و الكهرباء هي خاصية فيزيائية للمادة. يتكون من ذلك التفاعل السلبي أو الإيجابي بين البروتونات وإلكترونات المادة. يشير المصطلح إلى اللون الكهرماني ، بسبب اللون المتنوع والمشرق الذي قدمه. ومع ذلك ، تم إدخال المصطلح لأول مرة في المجتمع العلمي من قبل العالم الإنجليزي ويليام جيلبرت (1544-1603) في القرن السادس عشر لوصف ظاهرة تفاعل الطاقة بين الجسيمات.
ما هي الكهرباء
جدول المحتويات
يُفهم أن الكهرباء الفيزيائية هي الظواهر التي تتجلى في وجود الشحنات الكهربائية الموجودة في الأجسام ، لأنها تتكون من جزيئات وذرات ، يولد تفاعل جسيماتها الفرعية نبضات كهربائية. الشحنات الموجبة والسالبة على الذرات هي كهرباء ساكنة ، بينما تنتج حركة الإلكترونات وإطلاقها من الذرات تيارات كهربائية.
هذا جزء من الكهرومغناطيسية ، التي تتشكل مع الجاذبية والقوة النووية الضعيفة والقوة النووية القوية ، التفاعلات الأساسية للطبيعة.
يأتي أصلها من الإلكتروم اللاتيني ، وأيضًا من الكلمة اليونانية élektron ، والتي تعني "العنبر". لاحظ الفيلسوف اليوناني تاليس من ميليتس (624-546 قبل الميلاد) كيف أن الاحتكاك ممغنط العنبر بالكهرباء الساكنة ، وبعد قرون لاحظ العالم تشارلز فرانسوا دي سيستيرناي دو فاي (1698-1739) كيف أن الشحنات الإيجابية للكهرباء تم الكشف عنها عندما تم فرك الزجاج ، وبدوره ، تم عرض السلبيات عند حك الراتنجات ، مثل الكهرمان.
إن تدفق الطاقة من الشحنات المتحركة أو الاستاتيكية هو ما يسمى بالكهرباء ، أو نقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى ، وتقاس القوة الكهربائية الناتجة بالفولت أو الواط ، وهو مصطلح يستخدم في الكهرباء باللغة الإنجليزية ، و سميت على اسم مخترع المحرك البخاري جيمس وات (1736-1819).
ومع ذلك ، من الممكن العثور على الكهرباء في الطبيعة ، كما في حالة أحداث الغلاف الجوي ، والكهرباء الحيوية (الكهرباء الموجودة في بعض الحيوانات) والغلاف المغناطيسي.
واحدة من أفضل الحالات المعروفة للحيوانات التي تنتج الكهرباء هي حالة ثعبان البحر الكهربائي ، الذي يحتوي في جسمه على خلايا كهربائية (عضو من هذا الحيوان يولد مجالات كهربائية) ، والتي توجد في جميع أنحاء جسمه ، وتعمل بطريقة مماثلة الخلايا العصبية ويمكن أن تولد ما يصل إلى 500 فولت تفريغ.
نظرًا لوجود مجموعة متنوعة من العناصر ، فإن ذراتها مختلفة ؛ هذا هو السبب في أن بعض المواد حاملة للكهرباء وعوازل أخرى. أفضل الموصلات هي الفلزات ، نظرًا لوجود عدد قليل من الإلكترونات في ذراتها ، لذلك لا يلزم قدر أكبر من الطاقة لهذه الجزيئات الذرية للقفز من ذرة إلى أخرى.
خصائص الكهرباء
وفقًا لديناميكياتها وأصلها وأدائها والظواهر التي تنتجها ، فإنها تتمتع بخصائص تجعلها تبرز. من بين أهمها:
- تراكمي. توجد أجهزة لها القدرة على تخزين الكهرباء في مواد كيميائية داخل مراكم مما يسمح بالاحتفاظ بها لاستخدامها لاحقًا (البطاريات).
- طريقتها في الحصول عليها. في حالة البطاريات أو الخلايا ، يتم الحصول عليها كيميائياً ؛ أيضًا عن طريق الحث الكهرومغناطيسي عند تحريك موصل في مجال مغناطيسي ، مثل المولدات ؛ ومن الضوء ، عندما تطلق أنواع معينة من المعادن إلكترونات عند سقوط ضوء الشمس عليها (الألواح الشمسية).
- آثاره. يمكن أن تكون فيزيائية أو ميكانيكية أو حركية أو حرارية أو كيميائية أو مغناطيسية أو مضيئة.
- مظاهره. يمكن أن تكون على شكل برق ، كهرباء ساكنة ، تدفقات تيار ، من بين أمور أخرى.
- خطورة. عن طريق توليد الحرارة ، يمكن أن يسبب حروقًا شديدة ، وفي حالات التعرض الشديد للموت.
- المقاومة والتوصيل. إنه معارضة بعض أنواع المادة أمام مرورها والتدفق السهل لها على التوالي.
أنواع الكهرباء
للكهرباء عدة أنواع من أهمها:
ثابتة
تنشأ الكهرباء الساكنة من الشحنات الكهربائية الزائدة ، والتي تتراكم في مادة موصلة أو عازلة.
من المعروف أن الذرات تتكون من عدد معين من البروتونات (شحنة موجبة) في نواتها ونفس عدد الإلكترونات (شحنة سالبة) تدور حولها ، مما يجعل هذه الذرة متعادلة كهربائيًا أو في حالة توازن ؛ ولكن عندما يحدث احتكاك بين جسمين أو مادتين ، فقد تتولد الشحنات على الأشياء المذكورة.
وذلك لأن إلكترونات كلتا المادتين سوف تتلامس ، مما ينتج عنه عدم توازن في شحنات الذرات ، مما يؤدي إلى ظهور الحالة الساكنة. سميت بهذا لأنها تتولد في ذرات في حالة سكون ولا تتحرك شحنتها بل تظل ثابتة. مثال على ذلك عندما نمرر فرشاة من خلال الشعر ويرفع البعض الآخر من الاحتكاك بين الخامة نفسها والشعر. تستخدم القطع الأثرية مثل الطابعات ثابتًا لكشف مسحوق الحبر أو الحبر على الورق.
ديناميكي
ينتج هذا النوع عن حمل في حالة حركة ، أو عن طريق تدفقها. للقيام بذلك ، تحتاج إلى مصدر كهربائي (يمكن أن يكون كيميائيًا ، مثل بطارية ، أو كهروميكانيكيًا ، مثل الدينامو) يجعل الإلكترونات تتدفق عبر مادة موصلة يمكن من خلالها تدوير هذه الشحنات الكهربائية.
في ذلك ، تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى وهكذا. يُعرف هذا الدوران بالتيار الكهربائي. مثال على هذا النوع من الكهرباء هو المنافذ الكهربائية ، والتي تعد مصدرًا للكهرباء الديناميكية للأجهزة والأجهزة الأخرى التي تتطلب كهرباء.
من المهم إبراز وجود أنواع أخرى من الكهرباء ، من بينها:
- أساسي: هذا النوع هو النوع الذي يشير إلى جاذبية الشحنات الموجبة والسالبة ، حيث سيتم شحن الأشياء. يتم إنشاؤه من قطبين ، لا يجب بالضرورة أن يلمس أحدهما الآخر بل يجذب بعضهما البعض. تم العثور على هذا النوع من الكهرباء في الأشياء اليومية.
- السلوكية: تعتبر جزءًا من الديناميكيات ، لأنها التي يتم نقلها بواسطة الموصلات ، ولهذا السبب تستمر في التحرك عبر الدوائر. هناك العديد من الموصلات ، مثل المعادن (خاصة النحاس) والألمنيوم والذهب والكربون وغيرها.
- الكهرومغناطيسية: يتم إنشاؤها بواسطة مجال مغناطيسي يمكن تخزينه وانبعاثه كإشعاع ، لذلك يوصى بعدم تعريض نفسك لهذا النوع من المجال لفترة طويلة. اكتشف الفيزيائي هانز كريستيان أورستد (1777-1851) العلاقة بين المغناطيسية والكهرباء ، ملاحظًا أن التيار الكهربائي يخلق مجالًا مغناطيسيًا.
من بين تطبيقات هذا النوع من الكهرباء ، تبرز في الطب ، مثل أجهزة الأشعة السينية أو لأداء التصوير بالرنين المغناطيسي.
- صناعي: هذا ما يجب أن يتولد للآلات الكبيرة المستخدمة في الإنتاج الضخم للمنتجات ، والتي تتطلب كميات كبيرة من الطاقة لأنها ذات طاقة عالية.
تم تطويره بعد أن أثبت العلم أن موارد الطاقة الطبيعية مثل البرق ، يمكن توجيهها واستخدامها من قبل الإنسان ، لتصبح مصدرًا قويًا للطاقة الكهربائية ، مما سمح بتلبية احتياجات الصناعة.
المظاهر الكهربائية
شحنة كهربائية
إنها خاصية أن بعض الجسيمات دون الذرية (الإلكترونات والنيوترونات والبروتونات) يجب أن تجتذب وتتنافر ، كما أنها تحدد تفاعلها الكهرومغناطيسي. يتم إنتاج هذا في الذرات ، والتي ستنقله إلى جزيئات جسم مختلف ، أو من خلال مادة موصلة. يشير أيضًا إلى قدرة الجسيم على تبادل الفوتونات (جسيمات الضوء أو الطاقة الكهرومغناطيسية).
هذا موجود ، على سبيل المثال ، في الكهرباء الساكنة ، وهي شحنة ثابتة في الجسم. كما أن الشحنة تولد القوة الكهرومغناطيسية ، لأنها تنتج قوة على الآخرين. يمكن أن تكون الشحنات سلبية وأخرى إيجابية ، وسيتم صد تلك الرسوم من نفس النوع ، بينما يجتذب العكس.
يتم قياس الشحنات من خلال وحدة كولوم أو كولوم ويتم تمثيلها بالحرف C ، وهذا يعني مقدار الشحنة التي تمر عبر قسم من بعض الموصلات في فترة ثانية واحدة. كل من المادة والمادة المضادة لها شحنة متساوية ومتعاكسة مع الجسيمات المقابلة لها.
التيار الكهربائي
هذا هو تدفق الشحنة الكهربائية عبر مادة تنتجها حركة الإلكترونات أو أي نوع آخر من الشحنات. سينتج مجالًا مغناطيسيًا ، إحدى الظواهر الكهربائية التي يمكن استغلالها ، في هذه الحالة بواسطة مغناطيس كهربائي.
يمكن أن تكون المواد التي يدور من خلالها هذا التدفق صلبة أو سائلة أو غازية. تتحرك الإلكترونات في المواد الصلبة. تتحرك الأيونات (الذرات أو الجزيئات غير المحايدة كهربائيًا) في السوائل ؛ والغازية ، يمكن أن تكون إلكترونات وأيونات.
تُعرف كمية الشحنة الحالية لكل وحدة زمنية باسم شدة التيار الكهربائي ، والتي يُرمز إليها بالحرف I ويشار إليها على أنها كولوم في الثانية أو أمبير.
يمكن أن يكون التيار الكهربائي:
- مستمرة أو مباشرة ، وهي تدفقات الشحنات التي تدور في مسار ثابت ، لا تنقطع بأي فترة فراغ ، لأنها في اتجاه واحد فقط.
- البديل ، وهو الذي يتحرك في اتجاهين ، يعدل مساره وشدته.
- ثلاثي الأطوار ، وهو تجميع ثلاثة تيارات متناوبة بنفس السعة والتردد والقيمة الفعالة (المفهوم المستخدم لدراسة الموجات الدورية) ، مما يمثل فرقًا قدره 120 درجة بين الطور والطور.
الحقل الكهربائي
إنه مجال كهرومغناطيسي تم إنشاؤه بواسطة شحنة كهربائية (حتى عندما لا تتحرك) ويؤثر على الشحنات المحيطة به أو الموجودة فيه. الحقول غير قابلة للقياس ، ولكن يمكن ملاحظة الأحمال الموضوعة عليها.
المجال الكهربائي هو مساحة فيزيائية تتفاعل فيها الشحنات الكهربائية للأجسام المختلفة ، ويتم تحديد تركيز شدة القوة الكهربائية. تم تعديل الخصائص في هذه المنطقة من خلال وجود شحنة.
الجهد الكهربائي
يشير إلى قدرة الجسم الكهربائي ، أو الطاقة التي يتطلبها لتحريك الحمل أو أداء العمل ويتم قياسها بالفولت. يرتبط هذا المفهوم بمفهوم فرق الجهد ، والذي يتم تعريفه على أنه الطاقة اللازمة لنقل الشحنة من نقطة إلى أخرى.
لا يمكن تحديد ذلك إلا في منطقة محدودة من الفضاء لحقل ثابت ، لأنه بالنسبة للشحنات المتحركة ، يتم استخدام إمكانات Liénard-Wiechert (تصف المجالات الكهرومغناطيسية لتوزيع الشحنات المتحركة).
الكهرومغناطيسية
يشير هذا إلى المجالات المغناطيسية التي تتولد بسبب الشحنات الكهربائية أثناء الحركة والتي تنتج التجاذب أو التنافر تجاه المواد الموجودة داخل هذه المجالات ، والتي يمكن أن تولد تيارًا كهربائيًا.
الدوائر الكهربائية
يشير إلى توصيل مكونين كهربائيين على الأقل ، بحيث يمكن أن تتدفق الشحنة الكهربائية في مسار مغلق لغرض معين. تتكون هذه من عناصر مثل المكونات والعقد والفروع والشبكات والمصادر والموصلات.
توجد دوائر مع جهاز استقبال ، كما في حالة المصابيح أو الأجراس ؛ دوائر سلسلة ، مثل أضواء عيد الميلاد ؛ الدوائر المتوازية ، كما في حالة المصابيح التي تعمل بنفس المفتاح في وقت واحد ؛ الدوائر المختلطة (تجمع بين سلسلة ومتوازية) ؛ والتبديل ، وهي تلك التي تسمح ، على سبيل المثال ، بتشغيل مصباح واحد أو أكثر من أكثر من نقطة مختلفة.
تاريخ الكهرباء
تعود سوابق الكهرباء إلى العصور القديمة ، حتى قبل المسيح بثلاثة آلاف سنة تقريبًا ، حيث لاحظ الإنسان بعض الظواهر الكهربائية في الطبيعة ، على الرغم من عدم معرفته بكيفية إنتاجها أو ديناميكياتها. وبالمثل ، فقد كانوا شهودًا لظواهر مغناطيسية معينة تنتجها بعض أنواع المواد التي تم الحصول عليها في الطبيعة ، مثل المغنتيت ، أو وجوده في الحيوانات.
في حوالي 2750 قبل الميلاد ، كتبت الحضارة المصرية عن الأسماك الكهربائية الموجودة في نهر النيل ، مشيرة إلى أنها حامية للحيوانات الأخرى فيه. حوالي 600 قبل الميلاد ، كان طاليس ميليتوس أول شخص اكتشف أن الكهرمان اكتسب خواصًا كهربائية ومغناطيسية عند فركه بمادة معينة. لكن الكهرباء كعلم يعود تاريخها إلى القرنين السابع عشر والثامن عشر ، في منتصف الثورة العلمية ، عندما كان ظهور هذا المجال من الدراسة السياق المثالي لبداية الثورة الصناعية ، وانتشارها في جميع أنحاء العالم الحديث الذي كان يتصاعد ، كان حاسما لتنمية البشرية.
قبل ذلك ، في القرن السادس عشر ، قدم الفيلسوف والطبيب ويليام جيلبرت (1544-1603) مساهمات مهمة في دراسة الظاهرة الكهربائية ، مع إيلاء اهتمام خاص للكهرباء والمغناطيسية. ظهرت مصطلحات "الكهرباء" و "الكهرباء" لأول مرة عام 1646 في أعمال الإنجليزي توماس براون (1605-1682). ظهرت وحدات القياس للظواهر الكهربائية المختلفة فيما بعد بفضل المساهمات المتعددة من المثقفين في الفيزياء.
تمكن العالم والسياسي والمخترع بنجامين فرانكلين (1706-1790) في عام 1752 من توجيه الطاقة الكهربائية الموجودة في صاعقة البرق من خلال طائرة ورقية ، مما أدى إلى اختراع مانعة الصواعق ؛ جهاز يستخدم لتوصيل الكهرباء من البرق إلى الأرض. لاحقًا ، اخترع الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا (1745-1827) بطارية الجهد في عام 1800 التي سمحت بتخزين الطاقة ، مستفيدًا من استخدام الكهرباء المتولدة عن التفاعلات الكيميائية ؛ وفي عام 1831 قام الفيزيائي مايكل فاراداي (1791-1867) بتطوير أول مولد كهربائي ، والذي سمح بإرسال التيار الكهربائي بشكل مستمر.
لم تشمل المرحلة الأولى من الثورة الصناعية الكهرباء لتطويرها ، حيث استفادت من الطاقة المولدة بالبخار. مع اقتراب الثورة الصناعية الثانية في القرن التاسع عشر ، تم استخدام الكهرباء والنفط لتوليد الطاقة ، مما سمح للعالم توماس ألفا إديسون (1847-1931) بإضاءة أول مصباح كهربائي خيطي في عام 1879.
في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين ، عارض إديسون ، المدافع عن التيار المباشر ، والمخترع والمهندس نيكولا تيسلا (1856-1943) ، والد التيار المتردد ، مستقبل الكهرباء.
انتشر التيار المباشر في الولايات المتحدة للاستخدام المنزلي والصناعي ؛ ومع ذلك ، سرعان ما اكتشف أنه غير فعال على مسافات طويلة وعندما يتطلب جهدًا أعلى ، وينبعث منه كميات هائلة من الحرارة.
طور تسلا تجارب أدت إلى اكتشاف طرق بديلة لنقل الطاقة الكهربائية بشكل أكثر كفاءة ، مما أدى إلى اكتشاف التيار المتردد.
قام رجل الأعمال الأمريكي جورج وستنجهاوس (1846-1914) بدعم وشراء اختراع تسلا ، الذي فاز في النهاية بمعركة الكهرباء كنوع أرخص من التيار مع فقد أقل للطاقة.
أهمية الكهرباء
أهميته حيوية للحياة الحديثة ، لكونها واحدة من الركائز الأساسية لمجتمع اليوم ، حيث أن كل شيء يستخدمه البشر يتضمن أساسًا الكهرباء للعمل: الأجهزة الكهربائية ، والآلات ، والاتصالات ، وبعض أشكال النقل ، والإنتاج السلع والخدمات في مجال الطب والعلوم ، من بين مجالات أخرى.
يمكن أن يصنعه الإنسان أو يتم تسخيره مباشرة من الطبيعة. يتم إنشاء الكهرباء من صنع الإنسان بواسطة التوربينات والمكثفات والآلات التي تعتمد على قوة الطبيعة للعمل ، مثل السدود التي تستخدم قوة كميات كبيرة من المياه لتوليد التيار الذي يغذي المدن الكبيرة.
كوكب الأرض قادر أيضًا على توليد الكهرباء ، تلك الأشعة والومضات والبرق التي نراها في السماء وسط عاصفة هي تصريفات كهربائية ناتجة عن اصطدام مجموعات ضخمة من المادة والطاقة. هذا يسمى التيار الكهربائي الطبيعي ويمكن أن يستخدمه الإنسان مع قضبان الصواعق والموصلات فائقة المقاومة القادرة على امتصاص تأثير تفريغ بهذا الحجم.
10 أمثلة على استخدام الكهرباء
للكهرباء استخدامات متعددة في الأنشطة البشرية. ومن أبرز الأمثلة:
- في المركبات المزودة بكهرباء السيارات ، والتي تدور عبر دوائر تصل إلى أجزاء منها والتي تتطلب كهرباء لتعمل ، مثل المصابيح والبوق والمحرك وغيرها ، ويتم توليدها من بطارية.
- للإضاءة ، أي لتشغيل الإضاءة المنزلية والعامة والصناعية.
- لاشتعال الاجهزة الكهربائية والالكترونيات.
- ل توليد الحرارة في المناخات المعتدلة، مثل من خلال التسخين.
- للنقل ، مثل الطائرات ، لأنها تحتاج إلى الكهرباء للإقلاع.
- في المجال الطبي ، تستخدم في الأجهزة التي تستخدم لإجراء التحليلات والدراسات.
- في الصناعة التي تتطلب كميات كبيرة من الشحنات الكهربائية لإنتاج المنتجات الاستهلاكية.
- ل توليد الحركة من خلال المحركات التي تدفع الطاقة الكهربائية، وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
- للاتصالات المستخدمة في الأجهزة مثل هوائيات المكرر وأجهزة الإرسال وغيرها.
- ل نقل والتحكم من السوائل مثل الماء، من خلال الملف اللولبي الصمامات التي تساعد على تدفق معتدلة.
