معادلات ومخاطر شدة التيار الكهربي

عناصر الموضوع

1- ماهو التيار الكهربي وكيف تم اكتشافه؟

2- ما هي المجالات التي تستعمل بها الكهرباء؟

3- مخاطر شدة التيار

4- معادلات شدة التيار

تعتبر الكهرباء من أعظم الاكتشافات التي غيرت مجرى التاريخ، فقدأسهمت في تطوير الصناعة والتكنولوجيا، ورفعت مستوى معيشتنا بشكل كبير، ولا يمكن تخيل العالم الحديث من دون الكهرباء، فهي القوة الدافعة وراء التقدم التكنولوجي، وتوفر لنا الراحة والرفاهية التي نتمتع بها اليوم.

1- ما هو التيار الكهربي، وكيف تم اكتشافه؟

• نعمة إلهية وليست اختراع بشري.

يُعتقد خطأً أن بنجامين فرانكلين أو غيره من العلماء القدامى هم من اخترعوا الكهرباء. الحقيقة هي أن الكهرباء نعمة إلهية موجودة في الطبيعة، وقد هدى الله الإنسان لاكتشافها والاستفادة منها. فوجود البرق خلال العواصف الرعدية دليل قاطع على وجود الكهرباء في الطبيعة قبل اكتشافها من قبل الإنسان.

• بداية الاكتشاف

بدأت قصة اكتشاف الكهرباء منذ القدم عندما بدأ العالم الأمريكي بنجامين فرانكلين في عام 1752م بإثبات أن البرق عبارة عن طاقة كهربائية. قام بتجربة خطيرة حيث ربط مفتاح معدني بطائرة حريرية وتركها تطير خلال عاصفة رعدية. عندما أصاب البرق الطائرة، انتقلت شحنة كهربائية صغيرة من خلال خيط الطائرة إلى المفتاح، ومن ثم إلى يد العالم فرانكلين الذي كان يمسك بالمفتاح، مما أدى إلى صعقة كهربائية كاد يودي بحياته. بهذه التجربة الخطيرة أثبت فرانكلين أن البرق عبارة عن طاقة كهربائية.

• اكتشاف البطارية

في عام 1786م، ساعد البروفسور الألماني لويجي جالفاني على اكتشاف مبدأ عمل البطارية الكهربائية بطريق الخطأ. عند محاولة تحفيز الأنسجة العضلية للضفدع بالسكين، لوحظ رد فعل حيوي عنيف، مما قاد العالم إلى استنتاج خاطئ حول وجود كهرباء حيوية في عضلات الضفدع، لكن في عام 1792م، اكتشف العالم الإيطالي أليساندرو فولتا أن هذا غير صحيح، لأن الكهرباء تكونت، بسبب وجود الرطوبة بين السكين والصفيحة القصديرية التي كان الضفدع ممددا عليها.

• اختراع أول بطارية

استلهم فولتا من تجاربه السابقة لابتكار أول خلية كهروكيميائية، حيث قام بترتيب صفائح من الزنك والنحاس بشكل متناوب، ووضع بينها أقراص من الورق المقوى المشبعة بمحلول ملحي، مما أدى إلى توليد تيار كهربائي مستمر.

• ظهور التيار المتناوب

بعد أن لاحظ إمكانات اختراع نيكولا تيسلا لمحرك التيار المتناوب، قرر جورج ويستنج هاوس دعمه وتطويره، مما أدى إلى ثورة في مجال الطاقة الكهربائية، وانتشر استخدام التيار المتناوب على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، وتكريماً لهذا الإنجاز، تم تسمية وحدة قياس المجال المغناطيسي باسم “تيسلا”.

• مولدات الطاقة البخارية:

قام المخترع الإسكتلندي جيمس واط بتركيب محركه البخاري على مولد التيار المباشر الذي اخترعه توماس أديسون باختراعه ليحصل على مولد كهربائي يعمل بالطاقة البخارية.

• تطوير نظرية الكهرباء:

يُعتبر أندريه أمبير أحد رواد علم الكهرومغناطيسية، حيث قام بتطوير نظرية شاملة تفسر التفاعلات بين التيارات الكهربائية والمجالات المغناطيسية، واعترافًا بأهمية أعماله، تم تسمية وحدة قياس شدة التيار الكهربائي باسمه.

• قوانين الدارة الكهربائية:

في عام 1827م، نشر العالم الألماني جورج أوم مجموعة من النظريات الرياضية تحت عنوان “الدارة الكهربائية الجلفانية المُحَققة رياضياً”. ومن ثم أطلق على وحدة قياس مقاومة التيار الكهربائي اسم (أوم) نسبة لهذا العالم.

• اكتشاف توليد الطاقة الكهربائية:

في عام 1831م اكتشف العالم الانجليزي مايكل فاراداي أول طريقة لتوليد الطاقة الكهربائية، قام بتحريك ملف نحاسي داخل مجال مغناطيسي، مما أدى إلى تكون تيار قليل الشدة داخل الملف النحاسي. [1]

2- ماهي المجالات التي يستعمل بها الكهرباء؟

تعتبر الكهرباء قوة دافعة رئيسية في عالمنا اليوم، حيث أنها تغير طريقة عيشنا وتفاعلنا مع بيئتنا. من السيارات الكهربائية إلى الألواح الشمسية، تقدم الكهرباء حلولاً مبتكرة للتحديات البيئية والاقتصادية التي نواجهها.

• السيارات الكهربائية: السيارات الكهربائية هي رمز للتغيير الدائم في صناعة السيارات. وتوفر هذه المركبات بديلاً أنظف وأكثر استدامة للمركبات التي تعمل بالبنزين، مما يقلل من الانبعاثات، ويحسن جودة الهواء. تمثل هذه المركبات خطوة مهمة نحو تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري والمساعدة في ضمان مستقبل مستدام.
• الألواح الشمسية: تغير الألواح الشمسية قواعد اللعبة في عالم الطاقة. تقوم هذه الألواح بتحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء، مما يوفر مصدرًا مستدامًا للطاقة. تساعد الألواح الشمسية على تقليل بصمتنا الكربونية وتقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري.
• الطائرات الكهربائية: توفر هذه الطائرات رحلات أكثر هدوءًا وأقل انبعاثات، مما يساهم في صناعة طيران صديقة للبيئة.
• تخزين الطاقة الكهربائية: يعتبر تخزين الطاقة الكهربائية ضرورياً لضمان الطاقة المتجددة.
• تسخين المياه: تعمل سخانات المياه الكهربائية على تقليل استهلاك الطاقة وتوفر مياه ساخنة باستمرار.
• القطارات الكهربائية: القطارات الكهربائية هي خيار فعال وصديق للبيئة. تقلل هذه القطارات من انبعاثات الغازات الدفيئة، وتوفر سفرًا أسرع وأكثر موثوقية. [2]

3- مخاطر شدة التيار

• تأثير التيار الكهربائي على الجسم:

يتدفق التيار الكهربائي عبر الجسم، ويمكن أن يكون له تأثير سلبي، حتى التيارات المنخفضة من رتبة الميللي أمبير (mA).

• مخاطر الكهرباء على صحة الإنسان:
• الحروق: تُعد الحروق الجلدية الخارجية أو الداخلية من أكثر الآثار شيوعًا للصدمة الكهربائية.
• الساد العيني: يمكن أن يسبب التيار الكهربائي الذي يمر بالقرب من العين الساد، وقد لا يظهر إلا بعد فترة طويلة من الإصابة.
• الانقباض العضلي: يُسبب التيار الكهربائي انقباضًاعضليًا، وقد يتورم الطرف المصاب، وتنقطع عنه التروية الدموية في الحالات الشديدة.
• اضطراب عمل القلب: قد يؤدي التيار الكهربائي إلى اضطراب في عمل القلب، وربما توقفه في حالة الرجفان البطيني.
• شلل أو أذية في الجهاز التنفسي: يمكن أن يؤدي التيار الكهربائي إلى شلل أو أذية في الجهاز التنفسي.
• أذية في الدماغ والجهاز العصبي: يمكن أن تُسبب الصدمة الكهربائية التي تُصيب الرأس أذية في الدماغ والجهاز العصبي.
• العوامل التي تحدد شدة الإصابة بصدمة كهربائية:
• شدة التيار الكهربائي: كلما زادت شدة التيار الكهربائي، زادت مخاطر الإصابة، ويختلف مدى تأثير التيار العالي حسب العوامل المحيطة، ولكن بشكل عام، يمكن أن يشعر بتأثيره حتى على مسافة عدة أمتار من مصدره.
• نوع التيار: يُعد التيار المتناوب (التيار المنزلي) أكثر خطورة من التيار المستمر. يُسبب التيار المتناوب انقباضًا عضليًا مستمرًا يصعب التخلص منه، بينما يُسبب التيار المستمر تشنجًا عضليًا واحدًا قد يُبعد الشخص عن مصدر التيار.
• مسار التيار الكهربائي: يحدد مسار التيار الأنسجة التي ستتعرض للضرر. يمكن أن يمر التيار من الذراع إلى الذراع مروراً بالقلب، أو من الذراع إلى الساق، أو من الساق إلى الأرض. يُعد المسار الأكثر خطورة هو الذي يمر بين الساق والأرض.
• مدة التعرض للتيار الكهربائي: كلما زادت مدة التعرض للتيار الكهربائي، زادت شدة الإصابة.
• المقاومة للتيار الكهربائي: تُعد طبقة الجلد هي العامل الرئيسي في مقاومة التيار الكهربائي. كلما زادت سماكة الجلد، كانت الإصابة موضعية فقط وتقتصر على الحروق. [3]

4- معادلات شدة التيار

التيار الكهربائي هو تدفق الشحنة الكهربائية عبر موصل، وهو من أهم المفاهيم في الفيزياء والهندسة الكهربائية.

قوانين التيار الكهربائي:

• القانون الأول:

تعريف: يُعرف التيار الكهربائي بأنه كمية الشحنة الكهربائية التي تمر عبر مقطع موصل في وحدة الزمن.

الصيغة:

I = Q / t

حيث:

I: شدة التيار الكهربائي (بوحدة الأمبير).

Q: كمية الشحنة الكهربائية (بوحدة الكولوم).

t: الزمن (بوحدة الثانية).

• القانون الثاني:

تعريف: يُعرف التيار الكهربائي أيضًا بأنه حاصل ضرب عدد الجسيمات المشحونة لكل وحدة حجم في مساحة المقطع العرضي للموصل في الشحنة الموجودة في كل جسيم في سرعة الانسياق.

الصيغة:

I = n * A * q * v

حيث:

n: عدد الجسيمات المشحونة لكل وحدة حجم.

A: مساحة المقطع العرضي للموصل.

q: الشحنة الموجودة في كل جسيم.

v: سرعة الانسياق.

• القانون الثالث (قانون أوم):

تعريف: ينص قانون أوم على أن شدة التيار الكهربائي تتناسب طرديًا مع فرق الجهد الكهربائي وعكسياً مع المقاومة الكهربائية.

الصيغة:

I = V / R

حيث:

I: شدة التيار الكهربائي (بوحدة الأمبير).

V: فرق الجهد الكهربائي (بوحدة الفولت).

R: المقاومة الكهربائية (بوحدة الأوم).

• وحدة التيار الكهربائي:
• الأمبير (A): هي وحدة SI للتيار الكهربائي.
• تعريف الأمبير: هو تدفق الشحنة الكهربائية عبر سطح بمعدل كولوم واحد في الثانية.
• قياس التيار: يتم قياس التيار الكهربائي باستخدام جهاز يسمى مقياس التيار الكهربائي (الأميتر).
• تأثيرات التيار الكهربائي:
• التسخين: تنتج الطاقة الكهربائية حرارة جول، والتي تستخدم في المصابيح المتوهجة لإنتاج الضوء.
• المجالات المغناطيسية: تُخلق التيارات الكهربائية مجالات مغناطيسية تُستخدم في المحركات والمحطات والمولدات.
• حاملات الشحن:الجزيئات المشحونة: تُسمى الجزيئات المتحركة المشحونة في التيار الكهربائي بحاملات الشحن.
• الموصلات المعدنية: في المعادن، تكون إلكترونات التوصيل هي حاملات الشحن. [4]

وفي الختام يمكن القول أن الجهد العالي هو جزء لا يتجزأ من العديد من الأجهزة الكهربائية والإلكترونية. ومع ذلك، فإن الاستخدام غير السليم أو غير الصحيح للكهرباء يمكن أن يسبب صدمات كهربائية وحرائق وتلف المعدات. لذلك يجب توخي الحذر ومراعاة معايير السلامة الكهربائية.

• الكهرباء - هل تعلم؟ ما هو التيار الكهربي،وكيف تم اكتشافه؟ -بتصرف
• إميلي جرينفيلد، أفضل الأمثلة على استخدام الطاقة الكهربائية ما هي المجالات التي يستعمل بها الكهرباء؟ -بتصرف
• مخاطر الكهرباء وتأثيرها على الإنسان والوقاية منهامخاطر شدة التيار -بتصرف
• ريهام عبد الناصر، قوانين شدة التيار الكهربائيمعادلات شدة التيار -بتصرف

مشاركة المقال