النظرية الذرية والكهرباء الساكنة

تتناول دراسة النظرية الذرية أهمية خاصة بعلم الكهرباء، حيث تستخدم في تفسير الخصائص الكهربائية للمواد وسريان التيار الكهربي وتأثير الجهد الكهربى على المواد المختلفة.

الذرة وتركيبها

الذرة ( Atom ) هى وحدة بناء المادة، ولكل عنصر ذرة خاصة به تختلف في تركيبها عن ذرات العناصر الأخرى. والذرة صغيرة جدا حيث أن واحد سنتمتر مكعب من النحاس يتكون من ²⁴10 ذرة نحاس. وتتكون الذرة من نواة ثقيلة نسبيا تدور حولها الإلكترونات في مدارات وعلى سبيل المثال كما يوضح الشكل(1) مكونات ذوة الكربون. 

النواة (  NUCLEUS)

تحتوي نواة الذرة كما هو موضح في الشكل(1) من الجسيمات التالية:-

البروتونات ( Protons )

وهي جسيمات تحمل شحنة كهربائية موجبة.

النيوترونات ( Neutrons )

وهي جسيمات تحمل شحنة كهربائية متعادلة.

الإلكنرونات ( Electrons )

وهي جسيمات خفيفة جدا تحمل شحنة كهربائية سالبة مساوية لشحنة البروتون من حيت المقدار. وتدور الإلكترونات حول النواة في مدارات على شكل طبقات. ويمكن مقارنة النظام النووي مع النظام الشمسي، حيث النواة تمثل الشمس، والإلكترونات تمثل الكواكب، والتى تدور حول النواة كما تدور الكواكب حول الشمس.

توزيع الإلكترونات حول النواة

تختلف العناصر عن بعضها من حيث وزنها وصفاتها باختلاف تكوين ذرة كل عنصر منها. وتختلف ذرة أي عنصر عن ذرة عنصر آخر في عدد بروتوناتها ونيوتروناتها وإلكتروناتها. أما عدد المدارات التي تدور فيها الإلكترونات حول النواة فيعتمد على عدد إلكترونات الذرة. ولكل مدار من هذه المدارات سعة قصوى من الإلكترونات. ولكن يمكن أن يتواجد في أي مدار عدد من الإلكترونات أقل من سعته القصوى . والسعة القصوى لكل مدار هي للمدار الأول 2 إلكترون و للمدار الثانى 8 إلكترون وللمدار الثالث 18 إلكترون وللمدار الرابع 23 إلكترون، وتعطى السعة القصوى من الإلكترونات لكل مدار بالقانون:

السعة القصوى من الإلكترونات في المدار = 2×(رقم المدار)²

وكمثال للقاعدة أعلاه خذ ذرة النحاس، حيت تحتوي نواتها على تسع وعشرين بروتون وتسع وعشرين نيوترون كما هو مبين في الشكل(2). وبالتمعن في الشكل(2)، تجد أن المدار الأول ممتلئ لسعته القصوى وهي  2إلكترون، والمدار الثاني ممتلئ لسعته القصوى وهي إلكترون، والمدار الثالث ممتلئ لسعته القصوى وهي 18إلكترون، بينما تجد المدار الرابع والأخير يحتوي على إلكترون واحد فقط، أي إنه غير ممتلئ كليا لأن سعته القصوى هي 23إلكترون.

يسمى المدار الأخير (الخارجي) في الذرة مدار التكافؤ وبالتالي فإن الإلكترونات في هذا المدار تسمى إلكترونات التكافؤ (Valence Electrons). و الإلكترونات التكافؤ لها أهمية كبيرة خاصة في علم الكهرباء، لأنها الإلكترونات التي يمكن تحريرها بسهولة من اجل أداء عمل نافع.

الإلكترونات الحرة (Free Electrons)

ترتبط الإلكترونات سالبة القطبية مع النواة موجبة القطبية بقوة جذب تعتمد على بعد مداراتها عن تلك النواة. فكلما كان المدار قريبأ من النواة كانت قوى الجذب بينهما أكبر. وكلما ابتعد المدارعن النواة كانت قوة الجذب أقل. وإلكترونات التكافؤ هي الأبعد عن النواة وبالتالي تتعرض إلى أقل قوة جذب من النواة. وإذا تمعننا في تركيب ذرة النحاس المبين فى الشكل(2) نلاحظ أن مدار التكافؤ يحتوي على إلكترون واحد فقط، وهو أبعد إلكترون عن النواة، وبالتالي فهو يتعرض إلى أقل قوة جذب من النواة . وهذا إلكترون يمكن أن يفلت من سيطرة النواة ويصبح حرا يتجول عشوائيا بين ذرة وأخرى إذا تعرض لقوة خارجية مثل الحركة داخل مجال مغناطيسي أو الاحتكاك أو التفاعل الكيميائي أو الضوء أو مجرد قوة التنافر مع إلكترونات الذرات المجاورة، لاحظ الشكل(3) وهكذا فإن قطعة من سلك نحاس تحوي ملاين الإلكترونات الحرة التي تتجول ضمن التركيب الذري للمادة مما يجعل النحاس موصل جيد للتيار الكهربي.

الأيونات (IONS)

تكون الذرة متعادلة كهربائيا عندما يكون عدد إلكتروناتها مساويا لعدد بروتوناتها. أما إذا فقدت هذه الذرة إلكترونا واحدا أو أكثر، يصبح عدد بروتوناتها الموجبة أكثر من عدد إلكتروناتها السالبة. وتصبح الذرة مشحونة بشحنة كهربائية موجبة، وتسمى عندئذ أيونا موجبا. أما إذ اكتسبت الذرة إلكترونا واحدا أو أكثر فإنها تصبح مشحونة بشحنة سالبة، وتسمى عندئذ أيونا سالبا، لاحظ الشكل(4). والأيونات السالبة والموجبة هي الأساس في حدوث تيار كهربي سواء في الغازات أو في المحاليل الإلكتروليتية (المحاليل المتأينة الموصلة لتيار الكهربي).

الكهرباء الساكنة والشحنات الكهربية

عند دلك قضيب من المطاط بقطعة من الفراء تنفصل (بفعل الدلك) بعض الإلكترونات عن قطعة الفراء وتلتحق بذرات قضيب المطاط. وبهذا تصبح شحنة قضيب المطاط سالبة (بها فائض من الإلكترونات) في حين تصبح شحنة قطعة الفراء موجبة (بها نقص في الإلكترونات) كما هو موضح في الشكل(5).

الشكل(5) إلى اليمين تعادل الشحنات في قطعة الفراء وقضيب المطاط، وإلى اليسار قضيب المطاط وقد أصبح سالب الشحنة وقطعة الفراء وقد أصبحت موجبة الشحنة. وبهذا يتبين أن عملية شحن جسم بشحنة كهربية سالبة، هي في الواقع إضافة إلكترونات سالبة إلى ذرات ذلك الجسم. أما شحن جسم بشحنة كهربية موجبة هي في الواقع نزع إلكترونات من ذرات ذلك الجسم، لاحظ الشكل(6)

الكولوم

يحدد مقدار الشحنة الكهربية التي يحملها جسم معين بعدد الإلكترونات التي فقدتها أو اكتسبتها ذرات ذلك الجسم. فإذا فقدت ذراته إلكترونا أو أكثر تكون شحنته موجبة، وإذا اكتسبت إلكترونا أو أكثر تكون شحنته سالبة. وتعرف وحدة قياس الشحنة الكهربية بالكولوم. الكولوم هي قيمة تساوي مجموع شحنات (6.25×¹⁸10) إلكترون. والجسم الذي يكتسب هذا العدد من الإلكترونات، يحمل شحنة سالبة تساوي واحد كولوم. والجسم الذي يفقد هذا العدد من الإلكترونات، يحمل شحنة موجبة تساوي واحد كولوم.

المجال الكهربى

تعمل الشحنة الكهربية الموجودة في مكان ما على إحداث أثر في الوسط المحيط بها بحيث تتأثر أي شحنة كهربية توضع فيه بقوة كهربائية، عندئذ يقال إن مجالا كهروبيا يؤثر في هذا الوسط. يتم تمثيل المجال الكهربي بخطوط وهمية تسمى خطوط المجال الكهربي، ويمثل كل خط من خطوط المجال مسار وحدة الشحنات الموجبة، اذ تتحرك هذه الشحنة بتأثير القوة التي يمارسها المجال عليها. وترسم خطوط المجال الكهربي بحيث تدل كثافة هذه الخطوط في منطقة ما على شدة المجال الكهربي. ومن أهم مميزات خطوط المجال الكهربي بأن الجسم المشحون بشحنة كهربية سالبة محاط بمجال الكهربي تتجه خطوطه نحو مركزالشحنة، وتقل كثافتها كلما ابتعدنا عن الشحنة، كما أن الجسم المشحون بشحنة كهربائية موجبة يكون محاط بمجال الكهربي تنطلق خطوطه من مركز الشحنة إلى الخارج، وتقل كثافتها كلما ابتعدنا عن الشحنة لاحظ الشكل(7). كما أن هذه الخطوط -خطوط المجال الكهربي- لا تتقاطع.

ويبين الشكل(8) كيف تتفاعل خطوط المجال مع بعضها مؤدية إلى تنافر الشحنات المتشابهة. كما أن الشحنات المختلفة يتصل مجالاتها مع بعضها بحيث تتجاذب الشحنات وتتحرك باتجاه بعضها.

بما أن هناك تنافرا و تجاذبا بين الشحنات الكهربية، فمعنى ذلك أن هناك قوى متبادلة بينهما تؤدي إلى تنافرها أوتجاذبها، وحيث أن هذه القوى نائشة عن الشحنات الكهربية تسمى القوة الكهربية. وبناءا على قانون كولوم فإن القوة الكهربية المتبادلة بين شحنتين كهربيتين تتناسب تناسبا طرديا مع مقدار كل من الشحنتين وعكسيا مع مربع المسافة بينهما. 

الموصلات والعوازل

يتم نقل وتوزيع الطاقة الكهربية بوسطة نواقل من انواع ومقاسات مختلفة. تتكون هذه النواقل من قلب وغلاف. فالقلب عبارة عن مادة موصلة للكهرباء، والغلاف عبارة عن مادة عازلة للكهرباء. وعموما تقسم المواد من حيث توصيلها للتيار الكهربي الى ثلاثة اقسام، هي:-

المواد الموصلة ( Conductors )

وهي المواد التي تسمح بمرور التيار الكهربي عبرها مثل المعادن بمختلف أنواعها. ويرجع السبب في ذلك إلى تركيبها الذري حيت تحتوي على عدد هائل من الإلكترونات الحرة القابلة للحركة تحت تأثير قوة خارجية كمصدر جهد كهربي أو بطارية، كما موضح في الشكل(9). 

 

إن الفضة والنحاس والذهب والألومنيوم هي من الموصلات الممتازة. ولكن نادرا ما تستخدم الفضة أو الذهب في عمل الموصلات بسبب ارتفاع ثمنها. أما النحاس فيستخدم في شبكات التمديدات الداخلية والأجهزة الكهربية والإلكترونية، في حين يستخدم الألومنيوم في شبكات نقل وتوزيع الكهرباء الخارجية.

المواد العازلة ( Insulators )

وهي المواد التي لا تسمح بمرور التيار الكهربي عبرها مثل الخشب والزجاج والمطاط والبلاستك. ويرجع السبب في ذلك إلى تركيبها الذري حيت تحتوي على عدد قليل جدا من الإلكترونات الحرة القابلة للحركة تحت تأتير جهد كهربي كما هو موضح في الشكل(10). وللمواد العازلة أهمية كبيرة في الأنظمة الكهربية نظرا لاستعمالاتها المتعددة. فمثلا، يستخدم البلاستك في تغطية الأسلاك الكهربية لحماية الإنسان من الصدمة الكهربية. 

 أشباه الموصلات Semiconductors

هي مواد وسط بين المواد العازلة والمواد الموصلة، أي إنها في حالتها النقية تكون عازلة للكهرباء ولكن بإضافة بعض الشوائب إليها تصبح موصلا جيدا للكهرباء. ولأشباه الموصلات أهمية خاصة في مجال الهندسة الإلكترونية الحديثة حيث تستخدم في صناعة جميع العناصر الإلكترونية مثل الترانزستورات والدارات المتكاملة. ومن أهم المواد نصف الموصلة المستخدمة في هذا المجال: السيليكون ومن ثم الجرمانيوم.

التيار الكهربى ( Electrical Current )

التيار الكهربي هو عبارة عن حركة موجهة للإلكترونات الحرة من نقطة إلى أخرى عبر موصل. ولكي تتحرك هذه الإلكترونات عبر الموصل، لا بد أن يؤثر عليها قوة خارجية. ونحصل على هذه القوة من مصدر الطاقة الكهربية. وأحد هذه المصادر هو البطارية العادية

تستخدم البطارية "التفاعل الكيمائي" لتوليد زيادة في عدد الإلكترونات عند أحد القطبين، ونقص في عددها عند القطب الآخر. لذلك يطلق على القطب الأول اسم "القطب السالب -الكاثود" ويرمز له بإشارة " - ".

 

ويطلق على القطب الثاني اسم "القطب الموجب-الأنود"، ويرمز له بإشارة " + ". يبين الشكل(11) سلك نحاس موصل بقطبي بطارية. وبالتمعن في هذا الشكل، يلاحظ بأن القطب السالب للبطارية يقوم بإبعاد الإلكترونات الحرة عنه، في حين يقوم القطب الموجب بجذبها إليه. وبالتالى تتحرك الإلكترونات الحرة من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر السلك. إن هذه الحركة الموجهة للإلكترونات الحرة تسمى "سريان التيار الكهربي". ويقال في هذه الحالة إن هناك تيار كهربي يسري في السلك.

عندما تدخل الإلكترونات الحرة الطرف الموجب للبطارية، تلتقطها الأيونات الموجبة. ولإستمرار سريان التيار الكهربائي، يستمر التفاعل الكيميائي داخل البطارية ويطلق باستمرار إلكترونات حرة وأيونات موجبة جديدة.

ملاحظة: لقد وضع هذا المثال فقط لتوضيح مفهوم سريان التيار الكهربي، بينما في الواقع لا يمكن وصل سلك بين طرفي البطارية بشكل مباشر، لأن ذلك يؤدي إلى مرور تيار كبير وتفريغ سريع للبطارية بسرعة، مما يؤدي إلى تلفها.

ومن الملاحظ فى الشكل(11) أن الإلكترونات تتحرك عبر الموصل من الطرف السالب للبطارية إلى الطرف الموجب، وبالتالي يكون اتجاه التيار (تيار الإلكترونات) من القطب السالب إلى القطب الموجب كما هو مبين في يمين الشكل 12 - أ.

لقد اصطلح على أن يكون اتجاه سريان التيار من القطب الموجب إلى القطب السالب كما هو مبين في يسار الشكل 12 – ب، أي بعكس اتجاه سريان الإلكترونات. وقد تبنى العلماء الاتجاه الاصطلاحي للتيار الكهربي قبل وضع النظرية الذرية للكهرباء. ومع ذلك فإن العديد من المراجع والكتب لا زالت تستعمل الاتجاه الاصطلاحي للتيار الكهربي.

 

شدة التيار الكهربى (Current Intensity)

ذكرنا في الفقرات السابقة بأن التيار الكهربائي عبارة عن سيل من الإلكترونات الحرة يتدفق عبر موصل في اتجاه معين. فإذا تدفق عدد قليل من الإلكترونات تكون شدة التيار منخفضة أما إذا تدفق عدد كبير من الإلكترونات تكون شدة التيار مرتفعة. وتعرف شدة التيار الكهربي بأنها كمية الشحنة الكهربية التي تعبر مقطعا معينا في الموصل في وحدة الزمن (الثانية)، أي معدل تدفق الشحنة الكهربية، وبالتالي:

شدة التيار = كمية الشحنة الكهربية (بالكولوم) ÷ الزمن (بالثانية)

ويتبين من المعادلة السابقة أن وحدة شدة التيار الكهربي هي وحدة الشحنة مقسومة على وحدة الزمن، أي كولوم÷ تانية، وتعرف هذه الوحدة باسم أمبير، نسبة إلى العالم اندرية ماري أمبير.

وإذا شبهنا الكهرباء بالماء المتدفق في أنبوب، فإن شدة التيار بالأمبير تعادل عدد لترات الماء المتدفقة هذا الأنبوب في مدة واحد ثانية. أما كمية الشحنة بالكولوم فتناظر كمية الماء بالليترات التي يتم تجميعها.

يرمز للأمبير بالحرف (A). ويرمز لشدة التيار في المخططات والحسابات الكهربية بالحرف ( I ). أحيان كثيرة يكون " الأمبير " وحدة كبيرة جدا، لذا تستخدم وحدات أصغر منه كالميلي أمبير الذي يساوي ( 0.001 ) أمبير ويرمز له بالأحرف (mA ). وبتعبير آخر فإن ( 1000) ميلي أمبير يساوي(1) أمبير.والجدول التالي يوضح شدة التيار الذي تسحبه بعض الاجهزة الشائعة الاستخدام في الحياة العملية.

تقاس شدة التيار في الدوائر الكهربية بجهاز خاص يدعى الأميتر ويرمز له بدائرة بداخلها الحرف (A). ومن الجدير بالذكر أن جهاز قياس شدة التيار الأميتر، يجب أن يوصل على التوالي في الدائرة المراد قياس شدة التيار فيها كما في الشكل( 13 ). 

 

 

فرق الجهد والقوة الدافعة الكهربية

إن تيار الماء لا يتدفق عبر أنابيب شبكة الماء إلا إذا كان هناك ضغط كاف لدفع الماء عبر أنابيبها. ويمكن الحصول على ضغط الماء المطلوب بتركيب خزان الماء المغذي للشبكة في مكان مرتفع، أو باستخدام مضخة ماء ميكانيكية. وبصورة مماثلة فإن أهم مستلزمات سريان التيار الكهربي هو وجود قوة مؤثرة خارجية تجبر الإلكترونات الحرة (الشحنات) على التحرك في اتجاه معين عبر الموصل. وكما ذكرنا سابقا، يمكنك أن تحصل على هذه القوة من مصادر الطاقة الكهربية كالبطاريات والمولدات. وتسمى هذه القوة بأسماء عدة مختلفة، هي القوة الدافعة الكهربية، وفرق الجهد، والجهد الكهربي، والضغط الكهربي، الفولتية. ومع اختلاف هذه المسميات إلا إنها تقريبا متشابهة وتقاس بوحدة "الفولت"، ويرمز لها بالحرف (V). ويمكن تعريفها بأنها القوة التي تجبر الإلكترونات (الشحنات) على التحرك في اتجاه معين عبر الموصل، أي تسبب سريان التيار الكهربي.

فرق الجهد الكهربي

ينشأ فرق الجهد الكهربي عند وجود فرق في كمية الشحنات الكهربية (الإلكترونات) بين نقطتين في دائرة كهربية. حيت تتوق الإلكترونات إلى الحركة من المنطقة الغنية بالإلكترونات إلى المنطقة التي تعاني من نقص فيها (في الإلكترونات). فالبطارية مثلا، لديها طرف سالب غني بالإلكترونات الحرة وطرف موجب فقير بها (بالإلكترونات الحرة). ومن أجل أن تتعادل الشحنات، تتوق الإلكترونات الحرة الموجودة عند الطرف السالب لتتحرك نحو الطرف الموجب. وهذا يعني وجود فرق جهد بين الطرف الموجب والطرف السالب للبطارية. وإذا وصلنا طرفي البطارية بموصل من النحاس مثلا، فإنه يتشكل ممر للتيار بين طرفي البطارية، فتتحرك الإلكترونات الحرة من الطرف السالب إلى الطرف الموجب بفعل تأثير فرق الجهد.

 وهذا يشبه خزانين ماء متصلين ببعضهما عبر أنبوب كما هو مبين في الشكل(14)، حيث يتدفق الماء من الخزان الأول إلى الخزان الثاني طالما إن مستوى ماء الخزان الأول أعلى من مستوى ماء الخزان الثاني. وهذا الفرق في مستوى الماء يماثل الفرق في الجهد بين طرفي البطارية.

 

القوة الدافعة الكهربية

يبين الشكل(12 –أ) بطارية كهربية متصلة بحمل خارجي (مصباح). وفقا للاصطلاح المعروف يسري التيار الكهربي داخل البطارية من القطب السالب إلى القطب الموجب، أما في الحمل الخارجي، فيسري التيار الكهربي من القطب الموجب ذات الجهد الأعلى إلى القطب السالب ذات الجهد الأقل .ولكي تتحرك الشحنة دورة كاملة عليها التغلب على مقاومة الحمل وعلى المقاومة الداخلية للبطارية، ولتحقيق ذلك تبذل البطارية على الشحنة شغلا لنقلها في الدائرة الكهربية، حيث يكون عمل البطارية هو بذل الشغل اللازم لتمكين الشحنة من إتمام دورتها الكاملة في الدائرة.

فمقدار الشغل المبذول من المصدر الكهربي لنقل شحنة موجبة اصطلاحية مقدارها واحد كولوم خلال الدائرة الكلية (داخل المصدر وخارجه) يسمى القوة الدافعة الكهربية للمصدر الكهربي وتقاس بوحدة الفولت.

والجدير بالذكر إن مصطلح " القوة الدافعة الكهربية " يستخدم عادة للتعبير عن فرق الجهد بين طرفي مصدر كهربي بدون حمل خارجي أي في حالة عدم مرور تيار، وذلك لتجنب احتساب هبوط الجهد على المقاومة الداخلية للمصدر الكهربي. ويرمز للقوة الدافعة الكهربية باللغة العربية بالأحرف (ق.د.ك)، وباللاتينية بالأحرف ( E.M.F ).

الفولت

الفولت هو وحدة قياس فرق الجهد (الضغط الكهربي أو القوة الدافعة الكهربية) ويرمز له بالحرف ( V ). وبالتعريف، فإن (1) فولت هو فرق الجهد اللازم لمرور تيار شدته (1) أمبير عبر موصل مقاومته (1) أوم. ويقاس فرق الجهد في الدوائر الكهربية بجهاز خاص يدعى الفولتميتر ويرمز له بدائرة بداخلها الحرف( V )، ومن الجدير بالذكر أن جهاز قياس فرق الجهد (الفولتميتر)، يجب أن يوصل على التوازي مع الحمل أو المصدر المراد قياس فرق الجهد بين طرفيه كما في الشكل(15). 

 

وقد اتفق على توحيد الضغوط أو الجهود المستخدمة في الحياة العملية. فعلى سبيل المثال فإن الجهود الشائعة للبطاريات الجافة هي (5.1) و(6) و(9) فولت، وجهود البطاريات السائلة هي (12) فولت للسيارات (24) فولت للشاحنات.

تختلف جهود شبكات الكهرباء العام من بلد إلى آخر، فالجهود المستخدمة في معظم دول العالم بما فيها الدول العربية (220) فولت، في حين إن الجهود المستعملة في أمريكا (110) فولت، وفي بريطانيا (240) فولت. أما شبكات نقل الطاقة الكهربية (الضغط العالي)، فيتراوح جهدها بين (380000 – 6600) فولت.