السمات المميزة للتيار الكهربائي

نظرة عامة على التيار الكهربائي

يُشار إلى التيار الكهربائي بالرمز (I)، وهو يمثل سيلًا من الشحنات الكهربائية السالبة داخل الدوائر الكهربائية. يسري هذا السيل باتجاه محدد عبر الموصلات بصورة منتظمة، وقد يتكون من إلكترونات أو أيونات. يحدث هذا التدفق نتيجة لضعف أو انعدام قوى التجاذب بين النواة والإلكترونات الموجودة في المدار الأخير (إلكترونات التكافؤ)، مما يؤدي إلى تحرر هذه الإلكترونات. وعند توصيل أسلاك التوصيل بمصدر للطاقة الكهربائية، تتولد قوة دافعة كهربائية تعمل على دفع هذه الإلكترونات في اتجاه معين، مما يشكل التيار الكهربائي.

السمات الفيزيائية الأساسية للتيار الكهربائي

التيار الكهربائي يتميز بعدة سمات فيزيائية هامة تحدد سلوكه وتأثيره في الدوائر الكهربائية. هذه السمات تشمل شدة التيار، فرق الجهد، القوة الدافعة الكهربائية، والمقاومة الكهربائية. فهم هذه الخصائص يساعدنا على تصميم وتحليل الدوائر الكهربائية بكفاءة.

قياس قوة التيار

شدة التيار هي كمية الشحنات الكهربائية التي تتدفق عبر سلك التوصيل في وحدة الزمن (ثانية واحدة). تتناسب شدة التيار عكسيًا مع طول السلك، فكلما زاد طول السلك، قلت شدة التيار بسبب ازدياد المقاومة. يُقاس التيار الكهربائي بجهاز الأميتر، ووحدة القياس هي الأمبير. يمكن التعبير عن شدة التيار الكهربائي بالعلاقة الرياضية التالية:

(شدة التيار= كميّة الشحنات الكهربائيّة (بوحدة الكولوم)/ الزمن (بوحدة الثانية))

الأمبير الواحد هو شدة التيار الناتج عن مرور كمية من الشحنات الكهربائية، مقدارها (1 كولوم) عبر مقطع موصل في زمن قدره ثانية واحدة.

أمثلة حسابية على شدة التيار

مثال (1): احسب شدة التيار الكهربائي عند مرور كميّة من الكهرباء مقدارها 5400 كولوم، في مقطع موصل مدة خمس دقائق؟

الحل:

كميّة الشحنات الكهربائية (ك)= 5400 كولوم، الزمن= 5*60= 300 ثانية، إذاً شدة التيار (ت)= (ك/ز)= (300/5400)= 18 أمبير.

مثال (2): احسب مقدار الشحنة الكهربائيّة المارة خلال مصباح، عندما يمر به تيار شدته 6 أمبير، في ثلاث ثوانٍ؟

الحل:

ت= (ك/ز)، باستخدام خاصية الضرب التبادلي نجد أنّ كميّة الشحنات (ك)= (ت*ز)= (6*3)= 18 كولوم.

مثال (3): احسب الزمن اللازم لمرور شحنة كهربائيّة مقدارها 60 كولوم، بين نقطتين في دائرة يمر بها تيار شدته 0.25 أمبير؟

الحل:

الزمن (ز)= (ك/ت)= (0.25/60)= 240 ثانية.

إمكانية فرق الجهد

فرق الجهد هو مقدار الشغل المبذول لنقل كمية من الشحنات الكهربائية مقدارها (1 كولوم) بين طرفي موصل. ينتقل التيار الكهربائي من طرف الموصل إلى الطرف الآخر عند وجود فرق في الجهد بينهما. يتدفق التيار الكهربائي من الموصل ذي الجهد الأعلى إلى الموصل ذي الجهد الأقل، ويستمر حتى يصبح فرق الجهد صفراً. عند توصيل موصلين لهما نفس الجهد الكهربائي، لا يمر بينهما تيار كهربائي. يمكن التعبير عن فرق الجهد بالعلاقة الرياضية التالية:

(فرق الجهد (بوحدة الفولت)= (الشغل المبذول (بوحدة الجول)/ كمية الشحنات الكهربائيّة (بوحدة الكولوم))

الفولت الواحد هو فرق الجهد بين طرفي موصل عند بذل شغل مقداره (1 جول) لنقل كمية من الشحنات الكهربائية مقدارها (1 كولوم) بين طرفي الموصل.

أمثلة حسابية على فرق الجهد

مثال (1): إذا كان الشغل المبذول لنقل شحنة كهربائيّة مقدارها 500 كولوم بين نقطتين 5500 جول، فاحسب فرق الجهد.

الحل:

فرق الجهد (جـ)= الشغل (شغ)/ (ك)= (5500/ 500)= 11 فولت.

مثال (2): احسب الكميّة الكهربائيّة التي تتحول عند مرورها في سخان إلى طاقة حراريّة مقدارها 45000 جول، إذا علمت أنّ فرق الجهد بين طرفيه 225 فولت؟

الحل:

ك= (شغ/ جـ)= (225/45000)= 200 كولوم.

القدرة المحركة الكهربية

القوة الدافعة الكهربائية هي فرق الجهد الكهربائي بين قطبي المصدر الكهربائي عندما تكون الدائرة الكهربائية مفتوحة، أي لا يمر خلالها تيار كهربائي. تقاس القوة الدافعة الكهربائية بجهاز الفولتميتر، وبوحدة الفولت. تعتبر القوة الدافعة الكهربائية هي المحرك الأساسي للتيار في الدائرة الكهربائية.

مفهوم المقاومة الكهربائية

المقاومة الكهربائية هي الممانعة التي يواجهها التيار الكهربائي خلال سريانه في موصل. تتكون المقاومة عادةً من ملف مصنوع من سلك معدني ذي مقاومة عالية، وملفوف بشكل منتظم حول أسطوانة مصنوعة من مادة عازلة. تحتوي أيضًا على صفيحة معدنية مرنة تلامس لفات السلك. الهدف الرئيسي من المقاومة هو التحكم في شدة التيار المار في الدوائر الكهربائية، وفي فرق الجهد بين أجزاء الدائرة المختلفة. تعتبر المقاومة الكهربائية من العناصر الأساسية في الدوائر وتؤثر بشكل كبير على أدائها.