اسس الهندسة الكهربية والالكترونية
اسس الهندسة الكهربية والالكترونيةالجزء الاول : التيار المستمر DC
1- المفاهيم الاساسية للكهرباء
اولا :الكهرباء الساكنة ( الاستاتيكية )
اكتشف منذ قرون مضت ان هناك انواع معينة من المواد ولسبب مجهول – حينها – تنجذب الى بعضها البعض بعد دلكهما ( فركهما ) معا .على سبيل المثال : عند دلك قطعة من الحرير بقطعة من الزجاج فان الحرير والزجاج يميلان الى الالتصاق ببعضهما . وقوة التجاذب ممكن ان تظهر حتى اذا فصلنا ( ابعدنا ) المادتين عن بعضهما ( شكل رقم 1 ).
الزجاح والحرير ليستا المادتان الوحيدتان اللذان يتصرفان بهذه الطريقة . فشمع البرافين وقماش الصوف هما زوجان اخران من المواد الى عرفت قديما من انها تبدى قوة تجاذب عند دلكهما ببعض ( شكل رقم 2 ) .
هذه الظاهرة اصبحت اكثر اثارة واهتماما عندما اكتشف ان المواد المتماثلة بعد دلك كل منها بالقماش وتقريبهما من بعضهما فانهما يتنافران ( الشكل رقم 3 )
كما لوحظ ايضا انه عند دلك قطعة من الزجاج بالحرير و دلك قطعة من شمع البرافين بالصوف وتقريبهما من بعضهما فانهما ينجاذبان الى بعضهما البعض ( الشكل رقم 4 ) .
وعلاوة على ذلك وجد ان اى مادة تظهر خصائص تجاذب او تنافر بعد دلكها يمكن ان تقسم الى فئتين مختلفتين ( متميزتين) : احدهما ( تنجذب الى الزجاج وتتنافر مع الشمع ) والاخرى ( تتنافر مع الزجاج وتنجذب الى الشمع) . اما ان تكون هذه او تلك ولا توجد مواد تنجذب او تتنافر مع كل من الزجاج والشمع او تؤثر على على احدهما دون التاثير على الاخر .
المزيد من الاهتمام كان موجها نحو قطعة القماش التى تستخدم فى الدلك . اكتشف انه بعد دلك قطعتين من الزجاج مع اثنين من قطع من قماش الحرير ، لم تقتصر التنافر على قطع الزجاج ضد بعضها البعض ، ولكن حدث نفس الشىء لقطع القماش . ونفس الظاهرة حدثت مع قطعتين من الصوف المستخدمة في عملية دلك الشمع ( الشكل رقم 5 ) .
تكهن بعض اصحاب التجارب بوجود انتقال موائع fluids غير مرئية تنتقل من جسم الى اخر خلال عملية الدلك وهذه الموائع قادرة على احداث قوة طبيعية عن بعد .هذا الانتقال الافتراضى للموائع عرف بالشحنة charge .
اكتشف بعد ذلك ان هذه الموائع فى الواقع مكونة من جسيمات صغيرة جدا سميت الكترونات electrons ( وهى ترجمة يونانية لمعنى كلمة الكهرمان amber تكريما لاسم عالم يونانى قديم مكتشف الكهرمان وهى من المواد ايضا التى تكتسب خصائص الشحن بالدلك )
ومنذ ذلك الحين كشفت التجارب ان كل الاجسام (الاشياء ) تتكون من لبنات بناء building-blocks ضئيلة للغاية تعرف باسم الذرات atoms وهذه الذرات بدورها تتألف من مكونات أصغر تعرف بالجسيمات particles . الجسيمات الثلاثة الاساسية التى تتألف منها الذرات تسمى البروتونات والنيوترونات والإلكترونات protons, neutrons, and electrons .
والذرات لا ترى لانها صغيرة جدا ولكن اذا استطعنا النظر الى احداها فانها تبدو بعض الشىء كما فى الشكل رقم 6
على الرغم من ان كل ذرة في قطعة من المواد تميل للحفاظ على الارتباط (التماسك ) كوحدة ولكن هناك بالفعل الكثير من الفراغ الخالى بين الالكترونات و تجمع ( البروتونات والنيوترونات ) في وسطها.
والشكل السابق يوضح عنصر الكربون النقى وهو مكون من : ستة بروتونات وستة نيوترونات وستة الكترونات .
فى اى ذرة تكون البروتونات والنيوترونات مرتبطة مع بعضها بدرجة كبيرة (والتى تعتبر خاصية هامة ).
وهذه الرابطة القوية تعمل على جمع البروتونات والنيوترونات فى مركز الذرة وتسمى النواة nucleus وعدد البروتونات فى نواة الذرة يحدد هوية العنصر( الرقم الذرى ) بمعنى ان تغيير عدد البروتونات فى نوات الذرة يغير نوع الذرة .
فى الحقيقة اذا استطعت ازالة ثلاثة بروتونات من نواة ذرة الرصاص lead فسوف تحقق الحلم القديم بالحصول على ذرة الذهب . الرابطة القوية للبروتونات بالنواة هى المسئولة عن ثبات هوية العناصر الكيميائية ( الرقم الذرى )وفشل الكيميائين فى تحقيق حلمهم .
النيوترونات لها تاثير اقل بكثير على الخصائص الكيميائية وعلى هوية الذرة (الرقم الذرى ) من البروتونات على الرغم من تساويهم فى صعوبة اضافة او نزع اى منهم من النواة لان لهما قوة ترابط قوية .
اذا تم اضافة او اكتساب نيوترونات فان الذرة سوف يكون لها نفس الهوية الكيميائية ( الرقم الذرى ) ولكن الكتلة mass سوف تتغير قليلا وقد تكتسب بعض الخصائص النووية الغريبة مثل النشاط الاشعاعى radioactivity
ومع ذلك فالالكترونات لها حرية اكثر فى الحركة فى الذرة من كل من البروتونات والنيترونات ومن ثم فانها يمكن ان تترك مكانها المحدد او حتى تخرج ( تترك ) من الذرة نهائيا بطاقة أقل بكثير مما يلزم لطرد ( خروج ) الجسيمات في النواة واذا حدث ذلك فان الذرة تكون لاتزال محافظة على الهوية الكيميائية ( الوزن الذرى ) ولكن يحدث اختلال فى التوازن .
الالكترونات والبروتونات هي فريدة من نوعها من حيث كونها تنجذب لبعضها البعض من على مسافة . وهذا التجاذب من على مسافة هو الذى يسبب التجاذب بين الاجسام المدلوكة حيث تترك الالكترونات ذراتها الاصلية وتستقر حول ذرات اجسام اخرى .
تميل الالكترونات الى التنافر مع الالكترونات الاخرى التى على مسافة منها كما تفعل ذلك البروتونات مع البوتونات والسبب الوحيد الذى يجعل البروتونات مرتبطة ببعضها فى النواة يرجع الى القوة الكبيرة المسماة ( القوة النووية الشديدة ) strong nuclear force والتى لها تأثير فقط على المسافات القصيرة .
بسبب هذا التصرف ( تجاذب / تنافر ) بين هذه االجسيمات فانه يقال ان الالكترونات والبروتونات لها شحنات كهربية متضادة بمعنى كل الكترون له شحنة سالبة وكل برتون له شحنة موجبة . وعدد الالكترونات مساوى لعدد البروتونات فى الذرة حتى يلاشيا تاثير بعضهما البعض بحيث تكون الشحنة المحصلة فى الذرة صفر ولهذا السبب فان ذرة الكربون السابقة تحتوى على ستة الكترونات متعادلة مع ستة بروتونات فى النواة .
اذا نقص او زاد الكترون فان شحنة الذرة تختل مما يجعل الذرة مشحونة وتؤدى الى تفاعلها مع الجزيئات المشحونة ومع الذرات المشحونة المجاورة لها .
النيوترونات لا تتجاذب او تتنافر مع الالكترونات ولا البرتونات ولا حتى مع النيوترونات الاخرى ومن ثم تصنف على انها ليس لها شحنة على الاطلاق .
عملية مغادرة ( نقص) او وصول ( زيادة ) الالكترونات هى ما يحدث بالضبط عند دلك المواد ببعضها البعض .حيث تجبر الالكترونات بالدلك على ترك ذراتها والانتقال الى ذرات المواد الاخرى وبمعنى اخر فان الالكترونات هى ( تشكل ) كما افترض بنيامين فرنكلين Benjamin Franklin المائع .
ولقد عرف الكولوم coulomb كوحدة لقيلس الشحنة الكهربية ( هى القوة المتولدة بين نقطتين مشحونتين ) ووجد انه يساوى اضافة او نقصان حوالى 6,250,000,000,000,000,000 الكترون وبعملية عكسية يمكن القول ان شحنة الالكترون حوالى 0.00000000000000000016 كولوم وبذلك يكون الالكترون اصغر حامل لشحنة كهربية ومن ثم اتخذ كوحدة شحنة .
نتيجة الاختلال لهذا المائع ( الالكترونات ) بين الاشياء سميت الكهرباء الساكنة ( الاستاتيكية ) static electricity وسميت ساكنة لان الالكترونات المزاحة تميل الى الثبات بعد الانتقال من مادة الى اخرى
الخلاصة
رد مع اقتباس
