محتويات
  • تعريف التيار الكهربائي
  • مكونات التيار الكهربائي
  • انواع التيار الكهربائي
    • التيار المباشر (DC )
    • التيار المتردد (AC)

  • سبب اطلاق مصطلح التيار الكهربائي على الشحنات الكهربية


تعريف التيار الكهربائي
يعتبر المصطلح الأساسي للتيار الكهربائي هو تدفق الشحنة الكهربائية، وحاملات الشحنة الكهربائية الشائعة هي الإلكترونات ، ولكنها يمكن أن تكون أيضًا أيونات كما في حالة البطاريات الكيميائية، لفهم كيفية عمل التيار الكهربائي ، دعونا ننظر إلى تدفق الماء على أنه تشبيه؛
ضع في اعتبارك حاوية طويلة مزودة بصنبور في الأسفل، وعندما تملأ الحاوية بالماء وتفتح الصنبور ، انظر إلى تدفق الماء، سترى ان كمية المياه المتدفقة عبر الصنبور تعتمد على عدة عوامل، وهذه العوامل هي كما يلي:
  • يعتمد ذلك على مقدار فتح الصنبور، حيث يسمح الصنبور المفتوح بالكامل بتدفق المزيد من المياه لأنه يوفر مقاومة أقل ، بينما يتيح الصنبور نصف المفتوح تدفقًا أقل للمياه نظرًا لأنه يتمتع بمقاومة لتدفق المياه ، وذلك لأن الفتحة صغيرة.
  • ويعتمد أيضًا على حجم الماء الموجود في الحاوية لأن هذا يطبق ضغطًا، لذلك إذا كان الحجم أكبر ، فإن مقدار الضغط سيزداد في نفس الوقت، ومن ثم سيزداد تدفق المياه. ومن الناحية الاخرى ، مع انخفاض حجم الماء ، سيقل تدفق الماء أيضًا.

مكونات التيار الكهربائي
تحتوي المعادن التي تتكون من الأسلاك الكهربائية وغيرها من المعدات الإلكترونية مثل النحاس والذهب والألمنيوم على العديد من الإلكترونات الحرة المسؤولة عن غالبية تدفق التيار ولكن في بعض أشباه الموصلات ، اعتمادًا على نوع المنشطات المستخدمة ، يمكن أن تكون هناك ناقلات شحنة موجبة تتدفق في الاتجاه المعاكس لاتجاه الإلكترونات، وفي حالات أخرى ، يمكن أن توجد أيونات موجبة وإلكترونات سالبة في نفس الوقت كما في البطارية الكيميائية، لذلك سيكون هناك ارتباك في اتجاه تدفق التيار، ومن أجل هذا تم تقديم اتفاقية لتدفق التيار تنص على أن اتجاه تدفق التيار دائما في الاتجاه الإيجابي ، أي عكس اتجاه تدفق الإلكترونات ، بالاضافة الى وحدة قياس شدة التيار.
فوحدة قياس شدة التيار الكهربائي في النظام الدولي هي ، الأمبير (Ampere) ، ويرمز لها بالرمز (A) ، وهي عبارة عن كمية التيار عندما يكون هناك تدفق 1 كولوم من الشحنة يمر عبر مقطع عرضي في ثانية واحدة، وفيما يلي نوعان مختلفان من التيار المستخدم على نطاق واسع اليوم؛[1]
انواع التيار الكهربائي
قبل سبعينيات القرن التاسع عشر ، كان الناس يعتمدون على مصابيح الغاز أو الشموع أو الفوانيس لإضاءة محيطهم في الليل، كما كانت هناك تطورات في البطاريات الأولية والإضاءة الكهربائية ، ولكن لا يوجد شيء عملي بما يكفي للاستخدام اليومي، ولكن تغير كل ذلك عندما اخترع توماس إديسون المصباح الكهربائي المتوهج والذي كان أكثر موثوقية بكثير من أي شيء حدث من قبل.
المصابيح الكهربائية ، كانت الفرصة لتزويد المنازل بالطاقة وحتى مدن بأكملها ، وكان إديسون يراقب اختراعه، حيث كانت تعمل مصابيحه على التيار المباشر ، التي تنتجها محطات توليد الطاقة المعروفة باسم الدينامو التي تستخدم المحركات البخارية لتوليد الكهرباء، وقاد المخترع تنفيذ العديد من محطات توليد التيار المباشر بنفسه حيث تم التعرف على كيف يتم حساب شدة التيار الكهربائي ، ومن بعدها كانت المصابيح الكهربائية في المنازل والشركات بمثابة الوحي.
لكن استخدام الكهرباء بالتيار المستمر جاء مع سلبياته، حيث جاءت الطاقة مباشرة من منشأة التوليد عند 110 فولت ، وكان بإمكانها السفر لمسافة ميل واحد أو نحو ذلك قبل أن تفقد الكثير من الجهد، وهذا يعني استخدام الكثير من العقارات القيمة في المدن لبناء محطات توليد الطاقة ، في حين ستترك المجتمعات الريفية خارج ثورة الطاقة تمامًا، ولكن كان لدى أحد موظفي إديسون ، وهو شاب يدعى نيكولاي تيسلا ، فكرة لمعالجة بعض سلبيات التيار المباشر ومعرفة قوانين شدة التيار الكهربائي بشكل اوضح، حيث اخترع تسلا محركًا يولد تيارًا متناوبًا، يتم إنتاج التيار المتردد بواسطته ، بشكل مناسب وبدرجة كافية ، وذلك باستخدام مولد التيار المتردد الذي يدور مغناطيسًا داخل ملف سلكي ، مما ينتج عنه كهرباء ذات قطبية معكوسة باستمرار حيث يتفاعل السلك مع جوانب بديلة من المجال المغناطيس.
وبعيدًا عن الشكل الجديد للكهرباء نفسها ، كان المفتاح لفكرة تسلا هو المحولات ، أو الملفات ذات الأحجام المختلفة لتعديل جهد الكهرباء، بفضل قوة المحولات ، أصبح التيار المتردد مفيدًا للتوليد والتوزيع على نطاق واسع ، لأنه كلما زاد الجهد ، زادت كفاءة النقل، وايضا تعد خطوط الجهد العالي خطيرة للغاية بحيث لا يمكن إدخالها إلى المبنى ، كما لا يمكن تغيير جهد التيار المباشر بسهولة ، لذلك ثبت أنه أقل فائدة بكثير لعمليات التوسع ، حيث يُترك لك خيار إما الإرسال بجهد منخفض أو غير فعال ، أو إرسال مستويات عالية بشكل خطير من الفولت إلى منازل الناس، ولكن من خلال المحول يمكن تقليل الجهد إلى مستويات أكثر أمانًا مع اقترابها من وجهتها النهائية للمنازل والمكاتب.
ومن هنا تم ايجاد نوعان أساسيان من التيار الكهربائي يعتمدان على كيفية تدفقهما، وهما التيار المباشر ، ويرمز له في الفيزياء ب DC ، والتيار المتردد ، ورمزه AC ، وسمي بالمباشر حيث تتدفق الإلكترونات في اتجاه واحد، كما تخلق البطاريات تيارًا مباشرًا لأن الإلكترونات تتدفق دائمًا من الجانب “السالب” إلى الجانب “الموجب” في خط واحد.[2]
التيار المباشر (DC )
في هذا النوع ، يتدفق التيار في اتجاه واحد فقط ، وتتمثل مزايا هذا النوع من التيار في أنه من السهل جدًا تخزينه لأن جميع أنواع البطاريات تقريبًا تستخدم التيار المباشر ، ومعظم الإلكترونيات تستخدم التيار المباشر ، وأجهزة الكمبيوتر ، والهواتف ، والأقمار الصناعية كلها تعمل ايضا بواسطة هذا التيار.
التيار المتردد (AC)
في هذا النوع ، يغير التيار اتجاهه ، حيث يكون التيار المتردد وكأنه موجة جيبية ، مما يعني أن التيار يتدفق ذهابًا وإيابًا ، كما يتغير التيار المنزلي لدينا 50 مرة في الثانية ، وبالتالي يمكنك رؤية 50 هرتز مكتوبة على معظم معداتنا الكهربائية ، حيث يتم قياس شدة التيار بواسطة جهاز الاميتر.
سبب اطلاق مصطلح التيار الكهربائي على الشحنات الكهربية
عندما تسمع كلمة “تيار” ، ما الذي يجعلك تفكر فيه، ربما تدفق المياه في النهر، هذا ارتباط جيد ، لأن هذا هو بالضبط سبب تسمية التيار الكهربائي باسمه، فالتيار الكهربائي مشابه جدًا لتيار الماء ، فقط ، بدلاً من أن تتحرك جزيئات الماء في النهر ، تتحرك الجسيمات المشحونة إلى أسفل الموصل.
التيار هو تدفق الجسيمات المشحونة عبر وسيط موصل ، مثل السلك، وعندما نتحدث عن الكهرباء ، فإن الجسيمات المشحونة التي نشير إليها هي في الغالب إلكترونات، كما ترى ، تحتوي الذرات الموجودة في مادة موصلة على الكثير من الإلكترونات الحرة التي تطفو من ذرة إلى ذرة وفي كل مكان بينهما، حركة هذه الإلكترونات عشوائية ، لذلك لا يوجد تدفق في أي اتجاه معين، ومع ذلك ، عندما نطبق جهدًا على الموصل ، فإن جميع الإلكترونات الحرة ستتحرك في نفس الاتجاه ، مما يخلق تيارًا.
الشيء المثير للفضول بشأن التيار الكهربائي هو أنه بينما تنتقل الطاقة الكهربائية عبر الموصل بسرعة الضوء تقريبًا ، فان الإلكترونات نفسها تتحرك بشكل أبطأ بكثير، في الواقع ، إذا كنت ستمشي على مهل بجانب سلك حمل تيار ، فستسافر أسرع من الإلكترونات بأكثر من 100 مرة.