحنات المعزولة تعتبر نقطة المرجع عادةً ما لا نهاية وحدة قياس الجهد هي الفولت (1 فولت = 1 جول/كولوم ) هناك تشابه بين الجهد الكهربي و درجة الحرارة: كل نقطة في الفراغ درجة حرارة مختلفة, و التدريج الحراري يدل على اتجاه و مقدار القوة المحركة التي تؤدي إلي انتقال الحرارة بالتماثل, هناك جهد كهربي لكل نقطة في الفراغ, و تدريجه يدل على اتجاه و مقدار القوة المحركة وراء حركة الشحنة.

مصادر الكهرباء

يمكن توليد الطاقة الكهربائية بعدّة طرق:
- استاتيكية .
- كيماوية .
- تحويلية .

ومن مصادر عدّة ، تقسم مصادر توليد الطاقة الكهربائية إلى:

مصادر متجددة
مثل :
- طاقة شمسية .
- طاقة الرياح .
- الطاقة المائية .
- طاقة الحرارة الجوفية .

مصادر غير متجددة
مثل :
- النفط .
- الغاز .
- الفحم .
- الطاقة النووية .

كيف تعمل الكهرباء

تعتبر الكهرباء من أهم وسائل الحصول على الطاقة ، والكهرباء هي طاقة مفيدة نستخدمها للتدفئة والإنارة في أماكن سكننا وعملنا، وهي تشغل المحركات ، لذا نستخدمها لإنتاج الحركة في آلة الغسيل وآلة التنظيف الكهربائية .
عندما نستخدم الكهرباء للتدفئة أو الإنارة أو التحريك فإن التيار الكهربائي يمر في الأسلاك ، وهذا بدوره يجعل الأشياء كالغلايّات الكهربائية والمصابيح والمحركات تعمل.
لغلايّات الكهربائية تحتاج كمية كبيرة من التيار الكهربائي ، لذا فأسلاكها الموصولة مع مصادر تزويد الكهرباء سميكة ، وإذا نظرت إلى المصباح الجانبي في غرفة نومك أو مصباح الطاولة سترى بأن أسلاكها رفيعة وهذا لأنهما يحتاجان إلى تيار كهربائي صغير للإنارة .
تعلمت سابقاً هي عبارة عن جسيمات صغيرة جداً وأصغر من الذرة .
ملاحظة :
اكتشف العلماء أن التيار الكهربائي عبارة عن سيل من الإلكترونات المتحركة خلال الأسلاك ، والإلكترونات كما كما تعلمت سابقاً هي عبارة عن جسيمات صغيرة جداً وأصغر من الذرة .

الطاقة الكهربائية

الطاقة الكهربائية هي أحد انواع الطاقة الموجودة في الطبيعة يمكن الحصول على الكهرباء من الطبيعة عن طريق الصواعق و الاحتكاك وهذا صعب وغير مجدٍ اقتصادياً. ولكن يمكن توليد الكهرباء بعدة طرق أخرى منها الكيميائية مثل البطاريات او عن طريق تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية وذلك بتحريك سلك موصل في مجال مغناطيسي كما في المولدات الكهربائية او بتسخين مزدوج حراري كما في المزدوجة الحرارية.

- في البطاريات تكون الكهرباء المتولدة ذات تيار مستمر.
- في المولدات الكهربائية تكون الكهرباء المولدة في الغالب ذات تيار متردد ويمكن ان تكون الكهرباء ذات تيار مستمر.

محطات توليد الكهرباء

عموما يتم توليد الكهرباء بمحطات كبيرة تصل طاقاتهاإلى آلاف الميجاوات بجهد منخفض 11000 فولت ذو تيار متردد 50 هرتز او 60 هرتز.

تكون محطات توليد الكهرباء قرب مصادر الطاقة الاساسية على الأكثر وربما بعيدا عن اماكن الحاجة الفعلية لها, حيت يتم تحويل الجهد الكهربائي بواسطة محولات كهربائية إلى جهد عالي 33 كيلوفولت او 132 كيلوفولت او400 كيلو فولت تهيئة لنقلها من منطقة التوليد إلى منطقة الحاجة لها بواسطة ابراج كبيرة تعلق عليها الاسلاك التي تمرر التيار الكهربائي. حيث يتم قرب المواقع التي يحتاج فيها للطاقة الكهربائية إلى جهد منخفض 400 فولت او 220 فولت او 110 فولت بواسطة محولات كهربائية اخرى.

التيار الكهربائي

التيار الكهربائي عبارة عن تدفق شحنات كهربائية -إلكترونات أو أيونات - في مادة موصلة كسلك معدني مثلاً أو محلول إلكتروليتي ، خلال وحدة الزمن .
وللتيار الكهربائي عدّة خصائص فيزيائية منها:
- شدّة التيار الكهربائي ، وتقاس بوحدة الأمبير وجهاز الأمبيرمتر أو الأميتر.
كما يتأثر التيار دوما بعدّة عوامل منها:
- فرق الجهد ويقاس بوحدة فولت باستخدام جهاز الفولتميتر.
- المقاومة وتقاس بالأوم.

والتيار الكهربائي نوعان، تيار متردد AC وتيار مستمر (مباشر(DC
قوانين ت = ش ÷ ز (I= Q/t)
حيث ت هي شدة التيار الكهربائي بالأمبير A ، ش هي الشحنة مقاسة بالكولون Q التي مرت خلال زمن مقداره ز t.
- قانون اوم .
-
ت = ج ÷ م (I= U/R)
حيث ت هي شدة التيار ، ج هو فرق الجهد مقاساً بالفولت و م المقاومة مقاسة بالأوم .

وحدة قياس التيار هو الأمبير ، وفرق الجهد الفولت ، والمقاومة الأوم - يمكن تعريفه رياضيا كالتالي I = U /R

- بإستخدام قانون الطاقة الكهربائية P = U * I ==> I = P/U
في الأحمال (المقاومات) الموصلة على التسلسل يكون التيار متساوي ، بينما يتوزع التيار في الأحمال الموصلة على التوازي بحسب مقدار الحمل ولكن الجهد يكون متساوي .
يعتبر التيار الكهربائي مهم في عملية إختيار الكابلات إذ يتم إختيار حجم الكابل بناء على مدى تحمله للتيار المار فيه.
و التيار الكهربائي يتغير بطريقة انعكاسية مع فرق الجهد. فشدة التيار تزيد مع نقصان فرق الجهد و العكس صحيح.

مقياس التيار الكهربائي

الأميتر أو الامبير ميتر (Ampermeter), (Ammeter) وهو جهاز لقياس التيار الكهربائي منه النوع ذي القلب الحديدي المتحرك الذي يشيع استخدامه، وهو يتكون من ملف يرتكز بين قطبي مغناطيس دائم، حيث يسري التيار المراد قياسه خلال الملف فينشأ عنه مجال يتبادل الفعل مه مجال المغناطيس الدائم. يركب بالملف المتحرك مؤشر يشير إلى مقدار الأمبيرات على تدرج مركب على سطح الجهاز.
يربط جهاز الأميتر على التوالي في الدائرة المراد القياس التيار المار بها.
أجهزة قياس الأميتر منها التماثلي والرقمي ومنها ماهو مخصص لقياس التيار المستمر DC ومنها ما هو مخصص للتيار المتردد AC، وهناك وصلة إضافية تمكن من قياس التيار الكهربائي دون فتح الدائرة الكهربائية لإدخال جهاز القياس بل قياس التيار من خلال الوصلة وإحاطتها بالسلك المراد قياس التيار المار به.
محولات التيار ( CT ):

تدخل محولات التيار في تركيب الكثير من أجهزة القياس وهي بذلك تساعد على قياس التيار المنساب في الموصلات بدون الحاجة إلى قطع الموصل ، وإنما من خلال قياس التيار الحثي للموصل والذي يتناسب وشدة التيار المار فيه.