الكهرباء

بسم الله الرحمن الرحيم 

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته ...

في موضوعنا اليوم سنتحدث عن الكهرباء وسنجيب عن الاسئلة التالية: 

 - ما الكهرباء؟ 

 - متى يكون الجسم سالب الشحنة ومتى يكون موجب الشحنة؟ 

 - ما وحدة الشحنة؟

 - ما هي المواد الموصلة؟ وأمثلة عليها.

 - ما هي المواد العازلة؟ وأمثلة عليها

 - ما هي المواد شبه الموصلة؟ وأمثلة عليها 

 - ما أنواع الكهرباء؟ 

 - ما هي الكهرباء الساكنة؟ 

 - ما طرق توليد الكهرباء الساكنة؟ 

 - ما هي الكهرباء المتحركة؟ 

 - ما أنواع الكهرباء المتحركة؟ 

الكهرباء:

تعتبر الكهرباء من المصطلحات الأساسية في علم الفيزياء فلقد تم اكتشافها على يد اليونان عندما لوحظ أنه عند دلك قطعة كهرمان (بلورة حجرية من خشب الصنوبر) بالفرو فإنها تلتقط بقصاصات الورق الصغيرة بسهولة. وأطلق اليونانيون على الكهرمان اسم (الإلكترون) وذلك للدلالة على الأجسام التي تحمل الكهرباء، وبشكل عام يمكننا القول أنه عند دلك أي جسمين ببعضهما فإنهما يشحنان بشحنتين متعاكستين. ولذلك فمن المنطقي أن تكون الأجسام العادية متعادلة وعند دلكها فإن الشحنات تنتقل فيما بينها مما ينتج عنه ما يعرف بالكهرباء.

ما الكهرباء:

هي أحد أنواع الطاقة تنتج عن وجود الشحنات الكهربائية وتنتقل من جسم الى آخر على شكل إلكترونات أو شحنات. لذا يجب أولا أن نوضح مفهوم العلاقة بين الذرات قبل أن نتطرق إلى المفهوم الكهرباء وطريقة انتقالها.

يمكننا تعريف الذرة بأنها أصغر جزء من المادة ، فهي جزء متناه في الصغر من جزيئات المادة. وتتكون الذرات من ثلاثة أجزاء وهي:

      1-     البروتونات: ذات الشحنة الموجبة وتوجد في منتصف الذرة

"في منطقة النواة" وهي ثابتة ولا تتحرك.

      2-     النيوترونات: لا تمتلك شحنة، أي أنها محايدة وتوجد أيضاً في نواة الذرة مع البروتونات.

      3-     الإلكترونات: صغيرة جداً ووزنها أقل بكثير من البروتونات والنيوترونات. كما أنها ذات شحنة سالبة، والإلكترونات لا تشكل جزءاً من نواة الذرة، فهي لا توجد داخلها ولكنها عوضاً عن ذلك تتحرك حولها في مدارات خارج النواة، والإلكترونات هي الجزء الوحيد المتحرك من الذرة.

عادة ما يكون عدد الإلكترونات مساوي لعدد البروتونات في الذرة الواحدة وهذا التساوي يكون في القيمة العددية فقط بحيث يختلفان في الإشارة فالإلكترونات سالبة الشحنة والبروتونات موجبة الشحنة وقيمة الشحنة لكل منهما تساوي 1.6 x 10 ^-19 C . ولشحن الجسم فإننا نقوم بإحدى طرق الشحن والتي من أمثلتها الدلك. فمثلا عندما تقوم بدلك بالون بملابسك الصوفية وتقربه إلى الحائط فإنه يلتصق به مباشرة وينجذب إليه وهذا دليل على وجود شحنة كهربائية وبالتالي نقول أن هذا البالون مشحون.

فالشحنة خاصية للجسم تمكنه من دفع أو جذب أجسام مشحونة أخرى، مثل خاصية الكتلة التي تمكن جسم ما له كتلة من جذب الكتل الأخرى.

من هذا المنطلق نعرف الشحنة بأنها خاصية تمكن الجسم من التأثير على غيره من الأجسام التي تحمل نفس الخاصية. فالشحنات تؤثر على بعضها بقوة كهربائية والكتل تؤثر على بعضها بقوة الجاذبية الأرضية. وعادة ما يكون التأثير في الشحنات بين الأجسام المشحونة بشحنة سالبة مع الأجسام ذات الشحنة الموجبة.

متى يكون الجسم سالب الشحنة ومتى يكون موجب الشحنة ؟

إجابة هذا السؤال بسيطة جدا فلو عدنا إلى مثال البالون وقلنا بأن الإلكترونات التي كانت في المدار الخارجي لملابسك الصوفية انتقلت من الملابس إلى البالون مما جعله مشحونا بشحنة سالبة (وذلك لأنها اكتسبت إلكترونات بينما ظل عدد البروتونات ثابتا فأصبح عدد البروتونات أقل من عدد الإلكترونات) بينما فقدت ملابسك تلك الشحنات فأصبحت شحنتها موجبة (ذلك لأنها فقدت إلكترونات بينما ظل عدد البروتونات ثابتا فأصبح عدد البروتونات أكثر من الإلكترونات)

وحدة الشحنة :

وحدة الشحنة الكهربائية المستخدمة في نظام الدولي للوحدات هي الكولوم نسبة إلى العالم الفيزيائي الفرنسي تشارلز كولوم الذي اكتشف القوة الكهربائية بين جسمين مشحونين.

مثال :

أوجد عدد الالكترونات في كولوم واحد ؟

الحل:  

أي أنه يجب تجريد الجسم مما يقارب ستة مليون مليون مليون إلكترون وذلك لشحنه بكولوم واحد.

المواد الموصلة والمواد العازلة:

المواد الموصلة:

هناك مواد لها قابلية أكبر من غيرها في نقل الكهرباء ومواد أخرى ليست لها قابلة لنقل الكهرباء. فمن المعروف أن المعادن تنقل الكهرباء بشكل ممتاز بينما يعتبر الخشب من المواد التي تحول دون توصيل الكهرباء.

يوجد في الطبيعة مواد موصلة كالفلزات تنتقل الشحنات الكهربائية خلالها بسهولة وذلك لأن ذراتها غير مقيدة بها بل بإمكانها الحركة بحرية داخلها تسمى تلك الذرات أو الإلكترونات اسم إلكترونات حرة (free electrons ) ويطلق على هذه المواد اسم (مواد ناقلة أو مواد موصلة ) . ومن المهم أن نعرف أن حركة الإلكترونات داخل هذه المواد هي حركة عشوائية في جميع الاتجاهات ومحصلة الحركة الكلية لها تساوي صفرا . ولهذا السبب فإننا لا نشعر بهذه الشحنات عند لمس إحدى المواد الناقلة .

المواد العازلة :

هي الأجسام التي لا تسمح بنقل الشحنات خلالها ويرجع ذلك لعدم وجود إلكترونات حرة . فالإلكترونات في هذه المواد تكون مقيدة ومرتبطة بالذرة التابعة لها بشكل كبير بحيث لا تستطيع الانتقال من موضعها . وأمثلة هذه المواد كثيرة منها : الخشب ، الزجاج ، الورق والبلاستك .

المواد شبه الموصلة :

هي المواد التي توصل التيار الكهربائي ولكن توصيلها يكون ضعيفا مقارنة بالمواد الموصلة . والإلكترونات في هذه المواد غير حرة ولكن لو طعمناها بذرات فيمكنها أن تتبرع بإلكتروناتها فتزيد ناقليتها بشكل كبير فينتقل التيار خلالها .

من أمثلتها :

الجرمانيوم و السليكون و غيرهما  .

أنواع الكهرباء :

     1-  كهرباء ساكنة  : هي تمركز الشحنات و تجمعها مع بعضها البعض على سطح جسم أو مادة ما

     2-  كهرباء متحركة : هي سيل من الشحنات الكهربائية التي تتحرك بطريقة منتظمة .

الكهرباء الساكنة :

طرق توليد الكهرباء الساكنة :

* الدّلك: يُعتمد على طريقة الدّلك في توليد الشّحنات الكهربائية الساكنة وذلك من خلال:

- دلك قضيبِ الأبونايت بقطعةٍ من الفرو؛ فيحدث انتقال للإلكترونات من القطعة المصنوعة من الفرو إلى قضيب الأبونايت؛ فيكتسب شحنات كهربائية سالبة.

- دلك قضيبٍ من الزّجاج مع قطعةٍ حريرية؛ فيحدث انفصال بين الإلكترونات من القضيب الزّجاجي، وتنتقل إلى القطعة الحريرية، ويكتسب الزّجاج الشّحنات الموجبة.

                                       

* الشحن بالتوصيل ( باللمس) : يكتسب جسم ما شحناتٍ كهربائية من خلال حدوثِ تلامسٍ بين جسمين، أحدهما مشحون وآخر غير مشحون، فتبدأ الشّحنات الموجبة بالانتقال من الجسم المشحون إلى الآخر، ويعتمد نوع الشحنة التي يكتسبها الجسم غير المشحون على نوع شحنة الجسم المشحون.

* الشحن بالحث  : يمكن توليد الكهرباء الساكنة بطريقةِ الحث، وذلك من خلال وضع كرتين متعادلتي الشحنة بحيث تلامس كل منهما الأخرى ومن ثم نقوم بتقريب قضيب مشحون من هاتين الكرتين دون ملامسته لهما . ما سيحدث هو إن الشحنات المعاكسة لشحنة القضيب ستنتقل من الكرة البعيدة إلى الكرة القريبة والشحنات المشابهة لها ستنتقل إلى الكرة البعيدة بحيث تنفصل الشحنات فيصبح لدينا كرة مشحونة بشحنة سالبة وكرة مشحونة بشحنة موجبة.

الكهرباء المتحركة :

أنواع الكهرباء المتحركة :

نُسمّيها بالمُتحرّكة نتيجة لوجود تيّار كهربائي وتدفّق للشحنات السالبة وهيَ الإلكترونات، وهذا النوع من الكهرباء يُدعى بالتيّار.

وينقسم التيّار الكهربائي إلى نوعين هُما :

          1)  التيار الكهربائي الثابت والمعروف باللغة الإنجليزيّة DC .  

          2)  التيار الكهربائي المُتردد والمعروف أيضا بالإنجليزيّة AC.

وهما كالتالي: التيار الكهربائي الثابت (المستمر) (DC (Direct Current: تدلّ تسمية هذا النوع من التيّار على أنّ لديه ثباتاً في القيمة وثباتاً في الاتجاه، وهذان أمران رئيسيان في تحديد الحالة الفيزيائية العامّة، فالتيار الكهربائي الثابت ينتقل من مصدر التيّار من خلال وجود فرق في الجُهد بين القُطبين السالب والموجب، حيث ينتقل من المنطقة ذات الجُهد العالي وهو القطب السالب باتجاه ثابت وبقيمة ثابتة نحو القُطب الموجب ذي الجُهد الأقلّ. التيّار الكهربائي المُتناوب أو المُتردد (AC (Alternating Current: هوَ التيّار الذي ينشأ بشكل متناوب ومُتردّد، حيث تتغيّر قيمته واتجاهه، وهوَ عبارة عن موجة لها تردد مُعيّن بحيث تتكرّر هذهِ الموجة الكهربائية  50 أو 60 مرة في الثانية، وهو ما يُعرف بتردد التيّار الكهربائي، ويُقاس بوحدة الهيرتز بينما يُقاس التيّار الكهربائي بوحدة الأمبير، والتيّار المُتردد أو المُتناوب هوَ الأكثر شيوعاً خُصوصاً في الاستخدامات المنزليّة فجميع الأجهزة المنزليّة تستخدم التيّار المُتردد.

إذا فإن  التيار = الكهرباء المتحركة  . وهنا يجب أن ننتبه الى أن وحدة قياس الكهرباء المتحركة هي الأمبير (Ampere ) وليست كولوم .

الخلاصة :

-   الكهرباء : هي إحدى أنواع الطاقة تنتج عن وجود الشحنات الكهربائية

-   تنتقل الكهرباء من جسم الى آخر على شكل إلكترونات أو شحنات .

-   الذرة هي أصغر جزء من المادة .

-   تتكون الذرة من : بروتونات و إلكترونات ونيوترونات .

-   الإلكترونات : سالبة الشحنة

-   البروتونات  : موجبة الشحنة

-   النيوترونات : لا تملك شحنة

-   عدد الالكترونات مساوي لعدد البروتونات في الذرة ولكن يختلفان بالإشارة . وقيمة الشحنة لكل منهما تساوي 1.6 x 10^-19 C . 

-   تكون شحنة الجسم موجبة إذا فقد إلكترونات .

-   تكون شحنة الجسم سالبة إذا اكتسب إلكترونات .

-   وحدة الشحنة هي كولوم نسبة إلى العالم تشارلز كولوم .

-   المادة الموصلة: هي المواد التي تسمح بمرور الشحنات خلالها بسهولة وتتميز بأن إلكترونات ذراتها حرة وغير مقيدة .

-   المواد العازلة : هي الأجسام التي لا تسمح بنقل الشحنات خلالها ويرجع ذلك لعدم وجود إلكترونات حرة . فالإلكترونات في هذه المواد تكون مقيدة .

-   المواد شبه الموصلة :هي المواد التي توصل التيار الكهربائي ولكن توصيلها يكون ضعيفا مقارنة بالمواد الموصلة .

  - أنواع الكهرباء : كهرباء ساكنة , كهرباء متحركة .

-   طرق توليد الكهرباء الساكنة :

 1) الدلك

 2) الشحن بالتوصيل (اللمس)  

 3) الشحن بالحث أو التأثير .

-   الكهرباء المتحركة = التيار

  - أنواع الكهرباء المتحركة :

(1     التيار الكهربائي الثابت والمعروف باللغة الإنجليزيّة DC .

(2     التيار الكهربائي المُتردد والمعروف أيضا بالإنجليزيّة AC.

نتمنى أن يكون الموضوع واضحا  ومفيدا ..^-^

ملاحظة : في حال وجود أي استفسار أو سؤال أو اقتراح  دونها في خانة التعليقات

                                                        

تم بحمد الله .