ترتبط الكهرباء أيضًا بالعديد من العمليات البيولوجية. ففي جسم الإنسان تنتقل الإشارات الكهربائية عبر الأعصاب، حاملة المعلومات من الدماغ وإليه، حيث تساعد هذه الإشارات الدماغ على تحديد ما تراه العين، وتسمعه الأذن، وتتحسسه الأصابع. وهذه الإشارات هي التي تسبب حركة العضلات ونبض القلب، كما تنظم معدل النبض.
ومن أهم خصائص الكهرباء الطاقة الكهربائية. فقد استطاع الناس خلال القرن التاسع عشر تسخير الكهرباء لأداء الأعمال. وكان لهذا المصدر الجديد للطاقة تطبيقات عملية كثيرة، ساهمت كثيرًا في تغيير حياة الناس، حيث تمكن المخترعون والعلماء من توليد الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة، واكتشفوا طرق استخدام هذه الطاقة في إنتاج الضوء والحرارة والحركة، وصمموا نبائط كهربائية مكنت الناس من الاتصال عبر المسافات البعيدة، ومعالجة المعلومات بسرعة فائقة. وقد ازداد الطلب على الكهرباء خلال القرن العشرين إلى درجة أن الناس اليوم لايستطيعون تخيل شكل الحياة في حالة عدم وجود الطاقة الكهربائية.
تناقش هذه المقالة المبادئ الأساسية
للكهرباء. وللحصول على معلومات حول كيفية إنتاج الكهرباء ونقلها تجاريًا انظر :
المولد الكهربائي؛ القدرة الكهربائية. وللتعرف على بعض القوانين البسيطة التي تحكم
سلامة استخدام الكهرباء انظر: سلامة كهربائية (السلامة مع الكهرباء) في هذه
المقالة.
--------------------------------------------------------------------------------
مصطلحات تستخدم في الكهرباء
--------------------------------------------------------------------------------
الإلكترون جسيم تحت ذري يحمل شحنة كهربائية سالبة.
الأمبير هو الوحدة المستخدمة في قياس معدل سريان التيار
الكهربائي.
الأوم هو الوحدة المستخدمة في قياس مقاومة مادة ما
لسريان التيار الكهربائي.
الأيون ذرة أو مجموعة ذرات اكتسبت إلكترونات أو
فقدتها، واكتسبت بذلك شحنة كهربائية.
البروتون جسيم تحت ذري يحمل شحنة كهربائية موجبة.
التيار الكهربائي هو سريان الشحنات الكهربائية.
الدائرة الكهربائية هي المسار الذي يتبعه التيار الكهربائي.
الشحنة الكهربائية خاصية أساسية لجسيمات مادية معينة، تجعلها تجذب
الجسيمات المشحونة الأخرى أو تتنافر معها.
العازل مادة تقاوم سريان التيار الكهربائي.
الفولتية نوع من "الضغط" يدفع الشحنات
الكهربائية عبر دائرة.
القطب الكهربائي قطعة من فلز أو أي موصل آخر يدخل عبره التيار
إلى نبيطة كهربائية، أو يخرج منها.
الكهرباء الساكنة هي الشحنة الكهربائية غير المتحركة.
الكهرومغنطيسية قوة أساسية في الكون تشتمل على كل من الكهرباء
والمغنطيسية.
الكيلواط-ساعة هو كمية الطاقة الكهربائية التي تستهلكها نبيطة
قدرتها 1,000 واط في ساعة واحدة.
المجال الكهربائي هو تأثير الجسم المشحون على الحيز المحيط به،
والذي يؤدي إلى اكتساب الأجسام المشحونة الأخرى في الحيز قوى كهربائية.
المقاومة هو اعتراض مادة ما لسريان التيار
الكهربائي.
الموصل مادة يسري التيار الكهربائي عبرها بسهولة.
النيوترون جسيم تحت ذري لا يحمل شحنة كهربائية.
الواط هو الوحدة المستخدمة في قياس معدل استهلاك
الطاقة، بما في ذلك الطاقة الكهربائية.
استخدامات الطاقة الكهربائية
تعتمد معظم مناحي حياتنا على الطاقة
الكهربائية، حيث يستخدم سكان الدول الصناعية الكثير من النبائط التي تدار
بالكهرباء كل يوم. ومن أهم هذه النبائط الحاسوب، الذي يستخدم الطاقة الكهربائية في
معالجة المعلومات. فقد غيرت الحواسيب حياتنا داخل منازلنا ومدارسنا وأماكن
أعمالنا.
الأجهزة المنزلية
في المنازل. توفر الأدوات الكهربائية
مثل غاسلات الأطباق والمحامص والمكانس والغسالات الكهربائية الكثير من الوقت
والجهد. وتساعد أجهزة الطبخ الكهربائية وأفران المايكرويف ومعالجات الطعام في
تحضير الوجبات بسرعة وسهولة، كما تحفظ الثلاجات والمجمِّدات الطعام. وتبرِّد
المكيفات والمراوح الكهربائية منازلنا، بينما توفر السخانات الكهربائية الدفء
والماء الساخن. ويتيح التلفاز والراديو وألعاب الفيديو وحاكيات القرص المدمج
ومسجلات شريط الفيديو فرص التسلية. ويمكننا الضوء الكهربائي من الاستفادة من ساعات
الليل.
أنبوب انسياق لمعُجل جُسيمات
في الصناعة. لولا الكهرباء لما كان
للصناعة الحديثة وجود. فالمصانع تنتج الكثير من المنتجات على خطوط التجميع،
باستخدام الأحزمة الناقلة التي تعمل بالكهرباء والمعدات الكهربائية. ويستخدم
المصنعون الأجهزة الكهربائية لضبط أحجام المنتجات ونوعياتها. وتعمل المثقابات
والمناشير والعديد من الأدوات الصغيرة بالطاقة الكهربائية. وتدير المحركات
الكهربائية المصاعد والروافع وغيرها من المعدات الكبيرة.
كاميرا التلفاز
في الاتصالات. تعمل كل النبائط التي
يستخدمها الناس في الاتصالات تقريبًا بالطاقة الكهربائية. فالهواتف والتلفازات
والراديوهات وأجهزة الفاكس والمودمات الحاسوبية تعمل كلها بالطاقة الكهربائية.
وتستخدم أقمار الاتصالات الطاقة الكهربائية التي تولدها نبائط تسمى الخلايا
الشمسية، لنقل المعلومات إلى كل أنحاء العالم. والإشارات التلفازية والراديوية
إشارات كهربائية جزئيًا، وكذلك الإشارات الهاتفية والحاسوبية والفاكسية، التي
تنتقل عبر أسلاك أو جدائل رقيقة من الزجاج تسمى الألياف البصرية.
القطار الكهربائي
في المواصلات. توفر الطاقة
الكهربائية القدرة اللازمة لتحريك القطارات وعربات الترام التي تنقل ملايين الناس
إلى أعمالهم ومنها إلى منازلهم. وتستخدم معظم السيارات الشرارة الكهربائية لقدح
البترول الذي يوفر قدرة تشغيل المحرك. وتساعد النبائط الكهربائية في تقليل استهلاك
المحركات البترولية للوقود وتلويثها للهواء. وتدار العديد من أجهزة الضبط في
الطائرات والسفن بالكهرباء.
لحام السيارات بالربوت
في الطب والعلوم. يستخدم العاملون في
مجال العناية الصحية أجهزة كهربائية عديدة لفحص المرضى وإجراء الاختبارات الطبية.
فأجهزة الأشعة السينية وأجهزة التصوير بالرنين المغنطيسي، على سبيل المثال، تمكن
الأطباء من رؤية أجهزة الجسم الداخلية. وتسجل مرسمات كهربائية القلب الإشارات
الكهربائية الدقيقة الصادرة عن القلب، مما يساعد الأطباء على تشخيص أمراض القلب.
ويستخدم العلماء في المجالات العلمية
كافة النبائط الكهربائية في إجراء البحوث. فعلماء الأحياء الدقيقة، على سبيل
المثال، يستخدمون جهازًا قويًا يسمى المجهر الإلكتروني المسحي لدراسة أسرار
الخلايا الحية.
ويستخدم الفيزيائيون معجلات الجسيمات
التي تدار بالكهرباء لفحص التركيب الداخلي للذرات. وتساعد التلسكوبات الضخمة التي
تدار بالكهرباء الفلكيين في دراسة الكواكب والنجوم والمجرات.
الشحنة الكهربائية
تتكون كل المواد في الكون، من جسم
الإنسان إلى النجوم البعيدة، من نوعين من الجسيمات الدقيقة هما الإلكترونات
والكواركات. وتكوِّن الكواركات بدورها جسيمات أكبر، تنقسم إلى نوعين هما
البروتونات والنيوترونات. وللإلكترونات والكواركات خاصية تسمى الشحنة الكهربائية،
حيث تحمل الإلكترونات نوعًا من الشحنات يسمى الشحنة السالبة، بينما تحمل الكواركات
إما الشحنات السالبة أو النوع الآخر من الشحنات الذي يسمى الشحنة الموجبة. وتساوي
الشحنة الموجبة على البروتون الشحنة السالبة على الإلكترون، وذلك لأن البروتون
يحتوي على كواركين يحمل كل منهما ثلثي وحدة شحنة موجبة، وكوارك يحمل ثلث وحدة شحنة
سالبة. أما النيوترون فيحتوي على كواركين يحمل كل منهما ثلث وحدة شحنة سالبة
وكوارك يحمل ثلثي وحدة شحنة موجبة. وتلغي الشحنات بعضها بعضًا لأن إجمالي الشحنة
الموجبة على النيوترون يساوي إجمالي الشحنة السالبة. ولذلك يقال أن النيوترون
متعادل كهربائيًا، أي لايحمل شحنة كهربائية إجمالية.
والشحنات المتضادة، أو غير المتشابهة
ـ السالبة والموجبة ـ تتجاذب، بينما تتنافر الشحنات المتشابهة ـ الموجبة والموجبة
أو السالبة والسالبة. وتنتج قوة التجاذب أو التنافر بين الشحنات عن قوى غير مرئية
تسمى المجالات الكهربائية، تحيط بكل جسيم مشحون. وبسبب وجود المجالات، تتجاذب الجسيمات
المشحونة أو تتنافر، حتى عندما تكون غير متلامسة.
تتحول الذرة إلى أيون عندما تكتسب أو
تفقد إلكترونًا، وتكتسب بذلك شحنة كهربائية. وتحتوي الذرة العادية (إلى اليسار)
على عدد مساو من البروتونات الموجبة والإلكترونات السالبة. وإذا فقدت إلكترونًا
(إلى اليمين) تتحول إلى أيون موجب الشحنة.
الذرات. تتحد الكواركات لتكوين
البروتونات والنيوترونات. وتتحد البروتونات والنيوترونات بدروها مع الإلكترونات
لتكوين الذرات. وفي الذرة تترابط النيوترونات والبروتونات لتكوين لب دقيق يسمى
النواة.
وتجذب النواة الموجبة الشحنة في
الذرة الإلكترونات السالبة الشحنة. والنواة موجبة الشحنة لأنها تحتوي على
بروتونات، ولا تحتوي على إلكترونات. وتدور الإلكترونات السالبة حول النواة الموجبة
فيما يشبه دوران الكواكب حول الشمس.
ولكل نوع من الذرات عدد مختلف من
البروتونات. فالهيدروجين، على سبيل المثال، وهو أبسط الذرات، يحتوي على بروتون
واحد في النواة، بينما تحتوي ذرة الأكسجين على 8 بروتونات، والحديد على 26
بروتونًا، واليورانيوم على 92 بروتونًا. وتحتوي الذرة عادة على عدد مساو من
البروتونات والإلكترونات. ونتيجة لذلك، تلغي الشحنات السالبة للإلكترونات الشحنات
الموجبة للبروتونات، وتصبح الذرة متعادلة كهربائيًا.
الأيونات. تفقد الذرة أو تكتسب
أحيانًا إلكترونًا واحدًا أو أكثر. فإذا اكتسبت إلكترونًا تصبح الذرة سالبة
الشحنة، بينما تصبح موجبة الشحنة إذا فقدت إلكترونًا. وتسمى الذرات التي تحمل شحنة
كهربائية الأيونات. ومعظم الأيونات موجبة الشحنة، ولذلك تعني كلمة أيون، عندما
تستخدم بمفردها، الذرة التي فقدت إلكترونًا واحدًا أو أكثر. وتتجاذب الأيونات
الموجبة والسالبة، ويمكنها أن تتحد لتكوين المواد الصلبة. فملح الطعام العادي، على
سبيل المثال، يتكون من الصوديوم والكلور. وفيه تفقد كل ذرة من ذرات الصوديوم
إلكترونًا لتكوين أيون صوديوم موجب. وتتلقى كل ذرة من ذرات الكلور هذا الإلكترون
لتكوين أيون كلوريد سالب. وبسبب قوة الجذب الكهربائي بين الأيونات يكون ملح الطعام
صلبًا، ودرجة انصهاره عالية.
الجزيئات. تتقاسم الذرات المتعادلة
الإلكترونات مع غيرها من الذرات. وتكون الذرات التي تتقاسم الإلكترونات منجذبة
بعضها نحو بعض. ويجعل هذا التجاذب الذرات مرتبطة بعضها ببعض لتكوين جزيئات. فعلى
سبيل المثال، يمكن أن تتقاسم ذرتا هيدروجين الإلكترونات مع ذرة أكسجين لتكوين جزئ
ماء. وتميل الإلكترونات إلى البقاء قرب ذرة الأكسجين معظم الوقت، مما يعطيها شحنة
كهربائية سالبة. وتكتسب ذرتا الهيدروجين شحنتين موجبتين. وتمسك قوة الجذب
الكهربائي بين هذه الذرات المشحونة جزئ الماء في حالة ترابط.
الكهرباء الساكنة. في بعض الأحيان
يفقد عدد كبير من ذرات جسم ما الإلكترونات أو يكتسبها. وعندما يحدث مثل هذا
الفقدان أو الاكتساب يكتسب الجسم كله شحنة كهربائية. ويصف مصطلح الكهرباء الساكنة
الأوضاع التي تحمل فيها الأجسام شحنة كهربائية.
تحدث الكهرباء الساكنة، على سبيل
المثال، عندما تفرك قميصك ببالون، حيث يسبب احتكاك البالون بالقميص انتقال
الإلكترونات من القميص إلى البالون، مما يؤدي إلى اكتساب القميص لشحنة كلية موجبة،
نظرًا لاحتوائها على عدد من البروتونات أكبر من الإلكترونات، واكتساب البالون
لشحنة كلية سالبة لاحتوائها على إلكترونات زائدة. ولذلك يلتصق البالون بالقميص أو
بأي سطح آخر مثل الجدار.
ويشبه ذلك ما يحدث عندما تمشي فوق
سجاد في يوم جاف، حيث يؤدي الاحتكاك بين حذائك والسجاد إلى انتقال الإلكترونات من
جسمك إلى السجاد، معطيًا جسمك شحنة كهربائية موجبة. وعندما تلمس مقبض الباب أو أي
جسم فلزي آخر، تقفز الإلكترونات من الجسم الفلزي إلى جسمك، وحينئذ قد تشاهد شرارة
وتحس بصدمة خفيفة.
وينتج البرق عن الكهرباء الساكنة.
فالعلماء يعتقدون أن قطرات المطر المحمولة في رياح السحب البرقية تكوِّن شحنات
كهربائية، حيث تصبح أجزاء من السحاب مشحونة بشحنة موجبة، بينما تصبح أجزاء أخرى
مشحونة بشحنة سالبة. وقد تقفز الشحنات بين أجزاء السحاب المختلفة، أو من السحاب
إلى الأرض، مما يؤدي إلى توليد الشرارة الكهربائية الضخمة التي نسميها البرق.
وللكهرباء الساكنة استخدامات عديدة
في المنازل والمؤسسات والمصانع. فأجهزة النسخ التي نراها في المكاتب، على سبيل
المثال، ناسخات كهروستاتية، تصنع نسخًا من المادة المطبوعة أو المكتوبة بجذب
جسيمات التونر (الحبر المسحوق) إلى الورقة الموجبة الشحنة. وتستخدم الكهرباء
الساكنة أيضًا في المنظفات الهوائية المسماة المرسِّبات الكهروستاتية. فهذه
النبائط تشحن جسيمات الغبار والدخان والبكتيريا وحبوب اللقاح في الهواء بشحنات
كهربائية موجبة. وتنقي ألواح تجميع سالبة الشحنة الهواء بجذب هذه الجسيمات الموجبة
الشحنة إلى داخل المنظف.
الموصلات والعوازل
تنتقل الشحنات الكهربائية عبر بعض
المواد بدرجة أفضل من انتقالها عبر مواد أخرى، حيث تنتقل بسهولة عبر مواد تسمى
الموصلات. وتقاوم مواد تسمى العوازل انتقال الشحنات الكهربائية.
التيار الكهربائي في الفلزات
الموصلات. تحتوي المواد الموصلة
للكهرباء على جسيمات مشحونة تتحرك بحرية عبر المادة. وعند تطبيق شحنة كهربائية
إضافية على الموصل تنتشر الجسيمات المشحونة على سطح المادة. والجسيمات الحرة في
معظم الموصلات إلكترونات غير مرتبطة بالذرات، وأيونات في موصلات أخرى.
والفلزات موصلات جيدة لأنها تحتوي
على عدد كبير من الإلكترونات الحرة، ولذلك تصنع معظم الأسلاك المستخدمة في نقل
الطاقة الكهربائية من الفلزات، وخاصة النحاس. وبعض السوائل أيضًا موصلات. فالماء
المالح، على سبيل المثال، موصل للكهرباء لأنه يحتوي على أيونات صوديوم وكلوريد حرة
الحركة داخل السائل.
وبعض الغازات أيضًا موصلات. ففي حالة
تسخين غاز ما إلى درجات عالية تتحرك ذراته بسرعة عالية تؤدي إلى تصادمها، بعضها
ببعض، بشدة، مما يجعل الإلكترونات تنفلت منها، وعندئذ يتحول الغاز إلى نوع من
الموصلات الكهربائية يسمى البلازما. ومن أمثلة البلازما الغاز الساخن المتوهج داخل
المصباح الفلوري، والغازات الساخنة التي تكوِّن الشمس والنجوم الأخرى.
وفي معظم الموصلات تتصادم
الإلكترونات المتحركة مع الذرات باستمرار، وتفقد الطاقة، ولكنها تتحرك بحرية تامة،
ولا تفقد أي طاقة، في بعض المواد التي تسمى الموصلات الفائقة. وتتطلب الموصلات
الفائقة درجات منخفضة جدًا لتؤدي وظيفة توصيل الكهرباء، ولذلك يستخدم هذا النوع من
الموصلات في بعض الحالات الخاصة، وقد يستخدم في المستقبل في صناعة المحركات ذات
الكفاءة العالية والمولدات وخطوط القدرة.
العوازل. في العوازل تكون
الإلكترونات مرتبطة بإحكام بذراتها، ولا تستطيع التحرك بحرية. وعند تطبيق شحنة
كهربائية إضافية على العازل تبقى الشحنة في مكانها، ولا تتحرك عبر المادة. ومن
أمثلة العوازل الزجاج والمطاط والبلاستيك والهواء العادي الجاف.
والعوازل مهمة في السلامة
الكهربائية، حيث تصنع معظم الحبال الكهربائية من مادة موصلة مغطاة بمادة عازلة مثل
المطاط أو البلاستيك. ويستطيع الشخص لمس الحبل المغطى بالمادة العازلة حتى في حالة
اتصال الحبل بمأخذ التيار.
أشباه الموصلات. توصل بعض المواد
الشحنة الكهربائية أفضل من العوازل، ولكن ليس بمستوى الموصلات. وتسمى هذه المواد
أشباه الموصلات، ومن أكثرها استخدامًا السليكون. وبإضافة كميات صغيرة من مواد أخرى
إلى شبه الموصل يستطيع المهندسون ضبط قدرتها على توصيل الشحنة الكهربائية. وأشباه
الموصلات مهمة في تشغيل الحواسيب والآلات الحاسبة وأجهزة الراديو والتلفاز وألعاب
الفيديو ونبائط أخرى عديدة.
المقاومة. تعني اعتراض المادة لمرور
الشحنات الكهربائية عبرها. وتحدث المقاومة عندما تصطدم الإلكترونات المتحركة في
المادة بالذرات، وتطلق طاقة في شكل حرارة. والموصلات الجيدة، مثل النحاس، ضعيفة
المقاومة، مقارنة بأشباه الموصلات، مثل السليكون. أما العوازل، مثل الزجاج والخشب،
فذات مقاومة عالية جدًا، يصعب معها مرور الشحنات الكهربائية عبرها. ولا تشكل
الموصلات الفائقة أي مقاومة لمرور الشحنات عبرها.
ولا تتوقف المقاومة على نوع المادة
فحسب، بل على حجمها وشكلها أيضًا. فالسلك النحاسي الرقيق، على سبيل المثال، أكثر
مقاومة من السلك السميك، والسلك الطويل أكثر مقاومة من السلك القصير. وقد تتفاوت
مقاومة المادة أيضًا حسب درجة الحرارة.
التيار الكهربائي
يسمى سريان الشحنة الكهربائية عبر
موصل التيار الكهربائي تيارًا كهربائيًا. وترتبط الطاقة بسريان التيار. فعند مرور
التيار عبر نبيطة كهربائية تحوَّل الطاقة الكهربائية إلى أشكال مفيدة. فهي مثلاً
تحول إلى حرارة في جهاز الطبخ الكهربائي، وإلى ضوء في المصباح الكهربائي.
إرسال تعليق