معرض المتعلقات الشخصية للرسول، ص  *  إني الإيطالية ترسل أكبر حفار بالعالم، سايپم 10000 (عمق مائي 10,000 قدم)، لمياه قبرص التي فرطت فيها مصر  *   مجلس الوزراء المصري يقرر السماح باستخدام الفحم الحجري في توليد الطاقة  *   الجيش اللبناني يواصل تفكيك محاور القتال على محور باب التبانة-جبل محسن  *   كيم كارداشيان تنضم لحملة إنقاذ قرية كسب الأرمنية بساحل اللاذقية من ارهابيي جبهة النصرة-القاعدة  *   فوز حزب الحرية والعدالة التركي في الانتخابات البلدية  *   زيارة جون كري للجزائر قبيل الانتخابات الرئاسية يثير لغطاً في الشارع الجزائري  *   التعرف على الجين المسؤول عن أحد أنماط الصلع. وهو مثبط أيضاً للأورام في الجلد  *   حمل مجاناً من معرفة المخطوطات   *   هل انهارت مبادرة حوض النيل؟  *   ثروات مصر الضائعة في البحر المتوسط  *   شاهد أحدث التسجيلات  *  تابع المعرفة على فيسبوك  *  تابع مقال نائل الشافعي على جريدة الحياة: تطورات غاز المتوسط في أربع مشاهد  *   تشغيل منفذ قسطل-حلفا البري بين مصر والسودان في أبريل  *      

تيار كهربائي

كهرومغناطيسية
Solenoid.svg
كهرباء · مغناطيسية
 ع  ن  ت


التيار الكهربي عبارة عن تدفق من الشحنات الكهربية في ناقل (مُوصلٍ) ما.[1] والشحنة الكهربية قد تكون إلكترونات أو أيونات[2]. طبقًا للنظام الدولي للوحدات تقاس شدة التيار الكهربي بـ الأمبير. بينما يقاس التيار الكهربي بجهاز الأميتر[1].

فهرست

سريان التيار الكهربي في سلك فلزي

يحتوي الفلز الصلب الموصِل للكهرباء على مجموعة كبيرة من الإلكترونات المتحركة أو الحرة.وترتبط هذه الإلكترونات بـ شبكة من الأسلاك الفلزية ولكنها لا ترتبط بأية ذرة مفردة.وحتى في حالة انعدام المجال الكهربي الخارجي، تتحرك هذه الإلكترونات بصورة عشوائية لحدٍ ما بفعل الطاقة الحرارية ولكن، في المتوسط، يكون صافي قيمة التيار داخل الفلز صفرًا.وإذا افترضنا أنَّ لدينا سطحًا مستويًا يمر السلك من خلاله، فسنجد أن عدد الإلكترونات التي تتحرك من جانب لآخر في أية فترة زمنية يتساوى في متوسطه مع عدد الإلكترونات التي تمر في الاتجاه المعاكس.

إنَّ أنسب سلك للتوصيل الكهربي هو السلك النحاسي المجدول

عند توصيل سلك من الفلز بطرفي مصدر جهد كهربي ذي تيار مستمر مثل البطارية، سيعمل المصدر على توليد مجال كهربي عبر الموصِل. وبمجرد توصيل السلك الفلزي، تندفع الإلكترونات الحرة نحو الطرف الموجب في الموصل بفعل هذا المجال الكهربي.وبالتالي، تمثل الإلكترونات الحرة ناقل التيار الكهربي في الموصِل الصلب النموذجي.ففي تيار كهربي شدته 1 أمبير، يندفع 1 كولوم من الشحنة الكهربية (التي تتألف من نحو 6.242 إلكترون تقريبًا مضروبًا في 10 18 إلكترون) كل ثانية عبر أي سطح مستوٍ يمر من خلاله الموصِل.

في أي تدفق ثابت، يمكن حساب التيار I المُقاس بـ الأمبير باستخدام المعادلة التالية:

I = {Q \over t}

حيث

Q \!\ هو الشحنة الكهربية السارية مقاسةً بـ الكولوم
t \!\ هو الزمن محسوبًا بـ الثواني

وبشكل أكثر تعميمًا، يمكن تعريف التيار الكهربي بأنه المعدَّل الزمني لتغير الشحنة الكهربية، أو

I = \frac{dQ}{dt}.

التيارات الكهربية في الوسائط الأخرى

في الفلزات الصلبة، تتدفق الكهرباء بفعل حركة الإلكترونات، من الجهد الكهربائي الأدنى إلى الجهد الكهربي الأعلى.أما في أي وسط آخر، فإن أي تدفق لأجسامٍ ذات شحنة كهربية يمكن أن يؤدي إلى توليد تيار كهربي.

فيالفراغ، قد تتكون حزمة من الأيونات أو الإلكترونات.أما في المواد الأخرى الموصلة للكهرباء، فيتولد التيار الكهربي نتيجة تدفق جسيمات ذات شحنة سالبة وأخرى ذات شحنة موجبة في آنٍ واحد. وفي المواد الساكنة، يعود التيار الكهربي في مجمله إلى سريان شحنة كهربية موجبة . على سبيل المثال، تكون التيارات الكهربية في الإلكتروليتات عبارة عن تدفقات من ذرات ذات شحنات كهربية (أيونات)، موجبة أو سالبة.وفي أي من الخلاياالكهروكيميائية المعروفة المحتوية على حمض الرصاص، تتكون التيارات الكهربية من أيونات هيدروجينية موجبة (بروتونات) تسري في اتجاه معين، وأيونات سلفات سالبة تسري في الاتجاه الآخر.أما بالنسبة للتيارات الكهربية التي تسري في الشرارات أو البلازما، فهي عبارة عن تدفقات من الإلكترونات وكذلك من الأيونات الموجبة والسالبة.في الثلج وفي أنواع معينة من الإلكتروليتات الصلبة، يتألف التيار الكهربي في مجمله من أيونات متدفقة.وفي أشباه الموصلات قد يكون مفيدًا أحيانًا التفكير في التيار الكهربي على أنه نتاج سريان "فجوات" إلكترونية موجبة (وهي المواضع التي يجب أن تحتوي على إلكترون لجعل الموصِل متعادلاً).وهذا ما يحدث في شبه الموصل من النوع الموجب.

كثافة التيار الكهربي

كثافة التيار الكهربي هي مقياس شدة التيار الكهربي.وتعرف اصطلاحًا بأنها قيمة متجهية تُقاس قيمتها بقيمة التيار الكهربي المار لكل سطح مقطع عرضي.طبقًا للنظام الدولي للوحدات، تُقاس كثافة التيار الكهربي بـالأمبير لكل متر مربع.

التيار الوقتي

جريان السائل بفرق الضغط.jpg

عندما تُشحن المكثفة يصير لَبُوساها في كمونين (جهدين) مختلفين. فاللبوس ذو الكمون الأعلى يحوي فائضاً من الشحنات الكهربائية الموجبة، ويحوي الآخر فائضاً من الشحنات السالبة. فإذا وصل هذان اللبوسان بسلك ناقل، كَوَّنا معه ناقلاً وحيداً ليس لنقاطه جميعاً كمون واحد؛ فلا يمكن أن يكون في حالة توازن كهربائي، فتجري شحنات كهربائية في السلك حتى يصير الكمون واحداً في كل نقاط الناقل.

ويتحقق ذلك إما بانتقال شحنات موجبة من اللبوس الموجب إلى اللبوس السالب، وإما بانتقال شحنات سالبة في الاتجاه المعاكس، وإما بانتقالين متزامنين لشحنات موجبة في اتجاه أول وشحنات سالبة في الاتجاه الآخر، ويطلق على انتقال الشحنات الكهربائية هذه اسم «التيار الوقتي». ويحدث مثل هذا في حاثة التكهرب. ويمكن دوماً التفكير، وفقا للتقليد المتَّبَع، كما لو أنه لا يَحْدث سوى انتقال الشحنات الموجبة. ويعني هذا تشبيه الكهرباء الموجبة بمائع يجري في السلك، من الناقل ذي الكمون الأعلى إلى الناقل ذي الكمون الأدنى، مثلما يجري الماء في أنبوب يصل بين خزَّانين من الخزان الأعلى إلى الخزان الأسفل. يقال عندئذ إن السلك مجتاز بتيار كهربائي جهته، اصطلاحاً، هي جهة جريان الكهرباء الموجبة. والواقع أنه في حالة الناقل المعدني ينجم التيار الكهربائي عن انتقال الإلكترونات الحاملة لشحنات سالبة؛ فاتجاه انتقالها يعاكس إذن الجهة الاصطلاحية للتيار.

التيار المتواصل (المستمر)

انتقال الشحنات اكهربائية الموجبة في دارة تحوي مولداً.jpg

التيار المتواصل وقتي، فهو يتوقف عندما يصير الكمون واحداً في جميع نقاط الناقل. ولكن هناك أجهزة تسمى مُولِّدات تتيح الإبقاء الدائم على اختلال التوازن الكهربائي في دارة ناقلة. ويُحدِث تيار هذه المولداتِ الآثارَ نفسها التي يحدثها التيار الوقتي المذكور، إلا أن لهذه الآثار شدة ثابتة، ويقال عن هذا التيار إنه «مُتواصل».

وللمولد مربطان دائماً، أو قطبان، وهو يُبقي على فرق الكمون، أو التوتر، بينهما ثابتاً. والمربط ذو الكمون الأعلى هو القطب الموجب، والآخر هو القطب السالب.

وتخرج الشحنات الكهربائية باستمرار من أحد قطبي المولد فتجتاز الدارة وتعود إلى القطب الآخر، ثم تُنقل عبر المولد لتعود إلى قطب الانطلاق.

انتقال الإلكترونات السالبة في نواقل معدنية..jpg

وهذه المولدات الكهربائية يمكن أن تكون على سبيل المثال:

- الأبيال، الأعمدة والمُدَّخِرات الكيميائية التي تُبقي على فرق صغير في الكمون بين قطبيها، ولكنها تتيح الحصول على تدفق كبير للشحنات.


- الآلات الكهربائية الراكدة التي يكون فرق الكمون بين قطبيها عالياً جداً، بيد أنها لا تسمح للشحنات سوى بتدفق صغير جداً.

- الديناموهات (مولدات التيار المتواصل) القائمة على ظواهر التحريض (الحث)، ويتوقف فرق الكمون بين قطبيها، وكذلك تدفق الشحنات، على بنيتها.

1ـ آثار التيار الكهربائي: يمكن في دارة يجتازها تيار بيان ثلاثة أنواع من الآثار:

أ- الآثار الحرارية: فالناقل المتجانس المجتاز بتيار يشحن بمفعول جول.

ب- الآثار الكهرمغنطيسية: فالتيار الكهربائي يُولِّد في الفضاء المحيط به حقلاً (مجالاً) مغنطيسياً.

ج- آثار الاتصال: كالتحلل بالكهرباء عند تماس مسرى (إلكترود) مع حوض الإلكتروليت (المتحلل بالكهرباء)، وكأثر (مفعول) بلتييه الحراري effect peltier عند اتصال ناقلين معدنيين مختلفين.

ولا يتوقف النوع الأول من الآثار على جهة التيار؛ أما النوعان الآخران فينعكسان بانعكاس جهة التيار. هذا وإن دراسة التيار الكهربائي هي دراسة الشحنات المتحركة، في حين أن دراسة الكهرباء الراكدة هي دراسة الشحنات المتوازنة.

وتُسوِّغ تجاربُ أخرى تمثيلَ التيار الكهربائي بانتقالٍ للشحنات الكهربائية. فمثلاً يكون سلوك حزمة دقيقة من الإلكترونات تتحرك في أنبوب مفرغ من الهواء، أو سلوكُ ناقل مشحون يتحرك، مطابقاً لسلوك تيار كهربائي حقيقي من حيث توليد الحقل المغنطيسي.

2ـ شدة التيار الكهربائي: تتوقف قوة آثار التيار الكهربائي على تدفق الشحنات، وتسمى كمية الكهرباء التي تَعْبر في وحدة الزمن أحد مقاطع الدارة شدة التيار.

ففي حالة تيار متواصل ينقل خلال الزمن ز كمية الكهرباء كـ عبر المقطع ع تكون الشدة عند هذا المقطع مساوية .
1564-10.jpg

وفي حالة تيار متغير، يجتاز المقطع ع من الدارة بين اللحظتين المتقاربتين جداً (ز) و(ز + تفاز) كمية الكهرباء تفا كـ. تسمى النسبة

1564-2.jpg

شدة التيار في اللحظة ز. فإذا كان التيار متغيراً ببطء أمكن أيضاً القول إن للشدة، في لحظة معينة، قيمة واحدة على طول الدارة. فالتيار المتغير ببطء يبدو، تقريباً، كأنه سلسلة أنظمة (نُظُم) مستقرة. إلا أن هذا لا يبقى صحيحاً في حالة تيار سريع التغير، كالتيار المتناوب العالي التردد مثلاً: فليس للشدة قيمة واحدة في نقاط الدارة كلها. وهذا ما يحدثُ بوجه خاص في الهوائيات antennas.

ولتعريف وحدة الشدة اختيرت ظاهرة التفاعل الميكانيكي بين سلكين، وهي نتيجة للأثر الكهرمغنطيسي؛ ذلك لأنها تسمح بربط الشدة ربطاً بسيطاً بمقادير ميكانيكية بَحْتة. والأمبير هو الوحدة الدولية لشدة التيار، ورمزه الدولي A.

تقاس شدات التيار بمقاييس الأمبير، وهي أجهزة تقوم على خواص التيار الكهرمغنطيسية، وتسمح مقاييس الميلي أمبير بقياس تيارات شدتها من رتبة بضعة ميلي أمبيرات. أما المقاييس الغلفانية فهي أشد حساسية، وهي مخصصة لقياس تيارات ضعيفة جداً، من رتبة جزء من مليون من الأمبير، أو لاستيقان أنه لا يمر في الدارة أي تيار.

وتتيح العلاقة تعريف وحدة الشحنة الكهربائية أو كمية الكهرباء. والوحدة الدولية هي الكولون (ورمزه C) وهو كمية الكهرباء التي ينقلها في ثانية واحدة تيار شدته ثابتة وتساوي أمبيراً واحداً.

والكولون وحدة صغيرة جداً في نطاق علم الكهرباء المتحركة. ولهذا يستعمل غالباً مضاعَف يسمى «أمبير ساعة» (ورمزه Ah)؛ وهو كمية الكهرباء التي ينقلها تيار ثابت شدته أمبير واحد خلال ساعة واحدة. فهو إذن يساوي 3600 كولون.

3ـ الطاقة التي يصرفها التيار الكهربائي: تعاني الشحنات الكهربائية التي تنتقل على طول دارة تغيرات في الكمون. ومعنى هذا أن القوى المطبقة على هذه الشحنات تنجز عملاً. وعندما تمر الشحنة كـ من نقطةٍ حيث الكمون ف1 إلى نقطة الكمون فيها ف2 فإن هذا العمل يساوي عم= (ف1-ف2)كـ. وفي حالة تيار كهربائي شدته ش يجتاز خلال الزمن ز جزءاً من دارة فرق الكمون بين طرفيه هو ف، تُعطى الطاقة الكهربائية التي يتخلى عنها التيار لذلك الجزء بالعلاقة:

طا = ف ش ز.

وتعطى الاستطاعة (القدرة) الكهربائية بالصيغة:

1564-18.jpg

وللحصول في هاتين العلاقتين على طا بالجول (ورمزه J) وعلى عه بالواط (ورمزه W) يجب التعبير عن ف بالفُولط (ورمزه V) وعن ش بالأمبير وعن ز بالثانية. ومن جهة أخرى يعرَّف الفلط بالعلاقة الثانية: فهو فرق الكمون بين طرفي سلك ناقل يجتازه تيار ثابت مقداره أمبير واحد عندما تكون الاستطاعة المصروفة تساوي واطاً واحداً. وغالباً ما تستعمل في التطبيقات التقنية مضاعفات الواط: الكيلو واط (ألف واط) والميگاواط (مليون واط) ويُستعمل للطاقة (بدلاً من الجول) الكيلو واط ساعة (kwh) وهو الطاقة التي تعطيها استطاعة ثابتة قدرها كيلو واط واحد خلال ساعة واحدة، فهو إذن يساوي 3600000 جول.

4ـ مقاومة الناقل: يسمى الناقل الذي تتحول الطاقة الكهربائية فيه كلياً إلى حرارة ناقلاً خاملاً (غير فعال passif) أو مقاومة محضة. فإذا طُبق بين طرفيها فرق في الكمون ف اجتازها تيار شدته ش وتبقى قيمة النسبة ثابتة. إن هذه النسبة هي بالتعريف مقاومة الناقل م، أي: ويُكتب عادة: ف = م ش، لِيبيْن بذلك الهبوط الأوميّ م ش للتوتر. وتعبر هذه العلاقة عما يسمى قانون أوم لمقاومة صرفة.

وعندما يُقدر ف بالفط وش بالأمبير يكون م بالأوم (ورمزه الدولي W). أما مُناقَلة (مواصلة) الناقل فهي مقلوب مقاومته:

1564-20.jpg

ويعبر عنها بالسمنْس (ورمزه S).

5 ـ أثر جول effect Joule: إن أي ناقل مجتاز بتيار كهربائي يسخن، سواء كان النقل إلكترونياً أو إيونياً. ويسمى انطلاق الحرارة هذا أثر جول.

وفي المقاومة الصرفة تتحول الطاقة الكهربائية كلها إلى حرارة. ويمكن كتابة قانون أوم ف = م ش بالشكل ف ش ز = م ش2 ز وعلى هذا تكون الطاقة والاستطاعة الحراريتان في المقاومة متناسبتين مع مربع شدة التيار. وغالباً ما يكون التوتر المستعمل ف ثابتاً مهما تكن الشدة المسحوبة. فتغدو الاستطاعة المصروفة في مقاومة م موصولة إلى هذا التوتر مساوية أي تكبر كلما صغرت المقاومة م. تبين هذه العلاقة محذور الدارة القصيرة، لأنه إذا كانت المقاومة صغيرة جداً كانت الاستطاعة الحرارية ضخمة، وهذا ما يمكن أن يسبب أضراراً وحرائق أحياناً.

يمثِّل أثرُ جول تبديداً للطاقة وهو ضار بوجه عام. ذلك أن الضياع في خطوط شبكات توزيع الطاقة يكوِّن نسبة كبيرة من الإنتاج. أما في المحرّك أو الدينامو فلا تضيع الطاقة بلا فائدة وحسب، وإنما يجب إعداد وسيلة تبريد للحيلولة دون ارتفاع درجة الحرارة ارتفاعاً كبيراً. وفي الحقيقة كل ناقل مجتاز بتيار يسخن، ويبلغ في النهاية درجة حرارة التوازن التي يزداد ارتفاعها كلما اشتد التيار وساءت ظروف التبريد.

وتعرِّض درجة الحرارة المفرطة الارتفاع، الناقل أو الأجسام المحيطة به لخطر التلف. لذا فإنه في حالة كل ناقل وكل جهاز هناك شدة عظمى مسموح بها. ففي سلك نحاسي قطره من رتبة المليمتر يمكن قبول كثافة تيار قدرها 8 أمبير/مم2 إذا كان السلك عارياً، وتهبط إلى 4 أمبير/مم2 فقط إذا كان معزولاً ضمن غلاف moulure. ولحماية التمديدات الكهربائية من الشدة المفرطة، الناجمة مثلاً عن دارة قصيرة، يوضع في الدارة على التسلسل فاصمة منصهرة، وهي سلك من الرصاص أو الألمنيوم يبلغ درجة حرارة الانصهار عندما تتجاوز الشدة القيمة التي هي الحد الأعظم المسموح به. والأَوْلَى في حالة التجهيزات المهمة استعمال قاطع disjoncteur كهرمغنطيسي.

ويستفاد من انتشار الحرارة بأثر جول على سبيل المثال:

- في أجهزة التسخين (المُشِعّات، السخانات، المكاوي، الأفران الكهربائية، وغير ذلك).

- في المصابيح المتوهجة ذات الفتيل المصنوع من التنغستين.

- في مقاييس الأمبير الحرارية، التي تتيح تعيين شدة التيار الذي يجتاز ناقلاً ما.

6- الآخذات recepteurs: الآخذة جهاز يمتص الطاقة في وجه يخالف أثر جول. فجهاز التحليل الكهربائي مثلاً يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية، ويحول المحركُ الكهرباء إلى عمل أو طاقة ميكانيكية.

وتتكون الآخذة من سلسلة نواقل لها مقاومة معينة م، ويُمتص جزء من الطاقة التي تتلقاها الآخذة بأثر جول. فإذا كان فرق الكمون بين مربطيها هو ف، كانت الاستطاعة الكهربائية الكلية المتلقاة عه = ف ش. وهي تساوي مجموع الاستطاعة عهَ = م ش2 الممتصة بأثر جول والاستطاعة عهً الممتصة بوجهٍ آخر: عه = عهَ + عهً، أو

1564-13.jpg

أي نسبة الاستطاعة الممتصة بوجه يخالف أثر جول، إلى شدة التيار الذي يجتاز الآخذة هي ما يسمى «القوة المحركة الكهربائية العكسية قمع» للآخذة، وهي تقدَّر، مثل فروق الكمون، بالفُلط، وتكون في حالة بعض الآخذات، كأجهزة التحليل الكهربائي، ثابتة. وتتوقف في حالة آخذات أُخَر على ظروف الاستعمال: فتتوقف مثلا قمع لمحرِّك على سرعة دورانه. وهي، على الخصوص، معدومة عندما يُمنع المحرك من الدوران إذ لا يُنتج حينئذ أي استطاعة ميكانيكية.

ويمكن كتابة المعادلة السابقة كما يلي: ف = م ش + قمَ.

وهي تعبر عن قانون أوم لآخذة.

7- قانون أوم لدارة كاملة: غالباً ما يسمى قانون أوم لدارة كاملة خالية من التفريعات «قانون بوييه» Pouillet. تحوي هذه الدارة في شكلها الأعم، مولدات وآخذات ومقاومات. ليكن قم مجموع القوى المحركة الكهربائية للمولدات؛ وقمَ مجموع القوى المحركة الكهربائية العكسية للآخذات، وم مجموع مقاومات مختلف قطع الدارة بما فيها من مقاومات داخلية للمولدات والآخذات. إن الاستطاعة الكلية التي تزوِّد المولدات الدارة بها هي: عه = ش م. وتظهر هذه الاستطاعة في الدارة بشكلين:

- في الآخذات، بأشكال أخرى غير الحرارة، وقيمتها عهَ = ش قمَ.

- وفي مجموعة المقاومات، بشكل حرارة قيمتها: عهً = ش2م.

ويقتضي حفظ الطاقة أن يكون عه = عهَ + عهً. ويؤدي اختصار ش إلى: قم – قمَ= ش م

التيار المتناوب

التيار المتناوب هو، خلافاً للتيار المتواصل، تيار متغير، إذ تتغير شدته مع الزمن؛

وهو دَوريّ بمعنى أن شدته تعاود أخذ قيمة بعينها في لحظات متعاقبة يفصلها مجال زمني ثابت يسمى الدور. وهو يعكس جهته خلال الدور الواحد، أي إنه خلال جزء من الدور، يسمى نَوْبة، يمر في جهة أولى، ثم يمر خلال الجزء الآخر، أو النوبة الأخرى، في الجهة المعاكسة

تيار متناوب.jpg

وأبرز التيارات المتناوبة هي التيارات المتناظرة أي تلك التي تأخذ بعد انقضاء نصف الدور (النوبة الأولى) القيمة نفسها التي كانت للتيار بعد قلب إشارتها. والقيمة المتوسطة معدومة في حالة التيار المتناظر؛ ومعنى هذا أن كميتي الكهرباء، المنقولتين بالتيار في كل من الاتجاهين خلال نوبتين متعاقبتين، متساويتان.

وأهم التيارات المتناظرة وأبسطها هو التيار الجيبي (الشكل-5). وتعطى شدته بدلالة الزمن بالمعادلة: شل= شع جب(ي ز+ط).

حيث شع هي شدة التيار العظمى، ي نبض التيار (أو تواتره/تردده الزاوي)، ط طوره في مبدأ الزمن و ي ز + ط طوره في اللحظة ز.

ويرتبط النبض بالدور د وبمقلوبه، وهو التردد (التواتر) تر، بالعلاقتين

والوحدة الزمنية المستعملة عادة هي الثانية. فيعبر عن النبض بالراديان/ثانية (rad/s) وعن التردد بالهرتز (ورمزه Hz).

تولَّد التيارات الصناعية، التي تعطي استطاعات كبيرة، بالمُنَوِّبات. وهي تيارات جيبية عملياً؛ وترددها في سورية وبلاد كثيرة 50 هرتز، فيكون دورها 0.02 من الثانية ونبضها 100p راد/ثا2.

وتجتاز الخطوطَ الهاتفية العادية تيارات تقع تردداتها بين 100 هرتز و2000 هرتز تقريباً. أما في الكهرباء الراديوية فتولّد، بفضل اهتزازات إلكترونية، تيارات يمكن لتردداتها أن تبلغ بسهولة 910 هرتز؛ ويستعمل بعض التقنيات، كالرادار أو الحزم الهرتزية، ترددات أعلى من ذلك.

1- الخواص العامة للتيارات المتناوبة: يقال عن التيارات المتناوبة إنها «منخفضة التردد» إذا لم يكن ترددها عالياً جداً، أي أصغر من نحو مئة كيلوهرتز، وتُستنتج خواصها من خواص التيار المتواصل بتطبيق قوانين هذا التيار على القيم اللحظية للتيار المتناوب. وبوجه خاص يجد المرء مجدداً الآثار الرئيسية بأنواعها الثلاثة: الكيميائية والكهرمغنطيسية والحرارية. إلا أن هذه الآثار تُرصد عموماً خلال مدة تساوي عدداً كبيراً من الأدوار، ومن ثَم يمكن أن تكون القوانين التي تحكمها مختلفة جداً عن القوانين الخاصة بالتيار المتواصل. وحين يكون تردد التيار عالياً جداً يظهر، فضلاً عن ذلك، أثر جديد هو إشعاع الطاقة في هيئة أمواج كهرمغنطيسية.

تُقابل الآثارُ الكيميائية للتيار المتواصل، أي التحليل الكهربائي، بصورة رئيسية أكسدةً عند المصعد (الأنود) وإرجاعاً عند المهبط (الكاثود) في جهاز التحليل. وفي التيار المتناوب، يكون كل مسرى على التعاقب مصعداً ومهبطاً، فينضاف التفاعلان (الأكسدة والإرجاع) أحدهما إلى الآخر على التوالي. وعندما يبلغ تردد التيار بضع مئات الهرتزات، فإن نواتج التحليل الكهربائي تعاود الاتحاد (لدى تماسها مع المسريين) فلا يبقى أثر قابل للملاحظة، ولا يستقطب جهاز التحليل، ويكون سلوكه كسلوك مقاومة صرفة، ويمكن من ثَم قياس مقاوِمِيّه الإلكتروليت.

وعندما يوضع ناقل مجتاز بتيار متناوب في حقل مغنطيسي فإنه يخضع لقوة متغيرة ودورية وتُغير جهتها في أثناء الدور. وإذا كان هذا الناقل يستطيع التحرك أو التشوه فإنه يقوم باهتزازات قسرية لها تردد التيار. فإن كانت اهتزازاته شديدة التخامد توقف اتساعها (سعتها) قليلاً على التردد، في نطاق من الترددات عريض عرضاً كافياً. فمثلاً يهتز ملف المِجْهار (المصوات) haut-parleur المجتاز بتيار منخفض التردد، اهتزازات لها تردد التيار فيجرّ الغشاء الذي يحوّل هذه الاهتزازات إلى ذبذبات صوتية. وبالمقابل إذا كانت اهتزازات الناقل ضعيفة التخامد فإن اتساعها يتوقف كثيراً على تردد التيار، ويمكن أن يكون كبيراً جداً إذا كان هذا التردد مساوياً تردد التَّجَاوُب (الرنين) الميكانيكي. فمثلاً عندما يجتاز تيار ذو 50 هرتز الجملة المتحركة في مقياس الأمبير الذي دور تجاوُبه يساوي عدة ثوان، فإنها تقوم باهتزازات اتساعها صغير جداً، وغير مرئية عملياً.

ويولِّد المغنطيس الكهربائي المجتاز بتيار متناوب حقلاً مغنطيسياً متناوباً له التردد نفسه وذلك في الفضاء المحيط بالمغنطيس. إلا أن صفيحة من الحديد تنجذب إليه كلما مر التيار ومهما كانت جهته، أي تنجذب مرتين في كل دور، وتقوم من ثم باهتزازات قسرية ترددها ضعف تردد التيار. تُستخدم هذه الخاصة في الجهاز المسمى مقياسَ التردد ذا الصفائح.

إن الأثر الحراري الرئيسي للتيار الكهربائي هو أثر جول الذي يتجلى بانبعاث الحرارة في الناقل، ومن ثَم في سخونته مهما تكن جهة التيار. وعندما يجتاز الناقلَ تيارٌ متناوب تنشأ الحرارة في كل نوبة: ويضيء المصباح المتوهج بالتيار المتناوب كإضاءته بالتيار المتواصل. ولكن نشوء الحرارة يحدث دورياً بتردد يساوي ضعف تردد التيار، وتعاني درجة حرارة الفتيل ترجحات (تغيرات) حول قيمة متوسطة، فينجم عنها تغيرات في النور الصادر. وفي حالة التيار الصناعي ذي التردد 50 هرتز لا تحسّ العين هذه التغيرات التي ترددها 100 هرتز.

2- الشدة المنتجة (الفعالة) للتيار المتناوب: يسمح انبعاث الحرارة في الناقل بتعيين مقدار مهم مميّز للتيار المتناوب وهو الشدة المنتجة. وهي تساوي بالتعريف، شدة التيار المتواصل الذي إذا مرّ في الناقل نفسِه، أحدث انبعاث الحرارة ذاته. يمكن إذن قياس هذه الشدة المنتجة بمقياس الأمبير الحراري المُدرَّج بالتيار المتواصل، ذلك لأن ما يشير إليه لا يتوقف إلا على كمية الحرارة المنطلقة في سلك مقاوم.

وتعطى العلاقة طا والاستطاعة عه المنبعثان في هيئة حرارة من تيار متناوب شدته المنتجة شم يجتاز المقاومة م خلال الزمن ز، بالعلاقتين:

1564-8.jpg

وفي حالة تيار جيبي، وهي حالة مهمة جداً، يبين الحساب العلاقة الآتية بين الشدة المنتجة شم0 والشدة العظمى

1564-1.jpg

ولما كان مقياس الفلط هو مقياس أمبير حسّاساً وذا مقاومة كبيرة، فإنه يمكن صنع مقاييس الفلط الحرارية التي تُبين، بعد تدريجها بالتيار المتواصل، التوتر المنتج لتيار متناوب. وفي حالة التيار الجيبي تقوم العلاقة السابقة نفسها بين التوتر المنتج والتوتر الأعظم:

ولمولد التيار المتناوب قوة محركة متناوبة قيمتها العظمى قمع، والمنتجة قمم0.

وحين تعطى مميزات التيار المتناوب فإن القيم المنتجة هي التي تعطى. لذا فإنه بين مربطي مأخذ يعطي توتراً جيبياً قيمته 220 فلط يكون التوتر الأعظم مساوياً 311 فلط.

ولإجراء قياسات دقيقة في التيارات المتناوبة تستعمل غالباً أجهزة مغنطيسية كهربائية، أو ذات ملف متحرك مزوَّد بمقوِّم للتيار ومدرَّجة تدريجاً خاصاً.

الاستطاعة في التيار المتناوب

تعرّف الاستطاعة اللحظية الممتصة في اللحظة ز بـ عهل =فل شل أي بجداء القيمتين اللحظيتين للتوتر والتيار. وليس لهذه الاستطاعة قيمة ثابتة، ويمكن أن تصير سالبة لأن فل، شل، يمكن أن يكونا أحياناً من إشارتين مختلفتين. فإذا تأمل المرء مجالاً زمنياً ذ طويلاً طولاً كافياً فإن قطعة الدارة تمتص خلاله الطاقة طا، وتسمى النسبة الاستطاعة المتوسطة الممتصة أو الاستطاعة الحقيقية. وتساوي هذه الاستطاعة جداء القيمتين المنتجتين فم0 وشم0 للتوتر والتيار مضروباً في معامل معين، تقع قيمته بين الصفر والواحد ويسمى مُعاملَ الاستطاعة، وهو يساوي، في حالة التيارات الجيبية، جيب تمام زاوية الانزياح الطوري بين التوتر والتيار. فتغدو عبارة الاستطاعة: عه = فم0 شم0 تجب ط.

يسمى فم0 شم0، جُداء القيمتين المنتجتين، الاستطاعة الظاهرة، وهي لا تقدر بالواط وإنما بالفلط أمبير (ورمزه VA) وذلك للتذكير بأنها تختلف عموماً عن الاستطاعة الحقيقية.

ولمعامل الاستطاعة المعرف في الفقرة السابقة أهمية كبرى. ففي منشأة يغذيها توتر ثابت، كمأخذ تيار المدينة، تتطلب الدارة التي تمتص استطاعة معينة، تياراً تزداد شدته كلما صغر معامل استطاعة الدارة، فيؤدي ذلك إلى ازدياد ضياع الطاقة بأثر جول ـ سواء في خط نقل التيار أو في المنوبة التي تغذيه ـ وإلى صِغَر مردود المجموعة المكونة من: المنوبة، خط النقل، الآخذة. ولهذا السبب يتطلب منتجو الطاقة الكهربائية أن يقع معامل استطاعة التجهيزات بين 0.8 و 0.9.

وتكون التحريضية راجحة عموماً في التجهيزات الصناعية بسبب ملفات المحركات، فيتأخر التيار في الطور عن التوتر. وبالإمكان تحسين معامل استطاعة التجهيزات بطرائق مختلفة وعلى الخصوص باستعمال مكثفات أو محركات متزامنة synchrone تدور من غير حِمْل.[3]

سرعة تدفق الشحنات الكهربية

في أي موصل، دائمًا ما تتحرك الجسيمات المتحركة الحاملة لشحنات كهربية في اتجاهات عشوائية كما في جزيئات الغاز. ولكي يتولَّد تدفق صافٍ من الشحنات، يجب أن تتحرك هذه الجسيمات معًا بمتوسط معدل دَفْق معين.تعتبر الإلكترونات بمثابة العناصر الناقلة للشحنات الكهربية في الفلزات حيث تسلك مسارًا عشوائيًا، بانتقالها السريع من ذرةٍ إلى أخرى، ولكنها تتدفق عمومًا في نفس اتجاه المجال الكهربائي. ويمكن حساب سرعة انسياق الإلكترونات وفقًا لهذه المعادلة:

I=nAvQ \!\

حيث

I \!\ هو التيار الكهربي
n \!\ هو عدد الجسيمات المشحونة كهربيًا لكل وحدة حجم
A \!\ هو مساحة المقطع العرضي في الموصل
v \!\ هي سرعة الانسياق و
Q \!\ هي الشحنة الموجودة في كل جسيم.

عادةً ما تسري التيارات الكهربية في الأجسام الصلبة ببطء شديد.على سبيل المثال، في سلك نحاسي لمقطع عرضي مساحته 0.5 ملم2، وشدة التيار الكهربي المار فيه 5&nbsp أمبير؛ تُحسَب سرعة الانجراف الإلكترونات بالملليمتر في الثانية.وإذا أخذنا مثالاً مختلفًا، ففي الفراغ الموجود داخل أنبوب أشعة الكاثود، تتحرك الإلكترونات في خطوط شبه مستقيمة ("حركةً بالستية") بسرعة تصل إلى عشر سرعة الضوء تقريبًا.

إن أية شحنة كهربية متسارعة، ومن ثمَّ أي تيار كهربي متغير، ينشأ عنها موجة كهرومغناطيسية تنتشر بسرعة كبيرة جدًا خارج سطح الموصل.وعادةً ما تكون هذه السرعة عبارة عن كسر دلالي من سرعة الضوء، كما يمكن أن نستنتج من معادلات ماكسويل وبالتالي، فإنها تكون أكبر عدة مرات من سرعة انسياق الإلكترونات.على سبيل المثال، في خطوط القدرة ذات التيار المتردد، تنتشر موجات الطاقة الكهرومغناطيسية في الفراغ الموجود بين الأسلاك، فتنتقل من أي مصدر إلى حِمل بعيد، في حين تتحرك الإلكترونات جيئةً وذهابًا فقط عبر مسافة متناهية الصغر.

تُعرف نسبة سرعة الموجة الكهرومغناطيسية إلى سرعة الضوء في الفراغ الحر باسم معامل السرعة، وتعتمد هذه النسبة على الخصائص الكهرومغناطيسية للموصل وعلى المواد العازلة المحيطة به وشكلها وحجمها.

ولكي نتعرف أكثر على طبيعة هذه السرعات الثلاث، يمكننا مقارنتها بالسرعات الثلاث المشابهة لها في الغازات.تتشابه سرعة الانسياق المنخفضة لعناصر حمل الشحنات الكهربية مع حركة الهواء أو حركة الرياح. أما السرعة العالية للموجات الكهرومغناطيسية، فتتشابه مع سرعة الصوت في الغاز، بينما تتشابه السرعة العشوائية للشحنات الكهربية مع السرعة الحرارية لجزيئات الغاز ذات الحركة العشوائية.

كثافة التيار وقانون أوم

ينص قانون أوم على أن المقصود بشدة التيار في أي مقاوِم (أو أي جهاز أوميتر آخر) (مثالي) هو قيمة الجهد الكهربي الممَارس مقسومًا على قيمة المقاومة:


I = \frac {V}{R}

حيث

I هو شدة التيار مُقاسًا بـ الأمبير
V هو فرق الجهد الكهربي مُقاسًا بـ الفولت
R هي المقاومة الكهربائية مُقاسة بـ الأوم

التيار الاصطلاحي

ويؤدي سريان الشحنة الكهربية الموجبة إلى توليد التيار الكهربي نفسه الذي يتولَّد عن السريان العكسي للشحنة الكهربية السالبة.وهكذا، تؤدي التدفقات العكسية للشحنات الكهربية المتقابلة إلى توليد تيار كهربي أحادي.ولهذا السبب، يمكن عادةً تجاهل قطبية الشحنات المتدفقة أثناء عمليات القياس.فمن المفترض أن تحمل كل الشحنات المتدفقة قطبية موجبة، ويعرف هذا النوع من التدفق باسم التيار الاصطلاحي.ويمثل التيار الاصطلاحي صافي تأثير مسار التيار، بصرف النظر عن إشارة شحنة الأجسام الناقلة للتيار.

في الفلزات الصلبة مثل الأسلاك، تظل الجسيمات الحاملة للشحنة الكهربية الموجبة ساكنة، وتتحرك فقط الإلكترونات سالبة الشحنة.ولأنَّ الإلكترون يحمل شحنة كهربية سالبة، فٍإن حركة الإلكترون في أي فلز تكون في الاتجاه المعاكس لاتجاه التيار الاصطلاحي ( أو الكهربي).

أمثلة

من الأمثلة الطبيعية لمصادر توليد التيار الكهربي البرق والرياح الشمسية ومصدر الشفق القطبي بنوعيه: الشفق القطبي الشمالي والشفق القطبي الجنوبي.يتمثل الشكل الاصطناعي للتيار الكهربي في سريان إلكترونات التوصيل في أسلاك معدنية، مثلما يحدث في خطوط القدرة الكهربية المعلقة التي تعمل على توصيل الطاقة الكهربية عبر مسافات طويلة وكذلك في الأسلاك الأصغر الموجودة في الأجهزة الكهربية والإلكترونية.وفي الإلكترونيات، توجد أشكال أخرى للتيار الكهربي منها سريان الإلكترونات عبر مقاوِمات)، أو عبر الفراغ في صمام مفرغ، وسريان الأيونات داخل بطارية أو خلية عصبية، وسريان الفجوات عبر شبه موصل.

وفقًا لـ قانون أمبير، يولِّد التيار الكهربي مجالاً مغناطيسيًا.

سرعة الانجراف

الكهرومغناطيسية

يولد التيار الكهربي مجالاً مغناطيسيًا. يمكن تصور المجال المغناطيسي كما لو كان نموذجًا من خطوط المجال الدائرية التي تحيط بالسلك.

يمكن قياس التيار الكهربي مباشرةً باستخدام الغلفانومتر ولكن هذه الطريقة تؤدي إلى فتح الدائرة الكهربية، الأمر الذي يتسبب أحيانًا في بعض المشكلات.هذا، ومن الممكن أيضًا قياس التيار الكهربي دون التسبب في فتح الدائرة الكهربية من خلال كشف المجال المغناطيسي المقتَرن بالتيار.ونذكر من الأجهزة المستخدمة في قياس التيار الكهربي أجهزة الاستشعار المتعلقة بقياس تأثير هول وفك التيار، ومحولات التيار الكهربي، وومَلفات روجوسكي.

Conventions

The electrons, the charge carriers in an electrical circuit, flow in the opposite direction of the conventional electric current.
The symbol for a battery in a circuit diagram.

الاتجاه المرجعي

عند توصيل الدوائر الكهربية، عادةً ما يكون الاتجاه الفعلي للتيار الكهربي عبر أي عنصر من عناصر الدائرة الكهربية غير معروف. وبالتالي، يتم تعيين قيمة تيار كهربي متغيرة لكل عنصر من عناصر الدائرة الكهربية على حدة وباتجاه مرجعي يتم اختياره عشوائيًا.وبمجرد توصيل الدائرة الكهربية، قد تتولَّد شحنات موجبة أو سالبة في التيارات الكهربية السارية في عناصر الدائرة.تعني القيمة السالبة أن الاتجاه الفعلي للتيار الكهربي المار عبر هذا العنصر في الدائرة يكون عكس الاتجاه المرجعي الذي تم اختياره.

قياس التيار

معايير السلامة والأمان ضد مخاطر الكهرباء

رمز للحماية متعارف عليه عالمياً "تحذير، خطر الإصابة بصدمة كهربائية" (ISO 3864),

من أكثر مخاطر الكهرباء وضوحًا الصدمة الكهربية الناتجة عن سريان تيار كهربي عبر أحد أجزاء الجسم.ويتحدد تأثير الصدمة الكهربية وفقًا لمقدار التيار الكهربي الساري عبر الجسم، وهو أمرٌ يعتمد على طبيعة التلامس، وحالة هذا الجزء من الجسم، ومسار التيار الساري عبره، وقيمة الجهد الكهربي لمصدر التيار.ففي الوقت الذي قد يؤدي فيه مقدار صغير جدًا من التيار الكهربي إلى الشعور بوخزة خفيفة، فإنَّ المقدار الكبير جدًا منه قد يسبب حروقًا خطيرة إذا نفذ عبر الجلد أو سكتة قلبية إذا سرت كمية كافية منه خلال القلب. ويختلف تأثير الصدمة الكهربية من فرد لآخر بشكل ملحوظ.

هذا، وقد يكون التسخين الكهربي غير المقصود خطيرًا أيضًا.فالتحميل الزائد على كابلات الكهرباء يعد سببًا متكررًا في اندلاع الحرائق.وكذلك، إذا تم وضع بطارية صغيرة في حجم خليةAA في جيب به عملات معدنية، فقد يؤدي ذلك إلى تكون دائرة كهربية مصغرة تعمل على تسخين البطارية والعملات المعدنية مما قد يؤدي إلى الإصابة بحروق.أما عن بطاريات النيكل والكادميوم وبطاريات هيدريد النيكل وبطاريات الليثيوم على وجه التحديد، فإنها تمثل خطورةً أيضًا حيث يمكنها توليد تيار كهربي عالٍ جدًا نتيجة لطبيعة المقاومة الداخلية المنخفضة فيها.


انظر أيضًا

المصادر

  1. ^ أ ب Lakatos, John; Oenoki, Keiji; Judez, Hector; Oenoki, Kazushi; Hyun Kyu Cho (March 1998). Learn Physics Today!. Colegio Franklin D. Roosevelt. وُصِل لهذا المسار في 3 مارس 2009.
  2. ^ Electricity. Browse info. وُصِل لهذا المسار في 3 مارس 2009.
  3. ^ مكي الحسيني. التيار الكهربائي. الموسوعة العربية.

وصلات خارجية