مفهوم الكهرباء ببساطه

تظهر الكهرباء بصورة واضحة في كافة نواحي الحياة، فالكهرباء تدير تروس الماكينات في المصانع وتمد الحاسبات ""Computersبالطاقة اللازمة لتشغيلها وكذلك التليفزيون والأجهزة الإليكترونية بالإضافة إلي إنارة الشوارع ليلا، كما أن الطاقة الصادرة من البطاريات تدير سياراتنا. ويستطيع كل منا أن يفعل شيئا بسيطا ليشعر بأهمية الكهرباء، فمثلا قم بجولة في مدرستك أو منزلك واكتب كل أنواع الأجهزة المختلفة وكذلك الماكينات التي تعتمد في تشغيلها علي الكهرباء، وسوف تندهش بتعدد الأجهزة التي تستخدمها وتعتمد عليها في حياتك اليومية والتي تستخدم الكهرباء كمصدر للطاقة.


لكن يظل السؤال، ما هي الكهرباء؟ من أين تأتي؟ كيف تعمل؟ وقبل أن نتفهم هذه الأمور فإننا نحتاج إلي بعض البيانات عن الذرة "" Atomوتكوينها.

كل المواد تتكون من ذرات، والذرات بدورها تتكون من جسيمات أصغر، وهذه الجسيمات هي البروتون "Proton"، النيترون""Neutron، والإليكترون ""Electron. فالإليكترونات تدور في مسارات حلزونية حول محورها وكذلك حول نوياتها "Nuclei" بنفس الطريقة التي يدور بها القمر حول الأرض، فاالنويات تتكون من نيترونات وإليكترونات.

تحتوي الإليكترونات علي شحنات سالبة والبروتونات علي شحنات موجبة، في حين أن النيترونات متعادلة الشحنة. وتوجد أنواع مختلفة من النويات كل نواة خاصة بعنصر مختلف، حيث يوجد 118 عنصر مختلف هي التي تشكل الحياة من حولنا، والأكسجين الذي يمثل أحد أهم عناصر الحياة علي كوكب الأرض هو أحد هذه العناصر.

تتكون كل نواة من عدد معين من الإليكترونات والبروتونات والنيترونات، ويمكن تصنيف الأنوية كأحد نوعين إما "مستقرة" أو غير مستقرة"، وتسمي النواة مستقرة إذا كان عدد الإليكترونات مساوي لعدد البروتونات. فالنواة التي تحتوي علي 6 بروتونات يجب أن تحتوي علي 6 إليكترونات، ويعرف هذا العنصر بيننا باسم "الكربون"، فالكربون يوجد في الغلاف الجوي ""Atmosphere وفي معظم النباتات وكذلك الطعام الذي نتناوله، وكما أن الفحم يتكون من الكربون فالألماس أيضا هو أحد مركبات الكربون!!.




أيضا توجد بعض العناصر الغير مستقرة، والتي تعرف علي أنها تحتوي علي عدد من الإليكترونات التي يمكن أن تتحرر وذلك حتى تتعادل مع عدد النيترونات، والأنوية التي تحتوي علي إليكترونات أكثر من النيترونات تكون سالبة الشحنة، ويطلق علي هذه الأنوية السالبة الشحنة "أيونات".

تستطيع الإليكترونات أن تنتقل من نواة لأخرى، وهو ما يسبب التيار الكهربي، فانتقال الإليكترونات من نواة لأخرى يتم علي شكل سريان متواصل (يشبه السلسلة) بين الأنوية وبعضها. وهذه السلسلة تشبه انتقال المشاعل في أيدي حلقة من الأشخاص بشكل مستمر ودائم وفي سرعة كبيرة، وهو ما يحدث عند انتقال الكهرباء في سلك أو في دائرة كهربية، فالشحنة تنتقل من نواة لأخرى ليمر معها التيار الكهربي.


يمتلك العلماء والمهندسون من الطرق ما يمكنهم من نقل الإليكترونات من نواة لأخرى، وهو ما يحدث بإضافة إليكترونات أو بروتونات إلي النواة مما يمنع استقرارها فتبحث النواة عن بروتون أو إليكترون ليملأ الفراغ ولتستقر النواة، وعليه يقال أن هذه النواة الغير مستقرة "موجبة الشحنة" لأنها تحتوي علي عدد من البروتونات أكثر من عدد الإليكترونات. بناء علي ذلك فإن الإليكترون الحر يتحرك في انتظار أي نواة غير مستقرة ليحقق لها الاستقرار، وبالتالي فإن النواة التي تحتوي علي عدد من الإليكترونات أكبر من عدد النيترونات تسمي نواة سالبة الشحنة.


لكن ما الذي تفعله الشحنات السالبة والموجبة؟، طالما أن هناك أنوية موجبة الشحنة فإنها تبحث عن إليكترونات سالبة الشحنة حتى تستقر، وبالتالي فإن هذه الأنوية تمتلك قوي تجاذب نحو الإليكترونات. أيضا الإليكترونات تريد أن تكون جزءا من النواة المستقرة، وعلية فإنها تمتلك قوي تجاذب مع النيترونات موجبة الشحنة، ومعني هذا أن الجسيمات الموجبة تنجذب نحو السالبة والعكس صحيح، ويحدث ذلك بغرض الاستقرار.


كلما زاد عدد الإليكترونات والنيترونات كلما كان التجاذب بينهما أقوي، وبالتالي يكون لدينا مجموعات من شحنات "Charges" موجبة وأخري سالبة تنجذب إلي بعضها البعض. فالمواد تصنف علي أساس توصيلها للكهرباء، حيث توجد مواد توصل التيار الكهربي بشكل أفضل من مواد أخري وهذه المواد تكون الإليكترونات فيها غير مستقرة، وبالتالي تعمل علي توصيل التيار الكهربي فتسمي موصلات ""Conductors. وتعتبر معظم المعادن مثل النحاس والألمنيوم والحديد مواد جيدة التوصيل، فإذا وجد ما يوقف أو يمانع حركة الإليكترونات أو يجعل حركتها غير سهلة، فإن هذه المواد تسمي عوازل Insulators""، ومن أمثلة هذه المواد المطاط، البلاستيك، الخشب، الزجاج، والهواء الجاف وكلها مواد لديها مقاومة عالية تمنع توصيل التيار الكهربي خلالها.

المقـــاومة

سبق وذكرنا أن بعض العناصر تحتوي علي إليكترونات ضعيفة الارتباط، وهي التي تتسبب في نشأة التيار الكهربي وذلك عند انتقال هذه الإليكترونات من نواة لأخرى. والإليكترونات ليست سوي جسيمات متناهية الصغر، فبفرض أننا قسمنا سلك نحاسي إلي قطع متناهية الصغر، فإن أصغر هذه الأجزاء يحتوي علي 1 × ²²10 إليكترون، وهو رقم هائل يصعب نطقة.


إن انتقال الكهرباء في مواد وعدم انتقالها في مواد أخري يرجع إلي ما يعرف بمقاومة المواد. وتعتمد مقاومة سلك ما علي سُمك السلك وطوله بالإضافة إلي المادة المصنوع منها السلك. هذا وتستخدم العديد من المواد مثل النحاس والألمنيوم والحديد لصناعة الأسلاك المستخدمة في نقل التيار الكهربي، وكل نوع من هذه المواد له مقاومة مختلفة، وأقل هذه المواد مقاومة هي أفضلها في نقل التيار الكهربي. ويعتبر النحاس أحد أفضل هذه المواد، ولهذا السبب فإن كل أسلاك الكهرباء الموجودة داخل منازلنا مصنعة من النحاس.

بناءً علي فهمنا للمقاومة يمكننا الآن استخدام قطعة من المعدن لتعمل كسخان "Heater"، فعند مرور تيار كهربي في القطعة المعدنية فإن مقاومتها تؤدي إلي حدوث احتكاك وبالتالي ترتفع درجة حرارة القطعة المعدنية فتُسخِن الوسط المحيط بها لتعمل القطعة المعدنية كسخان، وكلما زادت مقاومة القطعة المعدنية كلما زادت درجة الحرارة التي يمكن أن نحصل عليها، وعليه فإن مقاومة الملف تكون أكبر من مقاومة السلك.

علي العكس من هذه المواد، يأتي البلاستيك كمادة عازلة للتيار الكهربي، وهو ما يجعله مناسبا للاستخدام كغطاء للأسلاك الموصلة للكهرباء، أما الزجاج والفخار والسيراميك فتستخدم كعوازل توضع في نهايات الكابلات المشدودة علي الأبراج، لتعمل كعازل بين الكابلات والأبراج.

الكهرباء الســاكنة

يوجد نوع آخر من الطاقة الكهربية هي الكهرباء الساكنة، والتي تُعرف بأنها الكهرباء التي توجد في مكان محدد ولا تنتقل إلي مكان آخر. ولتبسيط هذا المفهوم يمكن إجراء التجربة التالية:

احضر بالونا مملوءا بالهواء ثم دلكه بقطعة من الصوف ثم ضعه قريبا من الحائط، ستجد أن البالون يلتصق بالحائط 

يمكنك أيضا ربط بالونين في نهايتي خيط ثم دلك كل منهما بقطعة من الصوف واتركهما، تجد أن البالونين يتنافران.

وتفسير ذلك، هو أن تدليك البالونين أعطي كل منهما شحنة ساكنة من الكهرباء، فتدليك البالون يعمل علي منحة مزيد من الإليكترونات من قطعة الصوف، وهو ما يجعله ذو شحنة سالبه، في حين أن الشحنة الموجبة الموجودة في الحائط هي التي أدت إلي انجذابه نحو الحائط. وهو أيضا ما أدي إلي تنافر البالونين وذلك لأن الشحنة المكتسبة في كل منهما شحنة سالبة.


يمكن أن تؤدي الكهرباء الساكنة إلي الإحساس بصدمة "Shock"، فإذا وقفت فوق سجادة ومسحت أقدامك بها عدة مرات ثم لمست شيئا معدنيا، فإن شرارة أو ومضة "Spark" يمكن أن تسري بين جسمك والجسم المعدني الذي لمسته. فمسح الأقدام في السجادة أعطي الجسم مزيدا من الإليكترونات التي تنتشر في الجسم، فإذا حاول الشخص أن يمسك شيئا معدنيا وليكن مقبض الباب لأدي ذلك إلي حدوث شرارة في الفجوة الصغيرة بين يد الشخص ومقبض الباب. ومن الملاحظات الهامة، أنه إذا مسح شخص قدميه عدة مرات في سجادة ثم لمس وحدة التشغيل المركزية الخاصة بحاسبه الشخصي، فإن الحاسب ربما يتعطل نتيجة لهذه الشحنة التي اكتسبها الشخص وتم تفريغها في وحدة التشغيل المركزية.

تمثل الصواعق الكهربية الناشئة عن البرق والرعد أحد أنواع الكهرباء الساكنة، فنتيجة لاحتكاك السحب ببعضها البعض فإنها تكتسب شحنة سالبة، في حين تكون الأجسام المعدنية الموجودة فوق أسطح المنازل مثل أطباق الاستقبال والهوائيات وتلك الموجودة علي الأبراج موجبة الشحنة، وكنتيجة لكون السحب ذات شحنة عالية فإنه من الممكن أن ينتقل إليكترون من الأرض إلي السحب أو من سحابة لأخرى، وهو ما يكفي لإحداث صاعقة.

المغناطيسية

عندما عثر على قطع من الحديد الممغنط بمنطقة قريبة من مدينة مغنسيه"Magnesia"، والمعروفة الآن باسم مدينة مانيزا في غرب تركيا تبين في ذلك الوقت أنه عند تقريب قضيب من الحديد إلى مغناطيس طبيعي، فإن القضيب الحديدي يكتسب بدوره الخواص المغناطيسية، وأنه عند تعليق مثل هذا القضيب الممغنط تعليقاً حراً من منتصفة فإنه يشير دائماً إلى اتجاه الشمال. نتيجة لتلك الخاصية استخدم الحديد الممغنط في الملاحة لتحديد الاتجاهات أثناء السفر عبر البحار، وكان ذلك منذ القرن الحادي عشر. في بداية الأمر فسر العلماء الخواص المغناطيسية والعلاقة بين المواد ذات المغناطيسية باستخدام الأقطاب المغناطيسية "Magnetic Poles"، فأطلقوا على نهاية القضيب الممغنط التي تشير إلى اتجاه الشمال، القطب الشمالي "North Pole"، وأطلقوا على الطرف الآخر، القطب الجنوبي "South Pole"، وأثبتوا أن القطبين المختلفين يتجاذبان، وأن القطبين المتشابهين يتنافران.

إلا أن الأقطاب المغناطيسية لا توجد مفردةً، فكل قطب شمالي يصاحبه في الطرف الآخر قطب جنوبي، وإذا كسر مغناطيس فإن الطرف المكسور يتحول مباشرة إلى قطب، ذي طبيعة مخالفة لطبيعة الطرف المقابل للكسر. تشير الإبرة الممغنطة في البوصلة إلى اتجاه الشمال؛ لأن الأرض في حد ذاتها مغناطيس كبير، قطبه المغناطيسي الشمالي قريب جداً من القطب الجنوبي الجغرافي، والمحور المغناطيسي للكرة الأرضية، لا يوازي تماماً المحور الجغرافي لها، وهو محور الدوران، ولهذا السبب، تنحرف قراءة البوصلة قليلاً عن اتجاه الشمال الجغرافي؛ هذا الانحراف يتغير من موقع لآخر، ويطلق عليه "الانحراف المغناطيسي". كما أن خطوط المجال المغناطيسي للأرض ليست أفقية تماماً في معظم المناطق على سطح الأرض، ويطلق على ميل خطوط المجال المغناطيسي، إلى أعلى أو أسفل عن الاتجاه الأفقي، الميل المغناطيسي.

المغناطيسية والكهرباء

في معظم الأجسام، تكون القوي الداخلية للجزيئات في حالة اتزان، بمعني أن نصف عدد الإليكترونات تدور في اتجاه والنصف الآخر يدور في الاتجاه المعاكس، إلا أن الأجسام المغناطيسية تختلف، فنجد أن الإليكترونات الموجودة في أحد الأطراف تدور في اتجاه يخالف اتجاه الدوران في الطرف الآخر، وهو ما ينشأ عنه عدم توازن في القوي بين أقطاب المغناطيس. مما يؤدي إلي نشوء مجال مغناطيسي "Magnetic Field". عادة ما يُعطي قطبي المغناطيس حرفي "ش أو N" لترمز إلي القطب الشمالي، و "ج أو S" لتدل علي القطب الجنوبي، وهو ما يبين أن القوي المغناطيسية تسري من القطب الشمالي إلي القطب الجنوبي.


هل جربت أن تضع مغنطيسين بالقرب من بعضهما البعض؟، إن لم تكن فعلت فافعل وستجد أنك إذا قربت القطبين المتشابهين فإن المغنطيسين يتنافران، في حين أنك إذا قربت قطبين مختلفين (شمالي وجنوبي) من بعضهما البعض فستجد أنهما يتجاذبان بل وينشأ بينهما مجال مغناطيسي هذه الخصائص الخاصة بالمجالات المغناطيسية يمكن الاستفادة منها في توليد الكهرباء، فحركة المجالات المغناطيسية يمكن أن تدفع الإليكترونات إلي الحركة، وبعض المعادن مثل النحاس تحتوي علي إليكترونات حرة الحركة تولد كهرباء عند دفعها في سلك نحاسي.