التيار الكهربائي
الدرس ١
التيار الكهربائي
في هذا الدرس
الأهداف
- تصف كيف يمكن أن يصبح جسم ما مشحونًا كهربائيًا.
- توضح كيف تؤثر شحنة كهربائية في شحنة كهربائية أخرى.
- تميز بين المواد الموصلة للكهرباء والمواد العازلة لها.
- تصف كيف يحدث التفريغ الكهربائي، البرق على سبيل المثال.
- تربط بين الجهد الكهربائي، ومقدار الطاقة التي يحملها التيار الكهربائي.
- تصف البطارية، وكيف تولد تيارًا كهربائيًا.
- توضح المقاومة الكهربائية.
الأهمية
يوفر التيار الكهربائي مصدرًا آمنًا للطاقة الكهربائية التي تعمل عليها الأجهزة الكهربائية المستخدمة يوميًا.
مراجعة المفردات
طاقة وضع الجاذبية الأرضية: الطاقة التي تختزن في جسم ما نتيجة موضعه فوق سطح الأرض.
المفردات الجديدة
- أيون
- الشحنة الكهربائية الساكنة
- المجال الكهربائي
- التيار الكهربائي
- الدائرة الكهربائية
- الجهد الكهربائي
- عازل
- موصل
- أشباه موصلات
- المقاومة الكهربائية
الشحنات الكهربائية
درست أن المواد تتكون من ذرات، وأن الذرة تتكون من نواة تحتوي بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة، وتدور حولها إلكترونات سالبة الشحنة. وفي الذرة المتعادلة فإن عدد الشحنات الموجبة يساوي عدد الشحنات السالبة. وأن الذرة تصبح مشحونة سالبة إذا كسبت إلكترونات إضافية، بينما تصبح مشحونة موجبة إذا فقدت الإلكترونات، وأن الذرة المشحونة بشحنة موجبة أو سالبة تسمى أيون Ion.
حركة الإلكترونات في المواد الصلبة
يمكن أن تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى ومن جسم إلى آخر، ويعد الدلك إحدى طرق انتقالها. فإذا دلّكت البالون بالشعر، فإن الإلكترونات تنتقل من ذرات الشعر إلى ذرات سطح البالون وذلك لأن قوة ارتباط ذرات الشعر بإلكتروناتها أقل من قوة ارتباط ذرات البالون بإلكتروناتها، كما يبين الشكل ١، وبذلك يصبح الشعر موجب الشحنة، أما البالون فيصبح سالب الشحنة؛ لذلك تنشأ قوة تجاذب بين البالون والشعر مما يجعل أطراف الشعر تلتصق بسطح البالون. ويسمى عدم التوازن للشحنة الكهربائية على الجسم الشحنة الكهربائية الساكنة Static Charge.
الشكل ١
البالون وفرو القطة يؤثر كل منهما في الآخر بقوة كهربائية حتى من غير وجود تلامس بينهما.
حركة الأيونات في المحاليل
تنتقل الشحنات بسبب حركة الأيونات بدلًا من حركة الإلكترونات. فملح الطعام يتكون من أيونات صوديوم، وأيونات كلور، وعند ذوبان بلورات الملح في الماء تتباعد الأيونات عن بعضها بعضًا، وتصبح حرة متساوية داخل الماء. مكونة المحلول، فتصبح الأيونات الموجبة والأيونات السالبة حرة الحركة. انظر الشكل ٢.
الشكل ٢
عندما يذوب الملح NaCl في الماء، فإن أيونات الصوديوم وأيونات الكلور تصبح حرة، وتصبح قادرة على حمل طاقة كهربائية.
العوازل والموصلات
تقسم المواد من حيث توصيلها للكهرباء إلى مواد موصلة للكهرباء ومواد عازلة للكهرباء ومواد شبه موصلة للكهرباء.
فالمادة التي لا يمكن للإلكترونات الحركة فيها بسهولة تسمى عازل Insulator. ومن الأمثلة عليها البلاستيك، والخشب.
أما المواد التي يمكن للإلكترونات الحركة فيها بسهولة فتسمى موصلات Conductors. وتعد الفلزات مثل الذهب والنحاس من أفضل الموصلات للكهرباء؛ لأن ترابط إلكتروناتها بالنواة ضعيف.
وهناك مواد تتصرف أحيانًا كعازل للكهرباء، وفي أحيان أخرى كموصل تسمى هذه المواد أشباه الموصلات Semiconductors. ومن الأمثلة عليها الجرمانيوم والسليكون.
ماذا قرأت؟
كيف يصبح الجسم مشحونًا كهربائيًا؟
القوى الكهربائية
تؤثر الأجسام المشحونة في بعضها البعض بقوة تسمى القوة الكهربائية Electric Force. وهذه القوة قد تكون قوة تجاذب أو قوة تنافر، كما يوضح الشكل ٣.
فالأجسام التي تحمل شحنات مختلفة تتجاذب، بينما الأجسام التي تحمل شحنات متشابهة تتنافر. ويعتمد مقدار القوة الكهربائية بين جسمين مشحونين على كل من المسافة بينهما، وكمية الشحنة على كل منهما، حيث تزداد هذه القوة كلما نقصت المسافة بينهما، وتزداد بزيادة شحنة أحدهما أو كليهما.
الشكل ٣
تؤثر الشحنات الكهربائية بعضها في بعض بقوة كهربائية، وهذه القوى يمكن أن تكون تجاذبًا أو تنافرًا.
المجال الكهربائي
تؤثر الشحنات الكهربائية في بعضها بقوى عن بعد، من خلال ما يعرف بـ المجال الكهربائي Electric Field، وهو الحيز الذي يحيط بالشحنة الكهربائية والذي تظهر فيه الآثار الكهربائية لتلك الشحنة. وتزداد قوة المجال الكهربائي كلما اقتربنا من الشحنة الكهربائية.
الشحن بالحث
عندما تسير في يوم جاف فوق سجادة، ثم تلمس مقبض باب فلزي، يحدث شرر. السبب في ذلك أنه كلما مشيت واحتك حذاؤك مع السجادة أثناء السير، انتقلت الإلكترونات من السجادة إلى قدميك، ثم انتشرت على سطح جسمك. وعندما اقتربت يدك من مقبض الباب، أثر المجال الكهربائي المحيط بالإلكترونات الموجودة على أطراف أصابعك في الإلكترونات الموجودة في مقبض الباب، وحركها بعيدًا نحو الداخل. ولأن المقبض مصنوع من مادة جيدة التوصيل للكهرباء، بقيت شحنة موجبة على المقبض قريبة من يدك، ويسمى هذا الفصل إلى شحنة موجبة وشحنة سالبة الناجم عن المجال الكهربائي حث الشحنات.
وإذا كان المجال الكهربائي بين يدك والمقبض قويًا بدرجة كافية، ستنتقل الإلكترونات من يدك إلى مقبض الباب، وتسمى هذه الحركة السريعة للشحنات الفائضة من مكان إلى آخر التفريغ الكهربائي Electric Discharge.
انظر الشكل ٤، ويعد كل من البرق والصاعقة أمثلة على التفريغ الكهربائي.
الشكل ٤
الشرارة المنطلقة بين أصابعك ومقبض الباب الفلزي تبدأ من قدميك.
عندما تسير فوق سجادة فإن الاحتكاك بين السجادة وحذائك يؤدي إلى انتقال الإلكترونات من السجادة إلى أسفل الحذاء، ثم تتحرك إلى أسفل جسمك ومنه تصل ليدك.
عندما تقرب يدك لإغلاق مقبض الباب الفلزي، فإن الإلكترونات الموجودة على المقبض تنجذب نحو الإلكترونات الموجودة على يدك وتتحرك مبتعدة، ويبقى جزء المقبض القريب من يدك مشحونًا بشحنة موجبة.
عندما تكون قوة الجذب الكهربائي بين الإلكترونات الموجودة على يدك والشحنة الموجبة المستحثة على مقبض الباب قوية بشكل كاف تنتقل الإلكترونات من يدك إلى المقبض، وعندئذ تشاهد ذلك على هيئة شرارة وتشعر بصدمة كهربائية خفيفة.
ماذا قرأت؟
كيف تعتمد القوة الكهربائية بين جسمين على المسافة بينهما؟
التيار الكهربائي
سريان الشحنة الكهربائية
يمكن للتفريغ الكهربائي أن يحرر كمية هائلة من الطاقة الكهربائية في لحظة واحدة، كما يحدث في صاعقة البرق، بينما تحتاج الأجهزة الكهربائية يوميًا مصدرًا لإثارة والتيارات والمصابيح والكشافات وغيرها إلى مصدر طاقة كهربائي ثابت يمكن التحكم فيه.
ويأتي هذا المصدر من خلال التيار الكهربائي Electric Current الذي يعد تدفقًا للشحنات الكهربائية. وينتج التيار الكهربائي في المواد الصلبة بسبب تدفق الإلكترونات. أما في السوائل فينتج التيار الكهربائي بسبب تدفق الأيونات التي يمكن أن تكون موجبة أو سالبة.
يقاس التيار الكهربائي في النظام الدولي للوحدات بوحدة أمبير A. ويعد النموذج الذي يمثل تدفق الماء عبر منحدر بسبب قوة الجاذبية التي توفر فيه أفضل طريقة لتوضيح التيار الكهربائي. وبالمثل تتدفق الإلكترونات بسبب القوة الكهربائية المؤثرة فيها.
نموذج الدائرة الكهربائية البسيطة
كيف يمكن الحصول على الطاقة من تدفق الماء؟ إذا ضخ الماء من سطح الأرض إلى أعلى بمضخة فإنها تزوده بطاقة وضع، كما في الشكل ٥. وعند هبوط الماء إلى أعلى يمكن الحصول منه على هذه الطاقة مرة أخرى من خلال عجلة «توربين» تدور بفعل الماء، أي تتحول طاقة الوضع المختزنة في الماء إلى طاقة حركة، ثم يعود الماء مرة أخرى إلى المضخة. ولكي يتدفق الماء باستمرار لا بد أن يتدفق في مسار مغلق.
الشكل ٥
تزداد طاقة وضع الجاذبية الأرضية للماء عند رفعه فوق سطح الأرض باستخدام المضخة.
الدائرة الكهربائية
كذلك في الكهرباء، فإن الشحنات الكهربائية لن تتحرك باستمرار إلا عبر حلقة موصلة مغلقة، تسمى الدائرة الكهربائية Circuit.
الدوائر الكهربائية
تتكون الدائرة الكهربائية في أبسط أشكالها من مصدر للطاقة الكهربائية، وأسلاك توصيل. ويبين الشكل ٦ الدائرة المكونة من بطارية بوصفها مصدرًا للطاقة الكهربائية، ومصباح كهربائي، وأسلاك توصيل تجعل الدائرة مغلقة. ويتدفق التيار الكهربائي عبر أسلاك التوصيل، ومنها السلك المتوهج داخل المصباح الكهربائي، ولا يتوقف إلا بحدوث قطع في الدائرة.
الشكل ٦
إذا كان هناك مسار مغلق يسمح بتدفق الإلكترونات، فإنها تتدفق خلاله خارجة من القطب السالب للبطارية، وعائدة إلى قطبها الموجب.
الجهد الكهربائي
تعمل المضخة في نموذج دورة الماء على زيادة طاقة وضع الجاذبية الأرضية للماء عند رفعه من مستوى سطح الأرض إلى أعلى، وهذه كمية تقوم البطارية في الدائرة الكهربائية بعمل يشبه عمل مضخة الماء؛ إذ تزيد من طاقة الوضع الكهربائية للإلكترونات، والتي يتم تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة.
والجهد الكهربائي Voltage للبطارية هو مقياس لمقدار ما يكسبه كل إلكترون من طاقة وضع كهربائية. وكلما ازداد الجهد الكهربائي، زاد مقدار طاقة الوضع الكهربائية التي يمكن أن تتحول إلى أشكال أخرى من الطاقة.
ويقاس الجهد الكهربائي بوحدة الفولت V.
كيف يسري التيار الكهربائي؟
قد تعتقد أن سريان التيار الكهربائي في دائرة كهربائية يعني أنه يجب على كل إلكترون أن يكمل دورة كاملة عبر الدائرة. إلا أنه في الحقيقة تتحرك الإلكترونات المفردة في الدائرة الكهربائية ببطء، فعند توصيل طرفي سلك مع بطارية تنتج البطارية مجالًا كهربائيًا داخل السلك، فيؤثر المجال الكهربائي بقوة في الإلكترونات، فيجبرها على الحركة نحو القطب الموجب للبطارية.
وخلال هذه الحركة تصطدم الإلكترونات مع شحنات كهربية أخرى داخل السلك، فتتحرك في اتجاهات مختلفة، وبعد كل تصادم يعود الإلكترون للحركة نحو القطب الموجب مرة أخرى. وقد يصل عدد هذه التصادمات إلى أكثر من ١٠ تريليون مرة خلال ثانية واحدة، لذا يمكن أن يحتاج الإلكترون إلى دقائق عديدة لكي يقطع مسافة سنتيمتر واحدًا داخل السلك.
تجربة: استقصاء القوة الكهربائية
الخطوات
- ضع طبقة من الملح فوق الطبق.
- رش قليلًا من مسحوق الفلفل فوق الملح. لا تستعمل الكثير من الفلفل.
- ادلك مشطًا بلاستيكيًا بقطعة صوف.
- قرب المشط إلى خليط الفلفل والملح ببطء، ولاحظ ما يحدث.
التحليل
- كيف استجاب كل من الملح والفلفل مع المشط؟
- فسر سبب استجابة الفلفل بصورة مختلفة عن استجابة الملح مع المشط.
البطاريات
تزود البطارية الدائرة الكهربائية بالطاقة. وعند وصل طرفي البطارية الموجب والسالب بالدائرة تزداد طاقة الوضع الكهربائية للإلكترونات في الدائرة.
وعندما تبدأ الإلكترونات في الحركة نحو الطرف الموجب للبطارية تتحول طاقة الوضع الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة، كما تتحول طاقة وضع الجاذبية للماء إلى طاقة حركة في النموذج المائي.
وتزود البطارية الأجهزة الكهربائية بالطاقة، عندما تتحول الطاقة الكيميائية بداخلها إلى طاقة وضع كهربائية.
وبالنسبة إلى البطاريات القلوية الموضحة في الشكل ٧، تفصل عجينة شبه موصلة الطرف الموجب وتمثل الفاصل، الذي يحدث داخله تفاعل هذه العجينة، الإلكترونات من ذرات القطب الموجب ويرسلها إلى الطرف الآخر، الذي يصبح سالب الشحنة، في حين يصبح الطرف الذي نقصت إلكتروناته مشحونًا بشحنة موجبة، وهكذا يتشكل مجال كهربائي في الدائرة يدفع الإلكترونات على الانتقال من الطرف السالب عبر الأسلاك الخارجية للدائرة إلى الطرف الموجب.
عمر البطارية
لا تستمر البطارية في تزويد الطاقة إلى الأبد. ومن المؤكد أنك سمعت يومًا أن سيارة أحدهم لم تدر في الصباح؛ لأنه نسي مصابيحها مضاءة طوال الليل. فما السبب في انخفاض قدرة البطارية؟
تحتوي البطارية على كمية محددة من المواد الكيميائية التي تتفاعل معًا لتتحول إلى مركبات أخرى منتجة الطاقة الكيميائية، وعندما تستهلك المواد الكيميائية المتفاعلة يتوقف التفاعل، وعندما ينتهي عمر البطارية أو صلاحيتها.
الشكل ٧
عند وصل البطارية القلوية ضمن دائرة كهربائية تبدأ تفاعلات كيميائية في العجينة اللبنية، فتتحرك الإلكترونات داخل البطارية من القطب الموجب إلى القطب السالب.
الربط مع الكيمياء
البطاريات القلوية
تستخدم مواد كيميائية متعددة في صناعة البطاريات القلوية؛ إذ يعد الخارصين «الزنك» مصدرًا للإلكترونات عند الطرف السالب، وتتحد ثاني أكسيد المنجنيز مع الإلكترونات عند الطرف الموجب للبطارية. وتحتوي العجينة اللبنية على هيدروكسيد البوتاسيوم الذي يساعد على نقل الإلكترونات من الطرف الموجب إلى الطرف السالب.
ابحث حول البطارية الجافة وبطارية المركم الرصاصي، وارسم جدولًا تبين المواد الكيميائية التي يحتوي عليها كل نوع من البطاريات، ووظيفة كل مادة.
المقاومة الكهربائية
تتحرك الإلكترونات خلال المواد الموصلة بشكل أسهل من حركتها خلال المواد العازلة. ومع ذلك فإن المواد الموصلة تعارض - إلى حد ما - سريان الإلكترونات.
وتسمى قياس مدى الصعوبة التي تواجهها الإلكترونات في التدفق خلال المادة المقاومة الكهربائية Resistance. وتقاس المقاومة الكهربائية بوحدة تسمى الأوم Ω. وللمواد العازلة مقاومة كهربائية أكبر كثيرًا من الموصلات.
عندما تنتقل الإلكترونات عبر الدائرة الكهربائية تصطدم مع الذرات والشحنات الكهربائية الأخرى الموجودة داخل المادة التي تركب منها الدائرة الكهربائية. انظر الشكل ٨. ويعمل هذه التصادمات على تحويل الطاقة الكهربائية للإلكترونات إلى طاقة حرارية، وإلى طاقة ضوئية أحيانًا. ويعتمد مقدار الطاقة الكهربائية المتحولة إلى ضوء أو حرارة على المقاومة الكهربائية للمواد التي تتكون منها الدائرة الكهربائية.
الشكل ٨
عندما تنتقل الإلكترونات داخل السلك تصطدم مع الذرات والإلكترونات الحرة، ويصبح مسارها متعرجًا. تسبب هذه التصادمات تحويل الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة.
استخدام أسلاك النحاس في المباني
يزداد مقدار الطاقة الكهربائية المتحولة إلى طاقة حرارية بزيادة مقاومة الأسلاك. وللنحاس مقاومة كهربائية قليلة، لذلك فهو من أفضل المواد الموصلة للكهرباء؛ فعند سريان التيار الكهربائي في أسلاك النحاس تكون كمية الحرارة الناتجة قليلة بالمقارنة بغيره من المواد؛ وذلك لأن النحاس موصل جيد للكهرباء، ولذلك تستخدم الأسلاك النحاسية في التمديدات الكهربائية في الأبنية؛ فهي لا تسخن إلى الحد الذي يجعلها تسبب الحرائق.
مقاومة الأسلاك
تعتمد المقاومة الكهربائية للسلك أيضًا على طوله، ومساحة مقطعه العرضي، بالإضافة إلى نوع المادة المصنوع منها.
ومثل هذا يحدث في تدفق الماء داخل الخرطوم؛ حيث يقل تدفقه في حالتين:
الأولى عند زيادة طول الخرطوم، والثانية بنقصان مساحة مقطعه العرضي، كما هو موضح في الشكل ٩.
وبالمثل تزداد المقاومة الكهربائية للأسلاك بزيادة طولها، أو بنقصان مساحة مقطعها العرضي.
الشكل ٩
تعتمد مقاومة الخرطوم لانسياب الماء داخله، على طوله ومساحة المقطع العرضي للخرطوم وطوله.
قارن بين تدفق الماء في الخرطوم، وسريان التيار الكهربائي في السلك.
الربط مع التاريخ
الأوم أطلقت هذه التسمية على وحدة قياس المقاومة الكهربائية، تخليدًا للعالم الألماني جورج سيمون أوم ١٧٨٧ - ١٨٥٤م الذي ينسب إليه اكتشاف العلاقة بين سريان التيار الكهربائي والجهد الكهربائي والمقاومة الكهربائية.
ابحث عن المزيد من المعلومات حول هذا العالم، واكتب سيرته الذاتية مختصرة على أن تشارك طلاب الصف فيها.
فتيل المصباح الكهربائي
يصنع فتيل المصباح الكهربائي من أسلاك رفيعة جدًا؛ حيث تكون مقاومته كبيرة. وعند سريان التيار الكهربائي داخل الفتيل تتحرك الذرات الصغيرة فيه، وفي ذلك تحرر الذرات التي لا يصدر لأجسامها الضوء؛ لأنه مصنوع من فلز التسخين الذي له درجة انصهار عالية جدًا، تفوق درجات انصهار الكثير من الفلزات الأخرى. وهذا يمنع الفتيل من الانصهار عند درجات الحرارة العالية التي يتطلبها إنتاج الضوء.
مراجعة الدرس ١
الخلاصة
حركة الإلكترونات في المواد الصلبة
- الشحنة الكهربائية الساكنة هي عدم توازن توزيع الشحنة الكهربائية على الجسم.
- المجال الكهربائي هو الحيز الذي يحيط بالشحنة الكهربائية وتظهر فيه الآثار الكهربائية لتلك الشحنة.
التيار الكهربائي
- التيار الكهربائي هو تدفق الشحنات الكهربائية.
- تتدفق الشحنات الكهربائية باستمرار في حلقة موصلة مغلقة، تسمى الدائرة الكهربائية.
- الجهد الكهربائي هو الطاقة الكهربائية مقسومة على مقدار الشحنة الكهربائية.
- تزود البطارية الدائرة الكهربائية بالطاقة من خلال زيادة طاقة الوضع الكهربائية للإلكترونات فيها.
المقاومة الكهربائية
- المقاومة الكهربائية مقياس لمدى صعوبة تدفق الإلكترونات عبر المادة.
- تنتج المقاومة الكهربائية عن التصادمات بين الإلكترونات المتدفقة والذرات في المادة.
- تعمل المقاومة الكهربائية في الدائرة الكهربائية على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وضوء.
اختبر نفسك
- وضح المقصود بالتفريغ الكهربائي، وبين كيف يحدث.
- صف كيف تسببت البطارية حركة الإلكترونات في الدائرة الكهربائية؟
- صف كيف تتغير المقاومة الكهربائية للسلك عندما يزداد طوله؟ وكيف تتغير مقاومته عندما تزداد مساحة مقطعه العرضي؟
- وضح سبب استخدام النحاس في صناعة أسلاك التمديدات الكهربائية في الأبنية.
- التفكير الناقد: ما مصدر الإلكترونات التي تتدفق عبر الدائرة الكهربائية؟
تطبيق المهارات
- استنتج أو جد الجهد الكهربائي الذي ينتج عن بطاريات مختلفة، ومنها بطاريات الساعات، وبطاريات آلة التصوير، وبطاريات الهاتف الجوال، وبطاريات المصباح اليدوي، واستنتج فيما إذا كان الجهد الذي تنتجه البطارية يعتمد على حجمها أم لا.
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.