ما هو التيار الكهربائي؟

عناصر الموضوع

1- تعريف التيار الكهربائي

2- قانون حساب التيار الكهربائي

3- أنواع التيار الكهربائي

4- كيفية تدفق التيار الكهربائي

5- وحدة قياس التيار الكهربائي

6- المجال الكهربائي

يعتبر التيار الكهربي من المفاهيم الأساسية في علم الإلكترونيات و الكهرباء وهو عبارة عن تدفق الشحنات الكهربائية من خلال موصل كالأسلاك المعدنية.يوجد نوعين من التيار الكهربائي النوع الأول هو التيار المستمر (DC) وهو الذي يتدفق في اتجاه واحد و النوع الثاني هو التيار المتردد(AC) وهذا يتغير اتجاهه بانتظام.

لكي نفهم التيار الكهربي لابد من فهم دراسة العِلاقة بين المقاومة و الجهد الكهربائي وفقا لقانون أوم والتيار الكهربي هو الذي يتيح للأجهزة الكهربائية التشغيل بالطرق المختلفة في حياتنا اليومية، قانون أوم يوضح العِلاقة بين الجهد والمقاومة في تدفق التيار و كيفية التحكم فيهم.

وهذه الدراسة تعتبر ضرورية لنفهم الكثير من التطبيقات الهندسية و العلوم و التطبيقات الحديثة جميعها لأنها تلعب دور كبير ومهم في التشغيل و نقل الطاقة و تشغيل الأجهزة الإلكترونية و الكهربائية.

1- تعريف التيار الكهربائي

التيار الكهربي يعرف بأنه مقياس لكمية الشحنة الكهربائية المنقولة بوحدة زمن من خلال مادة موصلة مثل الأسلاك المعدنية ووحدة قياس التيار الكهربائي هي الأمبير وهذا بالنسبة للنظام العالمي للوحدات فهي تعادل 1كولوم لكل ثانية ويعرف التيار الكهربائي بالانجليزي على أنه Electrical current

وهو أيضاً يعتبر من الكميات القياسية أي أنه يعبر عنه بالقيمة فقط ليس بالاتجاه والتيار الكهربائي يرمز له بالرمز (I) وهو معناه يعود إلى كلمة أصلها فرنسي (intensité de courant)، وهذا الرمز أستخدم في قانون قوة أمبير 1820 م وبعدها عرف في جميع أنحاء العالم.

2- قانون حساب التيار الكهربائي

لكي نحسب التيار الكهربائي فعلينا أن نعتبر أن الشحنة (Q) تتدفق من خلال المقطع العرضي للموصل خلال وقت (t)، ليكون التيار (I) عندها هو:

 التيار = مقدار الشحنة÷الوقت، وبالرموز: I = Q / t.

في العادة التيار يتتدفق من الطرف السالب إلى الطرف الموجب للخلية الكهربائية مثال على ذلك إذا كان هناك تيار 0.75 أمبير يتتدفق خلال فتيلة مثلا أو خيط مصباح كهربائي والمدة تكون مدتها 10 د فما قيمة الشحنة الكهربائية المنتقلة عبر الفتيلة أو الخيط؟

0.75 = مقدار الشحنة / (600)، ومنه: مقدار الشحنة = 0.75×600 = 450 كولوم.

3- أنواع التيار الكهربائي

يوجد نوعين من التيار الكهربائي هما:

التيار المتردد ورمزه هو (AC) وهذا اختصار للكلمة الإنجليزية Alternating current وهو يسير في أتجاهين و يغير اتجاه بسرعة و هذا التيار له استخدامات عديدة مثل الأجهزة المنزلية و الأجهزة الصناعية و الأجهزة التجارية وأيضا عدّ من إشارات الصوت و الراديو في الأسلاك الكهربائية ومن أمثلتها التيار المتردد وهو ينتج عن طريق المولدات الكهربائية.

و النوع الأخر هو التيار المباشر و رمزه (DC) و هو اختصار ل Direct current و هذا التيار يسير في اتجاه واحد فقط و له العديد من الاستخدامات أيضا من بينهم تطبيقات الطائرات و شحن البطاريات و التيار المباشر في العادة ينتج عن طريق البطاريات و المزدوجات الحرارية و الخلايا الشمسية ويمكن للتيار المستمر أن يسير من خلال أشباه الموصلات أو العوازل أو الموصل مثل السلك أو حتى عبر الفراغ مثلما يوجد في الحزم الإلكترونية أو الأيونية. [1]

4- كيفية تدفق التيار الكهربائي

التيار الكهربائي يحدث عن طريق التدفق للإلكترونات ولكن ألإلكترونات تنتج بسبب حركة كل إلكترون في مسافة قصيرة إلى الذرة المجاورة له أي أنها لا تنتقل من نقطة الأصل إلى الوجهة مباشرة، وتنتقل هناك طاقة هذا الإلكترون إلى الإلكترون في الذرة الجديدة التي انتقل إليها ويحدث هذا الانتقال لينتقل مرا أخرة بدوره إلى الإلكترون ويستمر هذا حتى يصل إلى نقطة النهاية، و التيار الكهربائي ينتقل بسرعة كبيرة جدا مثل سرعة الضوء وهذا يسبب ارتفاع في درجة الحرارة التي تنتقل من خلاله.

5- وحدة قياس التيار الكهربائي:

وحدة قياس التيار الكهربائي هي الأمبير و هي معناها تدفق واحد من الكولوم الذي في الشحنة في الثانية أو 6.2 × 1018 إلكترونًا في الثانية، و والوحدات تكون سم –جرام –ثانية، وواحدة الشحن الكهروستاتيكية (esu) في الثانية حيث إن الأمبير الواحد يساوي 3 × 109 esu في الثانية.

الطاقة التجارية توفر لمنزل نموذجي حوالي 100 أمبير و المصباح يسحب بقدرة 60 وات حوالي 0.5 أمبير من التيار ومكيف الهواء بغرفة واحدة 15 أمبير

الشحنة التي يمكن أن يمتلكها الجسيم هو شحنة بروتون واحد، +1.602 × 10−19كولوم هي أصغر جزء من كمية الشحنة، أما الإلكترون لها شارة عكسية و لكنه له نفس الحجم بمعنى .1.602 × 10−19 كولوم، بطارية المصباح العادي من الممكن أن توفر تتدفق أجمالي للشحن حوالي تقريبا 5000 كولوم و هذا يتوافق مع اكثر من 1022 إلكترون قبل النفاذ.

و المقياس لتتدفق الشحنات هو التيار الكهربائي و مثال على ذلك الشحنة التي تتدفق من خلال سلك يكون حجم التيار الكهربائي به يقاس بالأمبير والأمبير يمثل التيار أي معناه مرور كولوم التي هي الشحنة الواحدة في الثانية أو 6.2 مليار إلكترون (6.2 × 1018 إلكترون) لأنه يكون التيار موجب عندما يكون التتدفق في ألشحنات الموجبة و يكون اتجاهه معاكس أي تكون عكس تدفق الشحنات السالبة.

6- المجال الكهربائي:

مصطلح الحقل يشير إلى خاصية الفضاء لأنه يكون لكل كمية حقل قيمة عددية في كل نقطة في منطقة الفراغ و هذه القييم تختلف مع مرور الوقت، حيث إن قوانين القوة و الحفظ ليست فقط جانبين من جوانب الكهرومعناطيسية و القوة المغناطيسية و الكهربائية تحدث بسبب المجالات الكهرومغناطيسية.

و المجال المغناطيسي أو المجال الكهربائي قيمتهم متجهة بمعنى أنها لها حجم واتجاه و تكون قيمة المجال الكهربائي عند نقطة في الفضاء، مثال على ذلك القوة تساوي التي سوف يتم بذلها على الشحنة الواحدة في ذلك الوضع في الفضاء.

كل جسم مشحون ينشئ مجال كهربائي في الفضاء المحيط به، الشحنة الثانية تنجذب نحو الشحنة الأولى أو حتى تنفر منها و الشحنة الثانية تشعر بوجود هذا المجال والشحنة الثانية أيضاً تعتمد على علامات الشحنات بالطبع لأنها لها أيضا مجال كهربائي فبذلك الشحنة الأولى تنفر أو تنجذب من الشحنة الثانية عندما تشعر بوجودها أيضاً.

المجال الكهربائي يتم توجهه من الشحنة يكون في اتجاه الشحنة عندما تكون سالبة و يكون بعيد عن الشحنة عندما تكون الشحنة موجبة، الأسهم تشير إلى اتجاه المجال الكهربائي عندما يظهر المجال الكهربائي من شحنة في حالة سكون في الفضاء، وطول السهم يشير إلى قوة المجال عند نقطة منتصف الأسهم.

سوف نشعر بقوة في اتجاه المجال عندما نضع شحنة موجبة في مجال كهربائي، ونشعر بقوة في الاتجاه المعاكس لاتجاه المجال عندما تكون الشحنة سالبة.

يكون التعامل مباشر في الحسابات عندما يكون التعامل مع المجال الكهربائي ملائم أكثر من التعامل مع الشحنات، حيث المجال الكهربائي متعارف عليه أكثر من المعروف عن توزيع الشحنات في الفضاء وهذا في كثير الأحيان.

مثال على ذلك:الشحنات التي تكون في الموصلات تكون غير معروفة في العموم وهذا لأن الشحنات تتحرك بحرية داخل الموصل ولكن مع ذلك في المواقف الثابتة الحقل الكهربائي في الموصل تكون قيمته صفر تكون محددة و تكون أيضاً في حالة توازن، وذلك لأن الشحنات داخل الموصلات قوتها تكون داخل الموصل فتعيد توزيعها حتى يختفي المجال، وهذا يعبر عن وحدة المجال التي هي نيوتن لكل كولوم أو تكون فولت لكل متر.

آثار التّيار الكهربائيّ

التيار الكهربائي لا يمكن أن نشاهده بالعين ولكن نشاهده من خلال آثاره في حياتنا مثل :

الأثر الحراريّ

الآثر الحراري أستخدم من قبل الكثير من العلماء في التطبيقات المختلفة فنتح عنه صناعة المكواة مثلا أو الموقد الكهربائي أو المدفأة الكهربائية و المصباح أيضاً الكهربائي و غير ذلك كثير، فمرور التيار الكهربائي عبر الأسلاك يؤدي إلى الارتفاع في درجة الحرارة وبسبب ذلك تحترق الأسلاك عندما تزيد درجة الحرارة فيها.

 الأثر الضّوئيّ

الأثر الضوئي هو الذي ينشر الضوء عند مروره في المصابيح التي تكون داخلها غازات نبيلة كغاز النيون مثلا، مصباح نيون لا يحتوي على سلك يسخن ثم يضئ فبالتالي يتوهج عند مرور التيار الكهربائي فيه فيضئ مثل المصباح الكهربائي الذي يحتوي على سلك.

الأثر المغناطيسيّ

الكهرباء لها تأثير مغناطيسي وهذا تم اكتشافه من خلال علماء الفيزياء و اكتشفوا ذلك عن طريق وضع بوصلة و ترك إبرتها لكي تستقر ووضعوا سلك فوق هذه ألإبرة بشكل موازي لها ووصلوا طرفي السلك ببطارية قاطعة وجافة فعند ذلك لاحظو عندما يتم إغلاق القاطع الإبرة تنحرف عن وضعها الأصلي وهذا يؤكد الأثر المغناطيسي للكهرباء.

 الأثر الكيميائيّ

المحلول مكوناته تتفكك عندما يمر التيار الكهربائي من خلاله، حيث وجد العلماء عندما نغمس صفيحيتين من البلاتين في محلول حامض الكبريت المركز يكون في وعاء من الزجاج وبعد ذلك نوصله بمصدر للتيار الكهربائي عندها لاحظوا ذلك أن الفقاعات تكون غازية حول الصفيحتين وبعد تحليلها اكتشفوا أن الفقاعات هذه هي غاز الأكسجين و غاز الهيدروجين تكون ماء.ولذلك يستخدم هذا التطبيق في عمليات الطلاء.

التيار المتردد

هذا التيار يتم توليده في المولد الكهربائي المتردد و هو تيار كهربائي متغير الاتجاه و الشدة وهو يتصف بأنه يتذبذب و يعكس اتجاه بين 50إلى 60 مرة في الثانية الواحدة و يعرف أيضا بأن شدته تكون من الصفر إلى أقصى درجة ويهبط مرة أخرى إلى الصفر خلال نصف الدورة و يتذبذب و يعكس اتجاهه مرة أخرى وتزداد شدته من الصفر إلى أقصى رجة و على هذا النحو في كل دورة.

الذبذبات الكاملة التي تحدثها التيار الكهربائي يتطلع عليها في التيار الكهربائي المتردد في الثانية الواحدة و هي تساوي عدد مرات الملف في الثانية وهذا هو تردد التيار المتردد ويقاس بوحدة الهيرتز (Hz) مثال على ذلك عندما يكون تيار كهربائي Hz60 هذا معناه أن عدد الذبذبات الكاملة التي يحدثها التيار تبلغ 60 ذبذبة في الثانية الواحدة. [2]

نختم بأن التيار الكهربائي هو أساس مهم لفهم الكثير من التطبيقات الكهربائية و الإلكترونية التي هي مهمة جدا في حياتنا اليومية، وبفضل التيار الكهربائي و فهمه تمكنا من تطوير التقنيات لكي تكون حديثة تسهل علينا الحياة وتكون أكثر راحة سواء كان التيار ثابت أو متردد وسوف نشاهد الكثير و المزيد من التطورات التي تستخدم في التيار الكهربائي بكفاءة و استدامة أكبر.

• الفيزياءأنواع التيار الكهربائي - بتصرف
• النصر للطاقة الشمسيةالتيار المتردد - بتصرف

مشاركة المقال