الخصائص الفيزيائية للتيار الكهربائي

هل بإمكاننا تصور الحياة دون وجود التيار الكهربائي؟ هل يمكن أن تسير حياتنا بدون كهرباء؟ بالطبع لا، إذ يعتبر التيار الكهربائي عنصراً أساسياً في حياتنا اليومية، ولذلك من المهم أن نبحث في الخصائص الفيزيائية له. في هذا المقال، سنستعرض بعض الخصائص الفيزيائية للتيار الكهربائي.

ما هو التيار الكهربائي؟

التيار الكهربائي هو جوهر الكهرباء وركيزة الدائرة الكهربائية، حيث يعتمد تشغيل الدائرة عليه. إليكم بعض المعلومات الأساسية عن التيار الكهربائي:

• يعتبر العنصر الرئيسي لتشغيل جميع الأجهزة الكهربائية مثل الكمبيوتر، الغسالة، الهاتف، والثلاجات وغيرها من الأجهزة.
• يمثل سريان الشحنة الكهربائية ضمن دائرة كهربائية معينة.
• تُعبر وحدة قياس التيار الكهربائي عن الكولوم لكل ثانية، والمعروفة أيضًا بالأمبير، ويرمز لها بالحرف I.
• يمكن أن يُفهم التيار الكهربائي بمعنى أوسع كمتوسط سريان الإلكترونات الكهربائية عبر موصل.
  • الإلكترونات هي جسيمات سالبة الشحنة تدخل في تركيب المواد، وتجري حمايتها داخل جزيئات تلك المواد.
  • كما أنه من الممكن أن تبقى تلك الإلكترونات ثابتة في مكانها.
• لكي يتدفق التيار الكهربائي، يجب أن تتحرك الإلكترونات بشكل منتظم في اتجاه واحد، وذلك بفعل القوة الدافعة الكهربائية.
• تُقاس القوة الدافعة الكهربائية بوحدة الفولت.

الخصائص الفيزيائية للتيار الكهربائي

تتميز الخصائص الفيزيائية للتيار الكهربائي بأهمية كبيرة، لذا يجب التعرف عليها، ومن بين هذه الخصائص:

• لكي يتدفق التيار الكهربائي في الدائرة، يجب أن يتجه سريان الإلكترونات في اتجاه واحد، كما سبق ذكره.
  • لتحقيق ذلك، يلزم توفر شغل، وهذا يسمى بالطاقة الكهربائية، كتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية.
• يتدفق التيار الكهربائي في اتجاه واحد، ويستخدم خاصة في الأجهزة ذات الجهد المنخفض مثل البطاريات.
  • يوجد نوع آخر يسمى التيار المتردد، والذي يعرف بأنه يتحرك في اتجاهين.
• شدة التيار الكهربائي تقاس بالأمبير، حيث يمثل كل أمبير واحد كولوم في الثانية.
• يمتلك التيار الكهربائي اتجاهًا محددًا، حيث يُشار إلى سريان التيار في الدائرة من الطرف الموجب إلى الطرف السالب.
• لكي يحدث تدفق التيار، يجب أن تتوفر عدة شروط، منها وجود فرق جهد بين طرفي التيار مما يعني وجود فوارق بين نقطتين تنتجان الإلكترونات.
  • عندما يُتاح هذا الشرط، تقوم النقطة التي تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات بدفع تلك الإلكترونات إلى النقطة الأقل.
• بعد أن اكتشف العلماء أن نسبة الإلكترونات متشابهة، قاموا بتطوير أدوات لتخزين الإلكترونات، مثل البطاريات، مما يتيح تكوين فرق جهد وتدفق تيار كهربائي بكفاءة.
• المقاومة الكهربائية هي الشرط الثاني الضروري لتدفق التيار، حيث تحدد المقاومة المسار الذي تسير فيه الإلكترونات.
  • هناك مواد تسمح بانتقال الإلكترونات وتعرف بالموصلات، وأخرى تمنع ذلك وتسمى بالعوازل.

أمثلة على الخصائص الفيزيائية للتيار الكهربائي

إليكم بعض الأمثلة التي تُظهر الخصائص الفيزيائية للتيار الكهربائي:

• احسب شدة التيار إذا مرت كمية من الكهرباء تبلغ 5400 كولوم خلال سلك لمدة 5 دقائق. الإجابة: شدة التيار = 5400 / (60 * 5) = 18A.
• احسب الزمن اللازم لمرور شحنة كهربائية تعادل 60 كولوم، خلال سلك شدة تياره 0.25 A. الإجابة: الزمن = 60 / 0.25 = 240 ث.
• احسب كمية الكهرباء التي تمر في سخان كهربائي إذا كانت الطاقة الحرارية 45000 وفرق الجهد 225 فولت. الإجابة: كمية الكهرباء = 45000 / 225 = 200 ك.

أنواع التيار الكهربائي

يتكون التيار الكهربائي من تدفق جسيمات مشحونة، وهو يُقسم إلى نوعين رئيسيين:

• تيار كهربائي مستمر: يتدفق هذا النوع من التيار في اتجاه واحد، من الطرف الموجب إلى الطرف السالب، دون تغير في الشدة.
  • يستخدم في الإلكترونيات الرقمية.
  • يرمز لهذا النوع عادةً بـ DC، ويعرف أيضًا بالتيار المستمر أو المباشر.
• التيار الكهربائي المتردد: يتدفق في عدة اتجاهات، ويتغير في اتجاهه كل خمسين مرة في الثانية، مما يعني أن الشدة ليست ثابتة.
  • تستمر هذه العملية حتى تصل نسبة التيار المتردد من الصفر إلى أقصى قيمة ثم تعود إلى الصفر في اتجاه واحد، مع تكرار هذه الدورة في الاتجاه المعاكس.
  • تظهر هذه الحركة على الرسم البياني كذروة، مما يجعل الشكل قریبًا للموجة، وبالتالي يُعرف بموجة الجيب.
• يرمز لهذا النوع بـ AC، ويعرف إما بالتيار المتردد أو المتناوب.

مميزات التيار الكهربائي المستمر

يمتلك التيار المستمر مزايا متعددة، من بينها:

• يستخدم على نطاق واسع في تطبيقات متعددة، حيث تعتمد العديد من الأجهزة على هذا النوع من التيار.
• يطبق في نظم الطاقة الشمسية.
• يساهم في تشغيل الخلايا الكهروضوئية وجميع التطبيقات غير المتصلة بالشبكة.
• يتميز بعدم تغيير قطبيته، مما يعني أن الطرف الموجب يبقى إيجابيًا والسالب يبقى سالبًا.
• يمكن تحويل التيار المتردد إلى مستمر باستخدام دوائر مستعرضة، حيث يظل ذات المغناطيسية ثابتة خلال تدفقه.
• التردد يكون دائمًا صفر.
• موجة التيار المستمر تأخذ شكلًا ثابتًا.

خصائص ومميزات التيار الكهربائي المتردد

التيار المتردد له مجموعة من الخصائص والمميزات، منها:

• يمكن رصد اتجاه تدفق الإلكترونات، حيث يتغير التردد مع الزمن.
• يستخدم تيار متردد كمعيار في مختلف التطبيقات.
• تتراوح قيمة معامل القوة للتيار المتردد بين صفر وواحد.
• يعتبر فعالًا في نقل الطاقة على مسافات طويلة.
• أثناء توزيع الطاقة الكهربائية، يتم استهلاك كمية أقل منها.
• يمتاز بكلفته المنخفضة مقارنة بالتيار المستمر.
• يحتوي التيار المتردد على أنواع متعددة مثل التيار المتردد المنشاري والجيبي، بالإضافة إلى الرباعي والمثلثي، وهذا ما يجهله الكثير.

الأجهزة في المنازل

لا يخلو أي منزل من الأجهزة الكهربائية، مما يستدعي فهم كيفية تدفق التيار في تلك الأجهزة. إليكم بعض النقاط المتعلقة بذلك:

• التيار الكهربائي المار في الأجهزة المنزلية مثل التلفزيون أو الكمبيوتر هو تيار متردد (AC).
• يتطلب تشغيل هذه الأجهزة تيارًا متقطعًا، بينما تنتج الخلايا الشمسية تيارًا مستمرًا، مما يقتضي وجود نظام لتحويل التيار المستمر إلى متردد.
• استمر العلماء في البحث حتى توصلوا إلى اختراع الانفيرتر أو ما يُعرف باسم العاكس.