مفاهيم الكهرباء الأربعة المهمة

في الكهرباء يوجد اربعة مفاهيم مهمة وهي ....

الجهد الكهربائي ؛ 

التيار الكهربائي ؛ 

القدرة الكهربائية ؛ 

المقاومة الكهربائية. ..

 أولاً الجهد الكهربائي :

و هو من أهم مواصفات البطاريات و أشهرها ويعرف كذلك بأنه فرق الجهد بين نقتطين من ( نقطة اعلى إلى نقطه ادنئ ) او هو القوة الكهربائية الدافعة لتحريك شحنة كهربائية من نقطة اعلى إلى نقطة ادنئ ...... حيث الجهد الكهربائي هو الفرق في قيمة الطاقة الكهربائية (الكمون الكهربائي) بين قطبي البطارية. كما يعرف كذلك على أنه القوة الدافعة للالكترونات من القطب السالب الى القطب الموجب.الوحدة المستعملة لقياس الجهد الكهربائي هي الفولط...وافضل طريقة لفهم الكهرباء هي مماثلته بالماء.فالجهد الكهربائي يمكن أن نمثله بارتفاع مستوى الماء أو بالضغط كما توضح أكثر الصور التالية

يقاس الجهد الكهربائي بالفولت (Volt)

وحدة الفولت سميت من الفيزيائي الإيطالي « Alessandro Volta » الذي اخترع أول بطارية كيميائية. نرمز لوحدة الفولت في المعادلات و الرسوم الهندسية باستعمال الحرف « V ».

الجهد الكهربائي عندما يتحرك جسم مشحون في  مجالٍ كهربائيٍ فإن طاقته تتغير ويكتسب طاقةً حركية.  وإذا أثرت فيه قوة خارجية وتسببت في حركته باتجاهٍ يعاكس اتجاه حركته، فإنه  يكتسب طاقة وضع، وفي كلتا الحالتين يصاحب التغيير في موضع الجسم شغل، وعند إزاحة الجسيم الذي شحنته q إزاحة متناهية في الصفر، فأن الشغل الذي يبذله المجال على الجسيم يساوي: ∆w=F. ∆d= qE. ∆d حيث إن: Q: هي الشحنة الكهربائية. F: القوة........ E: شدة المجال الكهربائ  ؛    حيث ان d هي اﻹزاحة 

: اما (w )  هو الشغل المبذول لإزاحة الشحن من النُّقطة A نحو النقطة  B. لكي تقوم قوة بتحريك وحدة شحنةٍ موجبةٍ من النُّقطة A نحو النُّقطة B، فانه تلزم قوة qE لجذبها لمعادلة المجال الكهربائي؛ وعليه الشغل المبذول في حمل شحنة الاختبار من A إلى B هو Fxd، ويعرف هذا الشغل على أنه فرق الجهد بين النُّقطتين A و B. فرق الجهد الكهربائيِّ فرق الجهد بين نقطتين (A و B) هو الشُّغل المبذول في حمل وحدة شحنة اختبارٍ موجبة من النُّقطة A إلى النُّقطة B، ويعبَّر عن فرق الجهد الكهربائيِّ رياضياً بالصُّورة التَّالية: V(B)-V(A)=Ed يعبَّرعن هذا الشُّغل بوحدة جول/كولوم أو بوحدة فولت (V)، وتمثل وحدة الفولت ما مقداره جول واحد من الطَّاقة التي تكتسبها كمية 1 كولوم من الإلكترونات، عندما تخرج من القطب السَّالب لمصدر الطَّاقة -الذي قد يكون البطَّارية مثلاً- نحو القطب الموجب منه، والجهد بالتَّعريف كميةٌ عدديةٌ غير متجهةٍ. علاقة الجهد الكهربائيُّ بالتَّيار ينشأ دائماً حقلٌ كهربائيٌّ إذا وجد جهدٌ كهربائيٌّ بين نقطتين، فإذا الجسيمات المشحونة كانت حرة الحركة ينشأ المجال الكهربائيُّ، وتكون شدة التَّيار في الأسلاك المعدنيَّة متناسبةً بشكلٍ طرديٍّ مع الجهد، ويصف ذلك قانون أوم الذي ينص: فلو كان الجهد الكهربائيُّ متناسباً مع التَّيار تناسباً طردياً، فإن المقاومة تكون ثابت التَّناسب   والمعادله هي U=R.I

 حيث إن: U: هي الجهد. I: التَّيار. R:

ثانياً : التيار الكهربائي 

ما هو التيار الكهربائي 

هو عباره عن سير او تدفق من  الإلكترونات الحره داخل موصل سلاك كهربائي يقاس التيار الكهربائي باستعمال وحدة الأمبير أو (Amps)

ويرمز للامبير بالحرف ( A )  

حيث ان 1 أمبير يساوي تدفق 8^10*6.241 إلكترونات في الثانية، يو رمز للتيار الكهربائي في المعادلات و الرسوم الهندسية بحرف " i " 

وهناك نوعان رئسيان من التيار الكهربائي 

النوع الاول : هو التيار المتردد (المتناوب ) الذي يستخدم في المنازل عمومي(110v-220v )او( 380v ) في  المنشائات والمصانع وغيرها ويعرف بانه التيار الذي يتغير في الشدة وفي الاتجاه ذهابآ وايابآ لأتمام الدوره الواحده  ويرمز له

"Alternative Current-AC"

يعني له القدرة على عكس اتجاه سريانه بحركات منتظمه والتردد يقام بوجده الهيرتز ويكون من 50 -60 هرتز

ويتميز هذا النوع من التيّار بسهولة نقله بكفاءة عالية من محطات التوليد كما أنّ الكمية المفقودة أقل من التي تفقد من التيّار المستمر، ولكن فرق الجهد في هذا النوع كبير جداً مما يجعله خطراً جداً خاصة في المنازل، 

النوع الثاني التيار المستمر 

يعرف بانه التيار الثابت في الشده وفي الاتجاه حيث انه يستمر بالسريان في اتّجاه واحد، ويرمز له له

"Direct - Current - DC

 ويتم توليده من البطاريات الكهربائية، والخلايا الشمسية، والمزدوجات الحرارية، ومن المبادل الكهربائي المستخدم في الآلآت الكهربائية.. ومن الممكن تحويل هذه النوع من التيّار المستمرDC الى النوع الآخر المعرف باسم التيّار المتناوب AC  من خلال استخدام محولات خاصة لتحويله بشكل سريع

لنعتبر الآن أن لدينا برميلين كل واحد يملك خرطوم في أسفله, البرميلان يحتويان على نفس كمية الماء و لكن الخراطيم يختلفان في الحجم

3

كلا الخراطيم لهم نفس الضغط في نهايتهما و لكن عندما يبدأ الماء بالتدفق نلاحظ أن كمية المياه المتدفقة من الخرطوم الضيق أقل من كمية المياه المتدفقة من الخرطوم الواسع. بلغة أخرى التيار الكهربائي المتنقل عبر الخرطوم الضيق أقل من التيار الكهربائي المتنقل عبر الخرطوم الواسع. إذا كنا أن نريد أن تكون كمية المياه المتدفقة متساوية علينا أن نضيف مياه أكثر  في البرميل ذا الخرطوم الضيق.

4

هكذا يرتفع الجهد الكهربائي في نهاية الخرطوم الضيق و ينتج عن ذلك تدفق مياه أكثر .

من هنا نستنتج أن ارتفاع الجهد الكهربائي يولد ارتفاع في التيار الكهربائي.

يمكن لنا أن نلاحظ إذن العلاقة بين الجهد و التيار الكهربائي و لكن هنالك عامل آخر لا يجب نسيانه و هو عرض الخرطوم أي المقاومة

الضغط في نهاية هذا الخرطوم يمثل الجهد الكهربائي, الماء في البرميل يمثل الشحنة الكهربائية. كلما تزداد كمية المياه في البرميل كلما ترتفع الشحنة كلما يرتفع الضغط في نهاية الخرطوم.

يمكن لنا أن نعتبر أن هذا البرميل عبارة عن بطارية ،حيز لتخزين الطاقة ثم إطلاقها. عندما يبدأ البرميل في الافراغ تنخفض قيمة الضغط في الخرطوم. هذا الأمر مماثل لانخفاض الجهد الكهربائي في البطارية.

الماء = الشحنة الكهربائية

الضغط = الجهد الكهربائي

التيار = التيار الكهربائي

عرض الخرطوم = المقاومه

ثالثآ .. ماهي المقاومة الكهربائية 

تعرف بأنها الإعاقة والممانعه الذي يتلقها التيار الكهربائي اثناء مروره داخل السلك ... ورمزها بالحرف R  ووحده قياسها هي اﻷوم ويرمز له برمز اوم ♎

قانون أوهم ( اوم ) 

إستطاع “جورج أوهم” أن يجمع بين الجهد الكهربائي و التيار الكهربائي و المقاومة في معادلة واحدة تسمى “قانون أوهم”:

V = I * R

V = الجهد الكهربائي

R = المقاومه

I = التيار الكهربائي

مثلا لنفترض أن لدينا دائرة كهربائية بجهد كهربائي يساوي 1V ،  تيار كهربائي بقيمة 1 Amps و مقاومة تساوي 1 Ohm إذن باستعمال قانون أوهم لدينا:

1V = 1 A * 1 Ω

لنفترض أن هذه المعادلة ترمز لبرميل الماء بخرطوم أكبر, كمية المياه في البرميل ممثلة بـ 1V و صغر الخرطوم “المقاومة” تساوي 1Ω ، باستعمال قانون أوهم يمكن لنا أن نتحصل على 1Amps.

لننظر إلى برميل الماء مع خرطوم أصغر, بما أن الخرطوم صغير تكون المقاومة مرتعة.

لنفترض أن المقاومة تساوي 2Ωو كمية الماء في البرميل مماثلة للبرميل الآخر. حسب قانون أوهم لدينا:

1V = ?A * 2Ω

و لكن ما قيمة التيار الكهربائي؟ بما أن المقاومة أكبر و الجهد هو نفسه نتحصل على قيمة 0.5Amps

1V = 0.5 Amps * 2Ω

7

إذن قيمة التيار الكهربائي أقل من البرميل صاحب المقاومة الأكبر.

بالإرتكاز على قانون أوهم يمكن لنا إستنتاج عنصر من المعادلة إذا كان لدينا العنصرين المتبقيين, سوف نثبت هذا في تجربة:

رابعًا القدرة الكهربائية 

ماهي القدرة الكهربائية 

هي عباره عن الشغل الذي يبذله جهاز كهربائي في فتره زمنية معينة

بمعنى اخرى هي الطاقة الاستهلاكية في زمن معين ..

بمعنى اخرى القدرة الكهربائية أو ما يعرف بالاستطاعة الكهربائية هي معدل الطاقة التي يستهلكها العنصر في الدائرة الكهربائية خلال الثانية الواحدة وتقاس بالواط وهي تساوي 1 جول لكل 1 ثانية. يمكن الحصول على مقدار القدرة الكهربائية بضرب مقدار التيار المقيس بوحد الأمبير في مقدار فرق الجهد الكهربائي حول العنصر (المقاومة) المقيس بوحدة الفولت، أو بضرب مربع قيمة التيار في قيمة المقاومة، أو بقسمة مربع فرق الجهد الكهربائي على قيمة المقاومة، فكل هذه المعادلات مشتقة من المعادلة الأولى فرق الجهد الكهربائي مضروباً في مقدار التيار الكهربائي. وفيما يلي توضيح رمزي لهذه المعادلات: أولاً: القدرة الكهربائية (واط) = التيار الكهربائي (أمبير) X فرق الجهد الكهربائي (فولت) ثايناً: القدرة الكهربائية (واط) = ((التيار الكهربائي)^2) (أمبير)^2 X قيمة المقاومة (أوم) ثالثاً: القدرة الكهربائية (واط) = ((فرق الجهد الكهربائي)^2) (فولت)^2 / قيمة المقاومة (أوم) تتحول الطاقة في العنصر الكهربائي إلى الحرارة، وكلما زادت الحرارة كان ذلك مؤشراً على أن هذا العنصر قد اقترب من الوصول إلى الحد الأعلى من قدرته على استيعاب كمبة الطاقة، فلذلك تم اللجوء إلى تصنيف هذه العناصر والأجهزة الكهربائية بناءً على قدرتها القصوى على استيعاب ....فمثلاً مقدار الطاقة الكهربائيّة المتحوّلة في المدفأة إلى طاقة حراريّة خلال زمن معين تسمى قدرة المدفأة ومقدار الطاقة الكهربائيّة المتحولة إلى طاقة حركيّة في الغسالة تسمى بقدرة الغسالة وهكذا، وهذا يعني أن القدرة في الأجهزة الكهربائيّة تساوي مقدار الطاقة المتحولة على وحدة الزمن (القدرة= الطاقة المتحوّلة/ الزمن) حيث تتناسب القدرة الكهربائيّة مع فرق الجهد بين طرفي الجهاز والتيار الكهربائي المار في نفس الجهاز.

إنّ مقدار ما يستهلكه الجهاز من التيار الكهربائي خلال زمن معين يسمى ذلك بالقدرة الكهربائية، أي هي المعدل الزمني لتدفق الطاقة الكهربائية في دائرة كهربائية، ووحدة قياسها هي واط أو الكيلو واط، وهذا ما تشير إليه الشركات المصنعة للأجهزة الكهربائية بمقدار الواط أو القدرة الكهربائية التي يستهلكها الجهاز، لكن لا يغني ذلك من حساب القدرة الكهربائية. أسباب حساب القدرة الكهربائية يشار في بعض الأجهزة الكهربائية إلى قدرتها القصوى في حالة معينة وليس لجميع الحالات التشغيل المختلفة، فمثلاً قرص المروحة الخاص بالتحكم في سرعة المروحة يحتاج الشخص إلى معرفة القدرة الكهربائية لكافة سرعات التشغيل، وليس كما هو مكتوب على هيكل المروحة بأنّه خاص لأعلى سرعة. تكون القدرة الكهربائية في بعض الأجهزة غير حقيقية؛ فيتم التلاعب بمقدار القدرة الكهربائية لترغيب المشتري في شرائها. تظهر أهمية حساب القدرة الكهربائية المستهلكة عند تشغيل عدد من الأجهزة الكهربائية معاً في وقت واحد؛ من أجل ذلك يتم وضع جهاز بجانب عداد الكهرباء لقياس التيار الكهربائي الداخل إلى المنزل. تساهم معرفة القدرة المستهلكة في التعرف على سلامة الأجهزة الكهربائية، فالأجهزة التالفة تستهلك قدرة كهربائية أعلى من ما هو مكتوب عليها. قانون حساب القدرة الكهربائية تمثله المعادلة الآتية: القدرة الكهربائية=الجهد الكهربائي×التيار الكهربائي، ويشار إليها بالرموز الآتية: P=V*I، حيث إنّ: P= القدرة (واط). V= الجهد (فولت). I= التيار (أمبير). أمثلة على حساب القدرة الكهربائية المثال الأول: سخان كهربائيٌّ يعمل على فرق جهد مقداره 240 فولتاً، ويسحب تياراً مقداره 10 أمبيرات، احسب قدرة الإبريق القدرة الكهربائية=الجهد الكهربائي×التيار الكهربائي =10×240=2400 واط القدرة الكهربائية للتيار المستمر=مربع الجهد÷المقاومة القدرة الكهربائية=مربع التيار الكهربائي×المقاومة المثال الثاني: مصباح كهربائي يعمل على جهد مقداره 120 فولت، ومقاومته 192 أوم، احسب قدرة المصباح عند تشغيله القدرة الكهربائية=مربع الجهد÷المقاومة =(120)2÷192 =14400÷192 =75 واط. المثال الثالث: جهاز كهربائي يعمل على تيار كهربائي مقداره 5 أمبير، ومقاومته 120 أوم، احسب قدرة الجهاز عند تشغيله القدرة الكهربائية=مربع التيار الكهربائي×المقاومة =25×120 =3000 واط