الكهرباء

لدوائر الكهربية
مقال تفصيلي :دائرة كهربائية
دائرة كهربية أساسية مصدر الجهد الكهربي على الجانب الأيسر يدفع التيار الكهربي حول
الدائرة، فيوصل الطاقة الكهربية في المقاومة. ويعود التيار من المقاوم إلى المصدر ويكمل
الدائرة الكهربية.الدائرة الكهربية عبارة عن ترابط بين المكونات الكهربية، وتهدف عادةً
إلى القيام ببعض المهام المفيدة مع مسار العودة بهدف تمكين الشحنة من الرجوع إلى
مصدرها.
إن مكونات الدائرة الكهربية تأخذ أشكالاً عدة، وقد تتضمن هذه الأشكال عناصر مثل
المقاومات (المقاوم) والمكثفات (المكثف) والمفاتيح (المفتاح) والمحولات (المحول)
والإلكترونيات. وتشمل الدوائر الإلكترونية (الدئرة الكهربية) مكونات نشطة (مكون نشط)،
وتكون عادةً أشباه موصلات (شبه موصل) وتظهر بشكل لا خطي، مما يتطلب تحليلاً
معقدًا.أما أبسط المكونات الكهربية فهي التي توصف بأنها سلبية وخطية. فبينما تقوم هذه
المكونات بتخزين الطاقة بشكل مؤقت، فإنها لا تحتوي على مصادر للطاقة. كما أنها تصدر
استجابات خطية للمثيرات.[40]
ربما يعد المقاوم أبسط العناصر السلبية في الدائرة الكهربية. وكما يوحي اسمه، فهو يقاوم
التيار الكهربي الذي يمر من خلاله ويبدد طاقته الحرارية.والمقاومة هي نتيجة لحركة
الشحنة الكهربية خلال الموصل. فعلى سبيل المثال، ترجع المقاومة في المعادن أساسًا إلى
تصادم الإلكترونات بالأيونات. ويعتبر قانون أوم القانون الأساسي لنظرية الدائرة الكهربية.
وينص هذا القانون على أن التيار المار خلال مقاومة في موصل يتناسب طرديًا مع فرق
الجهد بين طرفيه. ومقاومة معظم المواد تعد ثابتة نسبيًا على اختلاف درجات الحرارة
والتيارات الكهربية. والمواد التي ينطبق عليها هذه الشروط توصف بأنها "أومية". ولقد
أطلق اسم أوم، وهو وحدة قياس المقاومة، نسبة إلى واضعه جورج أوم ويرمز له بالحرف
اليوناني Ω. إن الرمز 1 Ω يشير إلى المقاومة التي ستنتج فرق جهد يساوي واحد فولت
استجابة لتيار يساوي واحد أمبير.[40]
إن المكثف عبارة عن جهاز يقوم بتخزين الشحنة الكهربية، وبالتالي تخزين طاقة كهربية
في المجال الناتج عن هذه العملية. ومن الناحية التصورية، يتكون المكثف من لوحين
موصلين تفصل بينهما طبقة رقيقة عازلة. ومن الناحية العملية، يتم لف رقائق معدنية رقيقة
معًا مما يزيد من سُمْك منطقة السطح من حيث وحدة حجم والسعة. ووحدة السعة هي
الفاراد، وسُميت باسم مايكل فاراداي ويرمز إليها بالرمز F. ، والفاراد الواحد يساوي
السعة التي تنشأ عن فرق الجهد البالغ واحد فولت عندما يقوم بتخزين شحنة تساوي واحد
كولوم. والمكثف الموصَّل بمورد الجهد الكهربي يتسبب مبدئيًا في مرور تيار كهربي؛ حيث
إنه يجمع الشحنة الكهربية. ومع ذلك، يضمحل التيار الكهربي بمرور الوقت كلما امتلأ
المكثف الكهربي ويصل بالتدريج إلى الصفر. ولذلك، لا يسمح المكثف بمرور تيار في حالة
الاستقرار، بل يعوقه.[40] فضلاً عن ذلك، يعتبر ملف الحث بمثابة موصل، عادةً ما يكون
ملف من السلك، يقوم بتخزين الطاقة في المجال المغناطيسي استجابةً للتيار المار به.
وعندما يتغير التيار، يتغير المجال المغناطيسي بالتبعية ويحث الجهد الكهربي بين طرفي
الموصل.والجهد المستحث يتناسب مع المعدل الزمني للتغيير في التيار الكهربي. أما ثابت
التناسب فيطلق عليه اسم المحاثة.ووحدة المحاثة هي هنري. وسُميت بذلك على اسم
جوزيف هنري الذي عاصر فاراداي. وواحد هنري يساوي المحاثة التي تحث فرق الجهد
البالغ واحد فولت في حالة تغير التيار المار به بمعدل واحد أمبير لكل ثانية.[40] وتنعكس
طريقة عمل ملف الحث في بعض الأحيان على طريقة عمل المكثف، بمعنى أنه يسمح
بمرور تيار غير متغير بسهولة ويسر، ولكنه يقاوم مرور التيار سريع التغير.
[ الإنتاج والاستخدامات
[ توليد الكهرباء
مقال تفصيلي :توليد الكهرباء طالع أيضا :نقل الكهرباء طالع أيضا :توزيع الكهرباء
تتمتع طاقة الرياح بأهمية متزايدة في العديد من الدول.إن التجارب التي أجراها ثاليس
باستخدام قضبان الكهرمان كانت أولى الدراسات التي أجريت على عملية إنتاج الطاقة
الكهربية.وعلى الرغم من أن هذه الطريقة، المعروفة الآن باسم تأثير كهرباء الاحتكاك،
قادرة على رفع الأجسام الخفيفة وكذلك توليد الشرارات، فإنها غير فعالة على
الإطلاق.[41] ولم يتم التوصل لمصدر كهربي فعال إلا بعد اختراع البطارية الفولتية في
القرن الثامن عشر. وهذه البطارية وكذلك الطراز الأحدث منها ألا وهو البطارية
الكهربائية، تخزن الطاقة بشكل كيميائي وتجعلها متاحة للاستخدام في شكل طاقة
كهربية.[41] وتتميز البطارية بتعدد استخداماتها وتعد مصدرًا شائعًا وقويًا للطاقة ويصلح
استخدامها في العديد من التطبيقات. إلا أن قدرتها على تخزين الطاقة محدودة، وبمجرد
تفريغ الطاقة المخزنة، يجب التخلص من البطارية أو إعادة شحنها. وبالنسبة للاحتياجات
الضخمة من الطاقة الكهربية، فينبغي توليدها وتحويلها بكميات كبيرة.
عادةً ما تولد الطاقة الكهربية عن طريق المولدات الميكانيكية الكهربية التي يديرها البخار
المنتج من احتراق الوقود الحفري أو الحرارة الناتجة عن التفاعلات النووية. كما تولد
الطاقة من مصادر أخرى مثل الطاقة الحركية المستخلصة من الرياح أو الماء المتدفق. ولا
تتشابه هذه المولدات مع المولد الذي اخترعه فاراداي عام 1831 وهو عبارة عن مولد
أحادي القطب. ولكن لا يزال الاعتماد قائمًا على مبدئه الكهرومغناطيسي القائل إن الموصل
الذي يتصل بمجال مغناطيسي متغير يحث فرق جهد عبر طرفيه.[42] إن اختراع المحول
في أواخر القرن التاسع عشر يعني إمكانية توليد الكهرباء من محطات توليد كهرباء
مركزية عن طريق الاستفادة من وفورات الحجم، ونقل هذه الكهرباء عبر الدول بكفاءة
متزايدة.[43][44]
وبما أنه من الصعب تخزين الطاقة الكهربية بكميات كبيرة تكفي لتلبية الاحتياجات على
المستوى القومي، يجب أن يكون الإنتاج بقدر الاحتياج في جميع الأوقات.[43] وهذا الأمر
يتطلب أن تتحرى المرافق الكهربية الدقة في توقعاتها بشأن احتياجاتها الكهربية وتحافظ
على التنسيق المستمر مع محطات توليد الكهرباء. وهناك مقدار معين من عملية التوليد
يجب أن يكون احتياطيًا حتى يقلل صدمات الشبكة الكهربية التي تحدث بسبب الاضطرابات
والفواقد التي يتعذر اجتنابها. في الحقيقة، تتزايد الطلبات على الطاقة الكهربية بسرعة
كبيرة كلما زاد تقدم الدولة ونما اقتصادها. وقد كشفت الولايات المتحدة عن تزايد الطلب
على الكهرباء بنسبة 12٪ كل عام على مدار الثلاثة عقود الأولى من القرن العشرين،[45]
وهو معدل نمو تشعر به الآن الاقتصادات الناشئة، مثل الهند أو الصين.[46][47] ومن
الناحية التاريخية، زاد معدل نمو الطلب على الطاقة الكهربية عن صور الطاقة الأخرى.
لقد أدت بعض المخاوف البيئية المتعلقة بتوليد الكهرباء إلى التركيز بشكل متزايد على
التوليد من مصادر متجددة، وخاصةً الطاقة المائية وطاقة الرياح.وعلى الرغم من استمرار
الجدل حول التأثير البيئي للوسائل المختلفة لإنتاج الطاقة، فإن الصورة النهائية لها نظيفة
نسبيًا.[48]
[ الاستخدامات
يعمل مصباح الإضاءة، وهو أحد التطبيقات الأولى على الكهرباء، عن طريق التسخين
بحرارة جول: فالتيار المار خلال المقاومة يولد الحرارة.إن الكهرباء صورة مرنة جدًا من
صور الطاقة، فهي تلائم عددًا كبيرًا ومتزايدًا من الاستخدامات.[49] وقد كان لاختراع
مصباح الإضاءة المتوهج لمخترعه توماس اديسون في السبعينات من القرن التاسع عشر
الفضل في أن تصبح الإضاءة واحدةً من أولى التطبيقات المتوفرة من الطاقة الكهربية. على
الرغم من مخاطر الكهرباء، فإن الاستعاضة به عن اللهب المكشوف للإضاءة المعتمدة على
الغاز قللت بشدة من مخاطر الحريق داخل البيوت والمصانع.[50]
وقد تم إنشاء مرافق عامة في العديد من المدن لتستهدف سوق الإضاءة الكهربية الآخذ في
الازدهار. علاوةً على ذلك، كان لتأثير التسخين بحرارة جول المستخدم في مصباح
الإضاءة أثرًا مباشرًا في مجال التدفئة الكهربية. ومع أن هذا التأثير متعدد الاستعمالات
ويمكن التحكم فيه، يرى البعض أنه مضيعة للوقت؛ حيث إن معظم عمليات التوليد الكهربي
يلزمها بالفعل إنتاج الحرارة في إحدى محطات توليد الكهرباء.[51] ولقد سن عدد من
الدول، مثل الدنمارك، قانونًا يحد أو يمنع من استخدام التدفئة الكهربية في المباني
الجديدة.[52] ومع ذلك، تعد الكهرباء، إلى حد كبير، مصدرًا عمليًا للطاقة يمكن استخدامه
في عمليات التبريد،[53] حيث إن تكييف الهواء يمثل أحد القطاعات التي تزيد احتياجاتها
للطاقة ـ وهي متطلبات تضطر دائمًا مرافق الكهرباء إلى تلبيتها.[54]
تستخدم الكهرباء في الاتصال عن بُعد. وفي الواقع، كان التلغراف الكهربي، الذي ابتكره
كوك وويتستون عام 1837، من أوائل تطبيقات الكهرباء في هذا المجال.ومع وضع أول
نظام تلغراف عبر القارات، ثم عبر المحيط الأطلسي، في الستينات من القرن التاسع عشر،
سهلت الكهرباء وسائل الاتصال فأصبحت لا تستغرق سوى دقائق معدودة في جميع أنحاء
العالم. وعلى الرغم من أن تكنولوجيا الألياف البصرية والاتصال عبر الأقمار الصناعية قد
شغلت حصة في سوق نظم الاتصالات، ولكن ما زالت الكهرباء جزءًا أساسيًا من هذه
العملية. فضلاً عن ذلك، تظهر تأثيرات الكهرومغناطيسية بوضوح في المحرك الكهربي
الذي يعد وسيلة نظيفة وفعالة للقدرة المحركة. ويسهل تزويد المحرك الثابت، مثل الرافعة،
بمصدر للإمداد بالقدرة. أما المحرك الذي يتحرك مع تطبيقه، مثل السيارة الكهربية، فيجب
أن يحمل معه مصدرًا للقدرة كالبطارية، أو يجمع شحنة كهربية مستمدة من تماس انزلاقي
مثل البانتوجراف، مما يضع قيودًا على مداه أو أدائه.[55] هذا وتستخدم الأجهزة
الإلكترونية تستخدم الترانزستور، الذي يعد من أهم الاختراعات في القرن العشرين. كما
أنه وحدة بناء أساسية تدخل في تكوين جميع الدوائر الكهربية الحديثة. وقد تحتوي الدائرة
المتكاملة الحديثة على مليارات من أجهزة الترانزستور صغيرة الحجم في محيط لا يتجاوز
بعض السنتيمترات المربعة.[56]
[ الكهرباء والعالم الطبيعي
[ التأثيرات الفسيولوجية
مقال تفصيلي :صدمة كهربائية
يتسبب تعرض جسم الإنسان لجهد كهربي في سريان تيار كهربي عبر الأنسجة. وعلى
الرغم من أن العلاقة بين الجهد والتيار الكهربي لا خطية، فإنه كلما زاد الجهد الكهربي،
اشتد التيار.[57] وبداية الإدراك الحسي لهذا الأمر يختلف باختلاف تردد المصدر ومسار
التيار. ولكنه يتراوح ما بين 0.1 مللي أمبير إلى 1 مللي أمبير فيما يختص بكهرباء تردد
الموصلات الرئيسية. ومع ذلك من الممكن الكشف عن تيار كهربي منخفض تصل شدته إلى
ميكروأمبير على أنه تأثير الاهتزازات الكهربية في ظل ظروف معينة.[58]
وفي حالة ارتفاع التيار الكهربي بنسبة كافية، فإنه يتسبب في حدوث تقلص عضلي
وارتجاف القلب وحروق في الأنسجة.[57] كما أن غياب أي علامة مرئية تدل على أن أحد
الموصلات مشحون كهربيًا يجعل من الكهرباء خطرًا بالغًا. ومن الممكن أن يكون الألم
الناجم عن الصدمة الكهربية شديدًا، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى تحول الكهرباء لوسيلة
تعذيب.ويطلق على الوفاة التي تنتج عن صدمة كهربية اسم الصعق الكهربي. فضلاً عن
ذلك، يعد الصعق الكهربي وسيلة من وسائل تنفيذ الأحكام القضائية في بعض السلطات
القضائية، على الرغم من ندرة استخدامه في الآونة الأخيرة.[59]
[ الظواهر الكهربية في الطبيعة
الأنقليس الرعاد (واسمه العلمي Electrophorus electricus)إن الكهرباء ليست اختراعًا
من اختراعات الإنسان. والدليل على ذلك هو إمكانية ملاحظتها في صور متعددة في
الطبيعة، وأبرز هذه الدلائل هو البرق. وعدد كبير من التفاعلات المألوفة والبسيطة، مثل
اللمس أو الاحتكاك أو الربط الكيميائي، يحدث نتيجة للتفاعلات بين المجالات الكهربية على
المقياس الذري. ويعتقد البعض أن المجال المغناطيسي لكوكب الأرض ينشأ عن التيارات
الدوارة في مركز الأرض والتي تعد مولدًا كهربيًا طبيعيًا.[60]
بعض البلورات، مثل الكوارتز أو حتى السكر، تولد فرقًا في الجهد على أسطحها عندما
تتعرض لضغط خارجي.[61] وتعرف هذه الظاهرة باسم الكهرضغطية، وهي مأخوذة من
الكلمة اليونانية (πιέζειν) وتعني "يضغط". وقد اكتشف هذه الظاهرة بيير كوري وجاك
كوري عام 1880. ويعد هذا التأثير متبادلاً؛ فعندما تتعرض مادة كهرضغطية لمجال
كهربي، يحدث تغيير بسيط في الأبعاد الفيزيائية. [61] بالإضافة إلى ذلك، تستطيع بعض
الكائنات الحية، مثل أسماك القرش، الكشف عن التغييرات التي تحدث في المجالات
الكهربية والاستجابة لها، ويعرف ذلك باسم "القدرة على استقبال النبضات الكهربية".[62]
بينما تتمتع بعض الكائنات الحية الأخرى بما يطلق عليه "القدرة على التفريغ الكهربي" ـ
أي أنها تولد جهودًا كهربية بنفسها كوسيلة لافتراس غيرها من الكائنات أو كسلاح دفاعي
لها.[2] ويعتبر ك الأنقليس الرعاد الذي ينتمي إلى رتبة Gymnotiforme، أشهر مثال على
ذلك حيث بوسعه اكتشاف فريسته أو صعقها من خلال تفريغ جهود كهربية عالية تتولد من
خلايا عضلية معدلة تسمى الخلايا الكهربية.[2][63] وتقوم الحيوانات جميعها بإرسال
المعلومات على امتداد أغشية الخلايا وذلك مع نبضات مشحونة كهربيًا تسمى جهود الفعل
(جهد الفعل) وهي الموجة المتشكلة من التفريغ الكهربي التي تنتقل من منطقة إلى
مجاورتها على طول الغشاء الخلوي لأي خلية حية. ووظيفة هذه الجهود تتضمن الاتصال
بين الخلايا العصبية والعضلات عن طريق النظام العصبي.[64] تخفز الصدمة الكهربائية
هذا النظام, وتتسبب في تقلص العضلات.[65] كما أن جهود الفعل مسئولة عن تنسيق
الأنشطة في مجموعة معينة من النباتات والثدييات..[66]
[ المفهوم الثقافي للكهرباء قديمًا
لم تكن الكهرباء تشغل جزءًا رئيسيًا من الحياة اليومية للعديد من الأفراد في القرن التاسع
عشر وأوائل القرن العشرين، حتى في الدول الصناعية في العالم الغربي. وبناءً على ذلك،
صورت الثقافة الشعبية الكهرباء في هذا الوقت على أنها قوة غامضة وشبه سحرية،
وقادرة على قتل الأحياء وإحياء الموتى، أو من ناحية أخرى، فهي تستطيع تغيير قوانين
الطبيعة.[67] ويظهر هذا الموقف تجاه الكهرباء في الرواية التي كتبتها ماري شيلي
بعنوان فرانكنشتاين (1819) وكانت أولى الروايات التي وضعت الصورة المكررة التي
تصور عالمًا مجنونًا يقوم بإحياء كائن من رقع من القماش بالقدرة الكهربية. علاوةً على
ذلك، ومع اعتياد العامة على الكهرباء كقوام الحياة في الثورة الصناعية الثانية، كانت
استخداماتها تنصب غالبًا على الجانب الإيجابي،[68] مثل العاملين في مجال الكهرباء
الذين "يكونون قاب قوسين أو أدنى من الموت وهم يقطعون الأسلاك الكهربية ويصلحونها"
كما ورد في قصيدة "The Sons of Martha" للكاتب روديارد كيبلينج والتي ألّفها عام
1907 [68]ولقد برزت جميع أنواع السيارات التي تعمل باستخدام الطاقة الكهربية بشكل
كبير في قصص المغامرات، مثل روايات الكاتب الفرنسي "جول فيرن" أو سلسلة روايات
بطل الخيال العلمي "توم سويفت".[68] وقد كان العامة ينظرون إلى كبار الأساتذة في
مجال الكهرباء، سواء كانوا أشخاصًا من الواقع أم من وحي الخيال، بما فيهم العلماء مثل
توماس إديسون أو تشارلز شتاينمتز أو نيكولا تيسلا على أنهم يتمتعون بقدرات تشبه
قدرات السحرة. [68] أما والآن بعد أن صارت الكهرباء أمرًا عاديًا وتقليديًا، وأساسيًا في
الحياة اليومية في النصف الثاني من القرن العشرين، فقد أصبح الأمر يتطلب عناية خاصة
من قبل الثقافة الشعبية فقط عند توقف الكهرباء عن التدفق،[68] [68]والأفراد الذين
يحافظون على تدفقها، مثل البطل المغمور الذي تتناوله الأغنية التي كتبها جيمي ويب
"Wichita Lineman" عام 1968، لا يزال يعتبرهم البعض أبطالاً يتمتعون بقدرات تشبه
قدرات السحرة.[68]
انظر أيضًا
قاعدة أمبير: قاعدة أمبير توضح العلاقة بين اتجاه التيار الكهربي والتيارات المغناطيسية
المتعلقة به.
الطاقة الكهربية: الطاقة الكهربية عبارة عن طاقة الوضع أو الطاقة الكامنة لنظام الشحنات
الكهربية.
السوق الكهربي: سوق الكهرباء هو نظام بيع الطاقة الكهربية.
الظواهر الكهربية: الظواهر الكهربية عبارة عن أحداث من الممكن ملاحظتها وتوضح
المبادئ الفيزيائية للكهرباء.
القدرة الكهربية: القدرة الكهربية هي المعدل الزمني لنقل الطاقة الكهربية.
الإلكترونيات: الإلكترونيات هي دراسة حركة الشحنة خلال مواد وأجهزة معينة.
التناظر الهيدروليكي: التناظر الهيدروليكي عبارة عن التناظر بين تدفق الماء والتيار
الكهربي.
إسهامات سكان أمريكا الأصليين#استخدام حضارة موتشاي للكهرباء: من إسهامات سكان
أمريكا الأصليين# استخدام حضارة موتشاي للكهرباء.

منقول

شكرا لك على النقل الرائع تسلم يداك
موضوع مهم جدا

مقال جميل الله يعطيكى الف عافيه