فيزياء الكهرباء شيء يجب على كل منا التعامل معه. في المقال سننظر في المفاهيم الأساسية المرتبطة به.
ما هي الكهرباء؟ بالنسبة لشخص غير مبتدئ ، فهو مرتبط بوميض من البرق أو بالطاقة التي تغذي التلفزيون والغسالة. إنه يعلم أن القطارات الكهربائية تستخدم الطاقة الكهربائية. ماذا يمكن ان يقول؟ تذكره خطوط الكهرباء باعتمادنا على الكهرباء. يمكن لأي شخص أن يعطي بعض الأمثلة الأخرى.
ومع ذلك ، ترتبط العديد من الظواهر الأخرى ، ليست واضحة جدًا ، ولكن بالكهرباء. تعرفنا الفيزياء عليهم جميعًا. نبدأ في دراسة الكهرباء (المهام والتعاريف والصيغ) في المدرسة. ونتعلم الكثير من الأشياء الممتعة. اتضح أن القلب النابض ، والرياضي الجري ، والطفل النائم ، والسمكة السابحة ، كلها تولد طاقة كهربائية.
الإلكترونات والبروتونات
دعونا نحدد المفاهيم الأساسية. من وجهة نظر أحد العلماء ، ترتبط فيزياء الكهرباء بحركة الإلكترونات والجسيمات المشحونة الأخرى في مواد مختلفة. لذلك ، فإن الفهم العلمي لطبيعة الظاهرة التي تهمنا يعتمد على مستوى المعرفة حول الذرات والجسيمات دون الذرية المكونة لها.الإلكترون الصغير هو مفتاح هذا الفهم. تحتوي ذرات أي مادة على إلكترون واحد أو أكثر تتحرك في مدارات مختلفة حول النواة ، تمامًا كما تدور الكواكب حول الشمس. عادة عدد الإلكترونات في الذرة يساوي عدد البروتونات في النواة. ومع ذلك ، يمكن اعتبار البروتونات ، كونها أثقل بكثير من الإلكترونات ، كما لو كانت ثابتة في مركز الذرة. هذا النموذج المبسط للغاية للذرة كافٍ لشرح أساسيات ظاهرة مثل فيزياء الكهرباء.
ماذا تريد أن تعرف أيضًا؟ الإلكترونات والبروتونات لها نفس الشحنة الكهربية (لكن إشارة مختلفة) ، لذلك تنجذب إلى بعضها البعض. شحنة البروتون موجبة وشحنة الإلكترون سالبة. تسمى الذرة التي تحتوي على إلكترونات أكثر أو أقل من المعتاد بالأيون. إذا لم يكن هناك ما يكفي منها في الذرة ، فيسمى ذلك الأيون الموجب. إذا كان يحتوي على فائض منها يسمى الأيون السالب
عندما يترك الإلكترون ذرة ، فإنه يكتسب بعض الشحنة الموجبة. الإلكترون ، محروم من نقيضه - بروتون ، إما ينتقل إلى ذرة أخرى ، أو يعود إلى السابق.
لماذا تترك الإلكترونات الذرات؟
هذا يرجع إلى عدة أسباب. الأكثر شيوعًا هو أنه تحت تأثير نبضة ضوئية أو بعض الإلكترون الخارجي ، يمكن إخراج الإلكترون الذي يتحرك في الذرة من مداره. تجعل الحرارة الذرات تهتز بشكل أسرع. هذا يعني أن الإلكترونات يمكن أن تطير من ذراتها. في التفاعلات الكيميائية ، ينتقلون أيضًا من الذرة إلىذرة.
تقدم عضلاتنا مثالاً جيدًا على العلاقة بين النشاط الكيميائي والكهربائي. تتقلص أليافها عند تعرضها لإشارة كهربائية من الجهاز العصبي. يحفز التيار الكهربائي التفاعلات الكيميائية. تؤدي إلى تقلص العضلات. غالبًا ما تستخدم الإشارات الكهربائية الخارجية لتحفيز نشاط العضلات بشكل مصطنع.
الموصلية
في بعض المواد ، تتحرك الإلكترونات تحت تأثير مجال كهربائي خارجي بحرية أكبر من غيرها. ويقال أن هذه المواد لها موصلية جيدة. يطلق عليهم الموصلات. وتشمل هذه معظم المعادن والغازات الساخنة وبعض السوائل. الهواء والمطاط والزيت والبولي إيثيلين والزجاج هي موصلات سيئة للكهرباء. يطلق عليهم عوازل وتستخدم لعزل الموصلات الجيدة. لا توجد عوازل مثالية (غير موصلة على الإطلاق). في ظل ظروف معينة ، يمكن إزالة الإلكترونات من أي ذرة. ومع ذلك ، عادة ما يكون من الصعب تلبية هذه الشروط لدرجة أنه من الناحية العملية ، يمكن اعتبار هذه المواد غير موصلة.
التعرف على علم مثل الفيزياء (قسم "الكهرباء") ، نتعلم أن هناك مجموعة خاصة من المواد. هذه هي أشباه الموصلات. يتصرفون جزئيًا كعوازل كهربائية وجزئيًا كموصلات. وتشمل هذه على وجه الخصوص: الجرمانيوم ، والسيليكون ، وأكسيد النحاس. نظرًا لخصائصه ، يجد أشباه الموصلات العديد من التطبيقات. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون بمثابة صمام كهربائي: مثل صمام إطار الدراجة ، فهويسمح للرسوم بالتحرك في اتجاه واحد فقط. تسمى هذه الأجهزة مقومات. يتم استخدامها في أجهزة الراديو المصغرة وكذلك محطات الطاقة الكبيرة لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر.
الحرارة هي شكل فوضوي لحركة الجزيئات أو الذرات ، ودرجة الحرارة هي مقياس لشدة هذه الحركة (في معظم المعادن ، مع انخفاض درجة الحرارة ، تصبح حركة الإلكترونات أكثر حرية). هذا يعني أن مقاومة الحركة الحرة للإلكترونات تتناقص مع انخفاض درجة الحرارة. بمعنى آخر ، تزداد موصلية المعادن.
الموصلية الفائقة
في بعض المواد عند درجات حرارة منخفضة جدًا ، تختفي تمامًا مقاومة تدفق الإلكترونات ، وبعد أن بدأت الإلكترونات في الحركة ، تستمر في ذلك إلى أجل غير مسمى. هذه الظاهرة تسمى الموصلية الفائقة. عند درجات حرارة أعلى من الصفر المطلق ببضع درجات (-273 درجة مئوية) ، لوحظ في المعادن مثل القصدير والرصاص والألمنيوم والنيوبيوم.
مولدات فان دي غراف
يشمل المنهج المدرسي تجارب متنوعة مع الكهرباء. هناك أنواع عديدة من المولدات ، نود التحدث عنها بمزيد من التفصيل. يُستخدم المولد Van de Graaff لإنتاج جهود عالية جدًا. إذا تم وضع جسم يحتوي على فائض من الأيونات الموجبة داخل وعاء ، فستظهر الإلكترونات على السطح الداخلي للأخير ، وسيظهر نفس عدد الأيونات الموجبة على السطح الخارجي. إذا لمسنا الآن السطح الداخلي بجسم مشحون ، فستنتقل إليه جميع الإلكترونات الحرة. في الخارجستبقى الرسوم الإيجابية.
في مولد Van de Graaff ، يتم تطبيق أيونات موجبة من مصدر على حزام ناقل داخل كرة معدنية. الشريط متصل بالسطح الداخلي للكرة بمساعدة موصل على شكل مشط. تتدفق الإلكترونات من السطح الداخلي للكرة. تظهر الأيونات الموجبة على جانبها الخارجي. يمكن تحسين التأثير باستخدام مولدين.
التيار الكهربائي
تتضمن دورة الفيزياء المدرسية أيضًا شيئًا مثل التيار الكهربائي. ما هذا؟ يرجع التيار الكهربائي إلى حركة الشحنات الكهربائية. عند تشغيل مصباح كهربائي متصل بالبطارية ، يتدفق التيار عبر سلك من أحد أقطاب البطارية إلى المصباح ، ثم عبر شعره ، مما يتسبب في توهجه ، ويعود عبر السلك الثاني إلى القطب الآخر للبطارية. إذا تم تشغيل المفتاح ، ستفتح الدائرة - سيتوقف التدفق الحالي وسيخرج المصباح.
حركة الإلكترونات
التيار في معظم الحالات هو حركة منظمة للإلكترونات في معدن يعمل كموصل. في جميع الموصلات وبعض المواد الأخرى ، هناك دائمًا بعض الحركة العشوائية التي تحدث ، حتى لو لم يكن هناك تدفق للتيار. يمكن أن تكون الإلكترونات في المادة حرة نسبيًا أو مرتبطة بشدة. الموصلات الجيدة لها إلكترونات حرة يمكنها التحرك. لكن في الموصلات السيئة ، أو العوازل ، ترتبط معظم هذه الجسيمات بقوة كافية بالذرات ، مما يمنع حركتها.
في بعض الأحيان يتم إنشاء حركة الإلكترونات في اتجاه معين بشكل طبيعي أو مصطنع في موصل. هذا التدفق يسمى التيار الكهربائي. يقاس بالأمبير (أ). يمكن أيضًا أن تعمل الأيونات (في الغازات أو المحاليل) و "الثقوب" (نقص الإلكترونات في بعض أنواع أشباه الموصلات) كحاملات للتيار. وتتصرف الأخيرة كحاملات تيار كهربائي موجب الشحنة. وهناك حاجة إلى بعض القوة لجعل الإلكترونات تتحرك في اتجاه واحد أو مصدر آخر في الطبيعة يمكن أن يكون: التعرض لأشعة الشمس والتأثيرات المغناطيسية والتفاعلات الكيميائية ، وبعضها يستخدم لتوليد الكهرباء ، وعادة لهذا الغرض: مولد يستخدم التأثيرات المغناطيسية ، وخلية (بطارية) يكون عملها بسبب بالنسبة للتفاعلات الكيميائية ، فإن كلا الجهازين ، اللذين يخلقان قوة دافعة كهربائية (EMF) ، يتسببان في تحرك الإلكترونات في اتجاه واحد عبر الدائرة ، وتقاس قيمة EMF بالفولت (V) ، وهذه هي الوحدات الأساسية للكهرباء.
حجم المجال الكهرومغناطيسي وقوة التيار مترابطان ، مثل الضغط والتدفق في السائل. تمتلئ أنابيب المياه دائمًا بالماء عند ضغط معين ، لكن الماء يبدأ في التدفق فقط عند تشغيل الصنبور.
وبالمثل ، يمكن توصيل دائرة كهربائية بمصدر EMF ، لكن التيار لن يتدفق فيها حتى يتم إنشاء مسار للإلكترونات للتحرك على طوله. يمكن أن يكون ، على سبيل المثال ، مصباحًا كهربائيًا أو مكنسة كهربائية ، يلعب المفتاح هنا دور الصنبور الذي "يطلق" التيار.
العلاقة بين الحالي والجهد
مع زيادة الجهد في الدائرة ، يزداد التيار. من خلال دراسة مقرر في الفيزياء ، نتعلم أن الدوائر الكهربائية تتكون من عدة أقسام مختلفة: عادةً مفتاح ، وموصلات وجهاز يستهلك الكهرباء. كلهم ، متصلين معًا ، يخلقون مقاومة للتيار الكهربائي ، والتي (بافتراض درجة حرارة ثابتة) لهذه المكونات لا تتغير بمرور الوقت ، ولكنها تختلف بالنسبة لكل منها. لذلك ، إذا تم تطبيق نفس الجهد على المصباح الكهربائي والحديد ، فسيكون تدفق الإلكترونات في كل جهاز مختلفًا ، نظرًا لاختلاف مقاوماتهما. لذلك ، فإن قوة التيار المتدفق عبر قسم معين من الدائرة لا يتم تحديدها فقط بالجهد ، ولكن أيضًا من خلال مقاومة الموصلات والأجهزة.
قانون أوم
تقاس قيمة المقاومة الكهربائية بالأوم (أوم) في علم مثل الفيزياء. الكهرباء (الصيغ ، التعريفات ، التجارب) موضوع واسع. لن نشتق الصيغ المعقدة. للتعرف الأول على الموضوع ، يكفي ما قيل أعلاه. ومع ذلك ، لا تزال هناك صيغة واحدة تستحق الاشتقاق. إنها غير معقدة تمامًا. بالنسبة لأي موصل أو نظام من الموصلات والأجهزة ، تُعطى العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة بالصيغة التالية: الجهد=مقاومة التيار x. هذا هو التعبير الرياضي لقانون أوم ، الذي سمي على اسم جورج أوم (1787-1854) ، الذي أسس أولاً العلاقة بين هذه المعلمات الثلاثة.
فيزياء الكهرباء هي فرع مثير جدا للاهتمام من العلوم. لقد نظرنا فقط في المفاهيم الأساسية المرتبطة به. هل كنت تعلمما هي الكهرباء وكيف تتولد؟ نأمل أن تجد هذه المعلومات مفيدة.
