قوانين الكهرباء في الفيزياء

الكهرباء هي ظاهرة مرتبطة بالشحنات الكهربائية الثابتة أو المتحركة، والشحنة الكهربائية هي خاصية أساسية للمادة وتتحملها الجزيئات الأولية، وفي الكهرباء يكون الجسيم المقصود هو الإلكترون الذي يحمل شحنة محددة، ووفقا للاتفاقية فهو سالب الشحنة، وبالتالي فإن ظواهر الكهرباء المختلفة تنجم عن تراكم أو حركة الإلكترونات، وفي بعض الأحيان يستخدم مصطلح `الكهرباء` للإشارة إلى `الطاقة الكهربائية`، ولكنهما ليستا نفس الشيء، فالكهرباء هي وسيلة نقل للطاقة الكهربائية مثلما تعتبر مياه البحر وسيلة نقل لطاقة الأمواج، ويطلق على العنصر الذي يسمح بتنقل الكهرباء عبره اسم `موصل`، والأسلاك النحاسية وغيرها من العناصر المعدنية هي موصلات جيدة، مما يسمح للكهرباء بالتحرك فيها ونقل الطاقة الكهربائية، بينما يعتبر البلاستيك موصلا سيئا، ويطلق عليه أيضا مصطلح `عازل` والذي لا يسمح بمرور الكهرباء فيه، وبالتالي يتوقف نقل الطاقة الكهربائية .

قوانين الكهرباء الفيزيائية

قانون كيرشوف الأول

هو القانون الذي يقوم على مبدأ حفظ الشحنة وهو : التيار الأول = التيار الثاني + التيار الثالث + التيار الرابع  .

قانون كيرشوف الثاني

هو القانون المبني على مبدأ حفظ الطاقة، وينص على أن المجموع الجبري للجهود في أي مسار مغلق يساوي صفرا. ويجب مراعاة اتجاه التيار الكهربائي، فإذا كان التيار والمقاومة يتجهان في اتجاه واحد، يكون الجهد سالبا والعكس صحيح. أما بالنسبة لقيمة القوة الدافعة الكهربائية، فإن سريانها في الجزء السالب يبقى سالبا في المعادلة، وفي الجزء الموجب يبقى موجبا .

قانون أوم

الجهد= المقاومة × شدة التيار أو : V=R×I، حيث إن :

1- V : الفرق الجهد هو الفرق بين الجهد الذي يطبق على طرفي المقاومة، ووحدته هي الفولت .
2- R : هو مقدارمقاومة الموصل المعدني الذي يمر من خلاله التيار الكهربائي، ووحدته أوم .

3- I : يُقصد بشدة التيار الكهربائي المار في المقاومة، ووحدته الأمبير .

قانون كولوم

الكهرباء الساكنة هي ظاهرة كهربائية مألوفة حيث يتم نقل الجزيئات المشحونة من جسم إلى آخر. على سبيل المثال، إذا تم فرك كائنين معا، خاصة إذا كانت الأجسام عازلة وكان الهواء المحيط جافا، فإن الأجسام تحصل على شحنات متساوية ومعاكسة وتتطور قوة جذابة بينهما. يصبح الكائن الذي يفقد الإلكترونات مشحونا بشكل إيجابي، في حين يصبح الآخر شحنة سالبة. تم دمج هذه الظاهرة في العلاقة الرياضية المعروفة باسم قانون كولوم، ويتم حساب القوة الكهربائية التي تمارسها شحنة Q2 على شحنة Q1 على مسافة r بموجب هذا القانون .

الالكتروستاتيات أو علم الاستاتيكا الكهربائية

الكهروستاتيكا هي دراسة الظواهر الكهرومغناطيسية التي تحدث عندما لا توجد شحنة متحركة، أي بعد تحقيق التوازن الثابت. تتحرك الشحنات بسرعة نحو مناطق التوازن بسبب قوة الكهرباء العالية. تسمح الطرق الرياضية في الكهروستاتيكا بحساب توزيعات الحقل الكهربائي والمجالات الكهربائية من خلال ترتيب موصلات وعوازل وشحنات معروفة. بالمقابل، يمكن حساب الحقول الكهربائية بين موصلات ذات إمكانيات معروفة وتحديد توزيع الشحنة على سطح الموصلات. يمكن رؤية الطاقة الكهربائية لمجموعة من الشحنات كالعمل المطلوب لتجميعها. بدلا من ذلك، يمكن اعتبار الطاقة أيضا محتجزة في الحقل الكهربائي الذي ينتجه هذا التجمع من الشحنات. وأخيرا، يمكن تخزين الطاقة في المكثف، ويتم تخزين الطاقة اللازمة لشحن هذا الجهاز كطاقة كهربائية في الحقل الكهربائي .

المصطلحات المتعلقة بالكهرباء

فيما يلي بعض المصطلحات التي يمكن لأي شخص مواجهتها عند دراسة كيفية عمل الكهرباء، وتسمى دراسة الكهرباء وكيفية جعل الدوائر الكهربائية ممكنة في الإلكترونيات، وهناك مجال للهندسة يسمى الهندسة الكهربائية حيث يقوم الأشخاص بابتكار أشياء جديدة باستخدام الكهرباء، وجميع هذه المصطلحات مهمة بالنسبة لهم

التيار

التيار الكهربائي هو مقدار الشحنة الكهربائية التي تتدفق، وعندما يتحرك عمود كولوم واحد من الكهرباء إلى مكان ما خلال ثانية واحدة، يكون التيار 1 أمبير. ولقياس التيار عند نقطة محددة، يتم استخدام مقياس التيار الكهربائي .

الجهد

الجهد هو الدفع وراء التيار في الدائرة الكهربائية ، وهو مقدار العمل لكل شحنة كهربائية تذهب خلالها. وعندما يحتوي كولوم واحد من الكهرباء على جول واحد من الطاقة ، يُعبر عنه بـ 1 فولت من الطاقة الكهربائية. ولقياسة الجهد بين نقطتين ، نستخدم الفولتميتر .

المقاومة

هي قدرة مادة ما على “إبطاء” تدفق التيار، أي تقليل معدل تدفق الشحنة عبر المادة، وإذا احتفظ جهد كهربائي بجهد واحد بتيار واحد أمبير عبر سلك فإن مقاومة السلك تكون 1 أوم وهذا ما يسمى قانون أوم، وعند معارضة تدفق التيار  يتم “استهلاك” الطاقة مما يعني تحويلها إلى أشكال أخرى (مثل الضوء أو الحرارة أو الصوت أو الحركة) .

الطاقة الكهربائية

تعني الطاقة الكهربائية القدرة على القيام بالعمل باستخدام الأجهزة الكهربائية، وتعد الطاقة الكهربائية خاصية “محفوظة”، أي أنها تتصرف كمادة ويمكن نقلها من مكان لآخر (عبر وسيلة نقل مثل الأسلاك الكهربائية أو بواسطة البطاريات)، وتقاس الطاقة الكهربائية بوحدة الجول أو الكيلوواط/ساعة (الكيلوواط-ساعة) .

الطاقة الكهربائية هي معدل استخدام وتخزين ونقل الطاقة الكهربائية. يتم قياس تدفق الطاقة الكهربائية بوحدة الواط على طول خطوط الطاقة. وإذا تحولت الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة، يتم قياسها أيضا بالواط. إذا تم تخزين جزء من الطاقة، يتم قياسها بوحدات الأمبير والفولت، سواء في الحقول الكهربائية أو المغناطيسية. ويتم قياس تخزينها في وحدات الفولت والأمبير التفاعل .