اساسيات ومفاهيم اولية في الكهرباء

تعتبر الاساسيات شيئا مهما في اي علم, ولان مقالتنا اليوم عن الكهرباء فانه لابد ان نذَكر القارئ بان فهم الاساسيات شيء مهم للتقدم نحو الامام, لذلك تناولنا في هاته المقالة اربعة مفاهيم تعد اساس الكهرباء وستجدها متواجدة في اي علاقة او دارة كهربائية وهي كالاتي: التيار, الجهد, المقاومة, والاستطاعة الكهربائية حاولت في هذا المقال ان ابسط الامور الى اقصى حد ان لم تفهم شيئا فاترك تعليقا..

التيار

يرمز للتيار في الدارات الكهربائية بالرمز (I) وهو يعبر في الاساس على كمية الشحنة (dQ) التي تعبر مقطع ناقل في مدة زمنية معينة (dt) ولذلك فان التيار يعبر عنه بالعلاقة التالية : I=dQ/dt

وحدة قياس التيار هي الامبير (Ampere) ويرمز لها اختصارا بـ amp او A والامبير الواحد يساوي شحنة كولومب واحدة على الزمن اي (1A= 1C/1S) 

حركة الالكترونات هي المسؤولة عن توليد التيار, وكل الكترون يحمل شحنة مقدارها (e-) وهذه الشحنة تساوي : e= -1.6*10^19

حركة التيار الكهربائي وشحنات بنيامين فرانكلين الموجبة 

سنتكلم الان عن اتجاه جريان التيار الكهربائي, ستجد تعارضا في الافكار ان لم تفهم الاصطلاح الذي وضعه بنيامين فرانكلين والذي يعتبر ابا للكهرباء, عندما يقول لك احد بان تيارا مقداره I يتحرك من النقطة A الى النقطة B فانك سوف تعتبر وبدون اي شك بان الالكترونات تتدفق من النقطة A الى النقطة B وذلك لاننا قلنا سابقا بان حركة الالكترونات هي المسؤولة عن توليد التيار الكهربائي قد يكون هذا التصور بديهيا بالنسبة اليك, ولكن في واقع الامر فان اتجاه حركة التيار هو حركة الشحنات الموجبة وهذا الاتجاه هو المعتمد عالميا اي ان حوامل الشحنات الموجبة هي من تتحرك من A الى B وجهة حركة الالكترونات هي في الحقيقة عكس ذلك اي من A الى B .

مالذي يجري؟ لماذا نفترض مثل هاته الفرضيات؟ نقول في البداية بان حوامل الشحنة السالبة هي المسؤولة عن توليد التيار ثم نقول بان اتجه التيار هو عكس حركة هذه الحوامل ؟ الاجابة على سؤالك هي ان هذا اصطلاح وضعه بنيامين فرانكلين لقد كانت حركة الالكترونات غير معروفة في ذلك الوقت وقد واجه العالم طومسون مشكلة عندما وجد بان الالكترونات تتحرك عكس جهة التيار وان معادلاته كلها قد بناها على اصطلاح بنيامين فرانكلين لذلك تم الاصطلاح على ان جهة التيار هي عكس جهة الالكترونات 

ماذا يعني كل هذا الكلام ؟ هذا الكلام يعني بانه يمكننا افتراض بان مغادرة شحنة سالبة لمكانها سيترك شحنة موجبة اي اذا كانت تحرك الشحنة السالبة من النقطة B الى النقطة A فان حركة الشحنات الموجبة هي عكس هذا اي هي تتحرك من النقطة A الى النقطة B, في الواقع كل قوانين الكهرباء كقانون اوم وغيرها مبنية على اصطلاح بنيامين فرانكلين وعليك دوما الا تنسى ان جهة حركة الالكترونيات هي عكس جهة حركة التيار . 

الجهد

يعرف الجهد (voltage) والذي يرمز له بالرمز V بانه مقدار القوة اللازمة لنقل الشحنات من مكان الى آخر, وحدة قياس الجهد هي الفولت و يرمز له بـ V اي نفس رمز الجهد وهو يمثل واحد جول مقسوما على واحد كولوم كالتالي : 1V=1J/1C

تستعمل عالميا التمثيلات المائية لفهم مصطلح الجهد ففي المصطلحات العالمية يتم اعتبار الجهد على انه نوع من الضغط الكهربائي المشابه لضغط الماء ويبين الشكل التالي مقارنة بين خزان مملوء بالماء و حركة شحنة داخل صفائح متوازية 

في خزان الماء يكون ضغط الماء اعظم مايمكن في اسفل الخزان بينما يكون مقدار اندفاع الماء اقل كلما اتجهنا الى الاعلى وطبعا فانه في كل مرة ينحني الماء باتجاه الاسفل يكون بسبب وجود الجاذبية, يمكننا تشبيه ضغط الماء بالجهد وكما نلاحظ فان الشحنة الموجبة سوف تبتعد عن الصفيحة الموجبة a متجهة الى الصفيحة السالبة b وسنشبه عمل الصفيحة d بالجاذبية فكما نلاحظ دوما فالشحنة الموجبة تنتقل دوما من الجهد المرتفع الى الجهد المنخفض ففي مثالنا هذا تنحرف الشحنة الموجبة من مسارها نحو الصفيحة d والتي تمثل الجهد المنخفض.. الان تخيل ان الصفيحتين b و d غير موجودتين, هل ستتحرك الشحنة الموجبة ؟ بالتاكيد لا هذا بالتحديد مايعنيه قولنا بان جهد نقطة في الدارة يساوي 10V هذا لن يكون له معنى الا اذا كانت هناك نقطة اخرى في الدارة يقارن الجهد المذكور معها, وفي معضم الدارات الالكترونية يتم اخذ الارضي كنقطة مقارنة, وهذا هو رمز الارضي في الدارات الكهربائية :

لايجب ان تاخذ مفهوم ان الجهد يمكن ان يحدد فقط بالنسبة الى الارضي ففي بعض الحالات يتم تحديد جهد نقطة من الدارة بالنسبة الى نقطة اخرى و هذه صورة توضح ذلك :

المقاومة

يستخدم مصطلح المقاومة للدلالة على انخفاض الجهد, يرمز للمقاومة بالرمز R ووحدتها الاوم (Ohm), في الالكترونيات تستخدم المقاومات لخفض تدفق التيار والذي يمكن ترجمته الى خفض الجهد وهذا هو الرمز المعتمد للمقاومة :

رمز المقاومة

قانون اوم :

اذا تم تطبيق جهد بين طرفي مقاومة فان التيار الذي يمر فيها يتناسب طردا مع الجهد المطبق وتسمى هاته العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة بقانون اوم وهي : V=R*I

- يمكنك الحصول على قيمة الجهد اذا كانت قيمة المقاومة معلومة وشدة التيار ايضا معلومة
- يمكنك معرفة شدة التيار اذا كان كل من قيمة المقاومة وقيمة الجهد معلومين وذلك حسب العلاقة التالية : I=V/R
- يمكنك الحصول على قيمة المقاومة اذا كان كل من شدة التيار والجهد معلومين وذلك حسب العلاقة التالية : R=V/I

الاستطاعة الكهربائية

تعبر الاستطاعة الكهربائية عن الطاقة المبذولة من اجل تدفق الالكترونات يرمز اليها بالرمز P ووحدتها هي الوات (Watt) و 1 واط يساوي 1 فولت مضروبا في 1 اومبير : 1W=1V*1A

حيث ان علاقة الاستطاعة تعطى كالاتي : P=V*I حيث :

P: الاستطاعة ووحدتها الواط (W)
V: الجهد ووحدته الفولت (V)
I: شدة التيار ووحدته الاومبير (A)

الطاقة الممبدة من المقاومة يمكن الحصول عليها من القانون الاساسي للاستطاعة كالاتي :