نسخة الفيديو النصية
في هذا الدرس، سوف نتعلم كيف نتعرف على التيار الكهربي، وكيف نحدد اتجاه التيار الكهربي في الدائرة.
التيار الكهربي هو شيء يمكننا جميعًا ملاحظته في العالم من حولنا، كما يحدث مثلًا عند التعرض إلى صدمة كهربية ضعيفة حين نلمس شيئًا معدنيًّا في يوم جاف. والسبب في ذلك هو تفريغ شحنة التيار الكهربي. تتطلب أيضًا الأجهزة الكهربية، مثل المصابيح والهواتف والحواسيب المحمولة، وجود تيار كهربي لكي تعمل. وحتى الظواهر الطبيعية الكبيرة، مثل صواعق البرق، تنتج عن تيارات كهربية. لكن قبل أن نتحدث عن التيار الكهربي بالتفصيل، علينا أولًا أن نتذكر تعريف الشحنة الكهربية.
إنها خاصية تمتلكها جميع المواد، وتخبرنا كيف سيكون سلوك الجسم عندما يكون في مجال كهربي أو قريبًا من أجسام أخرى مشحونة. قد يكون لأي جسم أو جسيم شحنة كهربية موجبة، أو شحنة كهربية سالبة، أو لا يكون له شحنة على الإطلاق. الجسيمات العديمة الشحنة الكهربية تسمى الجسيمات المتعادلة الشحنة. في هذا الدرس، سنرسم دائمًا الأشياء ذات الشحنة الموجبة باللون الأحمر، غالبًا مع وجود علامة زائد داخلها للتذكير بأنها موجبة. وسنرسم دائمًا الأشياء ذات الشحنة السالبة باللون الأزرق، غالبًا مع وجود علامة ناقص داخلها للتذكير بأنها سالبة. تخبرنا شحنة الجسيم بسلوكه عندما يقترب من أي شيء آخر له شحنة. على سبيل المثال، أي جسيمين موجبي الشحنة سيتنافران دائمًا، وينطبق الأمر نفسه على أي جسيمين سالبي الشحنة. فإنهما سيتنافران دائمًا.
لكن عندما يقترب جسيم موجب الشحنة من جسيم سالب الشحنة، سينجذب كل جسيم نحو الآخر ويقتربان أحدهما من الآخر. فعلى غرار قطبي المغناطيس، تتجاذب الشحنات الكهربية المتعاكسة، بينما تتنافر الشحنات الكهربية المتشابهة. أما الجسيمات المتعادلة الشحنة، فلا تنجذب إلى الجسيمات أو الفراغات المشحونة ولا تتنافر معها. فهي لا تتحرك على الإطلاق استجابة إلى الشحنة الكهربية. دعونا الآن نتذكر أن كل ما نراه حولنا يتكون من ذرات. وهذا يتضمن أشياء مثل المواد التي تتكون منها الطاولات والمقاعد، والشاشة التي نشاهد عليها هذا الفيديو، والهواء الذي نستنشقه، وحتى أجسامنا. فكل شيء مكون من الذرات.
تحتوي الذرات على نواة في مركزها، ونرسمها باللون الأحمر؛ لأن النواة موجبة الشحنة. صيغة الجمع من النواة هي النوى، وتتكون النوى من جسيمات أصغر تسمى البروتونات والنيوترونات. لكننا لا نحتاج إلى التطرق إلى ذلك في هذا الدرس. حول نوى الذرة، توجد جسيمات أصغر تسمى الإلكترونات، ورسمناها باللون الأزرق؛ لأنها دائمًا سالبة الشحنة. الذرات التي تكون المواد المختلفة يمكن أن تحتوي على أعداد مختلفة من الإلكترونات، ونوى مختلفة الحجم. وهذا ما يمنح المواد المختلفة خواصها المختلفة.
لنلق نظرة على سلوك هذه الجسيمات داخل المادة. لنفكر في جزء كبير من مادة ما، ولكنه مسطح. قد يتكون هذا الجزء من الخشب، أو البلاستيك، أو معدن، أو أي شيء آخر. بما أن كل مادة مكونة من ذرات، دعونا نتظاهر أنه على هذا الوجه هنا، يمكننا رؤية كل الذرات المنفردة التي تتكون منها هذه المادة. سنرى نواة كل ذرة، والتي سنرسمها باللون الأحمر؛ لأن شحنتها موجبة. وسنرى أيضًا الإلكترونات التي تحيط بالنوى، والتي سنرسمها باللون الأزرق لأن شحنتها سالبة. في الواقع، يكون عدد الذرات أكثر كثيرًا مما رسمناه هنا. لكننا نرسم بعضًا منها فقط كي نتمكن من رؤية ما يحدث في هذه المادة.
من الممكن أحيانًا أن تنفصل الإلكترونات عن نوى الذرات. ويمكن للإلكترون أن يتحرك داخل حيز المادة. في بعض الأحيان يمكن لهذه الإلكترونات الحرة المتحركة أن تقترن بنواة أخرى في المادة. وأحيانًا تستمر فقط في الحركة بحرية عبر المادة. وحسب نوع المادة التي توجد فيها الذرات، يمكننا تحديد مدى سهولة حركة الإلكترونات داخل هذه المادة. على سبيل المثال، إذا كانت المادة هنا من البلاستيك، فمن الصعب جدًّا أن تتحرك الإلكترونات بعيدًا عن النواة. فهي لا تتحرك عادة على الإطلاق، وتظل ساكنة.
أما إذا كانت المادة فلزًّا، فسنجد أن الإلكترونات مرتبطة بالنواة ارتباطًا ضعيفًا جدًّا. ونتيجة لذلك، تتحرك الإلكترونات باستمرار عبر المادة. وهذا بالضبط ما يجعل الفلزات موصلات جيدة للكهرباء. في كثير من الأحيان، يتحرك كل إلكترون في اتجاه عشوائي عبر الفلز. لكن إذا تحرك كل إلكترون في الاتجاه نفسه، كما في هذا الشكل، فإننا نسمي ذلك تدفق الإلكترونات. وبما أن لكل إلكترون شحنة كهربية سالبة، يمكننا أيضًا القول إن تدفق الإلكترونات هذا هو تدفق للشحنة الكهربية عبر المادة. وفي الواقع، عندما تتحرك جميع الإلكترونات في الاتجاه نفسه، وعندما يكون هناك تدفق لشحنة كهربية في مادة ما، فإن هذا ما نسميه تيارًا كهربيًّا. فالتيار الكهربي هو تدفق الشحنة الكهربية عبر المادة.
بعد أن عرفنا ماهية التيار الكهربي، دعونا نلق نظرة على كيفية عمل ذلك في دائرة كهربية بسيطة. لنبدأ بدائرة بسيطة جدًّا تتكون من مصباح وسلك فقط. في هذا الشكل، لدينا مصباح في أعلى الدائرة. ثم لدينا سلك يصل أحد طرفي المصباح بالطرف الآخر. عادة عندما نرسم سلكًا، نستخدم خطًّا واحدًا لتمثيل السلك. لكننا نريد هنا أن ننظر إلى الإلكترونات التي تتحرك داخل السلك. ولذا، فقد رسمناه بشكل سميك مثل الأنبوب. لكن من المهم تذكر أن هذا يمثل سلكًا واحدًا يصل بين طرفي المصباح. عادة ما يكون هذا السلك مصنوعًا من فلز مثل النحاس أو الحديد، بحيث تتحرك الإلكترونات الحرة باستمرار عبر السلك.
لكن قبل أن نبدأ في التفكير في التيار الكهربي في هذه الدائرة، دعونا نتذكر أننا عادة لا نرسم صورًا لمكونات الدائرة، مثل هذا المصباح، كما تبدو في الحياة الواقعية. بل نستخدم الرموز لتمثيلها بدلًا من ذلك. وعادة ما يكون من الأسهل والأسرع رسم هذه الرموز. الرمز الذي نستخدمه للمصباح هو دائرة يوجد في وسطها خطان متقاطعان. إذن هذا الرمز هنا يمثل مصباحًا. ويمكننا رسم السلك كما رسمناه بالفعل. إذن يعتبر الشكلان الموجودان على جانبي الشاشة متكافئين، لكن الشكل الموجود على اليسار نستخدم فيه الرموز لتمثيل الشكل الموجود على اليمين. ونسمي الشكل الموجود على اليسار، الذي نستخدم فيه الرموز، مخطط الدائرة الكهربية.
للتفكير في أي تيار كهربي في الدائرة، دعونا نرسم بعض الإلكترونات الموجودة في سلك هذه الدائرة. في هذين الشكلين، نستخدم الدوائر الزرقاء لتمثيل الإلكترونات، ولنتذكر أن لها شحنة كهربية سالبة. وبما أن السلك مصنوع من فلز، فإن الإلكترونات ستتحرك باستمرار عبر هذا السلك. لكن كل إلكترون سيتحرك في اتجاه عشوائي، ومن ثم لن يكون هناك تدفق للشحنة الكهربية في اتجاه واحد عبر الدائرة. هذا يعني أنه لا يوجد تيار كهربي في الدائرة.
ولإحداث تدفق من الشحنة الكهربية في اتجاه واحد في الدائرة، نحتاج إلى إضافة بطارية إلى الدائرة. لنبدأ بفعل ذلك في الشكل الموجود على اليمين، حيث يمكننا رسم بطارية كما تبدو في الحياة الواقعية. ثم يمكننا إضافة البطارية إلى مخطط الدائرة بتذكر رمز البطارية. الرمز الذي نستخدمه لتمثيل بطارية هو خطان رأسيان تفصل بينهما فجوة صغيرة. الخط الرأسي الأطول يمثل طرف البطارية الموجب، والخط الأقصر، الذي يرسم عادة أكثر سمكًا، يمثل طرف البطارية السالب.
من الآن فصاعدًا، سنتعامل فقط مع مخطط الدائرة. لذا، دعونا نعد رسم هذا الشكل بصورة مكبرة كي يكون لدينا مزيد من المساحة لنلاحظ ما يحدث داخل الدائرة. تذكر أن هذا الرمز يمثل المصباح في الدائرة. والدوائر الزرقاء تمثل الإلكترونات الموجودة في السلك. وهذا الرمز يمثل البطارية في الدائرة. لسنا بحاجة إلى الاستمرار في رسم إشارة الناقص الصغيرة وإشارة الزائد الصغيرة على رمز البطارية. لكن دعونا نتركهما هنا في هذا الدرس لنتذكر إشارة كل طرف. والآن بما أن هناك بطارية في الدائرة، كيف نعرف أن لدينا تدفقًا للشحنة الكهربية في اتجاه واحد معين؟
تذكر أن لكل إلكترون شحنة كهربية سالبة. وقد عرفنا أن أي جسمين لهما شحنة سالبة يتنافران. هذا يعني أن كل إلكترون في سلك الدائرة ينفر بعيدًا عن طرف البطارية السالب. لكننا عرفنا أيضًا أن الشحنات السالبة والموجبة تتجاذب. إذن فجميع الإلكترونات الموجودة في السلك تنجذب نحو طرف البطارية الموجب. وبما أن الإلكترونات لا بد أن تظل في السلك، فهذا يعني أنها تبدأ في التحرك على هذا النحو، بعيدًا عن طرف البطارية السالب عكس اتجاه عقارب الساعة، مرورًا بالمصباح في الدائرة، ثم تعود لأسفل باتجاه طرف البطارية الموجب.
وبما أن كل إلكترون يتحرك الآن عكس اتجاه عقارب الساعة، فهذا يعني أن لدينا تدفقًا للشحنة الكهربية في الدائرة. ومن ثم، يوجد تيار كهربي. ويمد هذا التيار الكهربي المصباح بالطاقة في الدائرة. ومن ثم، سيضيء المصباح الآن؛ حيث توجد بطارية في الدائرة أيضًا. من المهم أن نتذكر أن الإلكترونات كانت موجودة دائمًا في الدائرة حتى قبل إضافة البطارية. ولكن، لا يوجد تيار كهربي إلا عندما تتحرك جميع الإلكترونات في الاتجاه نفسه، أي عندما يوجد تدفق للشحنة الكهربية. فوجود الإلكترونات لا يعطينا تيارًا كهربيًّا. ولا يكون لدينا تيار كهربي إلا عندما تتدفق الشحنة الكهربية في اتجاه واحد معين.
من المهم أيضًا أن نتذكر أنه أثناء تدفق الإلكترونات عبر الدائرة، تظل النوى ثابتة ولا تتحرك عبر الدائرة. علينا الآن أن نذكر طريقة تسمية اصطلاحية مربكة نوعًا ما عندما نتحدث عن التيارات الكهربية. يستخدم مصطلح التيار الاصطلاحي عادة عندما نتحدث عن الدوائر الكهربية. التيار الاصطلاحي مماثل بالضبط للتيارات الكهربية التي تحدثنا عنها بالفعل، إلا أنه يعرف بأنه يسري في الاتجاه المضاد لتدفق الإلكترون. إذن أيًّا كان اتجاه تدفق الإلكترونات، يسري التيار الاصطلاحي في الاتجاه المعاكس له. إذن في هذه الدائرة، يسري التيار الاصطلاحي في الاتجاه المعاكس للأسهم البرتقالية؛ لأن هذه الأسهم تمثل تدفق الإلكترونات حول الدائرة.
وأخيرًا، بعد أن عرفنا ما يسبب التيار الكهربي، علينا أيضًا معرفة وحدة شدة التيار الكهربي. تسمى هذه الوحدة بالأمبير. يعرف الأمبير على أنه شدة تيار تبلغ كولوم واحدًا لكل ثانية. وكلما زاد عدد الإلكترونات التي تتدفق عبر نقطة معينة في الدائرة كل ثانية، زادت شدة التيار في الدائرة. ومن ثم، فإن شدة التيار تعني مزيدًا من وحدات الأمبير. حسنًا، لنتناول الآن سؤالًا تدريبيًّا عن التيار الكهربي.
أكمل الجملة الآتية: التيار الاصطلاحي المار في السلك يكون في (فراغ) تدفق الإلكترونات في السلك. (أ) عكس اتجاه (ب) نفس اتجاه.
حسنًا، في هذا السؤال، نسأل عن التيار المار في سلك. لنبدأ إذن برسم شكل سلك. تمثل الدوائر الحمراء في هذا الشكل نوى الذرات في السلك، وتمثل الدوائر الزرقاء الإلكترونات الموجودة في السلك. يخبرنا السؤال أنه يوجد تدفق للإلكترونات في السلك. لنفترض إذن أن الإلكترونات في السلك تتدفق ناحية اليمين، أي في اتجاه هذا السهم. إذن تتحرك جميع الإلكترونات في الاتجاه نفسه، وهو في هذه الحالة اتجاه اليسار.
يمكننا تذكر أن التيار الكهربي هو تدفق الشحنة الكهربية في المادة. في هذا السلك، تكون هذه الشحنة الكهربية في اتجاه تدفق الإلكترونات، ومن ثم فهي تتجه ناحية اليسار. لكن دعونا نتذكر أيضًا أن التيار الاصطلاحي، وهو ما يسأل عنه هذا السؤال، له نفس تعريف التيار الكهربي. ولكن اتجاه التيار الاصطلاحي يكون معاكسًا لاتجاه تدفق الإلكترونات في المادة. وعليه، بالنسبة إلى هذا السلك، إذا كان تدفق الإلكترونات إلى اليسار، فهذا يعني أن التيار الاصطلاحي في السلك يجب أن يتدفق إلى اليسار. وبذلك، نحصل على إجابة هذا السؤال. وهذه الإجابة هي (أ) عكس اتجاه. إذن، تكون الجملة الكاملة كما يأتي: التيار الاصطلاحي المار في السلك يكون في عكس اتجاه تدفق الإلكترونات في السلك.
لنختم الآن بتلخيص النقاط الرئيسية التي تعلمناها في هذا الدرس. عرفنا أن التيار الكهربي هو تدفق الشحنة الكهربية، إما عبر مادة وإما عبر دائرة كهربية. يتدفق التيار الاصطلاحي في الاتجاه المعاكس لتدفق الإلكترونات. وحدة شدة التيار الكهربي هي الأمبير. ومن ثم، فالتيار الكهربي هو تدفق الشحنة الكهربية، وتقاس شدته بوحدة الأمبير.
