تعريف التيار الكهربائي ومكوناته – 2 أنواع (AC) (DC) 

تنطلق قوانين الطبيعة في عالم الفيزياء لتكشف لنا عن سر تحرك الشحنات الكهربائية. إنها الظاهرة المُلهمة التي تُعرف بـ “التيار الكهربائي” (Electrical Current). رغم بساطة تلك الفكرة، تكمن تفاصيلها الفيزيائية الرهيبة التي تظهر في تفاعلات ذرية دقيقة. دعونا نستكشف سويًا هذا العالم المُثير وراء التيار الكهربائي وكيف ينسجم بتفاصيله مع تكنولوجيا حياتنا اليومية.

تعريف التيار الكهربائي

– ما هو تعريف التيار الكهربائي وماهي انواعه؟
التيار الكهربائي عبارة عن شحنات كهربائية تتدفق عبر مادة موصلة مثلل الأسلاك أو الكابلات أو الدوائر.
يمكن أن تكون هذه الشحنات على شكل إلكترونات أو بروتونات أو أيونات، وحركتها تخلق تدفقًا للطاقة الكهربائية في الدائرة. ومن المهم أن نلاحظ أن التيار لا يحمل الشحنة نفسها، بل الطاقة المرتبطة بحركة تلك الشحنات.

من الضروري فهم مفهوم التيار الكهربائي الذي يعد إحدى القوى الأساسية التي تمد عالمنا الحديث بالطاقة. للتعمق أكثر تابع معنا القراءة!

– ما هو رمز ووحدة قياس التيار الكهربائي؟
يتم تمثيل رمز التيار الكهربائي بالحرف (I) نسبة لكلمة (Intensité) باللغة الفرنسية أو (Current intensity) بالانجليزية. الجهاز الذي يقيس التيار الكهربائي هو الأميتر (Ammeter).

وحدة قياس التيار الكهربائي تسمى الأمبير (A). الامبير هي وحدة من النظام الدولي للوحدات (SI) ويمثل كمية الشحنة الكهربائية التي تمر عبر مقطع عرضي للموصل في ثانية واحدة. رياضياً، الواحد امبير يساوي واحد كولوم في الثانية، ويعادل تدفق حوالي (10^18 × 6.242) شحنات كهربائية في ثانية. سُميت هذه الوحدة تكريمًا لعالم الفيزياء الفرنسي أندريه ماري أمبير، الذي قدم مساهمات كبيرة في فهم المغناطيسية والديناميكا الكهربائية في القرن التاسع عشر.

– من اين ينتج التيار الكهربائي؟
يتم إنتاج التيار الكهربائي وتوليده على نطاق واسع بواسطة مولدات كهربائية تقوم بتحويل أشكال مختلفة من الطاقة إلى تيار كهرباء، غالبًا من خلال توربينات تعمل بمصادر مثل الغاز والطاقة الكهرومائية والطاقة الشمسية والكهرومغناطيسية. كما تستخدم الخلايا والبطاريات التفاعلات الكيميائية لتوليد التيار. ويتم توزيع طرق الإنتاج هذه بناءً على الموارد واحتياجات الطاقة لكل منطقة.

– كيف يتدفق التيار الكهربائي؟
يتدفق التيار الكهربائي في دائرة أو سلك معدني بسبب الحركة الموجهة للإلكترونات الحرة عبر المادة. عندما يتم تطبيق فرق الجهد، والذي يسمى أيضًا الجهد، على طرفي السلك، تتحرك الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب. تبدأ هذه الحركة بواسطة التيار المستمر الذي يوفره مصدر الجهد، مثل الخلية أو البطارية. ولا تنتقل الإلكترونات مباشرة المسافة الكاملة بين الأطراف، بل تقوم بحركات متتالية قصيرة المسافة نسبة إلى الذرات المجاورة لها. ومع كل حركة تنتقل طاقة الإلكترون إلى إلكترون الذرة الجديدة، مما يؤدي إلى حركته نحو ذرة أخرى. تتكرر هذه العملية، والتي تؤدي إلى تدفق مستمر للتيار الكهربائي عبر سلك ناقل.

أنواع التيار الكهربائي

أولا، يجب أن نعلم أن اتجاه التيار يعتمد على نوع التيار المستخدم. هناك نوعين رئيسيين للتيار الكهربائي، واللذان يشكلان ركائز البنية التحتية للطاقة في العالم:

التيار الكهربائي المستمر (مباشر)

التيار المباشر (Direct current)، والذي يُختصر بـ (DC)، هو تدفق مستمر للشحنات الكهربائية في اتجاه واحد. في دائرة التيار المباشر، تنتقل الالكترونات من الطرف الموجب إلى الطرف السالب عبر الموصلات أو العوازل، مما يخلق سريان وتدفق كهربائي ثابت ومستقر.

– تطبيقات عملية:

• تشغيل الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر.
• تشغيل بطاريات المركبات سواء السيارات الكهربائية أو العادية.
• لاستخدام في عمليات صناعية محددة تتطلب تدفقًا كهربائيًا ثابتًا.

التيار المتغير (متردد)

التيار المتردد، (AC) اختصارا للمصطلح (Alternating Current)، هو تيار يسري بشكل دوري والذي يعكس اتجاهه باستمرار. يحدث هذا التناوب عند تردد محدد، ويُقاس عادةً بوحدة الهرتز (Hz)، ويمثل عدد الدورات الكاملة التي يكملها التيار في ثانية. في الممارسة العملية، التردد القياسي للتيار المتردد هو 50 أو 60 هرتز.

– تطبيقات:

• إمدادات الطاقة في البنايات السكنية والتجارية.
• محطات توليد الطاقة وأنظمة نقل وتوزيع الكهرباء لمسافات طويلة.
• تشغيل مختلف الأجهزة المنزلية والصناعية نظراً لسهولة تحويل الجهد.

مكونات التيار الكهربائي

المكونات الأساسية للتيار الكهربائي التي سنذكرها الآن، ما هي إلا نتيجة لحركة الشحنات الكهربائية عبر موصل مثل السلك أو تدفقها في الدوائر الكهربائية، تابع القراءة لفهم هذه القوة الديناميكية بعمق!

أ) ناقلات الشحنة

1- الإلكترونات
الإلكترونات هي حاملات الشحنة السالبة في الموصل. عندما يتم تطبيق فرق الجهد على الدائرة، تنتقل الالكترونات من الطرف السالب (الكاثود) إلى الطرف الموجب (الأنود)، مما يُؤدي إلى توليد تيار كهربائي. في معظم الموصلات، وخاصة المعادن، تلعب الإلكترونات الدور الأساسي كحاملات للشحنة.

2- البروتونات
على الرغم من أنها أقل قدرة على الحركة من الإلكترونات، إلا أن البروتونات، التي تحمل شحنة موجبة في نواة الذرة، يمكن أن تساهم إلى حد ما في التيار الكهربائي. ومع ذلك، في معظم المواد الموصلة، تََكون حركة البروتونات ضئيلة مقارنة بحركة الإلكترونات.

3- الأيونات
في المحاليل الأيونية أو الشوارد، تصبح الأيونات حاملات شحنة أساسية نتيجة فقدان أو اكتساب إلكترون. تتحرك الكاتيونات (الشحنات الموجبة) نحو الكاثود، بينما تتحرك الأنيونات (الشحنات السالبة) نحو القطب الموجب، مما يساهم في التيار الكهربائي.

ب) الموصلات الكهربائية

1- المعادن
تعتبر المعادن ناقلات كهربائية ممتازة بسبب وجود الإلكترونات الحرة في تركيبها الذري. ويمكن لهذه الإلكترونات الحرة أن تتحرك بسهولة تحت تأثير فرق الجهد، مما يسهل تدفق التيار الكهربائي. تستخدم المعادن مثل النحاس والألومنيوم على نطاق واسع في الكابلات الموصلة.

2- أشباه الموصلات
تتمتع أشباه الموصلات، مثل السيليكون والجرمانيوم، بموصلية كهربائية متوسطة بين تلك الخاصة بالمعادن والعوازل. يمكن تعديل موصلية أشباه الموصلات عن طريق إضافة بعض الشوائب، مما يسمح بالتحكم الدقيق في التيار الكهربائي. تعتبر أشباه الموصلات ضرورية في صناعة الإلكترونيات لتصنيع مكونات مثل الترانزستورات.

3- العوازل
العوازل هي مواد ذات موصلية كهربائية منخفضة. لا يمكن للإلكترونات الموجودة في العوازل أن تتحرك بحرية كما هو الحال في المعادن. الزجاج والمطاط والبلاستيك هي أمثلة على العوازل المستخدمة لمنع تسرب التيار الكهربائي.

خصائص التيار الكهربائي

تحدد هذه الخصائص التالية سلوك التيار الكهربائي في الدائرة وهي أساسية لتصميم وتحليل واستخدام الأنظمة الكهربائية:

شدة التيار

– تمثل شدة التيار الكهربائي (I)، المُقاسة بالأمبير (A)، مقدار الشحنة الكهربائية التي تمر عبر مقطع عرضي للموصل لكل وحدة زمنية (T) والتي تقاس بوحدة الثانية.

– يمكن قِياس الشدة باستخدام جهاز الكلامب أمبير (Clamp Amp)، ويمكن أن تكون ثابتة في دائرة تيار مباشر أو تختلف بشكل دوري في دائرة تيار متردد. 

– عند وجود عدة مصادر تيار في الدائرة، فإن الشدة الإجمالية هي المجموع الجبري للشدات الفردية، مع مراعاة الاتجاه والإشارة.

– يعتبر التيار متغيرًا حاسمًا في تصميم الدوائر الإلكترونية، حيث تؤثر المكونات مثل المقاومات والمكثفات والمحاثات على كيفية انتشار التيار وشدته، مما يؤثر على تصميم وتشغيل وسلامة الأنظمة الكهربائية.

الجهد الكهربي (Voltage)

يشير جهد التيار المقاس بوحدة (فولت – V) إلى فرﻕ الجهد الكهربائي بين نقطتين في الدائرة. هي القوة الدافعة الرئيسية وراء حركة الشحنات الكهربائية عبر الموصل. يتم تحديد العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة بواسطة قانون أوم.

– صيغة قانون أوم يمكن تعبيرها بالشكل التالي:

حيث:

• ( I ) هو التيار الكهربائي (بوحدة الأمبير).
• ( V ) هو فرق الجهد بين طرفي الدائرة (بوحدة الفولت).
• ( R ) هو المقاومة الكهربائية في الدائرة (بوحدة الأوم).

قانون التيار الكهربائي هو قاعدة في الفيزياء الكهربائية تصف كيفية تدفق التيار الكهربائي في دائرة كهربائية. بمعنى آخر، التيار الكهربائي يتناسب مع فرق الجهد ويعكس التناسب العكسي مع المقاومة. هذا يعني أنه كلما ارتفعت فرق الجهد أو انخفضت المقاومة، زاد التيار الكهربي، وعكس ذلك أيضا صحيح.

المقاومة

المقاومة (R) هي خاصية كهربائية تقيس المقاومة تدفق التيار الكهربائي في الموصل. يتم قياسه بالأوم (Ω)، ويتم تحديد العلاقة بين الجهد وَالتيار والمُقاومة بواسطة قانون أوم ، الذي ينص على أن الجهد (V) عبر الموصل يساوي المنتج التيار (I) والمقاومة.

الطاقة (Power)

تمثل الطاقة الكهربائية المُقاسة بالواط (W)، كمية الطاقة المنقولة أو المحولة لكل وحدة زمنية بواسطة جهاز كهربائي،  حيث أن (1 W = 1 J / s) في دوائر التيار المستمر. يمكن حساب الطاقة عن طريق ضرب الجهد بالتيار (P = V × I). تلعب دورًا مركزيًا في تصميم الأنظمة الكهربائية وتحسينها.

– ما هي العوامل التي يعتمد عليها التيار الكهربائي؟
العوامل التي يعتمد عليها مقدار التيار المار في موصل ما:

• شحنة الالكترون (وحدة كولوم)
  تبلغ قيمة الشحنة الأولية للإلكترون تقريبًا:

 (10⁻¹⁹ × 1.602)

يرتبط التيار الكهربائي (I) ارتباطًا مباشرًا بكمية الشحنة (Q) التي تمر عبر مقطع عرضي للموصل بمرور الوقت (T). كلما زاد الحمل، كلما زاد التيار لمدة معينة، وتقاس بالعلاقة التالية:

• الموصل
  – المساحة: تؤثر مساحة المقطع العرضي للموصل على قدرته على حمل الأحمال. الموصل ذو المقطع العرضي الأكبر يوفر مقاومة أقل لتدفق التيار، مما يسمح بتدفق أكبر.
  – الطول: يعد طول الموصل عاملاً مهمًا أيضًا. يوفر الطول الأكبر مقاومة أكبر، مما قد يقلل التيار عند جهد معين.
  – درجة الحرارة: يمكن أن تؤثر درجة الحراره على مقاومة الموصل. بشكل عام، تزداد مقاومة الموصل مع ارتفاع درجة الحرارة.

• عدد الالكترونات
  تعد كثافة الإلكترونات الحرة لكل وحدة الحجوم (إلكترون لكل متر مكعب) في المادة الموصلة أمرًا بالغ الأهمية. كلما زاد عَدد الالكترونات الحرة لكل وحدة حجم، كلما كانت المادة أكثر موصلية، وبالتالي تعزيز تَيار أكبر.

• سرعة الانسياق
  وهي متوسط سرعة الالكترونات الحرة في الموصل عند توصيل طرفيه بفرق جهْد. على الرغم من أن هذه السرعة الانسياقية منخفضة جدًا بشكل عام، إلا أنها تؤثر على إجمالي كمية الشحنة التي تمر عبر الموصل خلال فترة زمنية معينة.

اتجاه التيار الكهربائي

– ما الفرق بين الاتجاه الفعلي للتيار والتيار التقليدي؟
يكمن الفرق بين التيار التقليدي والاتجاه الفعلي للتيار في اتفاقية التوجيه المستخدم لوصف حركة التيار في دارة كهربائية. يفترض التيار التقليدي، استنادًا إلى الاتفاقيات التي تم إنشاؤها قبل فهم مفصل لحاملات الحمل ، أن التيار ينتقل من القطب الإيجابي إلى القطب السلبي. من ناحية أخرى ، يأخذ الاتجاه الحقيقي للتيار في الاعتبار الحركة الحقيقية للإلكترونات ، بدءًا من القطب السلبي إلى القطب الإيجابي.

• ملاحظات
  – على الرغم من أن هذا الاختلاف لا يؤثر على دقة الحسابات في الدوائر ، إلا أنه يؤكد على أهمية فهم الاتفاقية المستخدمة في سياق معين.
  – على الرغم من أن الاتجاه الحقيقي يعكس الحركة الحقيقية للإلكترونات ، إلا أن الاتفاقية التقليدية لا تزال قائمة في الأنماط الكهربائية والتدوين.

– أهمية فهم اتجاه التيار في الدوائر
إن فهم اتجاه التيار في الدوائر له أهمية أساسية لعدة أسباب في مجال الكهرباء والإلكترونيات:

• التحليل الصحيح للدوائر وتصميمها لضمان الأداء المناسب.
• تفسير المخططات الكهربائية، في المواقف التي يمكن أن يتأثر فيها اتجاه التيار.
• اتجاه المكونات مثل الثنائيات والترانزستورات، لها سلوكيات محددة اعتمادًا على اتجاه التيار.
• الفهم غير صحيح للاتجاه يزيد من خطر الحوادث الكهربائية.
• سهولة التواصل بين الاستاذ والطلبة داخل الفصل وحتى بين المهندسين.
• التوافق مع معايير الصناعة الدولية.

انقطاع التيار الكهربائي

عندما يَحدث انقطاع التيار الكهربائي، ينقطع تدفق الكهرباء في الدائرة الكهربائية، مما يؤدي إلى توقف تحرك الشحنات الكهربائية في الموصلات. يعتبر هذا الانقطاع نتيجة لاضطراب في توزيع الطاقة الكهربائية، وقد يحدث بِسبب أعطال في الشبكات الكهربائية أو ظروف طارئة كالعواصف الرعدية أو الكوارث الطبيعية. من الناحية الفيزيائية، يعبر انقطاع التيار عن انقطاع في تدفق الإلكترونات التي تشكل التيار الكهربي. يترتب على هذا التوقف تأثيرات في الدوائر والأجهزة الكهربائية، حيث يفقد النظام القدرة على توفير الطاقة الضرورية لتشغيله.

السلامة الكهربائية

في عالم مليء بالتقنيات الكهربائية المتقدمة، تبرز قضية السلامه الكهربائية كمسألة لا غنى عن التنويه بها. تعتبر الصدمة الكهربائية من بين أخطر المخاطر التي يمكن أن يواجهها الفرد عندما يتعامل مع التيار الكهربائي في المنزل أو أي مكان آخر، ففي لحظة يمكن أن تنقلب الراحة إلى خطر حقيقي. يعتمد تأثير الصدمة الكهربائية على عوامل متعددة، بما في ذلك قوة التيار والطبيعة الفيزيائية للملامسة، وحالة البشرة المتعرضة، ومسار الكهرباء عبر الجسم، والجهد الكهربائي لمصدر التيار.

إن مستوى التيار العالي يمكن أن يتسبب في إلحاق حروق خطيرة أو حتى يشكل تهديدًا للقلب. لذا، يجب أن يكون الحذر واجبًا عند التعامل مع الكهرباء، حيث تكمن أهمية الوعي بقواعد السلامة الكهربائية واتخاذ التدابير الوقائية الملائمة. في عالم ينعدم فيه الغموض حول تأثير الكهرباء، يظل الوعي والتدابير الوقائية هما الدرع الأمثل للحفاظ على سلامتنا وسلامة من حولنا من هذا الخطر.

خاتمة

في نهاية هذه المقالة المُثيرة حول التيار الكهربائي، نجد أنفسنا وقد فهمنا مكونات الشحنات الكهربائية وتدفقها المتواصل في موصل الدائرة. إن استنتاجنا ينغمس في تفاصيل دقيقة، حيث يُظهر لنا هذا التيار العجيب كيف ينتج الطاقة اللازمة عبر الأسلاك والدوائر. كل شحنة تروي قصة فيزيائية، وكل تيار يحمل معه أسرار عالم الكهرباء. نتمنى أن نكون قد قدمنا لك الافادة اللازمة، ولا تنسى مشاركتنا بأفكارك!