ما هي الموصلات الكهربائية وانواعها

ما هى الكهرباء

الكهرباء متواجدة في كل مكان حولنا، وتستخدم في التكنولوجيا مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر والإضاءة ومكاوي اللحام ومكيفات الهواء وغيرها، ولا يمكن الاستغناء عنها في عالمنا الحديث. حتى عندما نحاول الهروب من الكهرباء، فإنها لا تزال توجد في الطبيعة، مثل البرق في العواصف الرعدية ونقاط الاشتباك العصبي داخل جسمنا. والكهرباء ظاهرة طبيعية تحدث في جميع أنحاء الطبيعة بأشكال مختلفة، ولا يمكن لأي اكتشاف أن يؤثر على حياتنا وثقافتنا وبقائنا أكثر من الكهرباء، حيث تساعد في إضاءة طريقنا وطهي الطعام والأمور الأخرى الأساسية. على سبيل المثال، يمكن تخيل مدى صعوبة حياة القطاع الطبي بدون كهرباء، وكمية الأرواح التي تم إنقاذها بفضل الأجهزة الكهربائية مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب. وتعتمد الكهرباء بشكل كلي على الفيزياء، حيث تدرس وتخلق قوانين الكهرباء في الفيزياء لفهم كيفية عملها وتطويرها بشكل أوسع.

من قوانين الكهرباء في الفيزياء

هناك عدة قوانين للكهرباء في الفيزياء وهي الأساس الذي يعتمد عليه أبرزها أربع قوانين

• قانون أوم
• قانون كيرشوف (KVL)
• قانون الدوائر المتسلسلة والمتوازية
• قانون كيرشوف الحالي (KCL)

قانون أوم

القانون الأساسي في الكهرباء هو قانون أوم، أي V = IR. V يمثل الجهد، ويقدر بقياس الطاقة المطلوبة لنقل شحنة وحدة بين نقطتين في الدائرة الكهربائية، والمكون التالي لقانون أوم هو التيار، وحدته الأمبير، وتعتبر قياسا لتدفق الشحنة في الدائرة، وبالتالي يمثل الحرف R المقاومة بوحدة الأوم، وهي تقدير لمقدار مقاومة التيار الكهربائي في الدائرة.

قانون كيرشوف (KVL)

يؤدي مبدأ انخفاض الجهد إلى قانون كيرشوف للجهد (KVL)، وهو من القوانين الأساسية في الكهرباء، ويمكن استخدامه لحساب انخفاض الجهد للتيار الكهربائي.

قانون الدوائر المتسلسلة والمتوازية

الدوائر المتسلسلة هى تلك الدوائر التي يتم توصيلها بالتوازي مع مصدر الطاقة، التيار في الدوائر المتسلسلة ثابت طوال الوقت ولكن الجهد قد يختلف، بينما الدوائر المتوازية هى تلك التي تتفرع من مصدر الطاقة ويتم تقسيم إجمالي التيار الموفر من مصدر الطاقة بين كل فرع من الفروع، لكن الجهد الكهربائي شائع.

قانون كيرشوف الحالي (KCL)

في الدوائر المتسلسلة يكون التيار ثابتًا والجهد متغير ولكن في الدوائر المتوازية يكون الجهد ثابتًا ويتغير التيار، أدى هذا التيار المتغير في الدوائر المتوازية إلى قانون كيرشوف الحالي في الهندسة الكهربائية الأساسية، حيث ينص قانون كيرشوف الحالي (KCL) بشكل أساسي على أن التيار في العقدة سيساوي التيار الخارج من العقدة.

الموصلات الكهربائية

في الهندسة الكهربائية، يُطلق على الكائن أو المادة التي تسمح بتوصيل التيار الكهربائي إسم موصل وتُصنع الموصلات الكهربائية الشائعة من مواد مصنوعة من معادن شائعة حيث يمكن توليد التيار الكهربائي، لذلك عرف عن الموصل الكهربائي أنه مادة تسمح بتدفق الحرارة والكهرباء وأفضل الأمثلة على الموصلات الكهربائية هى معادن مثل النحاس والحديد وما إلى ذلك وهى تستخدم بشكل أساسي في صنع الأسلاك بحيث يمكن حمل التيار الكهربائي.

أنواع الموصلات الكهربائية

هناك العديد من المعادن التي تعتبر موصلات كهربائية جيدة. تختلف ترتيب المعادن في توصيل الكهرباء في الأجهزة حسب نوع المعدن. الموصلات الكهربائية المستخدمة في نقل الطاقة عادة ما تكون مرنة وقوية ميكانيكيا مقارنة بسلك واحد. يتم تكوين الموصلات بطريقة تحيط السلك الأوسط بطبقات مختلفة من الأسلاك، ويمكن تحديد حجم الموصل بواسطة مساحة المقطع العرضي النحاسي المقابل وعدد الأسلاك في كل طبقة. يتم ترتيب المعادن حسب درجة توصيلها للكهرباء، من أعلى درجة توصيل إلى أقل درجة توصيل. ينقسم أنواع الموصلات الكهربائية إلى:

• المعادن
• غير المعادن
• الموصلات الأيونية
• أشباه الموصلات

المعادن

يعتبر المعدن المادة الأكثر توصيلا للكهرباء، لذلك يستخدم في التطبيقات العملية. فعلى سبيل المثال، يتم توصيل الأسلاك النحاسية، التي تحتوي على معادن موصلة، في جميع أنحاء المنزل، ويتم استخدام نوع من المعادن في الجهاز الداخلي للمكاوي الكهربائية، لأن المعدن يحتوي على عدد كبير من الإلكترونات الحرة التي تشجع على الحركة، ولذلك فإن أفضل الموصلات المعدنية هي الفضة والنحاس والذهب.

غير المعادن

تعتبر اللافلزات (غير المعادن) موصلات كهربائية جيدة جدًا، على سبيل المثال يعتبر الكربون الموجود في الجرافيت موصلًا كهربائيًا جيدًا للغاية ففي بنية الجرافيت يمكننا أن نلاحظ أنه لا يوجد سوى 3 إلى 4 ذرات كربون تستخدم للاتصال من أجل الترابط الحر، فإنه يترك إلكترونًا واحدًا لكن معظم اللافلزات ليست موصلات كهربائية ممتازة.

الموصلات الأيونية

يمكن حل أزمة الموصلات في الموصلات الأيونية، وأحد أفضل الأمثلة على هذه الموصلات هي مياه البحر أو المياه المالحة، حيث تعتبر موصلات جيدة للكهرباء.

أشباه الموصلات

على الرغم من أن أنواع شبه الموصلات الكهربائية لا توفر توصيلا جيدا للكهرباء مثل الموصلات الأخرى، إلا أنها ما زالت تستخدم في العديد من التطبيقات الحياتية اليومية، ومن أفضل أمثلة شبه الموصلات الرئيسية هي Ge (الجرمانيوم) و Si (السيليكون) والتي تعد موصلات جيدة للكهرباء.

السيليكون si : السيليكون عنصر يحمل الرقم الذري 14 وهو موجود بكثرة في الأرض على شكل مادة صلبة رمادية اللون، ويمكن استخدامه في التوصيل الكهربائي لأنه يعد واحدا من أشباه الموصلات، وتزداد قدرته على التوصيل مع زيادة درجة حرارته بسبب خاصية أشباه الموصلات، بينما ينخفض توصيل المعادن مع زيادة درجة الحرارة.

– لذا تم اعتماد السيليكون كعنصر مكون للعديد من الأجهزة الإلكترونية، حيث يتميز هذا العنصر بخصائص فريدة من نوعها، حيث يعمل كشبه موصل تحت ظروف معينة حيث يتم توصيل الكهرباء عبره، وفي الظروف الأخرى يعمل كعازل. وبسبب هذه الخواص المميزة للسيليكون، تم استخدامه في تصنيع العديد من الأجهزة الإلكترونية مثل رقائق المعالج والألواح الشمسية والصمامات الثنائية وغيرها، بالإضافة إلى سعره الاقتصادي مقارنة بالأشباه الموصلات الأخرى.

الجرمانيوم Ge : في أي بحث عن الموصلات الكهربائية، يمكن العثور على الجرمانيوم كعنصر موصل للكهرباء، ولكنه ليس مثل المعادن الحقيقية، ولذلك يصنف عادة كأحد أشباه الموصلات، ويعتبر الجرمانيوم عنصرا هاما في صناعة الإلكترونيات، ويستخدم في صناعة الترانزستورات، بالإضافة إلى دخوله في صناعة الألياف الضوئية، حيث يستخدم كمادة خام، ويتم استخدامه أيضا كعامل مساعد في إنتاج البوليمرات، وتستخدم الأشعة تحت الحمراء في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك العلاج الكيميائي لعلاج بعض أنواع السرطانات.