الجهد، التيار، المقاومة، وقانون أوم.
أساسيات الكهرباء (Electricity)
عند البدء في استكشاف عالم الكهرباء والإلكترونيات من المهم أن نبدأ بفهم أساسيات الجهد، التيار، والمقاومة. فهي لبنات البناء الأساسية التي نحتاج إليها للتعامل مع الكهرباء واستغلالها فيما يفيدنا.في البداية قد يصعب علينا فهم تلك المفاهيم لأننا لا نراها. فلا يمكن للإنسان بعينه المجردة أن يرى الطاقة (energy) تسري خلال سلك، أو الجهد الخاص ببطارية ما ساكناً على منضدة. حتى البرق في السماء، مع أنه مرئي إلا أنه لا يرينا انتقال الطاقة الحادث من السحب إلى الأرض، بل في الواقع ما نراه هو تفاعل يحدث بين جزيئات الهواء والطاقة السارية خلالها.من أجل أن نرصد انتقال الطاقة، لا بد أن نستخدم أدوات القياس مثل المالتيميتر (Multimeter)، محللات الطيف (spectrum analyzers)، وراسمات الذبذبات (oscilloscopes) لتخيل ما يحدث للشحنات خلال نظام ما. لكن لا تخش شيئاً؛ في هذا الدرس سنقدم لك المعرفة الأساسية بالجهد، التيار، والمقاومة، وكيفية ارتباط هذه المفاهيم الثلاثة ببعضها البعض.
محتويات هذا الدرس.
• العلاقة بين الشحنات الكهربية (electrical charge) وبين التيار، الجهد
الشحنة الكهربية (Electrical Charge)..
الكهرباء هي عبارة عن حركة الإلكترونات. حركة الإلكترونات ينشأ عنها الشحنات، وهي ما نستغله لبذل الشغل، مثل إضاءة مصباح، تشغيل مشغل أصوات أو الهاتف… الخ. كل هذه الأشياء تُسَخّر حركة الإلكترونات من أجل بذل الشغل. وجميعها تعمل بنفس مصدر الطاقة: حركة الإلكترونات.
المفاهيم الثلاثة الأساسية في هذا الدرس يمكن تفسيرها عن طريق الإلكترونات، أو للتحديد أكثر: عن طريق الشحنة الناشئة عنها:
• الجهد هو الفرق في الشحنة بين نقطتين.
• التيار هو المعدل الذي تسري به الشحنات.
• المقاومة هي قابلية المادة لمقاومة سريان الشحنات (التيار).
لذلك عندما نتحدث عن تلك القيم فإننا في الحقيقة نصف حركة الشحنات، وبالتالي سلوك الإلكترونات. الدائرة الكهربية هي عبارة عن مسار مغلق يسمح للشحنات بالحركة خلاله من مكان لآخر. مكونات هذه الدوائر تسمح لنا بالتحكم في هذه الشحنات واستخدامها في بذل الشغل.
جورج أوم هو عالم درس الكهرباء، وهو من بدأ بوصف وحدة المقاومة وتعريفها اعتماداً على الجهد والتيار. إذن لنبدأ انطلاقاً من الجهد ثم نكمل.
الجهد..
نحن نُعَرّف الجهد بأنه مقدار الطاقة الكامنة (potential energy) بين نقطتين في دائرة كهربية. إحدى النقطتين لها شحنة أكبر من النقطة الأخرى. هذا الفرق في الشحنات بين النقطتين يُطلق عليه الجهد، ويقاس بالفولت (volt) الذي يمكن تعريفه بأنه الفرق في الطاقة الكامنة بين نقطتين يسمح بنقل واحد جول من الطاقة لكل كولوم (coulomb) من الشحنة يسري خلاله (لا تقلق إذا لم تفهم ذلك جيداً؛ فكل ذلك سيتم شرحه وتفسيره). تم تسمية الفولت على اسم الفيزيائي الإيطالي “آليساندرو فولتا” الذي اخترع ما يمكن اعتباره أول بطارية كيميائية. يتم الإشارة إلى الجهد في المعادلات والرسومات التوضيحية بحرف “V”.
لشرح الجهد والتيار والمقاومة يمكن تشبيه ذلك بخزان مائي. في الخزان المائي تُمثل الشحنة بكمية الماء، ويُمثل الجهد بضغط الماء في الخزان، بينما يُمثل التيار بسريان الماء. لذلك في هذا التشبيه تذكر الآتي:
• الماء = الشحنة
• الضغط = الجهد
• سريان الماء = التيار
لنفرض وجود خزان مائي على ارتفاع مُعين من الأرض، وفي قاع هذا الخزان يوجد خرطوم.
يمكننا تشبيه ذلك الخزان ببطارية، مكان يتم تخزين كمية معينة من الطاقة بداخله ثم تحريرها في وقت لاحق. إذا قمنا بتصريف كمية من الماء من الخزان فسيقل الضغط الناشئ عند نهاية الخرطوم، يمكن تشبيه ذلك أيضاً بخفض الجهد، مثلما يحدث عندما تلاحظ انخفاض إضاءة الكشاف عندما تضعف بطاريته ويتم استهلاكها. هناك أيضاً انخفاض في كمية الماء التي تسري خلال الخرطوم حيث أن كلما قل الضغط قلت كمية الماء المتدفق خلال الخرطوم، ويمكن تشبيه ذلك الماء بالتيار.
التيار .
يمكن تشبيه كمية الماء الساري خلال الخرطوم من الخزان بالتيار، كلما زاد الضغط زاد معدل السريان والعكس صحيح. بالنسبة للماء يمكننا أن نقيس حجم الماء المتدفق خلال الخرطوم خلال فترة معينة من الزمن. بينما بالنسبة للكهرباء نقوم بقياس كمية الشحنة المتدفقة خلال الدائرة خلال وقت معين.
تُقاس شدة التيار بالأمبير (Ampere)، ويُعرف الأمبير بأنه شدة التيار الذي ينتج عنه سريان 6.241*1018 إلكترون (1 كولوم) خلال نقطة معينة من الدائرة في ثانية واحدة. يُرمز للأمبير في المعادلات بـ “I”.
لنفرض أن لدينا خزانان ماء، كل منهما يحتوي على خرطوم في نهايته، وكل خزان يحتوي على نفس كمية الماء، لكن خرطوم أحد الخزانين أضيق من خرطوم الخزان الآخر.
يكون الضغط المقاس عند نهاية كل من الخرطومين متساوي، لكن عندما يبدأ الماء في السريان يكون معدل سريان الماء في الخزان ذي الخرطوم الضيق أقل من معدل سريان الماء في الخزان ذي الخرطوم الأكثر اتساعاً. بلغة الكهرباء يمكن القول إن التيار الساري خلال الخرطوم الضيق أقل من التيار الساري خلال الخرطوم الواسع. وإذا أردنا أن نجعل معدل السريان متساوياً في كلا الخرطومين فسيكون علينا أن نزيد كمية الماء (الشحنة) الموجودة في الخزان ذي الخرطوم الضيق.
الآن بدأنا بالتعرف على العلاقة بين الجهد والتيار، لكن هناك عامل آخر يجب أخذه في الحسبان: اتساع الخرطوم وهو المقاومة. هذا يعني أننا بحاجة لإضافة عامل آخر إلى نموذجنا:
• الماء = الشحنة (مُقاسة بالكولوم)
• الضغط = الجهد (مُقاس بالفولت)
• سريان الماء = التيار (مُقاساً بالأمبير)
• اتساع الخرطوم = المقاومة