مقدمة في الكهرباء

كلية الهندسة الكهربائية مقدمة في الكهرباء

تعد الكهرباء عنصرا أساسيا في حياتنا اليومية، و لا يمكن لنا الاستغناء عنها. عندما تنظر من حولك ستجد كل مكان يكاد لا يخلو من آلة كهربائية أو جهاز كهربائي، فمصابيح الإضاءة جعلت لتنير المنازل وشوارع المدينة ليلا، والتدفئة المركزية في المناطق الباردة والتكييف عند الاحساس بالحرارة كلها أصبحت اليوم متوقفة على الكهرباء. ماذا يعني لك أن تصحو يوما لتجد أنك بلا تلفاز، راديو، حاسوب، مضخة، غسالة، ثلاجة، هاتف وأي آلة تعمل بالكهرباء؟ تمثل الطاقة الكهربائية أحد أهم أنواع الطاقة النظيفة وخاصة إذا ما عرفنا كيف نتعامل معها ونتجنب مخاطرها فما هي الكهرباء؟ ستتعرف في هذا الدرس على ماهية الكهرباء، تاريخها، وأهم عناصرها. يمكنك أيضا معرفة المزيد بزيارتك لأحد المقالات الويكيبيدية الموجودة في نهاية هذا الدرس.

مفهوم الكهرباء1 مقال تفصيلي :تاريخ الكهرباء كان الإنسان البدائي قد عرف ظاهرة البرق إلا أنه لم يكن ليربط بينها وبين مفهوم الشحنات الكهربائية. يذكر أن قدماء المصريين واليونانيين كانوا قد عرفوا الصدمات الناجمة عن بعض الأسماك التي تتمتع بخاصية كهربائية. كما أن الكهرباء الساكنة كانت أيضا قد عرفت فيما بعد من ملاحظة الآثار التي يخلفها حجر الكهرمان أثناء احتكاكه بمواد أخرى كالفرو. بدأ تفسير الكهرباء يأخذ منحى علميا مع القرن السابع عشر وبدأت تطبيقاتها في القرن الثامن عشر حين اخترع فولتا البطارية. وفي اواخر القرن التاسع عشر بدأ الاهتمام بعلم الهندسة الكهربائية والثورة الصناعية. أصبح مفهوم الكهرباء يرتبط ارتباطا وثيقا بالشحنات التي تنجم عن ظواهر مختلفة من البرق، الاحتكاك، التأين وغيرها. وتم الاصطلاح على تسمية الظواهر التي تنجم عنها شحنات لحظية بالكهرباء الساكنة بينما أعطي مصطلح كمية الكهرباء للدلالة على الشحنات التي تأخذ وقتا أطول قبل زوال تأثيرها.

الكهرباء الساكنة عند فرك أسنان المشط بشعر الرأس وتقريبها من قصاصات ورق نلاحظ انجذاب هذه الأوراق نحو أسنان المشط. يمكنك تجربة قلم بلاستيكي أيضا بدلا المشط. السبب في ذلك هو وجود ما يسمى بالشحنات الكهربائية. ليس مهما أن تعرف الآن إن كانت هذه الشحنات موجبة أم سالبة ولكن طالما وجدت شحنات في مادة أكثر من الأخرى فسوف يظهر هذا الفرق بشكل قوى جذب بين المادتين. إذا كانت قوى الجذب كافية بحيث تتلاصق المادتان فسوف تنتقل بعض من الشحنات من سطح المادة ذات الشحنة الأكثر إلى سطح المادة ذات الشحنة الأقل وتسمى هذه العملية تفريغ الشحنات أو بالأحرى معادلة الشحنة، تستمر عملية تعادل الشحنات لفترة زمنية تضعف بعضها قوى الجذب بين المادتين بسبب اضمحلال فرق الشحنة بينهما وبالتالي ستلاحظ أن قصاصة الأوراق تتساقط مرة أخرى من أسنان المشط ولايستطيع المشط جذبها مرة أخرى ما لم تعاد عملية الفرك.

الجهد والتيار الكهربائي يسري الماء في الأنابيب من مكان إلى آخر بفعل فرق الضغط بين المكانين أويمكن القول بسبب فرق الإرتفاع , تسمى هذه العمليه بالتيار المائي. بالمقابل فهناك عملية مشابهة تتم داخل الأسلاك الكهربائية ولكننا لانستطيع رؤيتها مباشرة. حيث تتحرك مجموعة من الشحنات التي تعرفنا عليها في الكهرباء الساكنة وبشكل مستمر من طرف السلك إلى طرفه الآخر. لما كان التيار المائي يسري في الأنابيب بفعل وجود فرق بالضغط فإن التيار الكهربائي (حركة الشحنات تتم بفضل فرق في الجهد (الكمون )القوة الدافعة الكهربائية]] كما نطلق على سريان الشحنات داخل الأسلاك الكهربائية اسم التيار الكهربائي. ستتعلم فيما بعد كيف يسري التيار الكهربائي وماهو اتجاهه نسبة لحركة الشحنات كما سنتعرف على نوعين من التيارات هما التيار المستمر والتيار المتناوب.

الدائرة الكهربائية عند توصيل الأســـلاك الكهربائية بمصدر للجهد الكهربائي نطلق على هذه المجموعة اسم الدائرة الكهربائية. إذا ما وصلنا طرفي البطارية(الأصابع أو الرؤس البارزة في البطارية"سالب - ، موجب+) مع بعضهابسلك في طرفي البطاريةمباشرة:فسوف تحدث شرارةكهربائية ونجدالسلك سخن بشدةوكذالبطارية بدأت تسخن. في الحقيقةلاينصح بهذاالعمل لأنه استخدام خاطئ تماما والأصح هو أن نستغل الطاقة الكهربائية حتى لا تذهب هباء بإدراج مصباح في الدائرة السابقة مثلا. نطلق على حالة الدائرة الموصلة بأسلاك فقط مع المصدر (البطارية) مصطلح الدائرة المقصورة. بينما نطلق على الدائرة التي تستفيد من الكهرباء عن طريق مصباح مثلا اسم الدائرة المغلقة. عند فصل أحد أطراف الدائرة نجد أن المصباح لايضيء وتسمى في هذه الحال الدائرة المفتوحة. نستنتج مما سبق أن الدائرة المغلقة ماهي إلا عملية سماح بسريان التيار الكهربائي من أحد أطراف المصدر إلى الطرف الآخر بواسطة مادة موصلة.

الموصل نطلق على الأسلاك التي استخدمناها في الدائرة السابقة الموصلات وذلك لأنها تقبل توصيل التيار الكهربائي تماما مثل الأنابيب تسمح بنقل المياه. تختلف الموصلات في جودة توصيلها ويمكن القول أن جميع المعادن تعتبر مواد موصلة للكهرباء. والموصلات هي المواد التي تحتوي على إلكترونات حرة تساعد في انتقال الشحنة الكهربائية خلالها مثل الالمنيوم والحديد والنحاس.

العازل على عكس الموصلات فإن العوازل لاتوصل الكهرباء بالشكل المرغوب ولهذا السبب فهي تغطي الأسلاك الكهربائية لحمايتنا من مخاطر الكهرباء. وهي المواد التي لا تحتوي على إلكترونات حرة لنقل الشحنة الكهربائية.

مصادر الكهرباء هناك العديد من الطرق للحصول على الكهرباء. ولكي نكون دقيقين أكثر سنستعمل مصطلح الطاقة الكهربائية بدلا عن كلمة كهرباء وسنعرف السبب لاحقا عندما ندرس الطاقة كما يمكن أن نستعمل كلمة مصادر الجهد. من هذه المصادر البطارية: توجد البطارية في أحجام وأشكال مختلفة وتستطيع توليد كمية لا بأس بها من الطاقة الكهربائية. المولد الكهربائي: يستطيع المولد الكهربائي إنتاج كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية أكبر بكثير مما تزودنا به البطارية ولكنه أكبر حجما ووزنا منها. لهذا السبب لا تستعمل المولدات للأغراض الشخصية وإنما للخدمة العامة والتي يكون الغرض الشخصي جزء صغير فقط. الخلية الشمسية: تعد الخلايا الشمسية أحد مصادر الطاقة النظيفة والبسيطة حيث نحصل عليها من الشمس إلا أنها باهظة الثمن. سوف نتعلم لاحقا أن هذه المصادر تسمى مصادر التيار المستمر وأنه توجد مصادر أخرى تدعى مصادر التيار المتناوب.

عناصر أساسية بالإضافة لمصادر الطاقة والأسلاك والعوازل ستتعرف على عناصر أخرى تدخل في تكوين الدائرة الكهربائية مثل المقاومة: نستفيد منها أحيانا في التسخين والتدفئة والتحكم بكمية التيار المار في الدائرة مثلما نستخدم محبس الماء للتحكم في اندفاع الماء من الصنبور. الملف: نستعمله في التحويل بين الكهرباء والمغناطيسية كما في المغانط الكهربائية والمحولات الكهربائية. المكثف: نستطيع خزن كمية من الكهرباء لوقت قصير عند الضرورة بواسطة المكثف ومن ثم نفرغها عند الحاجة. في الواقع ستتعلم الكثير عن هذه العناصر وستكون مدخلا جيد لك ليس إلى الكهرباء فحسب ولكن إلى عالم الإلكترونيات والاتصالات أيضا.

وصلات ويكيبيدية الكهرباء التيار الكهربي الشحنة الكهربية الكهرباء الساكنة

السابق كلية الهندسة الكهربائية التالي