الكهرباء والمغناطيسيه

تمهيد :

عُرفت الكهرباء السكونية منذ القرن السادس قبل الميلاد (أي قبل 26 قرناً) ، فقد ذكر أحد علماء اليونان في ذلك الوقت خاصية الجذب التي يكتسبها العنبر (الكهرمان) Amber ، وهو مادة طبيعية تشبه العاج ويشبهها في هذه الأيام الأبونيت الصناعي ، عند دلكه بقطعة من الصوف . والحقيقة أن كلمة كهرباء التي نستخدمها حتى الآن أصلها من الكلمة اليونانية الدالة على العنبر وهي Elektron . وأنت تشاهد يومياً الكثير من حالات الكهرباء الساكنة ، فقلم الحبر البلاستيكي المدلوك بِكُمِ معطفك يجذب الغبار وقصاصات الورق . وأنت تسمع طقطقة أو تشاهد شرراً عندما تخلع كنزة صوفية .

حينما نتحدث عن الكهرباء اليوم لا نفكر كثيراً بالكهرباء السكونية ، بل نفكر بالكهرباء التي تضيء منازلنا ، وتدير غسالاتنا ، وتجعل حواسيبنا تعمل ، ونُشاهد بواسطتها التلفاز ... الخ .


كيف يمكن أن تصبح حياتنا لو اختفت الكهرباء منها ؟

فكر كيف : سنغسل ملابسنا بدون كهرباء ؟

كيف سنضيء منازلنا ؟

كيف سنحفظ ونبرد أطعمتنا ؟



متى ستصلنا أخبار الأحداث في الأماكن البعيدة عنا ؟ وغير ذلك من الأسئلة كثير ، لا شك أن الحياة ستصبح صعبة جداً بدون كهرباء .


الكهرباء Electricity :

بقيت الكهرباء السكونية التي عرفت منذ العصور القديمة ومكتشفاتها ومخترعاتها ، سائدة حتى القرن الثامن عشر ، وعندها تحركت الكهرباء وبقوة إذ ظهر في هذا القرن علماء أفذاذ مثل فرانكلين وكولوم وفولتا ، وأكمل فارادي وأوم وغيرهم في القرن التاسع عشر و فتحوا للكهرباء باباً جديداً هو باب الحركة والانتقال فظهرت الكهرباء التيارية أو المتحركة تمييزاً لها عن الكهرباء الساكنة ، كما تم الربط الوثيق بين الكهرباء والمغناطيسية .

واخترع المولد الكهربائي الأولي البسيط Dynamo الذي تتحول بواسطته الطاقة الحركية إلى كهربائية ، كما اخترع المحرك الكهربائي Electric Motor وهو يعمل عكس المولد إذ يحول الطاقة الكهربائية إلى حركية .

كل هذا حدث قبل اكتشاف الالكترون ، الذي نعرف اليوم أنه محرك التيارات الكهربائية ، بحوالي قرن من الزمان .



التيار الاصطلاحي Conventional Current

اتفق العلماء ، قبل أن يكتشف الالكترون على اعتبار أن التيار الكهربائي ناتج عن تحرك شحنات موجبة من القطب الموجب إلى القطب السالب للبطارية ، وما يزال هذا الاتفاق معمولاً به حتى اليوم حيث عندما نرسم الدوائر الكهربائية نحدد عليها اتجاه ما يسمى بالتيار الاصطلاحي وهو اتجاه حركة الشحنات الموجبة ، أما اليوم فنعلم أن التيار الكهربائي هو سيل من الالكترونات يسري في المواد الموصلة من القطب السالب إلى القطب الموجب في الدائرة الكهربائية المغلقة .



لاحظ العلماء أن الكهرباء نوعان ومقارنة لها مع توأمها المغناطيسية حيث يوجد قطب شمالي وقطب جنوبي ، اقترح العالم فرانكلين تسمية أحد االنوعين الكهرباء الموجبة والنوع الثاني الكهرباء السالبة وهي التسمية السائدة حتى اليوم .

نقل التيار الكهربائي :

يُولد التيار الكهربائي عادة في محطات خاصة بعيدة عن المدن ، فكيف ننقله من المحطة إلى المدينة ؟ حتى يتحرك التيار الكهربائي لا بد له من ممر كامل ، وهذا الممر الكامل سيتكون حتماً من مصدر الطاقة الكهربائي ، والجهاز المراد تشغيله بواسطة الكهرباء ، ولكنهما بعيدان عن بعضهما ، فكيف نصل بينهما؟ نصل بينهما بواسطة أسلاك توصيل معدنية . الفلزات هي المواد التي تستخدم في نقل الكهرباء من مكان إلى آخر . ولمزيد من التوضيح لعمليات نقل الكهرباء من مكان إلى آخر إليك الأمثلة المألوفة التالية :

لِنَقل الأشخاص من منطقة (أ) إلى منطقة (ب) نستخدم وسيلة مواصلات (باص ، قطار ، طائرة ، سفينة ... الخ) .


لِنَقل الماء من منطقة (ج) إلى منطقة (د) نستخدم أنابيب (معدنية أو خزفية أو بلاستيكية) .


لِنَقل الكهرباء من (هـ) إلى (و) بأقل قدر ممكن من العراقيل نستخدم أسلاكاً من النحاس جيد التوصيل للكهرباء .



المقاومة الكهربائية Electric Resistance :

نعرف من خبرتنا ومن حياتنا اليومية أن نَقل الكهرباء من مكان توليدها إلى منازلنا يتم بواسطة أسلاك نحاسية، وفي داخل منازلنا نستخدم الأسلاك النحاسية في توصيل الأجهزة بمصدر الكهرباء ، وأنت عندما تريد إضاءة مصباح كهربائي صغير بواسطة بطارية تصل بينهما بواسطة أسلاك نحاسية .




أسلاك النحاس التي نستخدمها تكون مغلفة بالجيلاتين أو الكاوتشوك أو النايلون ولا نشاهد إلا أطرافها المعدنية غير المغلفة (العارية) . نستعمل أيضاً مصطلحات موصل أو مادة موصلة (النحاس مادة موصلة) وعازل أو مادة عازلة (الجيلاتين مادة عازلة) ، فما هو الجزء الموصل في سلك التلفاز وما هو الجزء العازل ؟


والآن يمكن أن نعود ونسأل :
لماذا نستخدم أسلاك النحاس لنقل الكهرباء من مكان إلى آخر ؟

درس العلماء تجريبياً درجة توصيل الفلزات للكهرباء ، وقد تبين نتيجة التجارب أن أجود فلز في توصيل الكهرباء هو الفضة .

سؤال :

لماذا فضل الناس استخدام النحاس بدلاً من الفضة مع أنه يأتي في المرتبة الثانية بعدها ؟

ورغم توصيلها ونقلها للكهرباء تظهر الفلزات مقاومة (ممانعة) لمرور التيار فيها ، وهذه المقاومة تختلف من فلز إلى آخر ، والفضة هو أقلها ممانعة لذلك فهو أجودها توصيلاً ، يليه النحاس الذي يقاوم التيار بدرجة أعلى قليلاً من الفضة (درجة توصيله حوالي 96% من درجة توصيل الفضة) ، أما الذهب (فدرجة توصيله حوالي 68% من درجة توصيل الفضة والألومنيوم (درجة توصيله حوالي 62%) . أما بقية الفلزات فدرجات توصيلها دون 40% بالمقارنة مع الفضة .


وماذا عن المواد العازلة ؟

إن الجيلاتين والزجاج والخشب والهواء والغازات الأخرى هي مواد عازلة أي أن درجة توصيلها مقارنة بالفضة تكاد تكون معدومة في الظروف العادية ولكن يمكن جعلها موصلة للكهرباء تحت شروط قاسية، ولذلك يستخدم الناس الجيلاتين في عزل أسلاك النحاس الموصلة .

المواد العازلة إذن هي مواد تضع العراقيل أمام انتقال الكهرباء من منطقة إلى أخرى ونحن نستخدمها للوقاية من خطر الكهرباء وللتقليل من ضياع الطاقة الكهربائية .

تعلمون أيضاً أنه توجد عناصر مثل السيليكون والجرمانيوم وغيرها نسميها أشباه (أنصاف) الموصلات ، وهي التي تستخدم في صنع الرقائق الالكترونية المختلفة والمستخدمة في الحاسوب والتلفاز والهاتف الخلوي وغيره.

والخلاصة أن كل مادة تبدي ممانعة لمرور التيار الكهربائي فيها ، وهذه الممانعة تعرف باسم المقاومة الكهربائية .

التقويم :

1) رتب المواد التالية حسب درجة توصيلها للكهرباء من الأجود توصيلاً إلى الأقل توصيلاً :
الخارصين ، الألومنيوم ، الزجاج ، النحاس ، السيليكون .


2) أكمل الفراغات في العبارات التالية بوضع كملة واحدة في الفراغ الواحد :

أ) الكهرباء و ------- توأمان .


ب) التيار الكهربائي الاصطلاحي هوحركة الشحنات الموجبة خارج المصدر الكهربائي من القطب ------ إلى القطب --------.


ج) الكهرباء electricity كلمة مشتقة من كلمة Electron اليونانية التي تعني ------------.


د) الجهاز الذي نحصل منه على تيار كهربائي عن طريق تحريك ملف من الأسلاك المعزولة بين قطبي مغناطيس هو ------------ .


هـ ) الجهاز الموجود في الغسالة الكهربائية الذي يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى حركية هو -------- .