بحث عن الكهرباء

تعريف الكهرباء

تُعرف الكهرباء على أنّها شكل من أشكال الطاقة الناتجة عن وجود جسيمات أولية تحمل شحنات كهربائية مختلفة؛ مثل الإلكترونات والبروتونات، حيث تنشأ الكهرباء نتيجة تراكم الشحنات، أو من خلال حركة الإلكترونات وتدفّقها في جسم موصل، وهو ما يُعرف عادة باسم التيار، ويُعرف عادة أن الإلكترونات هي الجسيمات ذات الشحنة السالبة، أما البروتونات فهي الجسيمات ذات الشحنة الموجبة.

تنشأ الكهرباء من خلال تحفيز الإلكترونات المحيطة بالنواة للتحرر من مداراتها بعيداً عن الذرّة ، وتختلف ذرات المواد بقدرتها على التمسّك بالإلكترونات المحيطة بها، فإن كانت قدرة النواة على التمسك بالإلكترونات الخارجية ضعيفة فإن ذلك يزيد من سهولة تحرر الإلكترونات بعيداً عنها، وهو يعني أنّ المادة تعتبر موصلاً جيداً للكهرباء، وذلك ينطبق على المواد المعدنية بشكل عام؛ كالنحاس، والألمنيوم، والذهب، والفضة، أمّا المواد الأخرى فيصعب تحرير الإلكترونات من ذرّاتها لأنّ النواة فيها تُمسك بقوة على الإلكترونات فيها، وبذلك تكون هذه المواد موصلات سيئة للكهرباء؛ كالخشب، والزجاج.

اكتُشفت الكهرباء في أواخر القرن التاسع عشر، وأصبحت جزءاً أساسياً من الحياة، لما لها من استخدامات متعددة في جميع نواحيها، وتطبيقاتها، وهي على الرغم من ذلك تعتبر مصدراً ثانوياً للطاقة؛ فهي لا تُستخرج من الأرض كالفحم مثلاً، بل يتم الحصول عليها بواسطة المصادر الأولية للطاقة؛ مثل الفحم، والغاز الطبيعي، وضوء الشمس، وطاقة الرياح ، وغيرها.

أنواع الكهرباء

الكهرباء الساكنة

تنشأ الكهرباء الساكنة عن تراكم الشحنات الكهربائية على سطح مادة ما، نتيجة فرك أو احتكاك مادتين مختلفتين معاً؛ حيث تكون المادتان قبل عملية الفرك متعادلين؛ أي أنّ كل مادة منهما تحمل عدداً متساوياً من الإلكترونات سالبة الشحنة، والبروتونات موجبة الشحنة، وبعد الفرك تنتقل الإلكترونات من جسمٍ لآخر؛ نظراً لاختلاف قوة جذب الإلكترونات بينهما، ليصبح أحد الأجسام ذو شحنة موجبة نتيجة فقده للإلكترونات، والجسم الآخر سالب الشحنة نتيجة اكتسابه للإلكترونات.

ينتج عادة عن ظاهرة الكهرباء الساكنة انجذاب المواد لبعضها، أو أو حدوث شرارة بسيطة بينهما، ومن أشهر الأمثلة عليها هي فرك البالون بقطعة صوف؛ فعند فرك البالون بالصوف تنتقل الإلكترونات من قطعة الصوف للمطاط؛ فيصبح الصوف نتيجة لذلك مشحوناً بالشحنة الموجبة، والبالون مشحوناً بشحنة سالبة، يُمكن له من خلالها الالتصاق بالحائط مثلاً.

التيار الكهربائي

ينشأ التيار الكهربائيّ نتيجة تدفقّ سيل من الإلكترونات عبر جسم موصل كهربائيّ يكون عادة سلكاً نحاسياً، ووحدة قياس التيّار هي الأمبير، ويمكن تشبيه التيار الكهربائيّ بالمياه الجارية في نهر مائيّ؛ حيث يتدفّق الماء من نقطة لأخرى بسرعة محددة، وكذلك الحال بالنسبة للإلكترونات التي تتدفق بسرعة وكمية محددة؛ فالتيار هو مقياس لمقدار الطاقة المنقولة خلال فترة زمنية محددة، والتي يعبّر عنها بتدفق الإلكترونات، وعادة ما يؤدي سريان تيّار كهربائي عبر جسم موصل إلى تسخينه ورفع درجة حرارته؛ بسبب تدفق التيار الكهربائي.

هناك مصادر عديدة للحصول على التيار الكهربائيّ مثل: البطاريات والتي تنتج الكهرباء فيها نتيجة التفاعلات الكيميائية في داخلها، والمولّدات الكهربائية المستخدمة في محطات توليد الطاقة، والتي تُنتج التيار الكهربائي نتيجة دوران ملف نحاسي داخل مجال مغناطيسي، وهناك نوعان رئيسيان للتيّارات الكهربائية المستخدمة وهما: التيار المباشر (بالإنجليزية: Direct Current) ويرمز له بالرمز (DC) والتيار المتردد (بالإنجليزية: Alternating Current) ويرمز له بالرمز (AC).

التيار المباشر

يعرّف التيار المباشر على أنّه التيار الثابت مقدراً واتجاهاً؛ كالتيار الناتج عن البطاريات، وللتيار المباشر استخدامات عديدة؛ فغالبية القطع والأجهزة الإلكترونية تعتمد على التيار المباشر، ومن الأمثلة على تلك الأجهزة: الهواتف الخلوية، وشاشات التلفزيون المسطّحة، ومحركات السيارات الهجينة والكهربائية، والمصابيح الكهربائية البسيطة التي تعمل على البطارية.

التيار المتردد

يُعرف التيار المتردد على أنّه التيار المتغيّر في اتجاه تدفّق إلكتروناته صعوداً وهبوطاً بانتظام ضمن دورة متكررة وثابتة، ومن الجدير بالذكر أنّ التيار المار بخطوط التوصيل والذي يتم توصيله للبيوت هو تيار متردد؛ حيث إنّ عملية نقله عبر المسافات الطويلة يعتبر أكثر سهولة مقارنة بالتيار بالمباشر، كما أن نقل التيارات ذات الجهد المرتفع يعني كمية أقل من الطاقة المفقودة؛ حيث يرتبط الجهد المرتفع عادة بمقدار تيار أقل، وبالتالي حرارة أقل عبر أسلاك النقل، بسبب المقاومة الكهربائية لهذه الأسلاك، ويتمّ عادة استخدام المحوّلات لتحويل التيار المتردد ذي الجهد العالي لتيار مناسب للاستخدام في المنازل، ومن التطبيقات العملية على التيار المتردد هي تشغيل المحركات الكهربائية، والتي تحوّل الطاقة الكهربائية لطاقة ميكانيكية، كما في بعض الأجهزة الكهربائية؛ كالثلاجات، وغسّالات الصحون.

للتعرف أكثر على أنواع الكهرباء يمكنك قراءة المقال أنواع الكهرباء

خصائص الكهرباء

يمكن تحديد خصائص الكهرباء من خلال العوامل الثلاثة الآتية:

• التيّار الكهربائي: ويشار إليه بالرمز (I)، ووحدة قياسه الأمبير، وهو عبارة عن عدد الإلكترونات التي تعبر الموصل في الثانية الواحدة، ويتدفّق التيار الكهربائيّ عادة من المادة ذات الشحنة السالبة باتجاه المادة ذات الشحنة الموجبة، والأمبير الواحد = 1 كولوم/ثانية = 6.2×10 إلكتروناً في الثانية الواحدة.
• فرق الجهد: يُقاس فرق الجهد الكهربائي بين جسم سالب وآخر موجب، ووحدة قياسه الفولت، ويُرمز لها بالرمز (V) ويمثّل الجهد الكهربائي مقدار العمل أو الشغل المنجز لكل شحنة كهربائية لتحريك الإلكترونات بين القطبين الموجب والسالب.
• المقاومة الكهربائية: تمثّل المقاومة الكهربائية عائقاً أمام سريان التيّار الكهربائي في الأجسام، وتُقاس بوحدة الأوم (بالإنجليزية: Ohms)، وتعتمد على نوع المادة وحجمها؛ حيث تعتبر المعادن ذات مقاومة منخفضة لذلك فهي موصلات جيّدة للكهرباء، أمّا الخشب مثلاً فهو مادة ذات مقاومة عالية جداً ولا يعتبر نتيجة لذلك موصلاً جيداً للكهرباء، كما أنّ الأسلاك الطويلة لديها مقاومة أعلى مقارنة بالأسلاك القصيرة، وكذلك الحال بالنسبة للأسلاك الرقيقة التي تعتبر ذات مقاومة أعلى من الأسلاك السميكة، كما تعتمد المقاومة كذلك على درجة الحرارة الموصل.

تاريخ الكهرباء

تُشير بعض الكتابات القديمة إلى أنّ الكهرباء قد عُرفت لأول مرة من قبل الغربيين في القرن السادس قبل الميلاد من خلال ملاحظة أنّ مادة العنبر تُشحن بالفرك، وبقي استخدام الكهرباء على بساطته تلك حتى وصف العالم الإنجليزي وليام جيلبرت (William Gilbert) كهربة العديد من المواد في عام 1600م، كما صاغ مصطلح (الكهرباء) من الكلمة اليونانية التي تعني العنبر، وبذلك أصبح الأب الروحي لعلوم الكهرباء الحديثة، وفي العام 1660م اخترع أوتو فون جيريك (بالإنجليزية: Otto von Guericke) آلة جديدة لإنتاج الكهرباء الساكنة باستخدام كرة كبريتية يتم تدويرها وفركها، ثم توالت الاكتشافات في الكهرباء بين العلماء، فعُرفت القوى الكهربائية المتبادلة من تنافر وتجاذب خلال الفراغ، كما تم التمييز بين الموصلات وغير الموصلات بواسطة العالم ستيفن جراي (بالإنجليزية: Stephen Gray)، وصُنّفت الكهرباء لموجبة وسالبة.

الحقبة الكمية

تم في عام 1745 اختراع قارورة ليدن من قبل بيتر فان موشنبروك، والتي تُخزّن الكهرباء الساكنة ليتمّ بعد ذلك تفريغها دفعة واحدة، وفي عام 1747م تمّ تفريغ الكهرباء الساكنة منها خلال دائرة كهربائية، ليبدأ مفهوم التيار الكهربائي والدائرة الكهربائية الدخول بمجالات جديدة من التجارب والاكتشافات بعد ذلك؛ حيث وضع العالم كولوم العلاقة الرياضية التي تعبّر عن القوى المتبادلة بين الأجسام المشحونة، وكان ذلك بدايةً للحقبة الجديدة التي اهتمت بالدراسة الكمية للكهرباء.

فتح اختراع البطارية بعد ذلك مجالات جديدة لاستكشاف التيار الكهربائي؛ حيث لاحظ العالم جلفاني في عام 1786م تأثير التفريغ الكهربائي للكهرباء الساكنة على قدم ضفدع استُخدم لإجراء التجارب من خلال ملاحظة اهتزازها، مما دعا العلماء للاستمرار بالتجريب والبحث حتى بنى العالم أليساندرو فولتا العمود الفلطائي، الذي يُعتبر نوعاً أولياً من البطاريات، كما أدى التيار المستمر الناتج عن البطاريات إلى فتح الطريق أمام اكتشاف قانون أوم والذي يربط التيار بالجهد الكهربائي، والمقاومة الكهربائية، وقانون جول للتسخين الكهربائي، حيث يعتبر قانون أوم وقانون كيرشوف الذي تم اكتشافه لاحقاً الأساس للحسابات المتعلقة بالدارات الكهربائية.

الحقبة الكهرومغناطيسية

بدأ عصر الكهرومغناطيسية عام 1819م باكتشاف المجال المغناطيسي المحيط بسلك معدنيّ يسري فيه تيار كهربائي، ثم وضع العالم أندري ماري أمبير العديد من القوانين المتعلقة بالكهرومغناطيسية في صيغ رياضية، ثم اخترع العالم فارادي النموذج المبدئي للمحرك الكهربائي، ثم تبعه اختراع المولد الكهربائي لتشغيل المحرك، ثم بعد عام واحد تم تصميم نموذج لمولد كهربائي يعمل يدوياً، ثم توالت التطورات في ذلك المجال حتى الوصول لبناء أول محطة طاقة كهربائية بعد خمسين عاماً من ذلك الوقت.

في عام 1873م فتح العالم كلارك ماسكويل مساراً جديداً للتطور في مجال الكهرومغناطيسية من خلال وضع معادلات تصف المجال المغناطيسي، وتنبأ بوجود موجات كهرومغناطيسية تسير بسرعة الضوء، وأُكّد هذا التنبؤ تجريبياً فيما بعد من قبل العالم هاينريش هيرتز، ,استُخدمت هذه الأمواج لاختراع الراديو من قبل العالم ماكروني في عام 1895م، وتبعه اختراع الأنبوب الفراغي الذي استُخدم ككاشف لموجات الراديو من قبل العالم جون أمبروز فلمنج، وتوالت الاكتشافات ليبدأ مجال الإلكترونيات، ثم أصبح الفهم النظري أكثر اكتمالاً للظواهر الكهربائية باكتشاف الإلكترون في نهايات القرن التاسع عشر من قبل العالم طومسون، وفي مطلع القرن العشرين وصل العالم رذرفورد لتكوين الذرة وتوزيع الشحنات فيها، وفي عام 1913م استطاع العالم روبرت مليكان قياس شحنة الإلكترون الواحد.

فوائد الكهرباء

تعدّ الكهرباء حالياً الشكل المفضّل للاستخدام مقارنة بأشكال الطاقة الأخرى، وذلك نظراً لكفاءتها العالية، وسهولة الوصول إليها والتعامل معها، وقد كان الفحم قديماً هو المصدر الرئيسي لتوليد الطاقة الكهربائية لأعوام عديدة، ولكن التطور المستمر واكتشاف مصادر جديدة للطاقة جعل الطاقة الكهرومائية، والغاز الطبيعي، والطاقة النووية، من المصادر التي تُستخدم أيضاً لتوليدها بشكل كبير، وقد أدى ازدياد استخدام الكهرباء في شتى مجالات الحياة، إلى زيادة استهلاك هذه المصادر لتوليدها؛ ففي مطلع القرن العشرين كانت نسبة الفحم والغاز الطبيعي المستخدمة لتوليد الكهرباء تقل عن 2%، إلا أن تلك النسبة ارتفعت بعد مرور قرن من الزمان لتصبح 30%؛ أي أنّ 30% مما يتم استخراجه من الفحم والغاز الطبيعي يتم استخدامه لتوليد الكهرباء.

استُخدمت الكهرباء وما زالت تُستخدم في العديد من الأجهزة، وقد أضاءت الكهرباء مناطق مختلفة من العالم، وأصبحت ضرورة قصوى لتقدّم المجتمعات وازدهار اقتصادها؛ فوجود الكهرباء سهّل سبل الحياة وجعلها أكثر أمناً وسلامة، حيث يمكن من خلالها مثلاً الحفاظ على المنازل باردة، أو دافئة خلال الصيف أو الشتاء، كما يمكن من خلالها الحفاظ على الطعام وحفظه من الفساد، والحصول على مياه نقية وآمنة للشرب.

للتعرف أكثر على أهمية الكهرباء يمكنك قراءة المقال ما أهمية الكهرباء في حياتنا

مخاطر الكهرباء

رغم أهمية الكهرباء الكبيرة إلّا أنّ استخدامها محفوف بالعديد من المخاطر، ومن أهم مخاطر الكهرباء ما يأتي:

• التسبب بالصدمات الكهربائية والحروق في الجسم عند ملامستها.
• التسبب بحدوث الحرائق عند حدوث بعض الأخطاء.
• التسبب بحدوث والانفجارات الكهربائية في حال وجودها في محيط غير آمن وقابل للاشتعال.

ملاحظة: يجدر بالذكر هنا أن خطر الإصابة بالضرر من الكهرباء يعتمد بقوة على طريقة ومكان استخدامها، فاستخدام الكهرباء في ظروف رطبة أو مبللة يعتبر أكثر خطورة.

تنتج الصدمات الكهربائية عندما يشكّل جسم الإنسان ممراً لمرور التيار الكهربائي وإكمال الدارة المغلقة، حيث يمكن أن تؤدي ملامسة سلكين معاً من الدائرة الكهربائية عن طريق الخطأ، أو ملامسة سلك واحد، أو أي جزء معدنيّ غير معزول منها، إلى أن يُصبح الجسم جزءاً من هذه الدائرة الكهربائية باعتباره موصلاً فعّالاً للكهرباء، وإلى تدفّق التيار الكهربائي عبره؛ حيث يشكل الجسم عند ذلك دارة مقفلة مع الأسلاك يمكن من خلالها للتيار إكمال مساره أو طريقه عبره.

يؤثّر التيار الكهربائي على جسم الإنسان عند إصابته بالصدمات الكهربائية بدرجات مختلفة، وذلك باختلاف شدّة التيار الذي تعرّض له، وفي ما يلي توضيح لتأثير الصدمة الكهربائية باختلاف شدة التيّار:

للتعرف أكثر على مخاطر الكهرباء يمكنك قراءة المقال ما هي مخاطر الكهرباء