الكهرباء هى طاقة لا يمكن الإستغناء عنها و تتواجد في كل مكان حولنا فهى من تنير لك الأضواء و المصابيح ليلا فى المنازل و الشوارع و من دونها لا تعمل أجهزتك سواء كانت هواتف محمولة أو أجهزة كومبيوتر أو شاشات تلفزيون و غيرها و حتى فى عملك أى كان طبيعته سواء إنتاجي أو خدمي فيكون من الصعب إنجازه سوى بالإعتماد على تلك الطاقة التى تصدر من محطات توليد و تسري فى شبكات معقدة و منها الى المنازل و المبانى و المصانع و حتى اذا قررت يوما لأى سبب الإبتعاد عنها فستجدها موجودة فى الطبيعة متمثلة بومضات البرق فى السماء خلال العواصف الرعدية إلى نقاط الاشتباك العصبي داخل أجسامنا لذلك نستطيع القول أن الكهرباء هى كل شئ و من دونها من الصعب للغاية على الحياة بشكلها الحالى الإستمرار و اذا كانت الحضارات القديمة قد نمت و ترعرعت بسبب الأنهار و الزراعة فإن الحضارات الحديثة يعتمد إزدهارها بشكل كبير على تلك الطاقة .
تاريخ الكهرباء
قبل وقت طويل من وجود أي معرفة بالكهرباء كان الناس على دراية بصدمات من الأسماك الكهربائية حيث أشارت النصوص المصرية القديمة التي يرجع تاريخها إلى عام 2750 قبل الميلاد إلى هذه الأسماك و التى عرفت بإسم “رعد النيل” و وصفتها بأنها حامية لجميع الأسماك الأخرى كما تم الحديث عن تلك الأسماك الكهربائية مجددا من قبل علماء الطبيعة و الأطباء اليونانيين و الرومان و العرب القدماء حتى أنها كانت تستخدم فى علاج عدد من الأمراض مثل النقرس أو الصداع كما عرفت الحضارات القديمة التى تواجدت حول البحر الأبيض المتوسط أن بعض الأشياء مثل قضبان الكهرمان يمكن حكها بفراء القطط لجذب الأجسام الخفيفة مثل الريش و على مدار عدة قرون استمرت الكهرباء مجرد ظاهرة مثيرة للفضول حتى عام 1600 ميلادية عندما أجرى العالم الإنجليزي “ويليام جيلبرت” دراسات متأنية للكهرباء و المغناطيسية و في وقت لاحق من القرن الثامن عشر أجرى “بنيامين فرانكلين” بحثًا مكثفًا في الكهرباء و في يونيو عام 1752 قام بتجربة شهيرة حيث قام بربط مفتاحًا معدنيًا أسفل خيط طائرة ورقية مبلل و أطلق الطائرة في سماء مهددة بالعواصف و بعد ظهور سلسلة من الشرارات التي قفزت من المفتاح إلى مؤخرة يده أدرك أن البرق كان بالفعل كهربائيًا بطبيعته .
و بحلول عام 1775 أبلغ “هيو ويليامسون” الجمعية الملكية عن سلسلة من التجارب حول الصدمات التي قدمها ثعبان السمك الكهربائي و في نفس العام وصف الجراح و عالم التشريح “جون هانتر” بنية الأعضاء الكهربائية للأسماك و في عام 1791 نشر “لويجي جالفاني” اكتشافه للكهرومغناطيسية الحيوية موضحًا أن الكهرباء هي الوسيلة التي تنقل بها الخلايا العصبية الإشارات إلى العضلات و فى عام 1800 قام العالم “أليساندرو فولتا” بصنع بطارية مصنوعة من طبقات متناوبة من الزنك و النحاس وفرت للعلماء مصدرًا أكثر موثوقية للطاقة الكهربائية من الآلات الكهروستاتيكية المستخدمة سابقًا و بعدها بدأت تظهر مصطلحات الكهرومغناطيسية على يد العلماء “هانز كريستيان أورستد “و “أندريه ماري أمبير” في عامى 1819-1820 و اخترع “مايكل فاراداي” المحرك الكهربائي في عام 1821 و حلل “جورج أوم” بشكل رياضي الدائرة الكهربائية في عام 1827 كما تم ربط الكهرباء و المغناطيسية و الضوء بشكل نهائي بواسطة “جيمس كليرك ماكسويل” و لا سيما في كتابه “حول خطوط القوة الفيزيائية” في عامي 1861 و 1862.
و فى واخر القرن التاسع عشر حدث أكبر تقدم في الهندسة الكهربائية من خلال أشخاص مثل “ألكسندر جراهام بيل” و “أوتو بلاثي” و “توماس إديسون” و “ويليام طومسون” والبارون “كلفن الأول” و “نيكولا تيسلا” و “جورج وستنجهاوس” و تحولت الكهرباء من فضول علمي إلى أداة أساسية للحياة الحديثة و في عام 1905 نشر “ألبرت أينشتاين” ورقة توضح البيانات التجريبية عن التأثير الكهروضوئي حيث أدى هذا الاكتشاف إلى ثورة الكم و حصل “أينشتاين” على جائزة “نوبل” في الفيزياء عام 1921 “لاكتشافه قانون التأثير الكهروضوئي” و التى تم تطبيقها في الخلايا الكهروضوئية مثل التي يمكن العثور عليها في الألواح الشمسية التي تستخدم بشكل متكرر لإنتاج الكهرباء تجاريًا.
كيف تنشأ و تنتقل الكهرباء ؟
يتم تعريف الكهرباء بإيجاز على أنها تدفق للشحنة الكهربائية و لفهم أساسياتها فنحتاج أن نبدأ بالتركيز على الذرات و هي إحدى اللبنات الأساسية للحياة حيث توجد الذرات في أكثر من شكل مختلف كعناصر كيميائية مثل الهيدروجين و الكربون و الأكسجين و النحاس حيث يمكن للذرات أن تتحد لتكوين جزيئات و التي تبني المادة التي يمكننا رؤيتها و لمسها جسديًا و حتى الذرات نفسها التى لا ترى بالعين المجردة تتكون من بروتونات و نيوترونات داخل نواتها و الإلكترونات فى مدارات حولها و التى تعتبر ضرورية لعمل الكهرباء حيث تكون الذرة مستقرة اذا تساوت اعداد البروتونات داخل النواة مع الاليكترونات التى تحوم حولها و لكنها ليست كلها مرتبطة بالذرة إلى الأبد حيث تسمى الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي للذرة إلكترونات التكافؤ و اذا وجدت قوة خارجية كافية يمكن لإلكترون التكافؤ أن يهرب من مدار الذرة و يصبح حراً و بالتالى يحرك معه شحنة و هى الفكرة التى تدور حولها الكهرباء حيث تعتبر الشحنة خاصية للمادة تمامًا مثل الكتلة أو الحجم أو الكثافة و قابلة للقياس فمثلما يمكنك تحديد مقدار الكتلة التي يمتلكها شيء ما يمكنك قياس مقدار شحنته و التى يمكن أن تأتي على صورتين موجبة (+) أو سالبة (-) و من أجل تحريكها فهى تعتمد على حامل للشحنات حيث تحمل الإلكترونات دائمًا شحنة سالبة بينما تحمل البروتونات دائمًا شحنة موجبة أما النيوترونات (طبقًا لاسمها) فهى محايدة و ليس لديها شحنة و تحمل كل من الإلكترونات و البروتونات نفس كمية الشحنة و يعتبر كلاهما مهمين لأنهما يوفران لنا الوسائل لممارسة القوة عليها و المعروفة بإسم القوة الكهروستاتيكية .
و بحسب ” قانون كولوم ” فى الكهرباء فتعتبر القوة الكهروستاتيكية قوة تعمل بين الشحنات و التى ان كانت من نفس النوع فهى تتنافر مع بعضها البعض بينما تنجذب الشحنات من الأنواع المتضادة معًا كما يعتمد مقدار القوة المؤثرة على شحنتين على مدى المسافة بين بعضهما البعض فكلما أقتربت الشحنتان زادت القوة إما تجاذب أو تنافر و لذلك بفضل القوة الكهروستاتيكية فتدفع الإلكترونات الإلكترونات الأخرى بعيدًا عنها و تنجذب إلى البروتونات حيث تعتبر هذه القوة هي جزء من “الصمغ” الذي يربط الذرات ببعضها و لكن فى نفس الوقت أيضًا الأداة التي نحتاجها لتدفق الإلكترونات (الشحنات) فإذا نظرنا الى عنصر ” النحاس ” على سبيل المثال و نموذجه الذرى الذى يعتبر أحد المصادر الأولية المفضلة لتدفق شحنات الكهرباء ففي حالته المستقرة يحتوي على 29 بروتونًا في نواته و عدد متساوٍ من الإلكترونات التي تدور حوله فى مدارات متفاوتة المسافة مع النواة و تكون الإلكترونات الأقرب إلى النواة ذات جاذبية أقوى بكثير الى المركز عن تلك الموجودة في المدارات الأبعد حيث تسمى الإلكترونات الخارجية للذرة بإلكترونات التكافؤ و التى تتطلب أقل قدر من القوة لتحريرها من الذرة لذلك و باستخدام قوة كهروستاتيكية كافية على إلكترون التكافؤ من خلال دفعه بشحنة سالبة أخرى أو جذبها بشحنة موجبة يمكننا إخراجه من مدار حول الذرة لتكوين إلكترون حر لذلك فكر في الأسلاك النحاسية المليئة بعدد لا يحصى من ذرات النحاس و نظرًا لأن الاليكترونات الحرة تطفو في فراغ بين الذرات فإنه يتم سحبها و حثها بواسطة الشحنات المحيطة في ذلك الفضاء و في وسط هذه الفوضى يجد الإلكترون الحر في النهاية ذرة جديدة ليلتصق بها و عند القيام بذلك تقوم الشحنة السالبة لذلك الإلكترون بإخراج إلكترون تكافؤ آخر من الذرة لينجرف عبر الفضاء الحر و يبحث عن الشيء نفسه و يستمر التسلسل فى إنشاء تدفق الإلكترونات و هو ما يسمى التيار الكهربائي .
و من تلك النظرية نجد أن بعض العناصر أفضل من غيرها في إطلاق إلكتروناتها و توصليها الكهرباء و لذلك من أجل الحصول على أفضل تدفق ممكن للإلكترون يتم الاعتماد على الذرات التي لا ترتبط بشدة بإلكترونات التكافؤ حيث يقاس مدى كفاءة توصيل عنصر ما بمدى إحكام ارتباط اليكترونه بذرته لذلك تسمى العناصر ذات الموصلية العالية و التي تحتوي على إلكترونات متحركة جدًا بالموصلات و هي أنواع المواد التي تستخدم فى صنع الأسلاك التي تساعد في تدفق الإلكترون و عادةً ما تكون من المعادن مثل النحاس و الفضة و الذهب أما العناصر ذات الموصلية المنخفضة فتسمى العوازل و ترجع أهميتها فى منع تدفق الإلكترونات و تشمل العوازل الشائعة الزجاج و المطاط و البلاستيك و الهواء .
الكهرباء الساكنة و المستمرة
تيار الكهرباء الساكن
توجد الكهرباء الساكنة عندما يكون هناك تراكم لشحنات معاكسة على أجسام مفصولة بعازل ثم بشكل ما تتمكن تلك الشحنات المعاكسة من العثور على مسار بين بعضهما البعض لموازنة النظام و عندها يحدث تفريغ ثابت حيث يصبح جاذبية الشحنات كبيرًا لدرجة أنها يمكن أن تتدفق عبر أفضل العوازل مثل الهواء و الزجاج و البلاستيك و المطاط و يمكن أن يكون التفريغ الاستاتيكي ضارًا اعتمادًا على الوسيط الذي تنتقل من خلاله الشحنات حيث يمكن أن تؤدي الشحنات المتساوية من خلال فجوة هوائية إلى حدوث صدمة مرئية حيث تصطدم الإلكترونات المتنقلة بالإلكترونات الموجودة في الهواء و عندها تنطلق تلك الطاقة على شكل ضوء و لعل أبسط مثال على ذلك هو البرق خلال العواصف الرعدية فعندما تجمع سحابة ما يكفي من الشحنات بالنسبة إلى مجموعة أخرى من السحب أو سطح الأرض فإن الشحنات ستحاول معادلة ذلك و أثناء تفريغ السحابة لها تتدفق كميات هائلة من الشحنات الموجبة (أو السالبة في بعض الأحيان) عبر الهواء من الأرض إلى السحابة مما يتسبب في التأثير المرئي الذي نعرفه جميعًا بإسم البرق .
كما توجد الكهرباء الساكنة أيضًا بشكل مألوف عندما نفرك البالونات على رأسنا لجعل شعرنا يقف أو عندما ننتقل على الأرض بنعال و نصدم قطة بالصدفة ففي كل حالة يؤدي الاحتكاك الناتج عن فرك أنواع مختلفة من المواد إلى نقل الإلكترونات و يصبح الجسم الذي يفقد الإلكترونات مشحونًا بشكل إيجابي بينما يصبح الجسم الذي يكتسب إلكترونات سالبة الشحنة لذلك ينجذب الجسمان إلى بعضهما البعض حتى يتمكنوا من إيجاد طريقة لتحقيق التعادل .
و لا يتعين علينا عمومًا التعامل مع الكهرباء الساكنة و لكن عندما نفعل ذلك يجب علينا اتخاذ اجرائات وقائية تحسبا للتعرض الى تفريغ ثابت حيث تشمل التدابير الوقائية ضد الكهرباء الساكنة ارتداء أحزمة المعصم ESD (التفريغ الكهروستاتيكي) أو إضافة مكونات خاصة في الدوائر للحماية من الارتفاع الشديد في الشحنات .
تيار الكهرباء المستمر
التيار الكهربائى المستمر هو الذى يجعل جميع أجهزتنا المحيطة تتعمل بكفاءة و يوجد هذا النوع عندما تكون الشحنات قادرة على التدفق باستمرار على عكس الكهرباء الساكنة التى فيها تتجمع الشحنات و تبقى ثابتة و لكن الكهرباء المستمرة تكون فى حالة ديناميكية و الشحنات دائمًا في حالة حركة و هى دائما المقصودة بشكل شائع بكلمة الكهرباء و تتطلب من أجل تدفقها دائرة مغلقة لا تنتهي من مادة موصلة يمكن أن تكون بسيطة مثل سلك موصل متصل من طرف إلى طرف لكن الدوائر المفيدة عادة ما تحتوي على مزيج من الأسلاك و المكونات الأخرى التي تتحكم في تدفق الكهرباء و تكون القاعدة الوحيدة عندما يتعلق الأمر بصنع الدوائر هي أنه لا يمكن أن تحتوي على أي فجوات عازلة فيها لضمان سريان التيار .
المجال الكهربائي
و هو مصطلح صاغه العالم فاراداى حيث يعتبر مفهوم المجال بشكل عام هو أداة نستخدمها لنمذجة التفاعلات المادية التي لا تتضمن أي اتصال يمكن ملاحظته أى أنه لا يمكن رؤيته لأنه ليس لديه مظهر مادي لكن تأثيره حقيقي و يمكن الشعور به فعلى سبيل المثال نحن جميعًا على دراية لا شعورية بمجال واحد على وجه الخصوص و هو مجال جاذبية كوكب الأرض فبغض النظر عن مكانك على السطح ستشعر بقوة تلك الجاذبية و بالتأكيد تلك القوة ليست موحدة في جميع النقاط فكلما ابتعدت عن مصدر المجال كلما قل التأثير حيث يتناقص حجم مجال الجاذبية الأرضية كلما ابتعدت عن مركز الكوكب و هو نفس الشئ فى المجال الكهربائي حيث يتشارك مع مجال الجاذبية فى عدد من النقاط أبرزها أن مجال الجاذبية له قوة و تأثير على الأجسام ذات الكتلة أما المجال الكهربائي فيمارس قوته على الأجسام المشحونة و يرجع أهمية المجال الكهربائي فى أنه المسئول عن قوة الدفع التي نحتاجها لتحفيز تدفق التيار و يشبه كما و لو كان مضخة الإلكترون .
الطاقة الكهربائية
عندما نستخدم الكهرباء لتشغيل أجهزتنا المنزلية فإننا نقوم بعملية تحويل الطاقة حيث تقوم الدوائر الإلكترونية بإستلام تلك الطاقة و تخزينها و تحويلها إلى أشكال أخرى مثل الحرارة أو الضوء أو الحركة حيث تعرف الطاقة المخزنة داخل تلك الدوائر بطاقة الوضع الكهربائي .
و لمحاولة فهم طاقة الوضع نحتاج إلى فهم الطاقة بشكل عام حيث تُعرَّف الطاقة بأنها قدرة شئ ما على القيام بعمل على شئ آخر و بعضها يمكننا رؤيته مثل الطاقة الحركية و البعض الآخر لا يمكننا رؤيته مثل الكهرباء و توجد الطاقة عموما في إحدى حالتين إما حركية أو وضعيه و اذا بدأنا بالطاقة الحركية فهى تتولد عندما يكون الجسم فى حالة حركة و تعتمد كميتها على كتلة الجسم و سرعته و من ناحية أخرى فإن طاقة الوضع هي طاقة مخزنة عندما يكون الجسم في حالة راحة و هى طاقة يمكننا التحكم فيها بشكل عام و عندما يتحرك جسم ما تتحول طاقة الوضع به إلى طاقة حركية و بنفس الطريقة فإن الشحنات في المجال الكهربائي لها طاقة وضع كهربائي و تعرف بأنها مقدار الطاقة المخزنة لديها و التى عند تشغيلها بواسطة قوة إلكتروستاتيكية يمكن أن تصبح هذه الطاقة حركية و يمكن أن تؤدي الشحنة عملًا و تعتمد طاقة الوضع الكهربائي على النوع سواء كانت موجبة أو سالبة و كمية الشحنة و موقعها في المجال و تقاس طاقة الوضع الكهربائي بوحدات الجول .
الجهد الكهربائي
الجهد الكهربائي هو فرق الجهد بين نقطتين في المجال حيث ترجع أهميته الى أنه يعطينا فكرة عن مقدار قوة الدفع التي يمتلكها المجال الكهربائي و يعتمد ذلك الجهد على طاقة الوضع الكهربائية للمساعدة في تحديد مقدار الطاقة المخزنة في المجالات الكهربائية ففى أي نقطة في المجال الكهربائي يكون الجهد الكهربي هو مقدار طاقة الوضع الكهربائي مقسومًا على كمية الشحنة عند تلك النقطة حيث يترك لنا ذلك فكرة عن مقدار الطاقة الكامنة التي قد توفرها مناطق معينة من المجال الكهربائي و يأتي الجهد الكهربي بوحدات جول لكل كولوم (J / C) ، والتي نعرّفها بالفولت (V) كما يوجد في أي مجال كهربائي نقطتان للجهد الكهربي تهمنا بشكل كبير فهناك نقطة ذات جهد مرتفع حيث يكون للشحنة الموجبة أعلى طاقة كامنة ممكنة و هناك نقطة ذات جهد منخفض حيث يكون للشحنة أقل طاقة محتملة ممكنة.
الدائرة الكهربائية
الدائرة الكهربائية هى ربط بين المكونات الكهربائية بحيث يتم سريان الشحنة الكهربائية على طول مسارها المغلق و يمكن أن تتخذ مكوناتها عدة أشكال حيث قد تشمل عناصرها المقاومات و المكثفات و المفاتيح و المحولات و الإلكترونيات كما تحتوي الدوائر الإلكترونية على مكونات نشطة و عادة ما تكون أشباه موصلات و تعد أبسط المكونات الكهربائية هي تلك التي تسمى الدائرة السلبية التى قد تخزن الطاقة مؤقتًا و تكون المقاومة هى أبسط عناصر تلك الدائرة السلبية و كما يوحي اسمها فإنها تقاوم التيار من خلالها و تبدد طاقتها على شكل حرارة و المقاومة هي نتيجة لحركة الشحنة عبر موصل ففي المعادن على سبيل المثال تحدث المقاومة في المقام الأول بسبب الاصطدام بين الإلكترونات و الأيونات و بحسب قانون أوم فأن التيار الذي يمر عبر المقاومة يتناسب طرديًا مع فرق الجهد عبره و وحدة المقاومة تسمى “أوم” نسبة الى العالم “جورج أوم” و يرمز لها بالحرف اليوناني Ω .
كما يوجد فى الدائرة الكهربائية المكثف أيضا و هو جهاز يمكنه تخزين الشحنة و بالتالي تخزين الطاقة الكهربائية في المجال الناتج و يتكون من لوحين موصلين تفصل بينهما طبقة عازلة رقيقة حيث يتسبب مكثف متصل بمصدر جهد مبدئيًا في حدوث تيار أثناء تراكم الشحنة و مع ذلك فإن هذا التيار سوف يتحلل بمرور الوقت عندما يملأ المكثف و ينخفض في النهاية إلى الصفر كما يوجد أيضا الحث و هو عادة ملف من الأسلاك يقوم بتخزين الطاقة في مجال مغناطيسي استجابة للتيار من خلاله و عندما يتغير التيار يتغير المجال المغناطيسي أيضًا مما يؤدي إلى إحداث جهد بين طرفي الموصل و وحدة الحث هى “هنري” على اسم العالم “جوزيف هنري” .
الفرق بين التيار المباشر و التيار المتردد
يصف كل من التيار المباشر و التيار المتردد أنواع تدفق التيار في الدائرة ففي التيار المباشر (DC) تتدفق الشحنة الكهربائية (التيار) في اتجاه واحد فقط اما على الطرف الأخر فتغير الشحنة الكهربائية في التيار المتردد (AC) اتجاهها بشكل دوري و ينعكس الجهد في دوائر التيار المتردد أيضًا بشكل دوري لأن التيار يغير اتجاهه و ذلك النوع هو المستخدم فى معظم المنازل و مبانى المكاتب نظرا لامتلاكه عدد من المزايا أبرزها القدرة على تحويل مستويات الجهد بمكون واحد (محول) و لهذا السبب تم اختيار التيار المتردد كوسيلة أساسية لنقل الكهرباء عبر مسافات طويلة.
