ما هي الكهرباء؟ وكيف تعمل؟

الكهرباء في كل مكان حولنا، تعمل التكنولوجيا مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر والأضواء ومكاوي اللحام ومكيفات الهواء، من الصعب الهروب منها في عالمنا الحديث، لكن ما هي الكهرباء؟

المحتويات:


ما هي الكهرباء؟

حتى عندما تحاول الهروب من الكهرباء، فإنها لا تزال تعمل في جميع أنحاء الطبيعة، من البرق في عاصفة رعدية إلى نقاط الاشتباك العصبي داخل أجسامنا. لكن ما هي الكهرباء بالضبط؟

هذا سؤال معقد للغاية، وبينما تتعمق أكثر وتطرح المزيد من الأسئلة، لا توجد في الحقيقة إجابة محددة ، فقط تمثيلات مجردة لكيفية تفاعل الكهرباء مع محيطنا.

الكهرباء ظاهرة طبيعية تحدث في جميع أنحاء الطبيعة وتتخذ أشكالًا مختلفة. سنركز في هذه المقالة على الكهرباء الحالية: الأشياء التي تشغل أجهزتنا الإلكترونية. هدفنا هو فهم كيفية تدفق الكهرباء من مصدر الطاقة عبر الأسلاك، وإضاءة مصابيح LED، والمحركات الدوارة، وتشغيل أجهزة الاتصال الخاصة بنا.

يتم تعريف الكهرباء بإيجاز على أنها “تدفق الشحنة الكهربائية”، ولكن هناك الكثير وراء هذا البيان البسيط. من أين تأتي هذه الشحنات المتدفقة؟ كيف ننقلهم؟ إلى أين ينتقلون؟ كيف تسبب الشحنة الكهربائية حركة ميكانيكية أو تجعل الأشياء تضيء؟ الكثير من الأسئلة!

للبدء في شرح ماهية الكهرباء، نحتاج إلى تقريب الصورة، بعيدًا عن المادة والجزيئات، إلى الذرات التي تشكل كل شيء نتفاعل معه في الحياة. لذا يجب الحصول على بعض الفهم الأساسي للفيزياء والقوة والطاقة والذرات والفيزياء على وجه الخصوص.


بداية فهم الكهرباء هو الذرة.

لفهم أساسيات الكهرباء، نحتاج أن نبدأ بالتركيز على الذرات، وهي إحدى اللبنات الأساسية للحياة والمادة. توجد الذرات في أكثر من مائة شكل مختلف كعناصر كيميائية مثل الهيدروجين والكربون والأكسجين والنحاس.

يمكن للذرات من أنواع عديدة أن تتحد لتكوين جزيئات، والتي تبني المادة التي يمكننا رؤيتها ولمسها جسديًا. الذرات صغيرة جدًا، وتمتد بحد أقصى يصل إلى حوالي 300 بيكومتر (أي 3×10^-10 أو 0.0000000003 متر). عملة نحاسية (إذا كانت مصنوعة بالفعل من النحاس بنسبة 100٪) سيكون بها 3.2 × 1022 ذرة (32.000.000.000.000.000.000.000 ذرة) من النحاس بداخلها.

حتى الذرة ليست صغيرة بما يكفي لتفسير طريقة عمل الكهرباء. نحن بحاجة إلى الغوص في مستوى واحد آخر وإلقاء نظرة على اللبنات الأساسية للذرات: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

كتل بناء الذرات.

تتكون الذرة من مزيج من ثلاثة جسيمات متميزة: الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات. تحتوي كل ذرة على نواة مركزية، حيث يتم تجميع البروتونات والنيوترونات معًا بكثافة.

مكونات الذرة

يحيط بالنواة مجموعة من الإلكترونات التي تدور في مدارها. يجب أن تحتوي كل ذرة على بروتون واحد على الأقل. عدد البروتونات في الذرة مهم، لأنه يحدد العنصر الكيميائي الذي تمثله الذرة.

على سبيل المثال، الذرة التي تحتوي على بروتون واحد فقط هي الهيدروجين، والذرة التي تحتوي على 29 بروتونًا هي نحاس، والذرة التي تحتوي على 94 بروتونًا هي البلوتونيوم. يسمى عدد البروتونات هذا العدد الذري للذرة.

نواة البروتون، النيوترونات، تخدم غرضًا مهمًا؛ يحافظون على البروتونات في النواة ويحددون نظير الذرة. إنها ليست مهمة لفهمنا للكهرباء، لذلك دعونا لا نقلق بشأنها. تعتبر الإلكترونات ضرورية لعمل الكهرباء في حالتها الأكثر استقرارًا وتوازنًا، سيكون للذرة نفس عدد الإلكترونات مثل البروتونات.

كما هو الحال في نموذج ذرة بوهر أدناه، فإن النواة التي تحتوي على 29 بروتونًا (مما يجعلها ذرة نحاس) محاطة بعدد متساوٍ من الإلكترونات. إن إلكترونات الذرة ليست كلها مرتبطة بالذرة إلى الأبد.

ذرة النحاس

تسمى الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي للذرة إلكترونات التكافؤ. مع قوة خارجية كافية، يمكن لإلكترون التكافؤ أن يهرب من مدار الذرة ويصبح حراً. تسمح لنا الإلكترونات الحرة بتحريك الشحنة، وهو ما تدور حوله الكهرباء.

إقرأ أيضاً… تعريف التيار الكهربائي.


تدفق الشحنات.

كما ذكرنا في بداية هذا البرنامج التعليمي، يتم تعريف الكهرباء على أنها تدفق الشحنة الكهربائية. الشحنة هي خاصية للمادة، تمامًا مثل الكتلة أو الحجم أو الكثافة. إنه قابل للقياس. مثلما يمكنك تحديد مقدار الكتلة التي يمتلكها شيء ما، يمكنك قياس مقدار الشحن الذي يحتوي عليه.

المفهوم الأساسي للشحنة هو أنها يمكن أن تأتي في نوعين: موجب (+) أو سالب (-). من أجل تحريك الشحنة، نحتاج إلى حاملات الشحنة، وهنا تكون معرفتنا بالجسيمات الذرية، خاصة الإلكترونات والبروتونات، مفيدة.

تكوين الذرة الكهرباء

تحمل الإلكترونات دائمًا شحنة سالبة، بينما تحمل البروتونات دائمًا شحنة موجبة. النيوترونات (طبقًا لاسمها) محايدة، ليس لديها شحنة. تحمل كل من الإلكترونات والبروتونات نفس كمية الشحنة، ولكن نوعًا مختلفًا فقط.

القوة الكهروستاتيكية.

القوة الكهروستاتيكية (وتسمى أيضًا قانون كولوم) هي قوة تعمل بين الشحنات. تنص على أن الشحنات من نفس النوع تتنافر مع بعضها البعض، بينما تنجذب الشحنات من الأنواع المتقابلة معًا. الأضداد تتجاذب، ويحب أن تتنافر المتشابهة.

يعتمد مقدار القوة المؤثرة على شحنتين على مدى بعدهما عن بعضهما البعض. كلما اقتربت الشحنتان، زادت القوة (إما الدفع معًا أو الانسحاب). بفضل القوة الكهروستاتيكية، تدفع الإلكترونات الإلكترونات الأخرى بعيدًا وتنجذب إلى البروتونات. هذه القوة هي جزء من “الصمغ” الذي يربط الذرات ببعضها، ولكنها أيضًا الأداة التي نحتاجها لتدفق الإلكترونات (والشحنات)!

جعل الشحنة تتدفق.

لدينا الآن جميع الأدوات اللازمة لتدفق الشحنات. يمكن للإلكترونات الموجودة في الذرات أن تعمل كحامل شحنة، لأن كل إلكترون يحمل شحنة سالبة. إذا تمكنا من تحرير إلكترون من ذرة وإجبارها على التحرك، فيمكننا توليد الكهرباء.

ضع في اعتبارك النموذج الذري لذرة النحاس، أحد المصادر الأولية المفضلة لتدفق الشحنات. في حالته المتوازنة، يحتوي النحاس على 29 بروتونًا في نواته وعدد متساوٍ من الإلكترونات التي تدور حوله. تدور الإلكترونات على مسافات متفاوتة من نواة الذرة.

تشعر الإلكترونات الأقرب إلى النواة بجاذبية أقوى بكثير للمركز من تلك الموجودة في المدارات البعيدة. تسمى الإلكترونات الخارجية للذرة بإلكترونات التكافؤ، وهي تتطلب أقل قدر من القوة لتحريرها من الذرة. باستخدام قوة كهروستاتيكية كافية على إلكترون التكافؤ – إما دفعه بشحنة سالبة أخرى أو جذبها بشحنة موجبة – يمكننا إخراج الإلكترون من مدار حول الذرة لتكوين إلكترون حر.

فكر الآن في الأسلاك النحاسية: مادة مليئة بعدد لا يحصى من ذرات النحاس. نظرًا لأن إلكتروننا الحر يطفو في فراغ بين الذرات، فإنه يتم سحبه وحثه بواسطة الشحنات المحيطة في ذلك الفضاء.

في هذه الفوضى، يجد الإلكترون الحر في النهاية ذرة جديدة ليلتصق بها؛ عند القيام بذلك، تقوم الشحنة السالبة لذلك الإلكترون بإخراج إلكترون تكافؤ آخر من الذرة. الآن إلكترون جديد ينجرف عبر الفضاء الحر يبحث عن نفس الشيء. يمكن أن يستمر تأثير السلسلة هذا في إنشاء تدفق للإلكترونات يسمى التيار الكهربائي.

تدفق الشحنات الكهربائية

الموصلية.

بعض أنواع الذرات الأولية أفضل من غيرها في إطلاق إلكتروناتها. للحصول على أفضل تدفق ممكن للإلكترون، نريد استخدام الذرات التي لا ترتبط بشدة بإلكترونات التكافؤ. تقيس موصلية عنصر ما مدى إحكام ارتباط الإلكترون بالذرة.

تسمى العناصر ذات الموصلية العالية، والتي تحتوي على إلكترونات متحركة جدًا، بالموصلات. هذه هي أنواع المواد التي نريد استخدامها لصنع الأسلاك والمكونات الأخرى التي تساعد في تدفق الإلكترون.

عادةً ما تكون المعادن مثل النحاس والفضة والذهب هي أفضل خياراتنا للحصول على موصلات جيدة. تسمى العناصر ذات الموصلية المنخفضة بالعوازل. تخدم العوازل غرضًا مهمًا للغاية: فهي تمنع تدفق الإلكترونات. تشمل العوازل الشائعة الزجاج والمطاط والبلاستيك والهواء.


الكهرباء الساكنة والمتحركة.

قبل أن نتعمق أكثر، دعنا نناقش الشكلين اللذين يمكن أن تأخذهما الكهرباء: ثابت أو تيار. عند العمل مع الإلكترونيات، ستكون الكهرباء المتحركة أكثر شيوعًا، لكن الكهرباء الساكنة مهمة أيضًا لفهمها.

الكهرباء الساكنة.

توجد الكهرباء الساكنة عندما يكون هناك تراكم لشحنات معاكسة على أجسام مفصولة بعازل. توجد الكهرباء الساكنة (كما هو الحال في “عند السكون”) حتى تتمكن مجموعتا الشحنات المتقابلة من العثور على مسار بين بعضهما البعض لموازنة النظام.

عندما تجد الشحنات وسيلة للتعادل، يحدث تفريغ ثابت. يصبح جاذبية الشحنات كبيرًا لدرجة أنها يمكن أن تتدفق عبر أفضل العوازل (الهواء، الزجاج، البلاستيك، المطاط، إلخ).

يمكن أن تكون التفريغ الاستاتيكي ضارًا اعتمادًا على الوسيط الذي تنتقل خلاله الشحنات وعلى الأسطح التي تنقلها الشحنات. يمكن أن تؤدي الشحنات المتساوية من خلال فجوة هوائية إلى حدوث صدمة مرئية حيث تصطدم الإلكترونات المتنقلة بالإلكترونات الموجودة في الهواء، والتي تصبح متحمسة وتطلق الطاقة على شكل ضوء.

البرق هو أحد أكثر الأمثلة الدراماتيكية على التفريغ الساكن. عندما يجمع نظام سحابة ما يكفي من الشحنة بالنسبة إلى مجموعة أخرى من السحب أو الأرض، فإن الشحنات ستحاول معادلة ذلك. أثناء تفريغ السحابة، تتدفق كميات هائلة من الشحنات الموجبة (أو السالبة في بعض الأحيان) عبر الهواء من الأرض إلى السحابة مما يتسبب في التأثير المرئي الذي نعرفه جميعًا.

توجد الكهرباء الساكنة أيضًا بشكل مألوف عندما نفرك البالونات على رأسنا لجعل شعرنا يقف، أو عندما ننتقل على الأرض بنعال غامضة ونصدم قطة العائلة (بالصدفة، بالطبع).

في كل حالة، يؤدي الاحتكاك الناتج عن فرك أنواع مختلفة من المواد إلى نقل الإلكترونات. يصبح الجسم الذي يفقد الإلكترونات مشحونًا بشحنة موجبة، بينما يصبح الجسم الذي يكتسب إلكترونات سالب الشحنة. ينجذب الجسمان إلى بعضهما البعض حتى يتمكنوا من إيجاد طريقة لتحقيق التعادل.

عند العمل مع الإلكترونيات، لا يتعين علينا عمومًا التعامل مع الكهرباء الساكنة. عندما نفعل ذلك، نحاول عادةً حماية مكوناتنا الإلكترونية الحساسة من التعرض لتفريغ ثابت. تشمل التدابير الوقائية ضد الكهرباء الساكنة ارتداء أحزمة المعصم ESD (التفريغ الكهروستاتيكي)، أو إضافة مكونات خاصة في الدوائر للحماية من الارتفاع الشديد في الشحن.

التيار الكهربائي.

الكهرباء المتحركة هي شكل الكهرباء التي تجعل كل أجهزتنا الإلكترونية ممكنة. يوجد هذا النوع من الكهرباء عندما تكون الشحنات قادرة على التدفق باستمرار. على عكس الكهرباء الساكنة حيث تتجمع الشحنات وتبقى ثابتة، فإن الكهرباء الحالية ديناميكية، والشحنات دائمًا في حالة حركة.

إقرأ أيضاً… تعريف أنواع السرعة المختلفة في الفيزياء.


الدوائر الكهربائية.

من أجل التدفق، تتطلب الكهرباء الحالية دائرة: حلقة مغلقة لا تنتهي من مادة موصلة. يمكن أن تكون الدائرة بسيطة مثل سلك موصل متصل من طرف إلى طرف، لكن الدوائر المفيدة عادة ما تحتوي على مزيج من الأسلاك والمكونات الأخرى التي تتحكم في تدفق الكهرباء.

القاعدة الوحيدة عندما يتعلق الأمر بصنع الدوائر هي أنه لا يمكن أن تحتوي على أي فجوات عازلة فيها. إذا كان لديك سلك مليء بذرات النحاس وترغب في تحفيز تدفق الإلكترونات من خلاله، فإن جميع الإلكترونات الحرة تحتاج إلى مكان ما لتتدفق في نفس الاتجاه العام.

النحاس موصل رائع ومثالي لتدفق الشحنات. إذا انكسرت دائرة من الأسلاك النحاسية، فلن تتدفق الشحنات عبر الهواء، مما سيمنع أيضًا أي شحنات باتجاه الوسط من الانتقال إلى أي مكان. من ناحية أخرى، إذا تم توصيل السلك من طرف إلى طرف، فإن جميع الإلكترونات لها ذرة مجاورة ويمكن أن تتدفق جميعها في نفس الاتجاه العام.

نحن الآن نفهم كيف يمكن للإلكترونات أن تتدفق، ولكن كيف يمكننا جعلها تتدفق في المقام الأول؟ بعد ذلك، بمجرد أن تتدفق الإلكترونات، كيف تنتج الطاقة اللازمة لإضاءة المصابيح الكهربائية أو المحركات الدورانية؟ لذلك، نحن بحاجة إلى فهم المجال الكهربائية.

المجال الكهربائية.

لدينا طريقة للتعامل مع كيفية تدفق الإلكترونات عبر المادة لتوليد الكهرباء. هذا كل ما في الكهرباء. حسنًا، كل شيء تقريبًا. نحتاج الآن إلى مصدر للحث على تدفق الإلكترونات. غالبًا ما يأتي مصدر تدفق الإلكترون من مجال كهربائي.

ما هو المجال الكهربائي؟

المجال الكهربائي هو أداة نستخدمها لنمذجة التفاعلات المادية التي لا تتضمن أي اتصال يمكن ملاحظته. لا يمكن رؤية المجالات لأنها ليس لها مظهر مادي، لكن تأثيرها حقيقي للغاية. نحن جميعًا على دراية لا شعورية بمجال واحد على وجه الخصوص: مجال جاذبية الأرض، وتأثير جسم ضخم يجذب أجسامًا أخرى.

يمكن نمذجة مجال جاذبية الأرض بمجموعة من النواقل التي تشير جميعها إلى مركز الكوكب؛ بغض النظر عن مكانك على السطح، ستشعر بالقوة التي تدفعك نحوه. قوة أو شدة الحقول ليست موحدة في جميع النقاط في المجال.

كلما ابتعدت عن مصدر الحقل كلما قل تأثير الحقل. يتناقص حجم مجال الجاذبية الأرضية كلما ابتعدت عن مركز الكوكب. بينما نواصل استكشاف المجالات الكهربائية على وجه الخصوص، تذكر كيف يعمل مجال جاذبية الأرض، يتشارك كلا المجالين في العديد من أوجه التشابه. تمارس مجالات الجاذبية قوة على الأجسام ذات الكتلة، والمجالات الكهربائية تمارس قوة على الأجسام المشحونة.

المجالات الكهربائية.

المجالات الكهربائية (المجالات الإلكترونية) هي أداة مهمة في فهم كيفية بدء الكهرباء واستمرارها في التدفق. تصف المجالات الكهربائية قوة السحب أو الدفع في مسافة بين الشحنات.

بالمقارنة مع مجال الجاذبية الأرضية، فإن المجالات الكهربائية لها اختلاف رئيسي واحد: في حين أن مجال الأرض عمومًا يجذب فقط الأجسام الأخرى ذات الكتلة (نظرًا لأن كل شيء أقل كتلة بشكل ملحوظ)، فإن المجالات الكهربائية تدفع الشحنات بعيدًا بقدر ما تجذبها.

يتم تعريف اتجاه المجالات الكهربائية دائمًا على أنه الاتجاه الذي تتحرك به شحنة اختبار موجبة إذا تم إسقاطها في الحقل. يجب أن تكون شحنة الاختبار صغيرة جدًا، حتى لا تؤثر شحنتها على المجال. يمكننا أن نبدأ بإنشاء مجالات كهربائية لشحنات فردية موجبة وسالبة.

إذا أسقطت شحنة اختبار موجبة بالقرب من شحنة سالبة، فإن شحنة الاختبار ستنجذب نحو الشحنة السالبة. لذلك، بالنسبة لشحنة سالبة واحدة، نرسم أسهم المجال الكهربائي التي تشير إلى الداخل في جميع الاتجاهات.

نفس الشحنة الاختبارية التي تم إسقاطها بالقرب من شحنة موجبة أخرى ستؤدي إلى تنافر خارجي، مما يعني أننا نرسم أسهمًا تخرج من الشحنة الموجبة. يمكن دمج مجموعات الشحنات الكهربائية لتكوين مجالات كهربائية أكثر اكتمالاً

 يشير الحقل الإلكتروني الموحد أعلاه بعيدًا عن الشحنات الموجبة باتجاه السلبيات. تخيل أن شحنة اختبار موجبة صغيرة تم إسقاطها في المجال الإلكتروني؛ يجب أن تتبع اتجاه الأسهم.

كما رأينا، تتضمن الكهرباء عادةً تدفق الإلكترونات – الشحنات السالبة – التي تتدفق عكس المجالات الكهربائية. تزودنا الحقول الكهربائية بقوة الدفع التي نحتاجها لتحفيز تدفق التيار. يشبه المجال الكهربائي في الدائرة مضخة الإلكترون: مصدر كبير للشحنات السالبة التي يمكنها دفع الإلكترونات، والتي ستتدفق عبر الدائرة باتجاه كتلة الشحنات الموجبة.


الجهد الكهربائي (الطاقة).

عندما نسخّر الكهرباء لتشغيل داراتنا وأجهزتنا وأجهزتنا، فإننا حقًا نقوم بتحويل الطاقة. يجب أن تكون الدوائر الإلكترونية قادرة على تخزين الطاقة ونقلها إلى أشكال أخرى مثل الحرارة أو الضوء أو الحركة. الطاقة المخزنة في الدائرة تسمى طاقة الوضع الكهربائي.

الطاقة والطاقة الكامنة.

لفهم الطاقة الكامنة نحتاج إلى فهم الطاقة بشكل عام. تُعرَّف الطاقة بأنها قدرة كائن ما على القيام بعمل على كائن آخر، مما يعني تحريك هذا الجسم مسافة ما. تأتي الطاقة بأشكال عديدة، بعضها يمكننا رؤيته (مثل الميكانيكي) والبعض الآخر لا يمكننا رؤيته (مثل المواد الكيميائية أو الكهربائية).

بغض النظر عن شكلها، توجد الطاقة في إحدى حالتين: حركية أو محتملة. جسم ما لديه طاقة حركية عندما يكون في حالة حركة. تعتمد كمية الطاقة الحركية التي يمتلكها الجسم على كتلته وسرعته.

من ناحية أخرى، فإن الطاقة الكامنة هي طاقة مخزنة عندما يكون الجسم في حالة راحة. يصف مقدار العمل الذي يمكن أن يقوم به الكائن في حالة تشغيله. إنها طاقة يمكننا التحكم فيها بشكل عام.

عندما يتحرك جسم ما، تتحول طاقته الكامنة إلى طاقة حركية. لنعد إلى استخدام الجاذبية كمثال. كرة البولينج التي تجلس بلا حراك أعلى برج خليفة بها الكثير من الطاقة الكامنة (المخزنة). بمجرد سقوطها، تتسارع الكرة – التي يسحبها مجال الجاذبية – نحو الأرض.

مع تسارع الكرة، يتم تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية (الطاقة من الحركة). في النهاية يتم تحويل كل طاقة الكرة من جهد إلى حركي، ثم تنتقل إلى أي طاقة تصطدم بها. عندما تكون الكرة على الأرض، يكون لديها طاقة وضع منخفضة جدًا.

الطاقة الكهربائية الكامنة.

تمامًا مثل الكتلة في مجال الجاذبية التي تحتوي على طاقة وضع الجاذبية، فإن الشحنات في المجال الكهربائي لها طاقة وضع كهربائي. تصف طاقة الوضع الكهربي للشحنة مقدار الطاقة المخزنة لديها، عند تشغيلها بواسطة قوة إلكتروستاتيكية، يمكن أن تصبح هذه الطاقة حركية، ويمكن أن تؤدي الشحنة عملًا.

مثل كرة البولينج الموجودة أعلى برج، فإن الشحنة الموجبة القريبة من شحنة موجبة أخرى لها طاقة وضع عالية؛ إذا تُركت مجانًا للتحرك، فسيتم صد الشحنة بعيدًا عن الشحنة المماثلة.

إن شحنة اختبار موجبة موضوعة بالقرب من شحنة سالبة سيكون لها طاقة كامنة منخفضة، مماثلة لطاقة كرة البولينج على الأرض. لغرس أي شيء بالطاقة الكامنة، علينا القيام بعمل عن طريق تحريكه لمسافة. في حالة كرة البولينج، يأتي العمل من حملها على ارتفاع 163 طابقًا، مقابل مجال الجاذبية.

وبالمثل، يجب بذل جهد لدفع شحنة موجبة ضد أسهم مجال كهربائي (إما باتجاه شحنة موجبة أخرى، أو بعيدًا عن شحنة سالبة). كلما زادت الشحنة في الحقل، زاد العمل الذي يتعين عليك القيام به.

وبالمثل، إذا حاولت سحب شحنة سالبة بعيدًا عن شحنة موجبة – مقابل مجال كهربائي – فعليك القيام بشغل. بالنسبة لأي شحنة موجودة في مجال كهربائي، تعتمد طاقة الوضع الكهربائي على النوع (موجب أو سالب)، وكمية الشحنة، وموقعها في المجال. تقاس طاقة الوضع الكهربائي بوحدات الجول (J).

الجهد الكهربائي.

يعتمد الجهد الكهربائي على طاقة الوضع الكهربائي للمساعدة في تحديد مقدار الطاقة المخزنة في المجالات الكهربائية. إنه مفهوم آخر يساعدنا على نمذجة سلوك المجالات الكهربائية.

الجهد الكهربائي ليس مثل طاقة الوضع الكهربائي! في أي نقطة في مجال كهربائي، يكون الجهد الكهربائي هو مقدار طاقة الوضع الكهربائي مقسومًا على كمية الشحنة عند تلك النقطة. إنه يأخذ كمية الشحنة من المعادلة ويترك لنا فكرة عن مقدار الطاقة الكامنة التي قد توفرها مناطق معينة من المجال الكهربائي.

يتم قياس الجهد الكهربائي بوحدات جول لكل كولوم (J / C) ، والتي نعرّفها بالفولت (V). يوجد في أي مجال كهربائي نقطتان للجهد الكهربائي تهمنا بشكل كبير. هناك نقطة ذات جهد مرتفع، حيث يكون للشحنة الموجبة أعلى طاقة كامنة ممكنة، وهناك نقطة ذات جهد منخفض، حيث يكون للشحنة أقل طاقة محتملة ممكنة.

الجهد هو أحد المصطلحات الأكثر شيوعًا التي نناقشها في تقييم الكهرباء. الجهد هو فرق الجهد بين نقطتين في مجال كهربائي. يعطينا الجهد فكرة عن مقدار قوة الدفع التي يمتلكها المجال الكهربائي. مع الطاقة الكامنة والمحتملة، لدينا جميع المكونات اللازمة لتوليد الكهرباء المتحركة.

فرق جهد الكهرباء

الكهرباء أثناء عملها.

بعد دراسة فيزياء الجسيمات ونظرية المجال والطاقة الكامنة، أصبحنا نعرف الآن ما يكفي لتدفق الكهرباء. دعونا نصنع دائرة كهربائية.

أولاً سنراجع المكونات التي نحتاجها لتوليد الكهرباء:

  • تعريف الكهرباء هو تدفق الشحنة. عادة ما يتم نقل شحناتنا بواسطة إلكترونات تتدفق بحرية.
  • ترتبط الإلكترونات سالبة الشحنة بشكل فضفاض بذرات المواد الموصلة. بدفعة بسيطة يمكننا تحرير الإلكترونات من الذرات وجعلها تتدفق في اتجاه موحد بشكل عام.
  • توفر الدائرة المغلقة للمواد الموصلة مسارًا لتدفق الإلكترونات باستمرار.
  • يتم دفع الشحنات بواسطة مجال كهربائي. نحتاج إلى مصدر جهد كهربائي (جهد كهربائي) يدفع الإلكترونات من نقطة منخفضة الطاقة الكامنة إلى طاقة كامنة أعلى.

إقرأ أيضاً… ما هي الخلايا الكهروضوئية؟


التماس الكهربائي (دارة القصر).

البطاريات هي مصادر الطاقة الشائعة التي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. لديهم طرفين متصلان ببقية الدائرة. يوجد في أحد الطرفين زيادة في الشحنات السالبة، بينما تتحد الشحنات الموجبة في الطرف الآخر. هذا فرق جهد كهربائي ينتظر العمل!

إذا قمنا بتوصيل سلكنا المليء بذرات النحاس الموصلة بالبطارية، فسيؤثر هذا المجال الكهربائي على الإلكترونات الحرة سالبة الشحنة في ذرات النحاس. يتم دفع الإلكترونات الموجودة في النحاس في نفس الوقت بواسطة الطرف السالب وسحبها بواسطة الطرف الموجب، مما يؤدي إلى انتقال الإلكترونات الموجودة في النحاس من ذرة إلى ذرة، مما يؤدي إلى تدفق الشحنة التي نعرفها بالكهرباء.

بعد ثانية من تدفق التيار، تحركت الإلكترونات في الواقع القليل جدًا، أجزاء من السنتيمتر. ومع ذلك، فإن الطاقة الناتجة عن التدفق الحالي ضخمة، خاصة أنه لا يوجد شيء في هذه الدائرة لإبطاء التدفق أو استهلاك الطاقة.

يعتبر توصيل موصل نقي مباشرة عبر مصدر طاقة فكرة سيئة. تتحرك الطاقة بسرعة كبيرة عبر النظام وتتحول إلى حرارة في السلك، والتي قد تتحول بسرعة إلى ذوبان في السلك أو حريق.


إنارة المصباح الكهربائي.

بدلاً من إهدار كل هذه الطاقة، ناهيك عن تدمير البطارية والسلك ، فلنقم ببناء دائرة كهربائية تقوم بشيء مفيد! بشكل عام، ستنقل الدائرة الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى شكل آخر مثل الضوء والحرارة والحركة وما إلى ذلك.

إذا قمنا بتوصيل مصباح كهربائي بالبطارية بأسلاك بينهما، يكون لدينا دائرة وظيفية بسيطة. بينما تتحرك الإلكترونات بوتيرة حلزونية، يؤثر المجال الكهربائي على الدائرة بأكملها تقريبًا على الفور (نتحدث عن سرعة الضوء بسرعة).

تتأثر الإلكترونات في جميع أنحاء الدائرة، سواء عند أدنى جهد أو أعلى جهد أو بجوار المصباح الكهربائي، بالمجال الكهربائي. عندما يغلق المفتاح وتتعرض الإلكترونات للمجال الكهربائي، تبدأ جميع الإلكترونات في الدائرة بالتدفق في نفس الوقت على ما يبدو.

ستأخذ هذه الشحنات الأقرب إلى المصباح الكهربائي خطوة واحدة خلال الدائرة وتبدأ في تحويل الطاقة من الكهرباء إلى الضوء (أو الحرارة).