بحث عن الكهرباء

أصبح الكهرباء الشيء الأساسي في الحياة الحديثة، حيث لا تسير العديد من الأمور بدونها، وأصبحت ضرورية لكل شخص خلال يومه سواء لاستخدام الهاتف المحمول أو الكمبيوتر وتوصيله بالإنترنت، ويحتاج الأفراد إليها لإضاءة منازلهم ومصانعهم. مع زيادة استخدامها، زاد البحث عن طرق لترشيد استهلاك الكهرباء للحفاظ عليها وتجنب الإنفاق الزائد، فلا يمكن تصور الحياة بدونها ويمكن أن تتوقف الحياة في حالة انقطاع التيار الكهربائي، وهناك وسائل مؤقتة بديلة مثل المولدات الكهربائية أو استخدام المصابيح المشحونة مسبقا للإضاءة لفترة محدودة.

تعريف الكهرباء

يمكن وصفها على أنها تمثل لنا شكلا من أشكال الطاقة التي تنشأ نتيجة وجود جسيمات أولية تحمل شحنات كهربائية متنوعة مثل البروتونات والإلكترونات. فالكهرباء تنشأ من تجمع تلك الشحنات أو من حركة وتدفق الإلكترونات داخل الموصل، والتي تعرف عادة بالتيار الكهربائي. يجب أن نلاحظ أن الإلكترونات تحمل شحنات سالبة، في حين أن البروتونات تحمل شحنات موجبة.

تاريخ الكهرباء

هناك كتابات ترجع إلى القدم أشارت إلى أن تاريخ الكهرباء قد عُرف للمرة الأولى من خلال الغربيين وحدث ذلك في القرن الـ6 قبل الميلاد، وتم هذا عن طريق ملاحظتهم شحن مادة العنبر أثناء فركها، وقد ظل استعمال الكهرباء بشكله البسيط ذلك حتى قام العالم وليام جيلبرت (William Gilbert) بوصف كهربة مواد كثيرة في سنة ألف وستمائة ميلاديًا، ثم وضع وليام مصطلح الكهرباء من كلمة في اللغة اليونانية تدل على العنبر، ولذلك تم اعتبار وليام هو الأب الروحي في مجال الكهرباء الحديثة.

وبعد ذلك بمرور ستين عامًا أي في سنة ألف وستمائة وستين ميلاديًا قام العالم أوتو فون جيريك (Otto von Guericke) بابتكار آلة جديدة تنتج ما يُعرف بالكهرباء الساكنة وذلك بتدوير وفرك كرة من الكبريت، ومن ثم قام العلماء بالتتابع في اكتشافاتهم عن الكهرباء، فتوصلوا إلى معرفة تجاذب وتنافر القوى الكهربائية المتبادلة بالفراغ، فضلًا عن أنهم استطاعوا التفريق بين اللا موصلات والموصلات عن طريق العالم ستيفن جراي (Stephen Gray)، كما تم تصنيفها إلى كهرباء موجبة وأخرى سالبة.

الحقبة الكمية

قام بيتر فان موشنبروك بابتكار ما يُعرف بقارورة ليدن وكان ذلك في سنة 1745 ميلاديًا، والتي تقوم بتخزين الكهرباء الساكنة ثم تقوم بعد هذا بإخراجها مرة واحدة، وقد تم تفريغها في سنة 1747 ميلاديًا خلال دائرة كهربائية، ومن ثم دخل مصطلحي الدائرة الكهربائية والتيار الكهربي بالجديد من مجالات الاكتشاف والتجارب عقب هذا.

وقد وُضعت العلاقة الرياضية التي تدل على ما يُتبادل من قوى بين الأجسام المشحونة من قبل العالم كولوم، وأصبح ذلك كبداية الطريق للحقبة التالية الجديدة للاهتمام بالدراسة الكمية الخاصة بالكهرباء، كما اُخترعت البطاريات بعد ذلك، ثم قام العالم أليساندرو ببناء فولتا العمود الفلطائي، وهو ما يُعد من أول أنواع البطاريات.

الحقبة الكهرومغناطيسية

بدأت هذه الحقبة في سنة 1819 ميلاديًا عن طريق الاكتشاف للمجال المغناطيسي الذي يحيط بسلك معدني يسير فيه تيار كهربي، ثم قام العالم أندري ماري أمبير بوضع قوانين كثيرة ترتبط بالكهرومغناطيسية في صيغ رياضية، بعد ذلك اُبتكر نموذج مبدئي للمحرك الكهربي من قبل العالم فارادي، تلاه ابتكار المولد الكهربائي من أجل تشغيل المحركات، وعقب هذا بعام فقط صُمم نموذج لمولد كهربي يعمل باليد، ثم تتابعت التطورات في الكهرباء ومجالها إلى أن توصلوا لبناء محطة طاقة كهربائية وقد كانت الأولى وتم ذلك بعد 50 عامًا من هذا الوقت.

قام العالم كلارك ماسكويل بفتح طريق جديد في مجال الكهرومغناطيسية من خلال إنشاء معادلات تصف هذا المجال. ثم اكتشف العالم طومسون الإلكترون في أواخر القرن التاسع عشر، وفي بداية القرن العشرين، قام العالم رذرفورد بفهم الذرة وتركيبها وتوزيع الشحنات فيها. وبالإضافة إلى ذلك، قام العالم روبرت مليكان بقياس شحنة الإلكترون.

أنواع الكهرباء

تعددت أنواع الكهرباء واختلفت كيفية نشأتها ومنها ما يلي:

الكهرباء الساكنة

تم إجراء العديد من الدراسات حول الكهرباء الساكنة وعن كيفية نشأتها عندما تتراكم الشحنات الكهربائية على سطح مادة ما بسبب الاحتكاك أو الفرك بين مادتين مختلفتين، على أن يكون عدد البروتونات والإلكترونات في كل مادة متساويا قبل الفرك. وعندما يحدث الفرك، تنتقل الإلكترونات من الجسم الأقل قوة جذب إلى الجسم الأكبر قوة جذب، ويفقد أحد الجسمين الإلكترونات فيصبح لديه شحنات موجبة، بينما يكتسب الجسم الآخر الإلكترونات فيصبح لديه شحنة سالبة.

التيار الكهربائي

هو ما ينتج عن التدفق لسيل الإلكترونات من خلال أحد الأجسام الموصلة للكهرباء وغالبًا ما يكون سلك نحاسي، ويعتبر الأمبير هو الوحدة التي يقاس بها شدة التيار، وقد تم التشبيه بين المياه التي تجري في الأنهار والتيار الكهربائي لتدفق الماء بسرعة محددة بين نقطتين، وهو ما يحدث للإلكترونات فهي تتدفق كالماء بكمية وسرعة محددتين، ويعد التيار وسيلة قياس لمقدار الطاقة التي يتم نقلها في فترة محددة من الزمن.

هناك عدة وسائل للحصول على التيار الكهربائي، بما في ذلك المولدات الكهربائية التي تستخدم في محطات توليد الطاقة، حيث يتم إنتاج التيار عن طريق دوران ملف من النحاس في حقل مغناطيسي. وهناك أيضا البطاريات التي تولد الكهرباء عن طريق تفاعل كيميائي فيها. يجب أن نلاحظ أن هناك نوعين رئيسيين من التيار الكهربائي المستخدمين، وهما التيار المباشر (DC) والتيار المتردد (AC).

التيار المباشر

هو التيار الثابت الذي يسير في اتجاه واحد، مثل التيارات التي تنشأ عن البطاريات، وله استعمالات كثيرة حيث إن معظم الإلكترونيات معتمدة على هذا التيار ومنها: المصباح الكهربائي الذي يعمل بالبطارية، الهواتف النقالة، الشاشات المسطحة لأجهزة التلفزيون، وأيضًا محركات السيارات الهجينة والسيارات الكهربائية.

التيار المتردد

هو تيار يستطيع تغيير اتجاه تدفق الإلكترونات هبوطًا وصعودًا بصورة منتظمة في دورة تتميز بالثبات والتكرار، ويجب الإشارة إلى أن التيارات التي يتم توصيلها للمنازل هي تيارات مترددة، إذ أنه سهل في النقل خلال المسافات الكبيرة والطويلة عند مقارنته بالتيار المباشر، ويتم استخدامه في المحركات الكهربائية حيث إنها تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى ميكانيكية، إلى جانب الاستخدام في العديدة من الأجهزة مثل: غسالات الصحون والثلاجات.

خصائص الكهرباء

تتلخص خصائصها فيما يلي:

• التيار الكهربائي: يرمز للتيار بالرمز (I)، ويقاس بوحدة الأمبير، وهو عدد الإلكترونات التي تمر في الموصل خلال الثانية الواحدة. عادة، يتدفق التيار من المادة التي تحمل شحنة سالبة إلى المادة التي تحمل شحنة موجبة.
• فرق الجهد: يتم حسابه بين جسمين، حيث يكون أحدهما موجب والآخر سالب، ويتم قياسه باستخدام وحدة الفولت والتي ترمز لها بـ (V). وهو يمثل الشغل المبذول لنقل الإلكترونات بين القطب السالب والقطب الموجب.
• المقاومة الكهربائية: تعتبر المقاومة عائقا في تدفق التيار الكهربائي في الأجسام، وتقاس بوحدة الأوم، وتعتمد على نوع وحجم المادة، حيث تكون المعادن منخفضة المقاومة وتعتبر موصلا جيدا للكهرباء، بينما يكون الخشب مقاومة عالية ولا يعتبر موصلا جيدا. كما يتمتع الأسلاك السميكة بأقل مقاومة من الأسلاك الرقيقة، وتكون الأسلاك القصيرة أقل مقاومة من الأسلاك الطويلة.