ما هى الكهرباء
تتواجد الكهرباء في كل مكان حولنا، فتدخل في التكنولوجيا مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر و الضوء ومكاوي اللحام ومكيفات الهواء وغيرها من الأمور التي لا يمكن الإستغناء عنها خاصةً في عالمنا الحديث هذا حتى عندما تحاول الهروب من الكهرباء، فإنها لا تزال تعمل في جميع أنحاء الطبيعة من البرق في عاصفة رعدية إلى نقاط الاشتباك العصبي داخل أجسامنا، فالكهرباء ظاهرة طبيعية تحدث في جميع أنحاء الطبيعة وتتخذ أشكالًا مختلفة، ولا يوجد إكتشاف واحد أثر على حياتنا وثقافتنا وبقائها أكثر من الكهرباء حيث تضيء طريقنا وتساعد في طهي الطعام وغيرها من الامورالأمور الأكثر أهمية، على سبيل المثال تخيل المكان الذي سيكون فيه المجال الطبي بدون كهرباء وكم عدد الأرواح التي تم إنقاذها بسبب الأجهزة الكهربائية مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب، كما أن الكهرباء تعتمد كلياً في توصيلها على الفيزياء، فإن أغلب قوانين الكهرباء في الفيزياء تُدرس وتُخلق لفهم كيفية عملها وتطويرها بشكل أوسع.
من قوانين الكهرباء في الفيزياء
هناك عدة قوانين للكهرباء في الفيزياء والتي تعتمد عليها بشكل كلي أبرزهم أربعة قوانين :
قانون أوم قانون كيرشوف (KVL)قانون الدوائر المتسلسلة والمتوازيةقانون كيرشوف الحالي (KCL)قانون أوميعد القانون الأساسي القائم في الكهرباء هو قانون أوم أو V = IR. V للجهد، ويُعرف بأنه قياس العمل المطلوب لتحريك شحنة الوحدة بين نقطتين في الكهرباء، والمكون التالي لقانون أوم هو التيار تعرف وحدته بـ االأمبير، وتم تعريف مفهوم التيار بأنه قياس تدفق الشحنة في الدائرة، وهكذا يبقى الحرف R الذي يمثل المقاومة المقاسه بـ الأوم وهى قياس مقدار تنافر التيار الكهربائي في الدائرة.قانون كيرشوف (KVL)يؤدي مبدأ انخفاض الجهد إلى قانون آخر مهم في الكهرباء وهو من أساسيات الكهرباء، وهو قانون كيرشوف للجهد (KVL)، فيمكننا إستخدام قانون كيرشوف KVL للعثور على انخفاض الجهد للتيار الكهربائي.قانون الدوائر المتسلسلة والمتوازيةالدوائر المتسلسلة هى تلك الدوائر التي يتم توصيلها بالتوازي مع مصدر الطاقة، التيار في الدوائر المتسلسلة ثابت طوال الوقت ولكن الجهد قد يختلف، بينما الدوائر المتوازية هى تلك التي تتفرع من مصدر الطاقة ويتم تقسيم إجمالي التيار الموفر من مصدر الطاقة بين كل فرع من الفروع، لكن الجهد الكهربائي شائع.قانون كيرشوف الحالي (KCL)في الدوائر المتسلسلة يكون التيار ثابتًا والجهد متغير ولكن في الدوائر المتوازية يكون الجهد ثابتًا ويتغير التيار، أدى هذا التيار المتغير في الدوائر المتوازية إلى قانون كيرشوف الحالي في الهندسة الكهربائية الأساسية، حيث ينص قانون كيرشوف الحالي (KCL) بشكل أساسي على أن التيار في العقدة سيساوي التيار الخارج من العقدة.
[1]
الموصلات الكهربائية
في الهندسة الكهربائية، يُطلق على الكائن أو المادة التي تسمح بتوصيل التيار الكهربائي إسم موصل وتُصنع الموصلات الكهربائية الشائعة من مواد مصنوعة من معادن شائعة حيث يمكن توليد التيار الكهربائي، لذلك عرف عن الموصل الكهربائي أنه مادة تسمح بتدفق الحرارة والكهرباء وأفضل الأمثلة على الموصلات الكهربائية هى معادن مثل النحاس والحديد وما إلى ذلك وهى تستخدم بشكل أساسي في صنع الأسلاك بحيث يمكن حمل التيار الكهربائي.
أنواع الموصلات الكهربائية
هناك العديد من المعادن التي تعتبر موصلات كهربائية جيدة، لأن أجزاء الجهاز التي تزود التيار الكهربائي مصممة بالمعادن لكن يختلف ترتيب المعادن من حيث توصيل الكهرباء ، وبالتالي فإن هذا يتعلق بالموصل الكهربائي القابل للتطبيق في نقل الطاقة فعادةً تشتمل هذه الموصلات على مرونة كبيرة بالإضافة إلى قوة ميكانيكية عند مقارنتها بسلك واحد، حيث يكون داخل الموصلات السلك الأوسط محاط بطبقات مختلفة من الأسلاك ويمكن تحديد حجم الموصل من خلال منطقة المقطع العرضي النحاسية المقابلة وعدد الأوتار بقطر كل سلسلة، ويتم ترتيب المعادن من حيث توصيل الكهرباء لها من الأعلى درجة توصيل للأقل درجة توصيل وتنقسم أنواع الموصلات الكهربائية إلى :
المعادنغير المعادنالموصلات الأيونيةأشباه الموصلاتالمعادنالمعدن هو أكثر المواد الموصلة للكهرباء لذلك يستخدم في التطبيقات العملية، على سبيل المثال من المرجح أن يستخدم السلك الكهربائي في جميع أنحاء المنزل الأسلاك النحاسية مثل المكونات الكهربائية الموصلة التي تشمل المعادن، ويشتمل الجهاز الداخلي للمكاوي الكهربائية على نوع من المعادن وذلك لأن المعدن يحتوي على عدد لا يحصى من الإلكترونات الحرة ويشجع على الحركة فإن أفضل الموصلات المعدنية تشمل بشكل أساسي الفضة والنحاس والذهب.غير المعادنتعتبر اللافلزات (غير المعادن) موصلات كهربائية جيدة جدًا، على سبيل المثال يعتبر الكربون الموجود في الجرافيت موصلًا كهربائيًا جيدًا للغاية ففي بنية الجرافيت يمكننا أن نلاحظ أنه لا يوجد سوى 3 إلى 4 ذرات كربون تستخدم للاتصال من أجل الترابط الحر، فإنه يترك إلكترونًا واحدًا لكن معظم اللافلزات ليست موصلات كهربائية ممتازة.الموصلات الأيونيةتُشكل حل أزمة الموصلات في الموصلات الأيونية، وأفضل الأمثلة على هذه الموصلات هى مياه البحر أو المياه المالحة فهى موصلات جيدة للكهرباء.أشباه الموصلاتإن انواع اشباه الموصلات الكهربائية ليست جيدة في توصيل الكهرباء مثل الموصلات الأخرى لكنها لا تزال تستخدم حتى يومنا هذا في العديد من التطبيقات الحياتية اليومية، ومن أفضل الأمثلة على أشباه الموصلات بشكل رئيسي Ge (الجرمانيوم) و Si (السيليكون) والتي تعتبر من الموصلات الجيدة للكهرباء.
السيليكون si : السيليكون هو عنصر برقم ذري 14 يتواجد بكثرة في الأرض على شكل مادة صلبة رمادية اللون، ويشمل أي بحث عن التوصيل الكهربائي عنصر السيليكون وذلك لأنه واحد من أشباه الموصلات فهو عنصر جيد في توصيل الكهرباء، وتتحسن موصلية السيليكون مع زيادة درجة حرارته ويرجع هذا بسبب الخاصية الفريدة لأشباه الموصلات في حين أنه في حالة المعادن ينخفض توصيل الكهرباء مع زيادة درجة الحرارة.لذلك دخل عنصر السيليكون في العديد من الأجهزة الإلكترونية لأنه عنصر يمتلك عدد من الخصائص الفريدة، تتمثل إحدى خصائص السيليكون في أنه شبه موصل حيث توصل أشباه الموصلات الكهرباء تحت ظروف معينة بينما تعمل أيضًا كعازل في ظروف أخرى، فدخل في الأجهزة التي تمتلك رقائق المعالج و الألواح الشمسية والصمامات الثنائية وما إلى ذلك بسبب خواصه الممتازة فضلًا عن سعره المتداول مقارنة بأشباه الموصلات الأخرى.
الجرمانيوم Ge :في أي بحث عن الموصلات الكهربائية نجد عنصر الجرمانيوم فهو من الفلزات التي توصل الكهرباء ولكن ليس مثل المعادن الحقيقية لذلك، يوصف بأنه من أشباه الموصلات وبالتالي فإن عنصر الجرمانيوم مهم حيث يدخل في صناعة الإلكترونيات فيتم إستخدامه في صناعة الترانزستورات، كما يدخل في صناعة الألياف الضوئية جزءًا كبيرًا من الجرمانيوم المستهلك سنويًا، بالإضافة إلى إستخدامه كعامل مساعد في إنتاج البوليمرات ونظرًا لأن الأشعة تحت الحمراء تتمكن من العبور خلال الجرمانيوم فإنها تستخدم في معدات وتطبيقات الأشعة تحت الحمراء وبعض التطبيقات الأخرى بما في ذلك العلاج الكيميائي لعلاج بعض أنواع السرطانات.
[2]
