فيديو: التيار الكهربي

في هذا الدرس، سوف نتعلم كيف نستخدم القانون ‪𝐼 = 𝑄/𝑡‬‏ لحساب شدة التيار المار عبر نقطة في دائرة بسيطة بمعلومية الشحنة التي تمر عبر هذه النقطة في زمن معطى.

١١:٥٨

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، نتحدث عن مفهوم التيار الكهربي. يمكننا ملاحظة التيار الكهربي في الطبيعة في هيئة صواعق البرق مثلًا. كما يمكننا أن نشعر به عن قرب. ربما نعلم جميعًا كيف يكون شعور التعرض لصدمة كهربية خفيفة عندما نضع أيدينا بالقرب من جسم معدني في يوم شديد الجفاف. تأتي هذه الصدمة من تفريغ شحنة التيار الكهربي.

بالإضافة إلى هذين المثالين، هناك أمثلة أخرى كثيرة على تطبيقات تعتمد على التحكم في التيار الكهربي. إذ نستخدمه في إشعال الأضواء وتشغيل الأجهزة وتدفئة المنازل وتبريدها. وعلى الرغم من أن التيار الكهربي قد يبدو ظاهرة غامضة للغاية، فإن فهمه يعتمد على فهم كيفية تآثر الشحنات الكهربية الموجبة والسالبة بعضها ببعض. لكن قبل أن نخوض في غمار الحديث عن الشحنات الكهربية، دعونا نتحدث قليلًا عن نوع مختلف من التيار.

نعرف جميعًا تيارات المياه. وهي الماء الذي يتدفق في نهر أو مجرى مائي. تساعدنا الطريقة التي يتدفق بها الماء في فهم كيفية تدفق الكهرباء وماهية التيار الكهربي. فكر في التيار الجاري في هذا النهر. يمكننا وصف حركته بالسريعة أو البطيئة أو المتوسطة السرعة. في هذه الحالة، فإننا نشير بالفعل إلى سرعة الماء في أثناء حركته، سواء كانت سريعة أو بطيئة. لكن بالنسبة للتيار، لا يكون الأمر هكذا تمامًا.

ولمعرفة السبب، دعونا ننظر إلى مقطع عرضي لهذا المجرى. لنفترض أن المقطع العرضي يبدو هكذا. وهذا هو عرضه وعمقه بالنسبة للمجرى المائي. نفترض أن كل الماء في المجرى يتحرك بسرعة واحدة وفي اتجاه واحد. هذه إحدى الحالات.

لنتخيل حالة أخرى بمقطع عرضي مختلف للمجرى. تخيل أن المقطع العرضي للمجرى يبدو هكذا، بالعرض نفسه كما سبق، والماء في المجرى يتحرك بالسرعة نفسها التي كان عليها من قبل. ولكن أصبح المجرى أكثر عمقًا. يمكننا في هذه الحالة أن نلاحظ مرور حجم أكبر من الماء بنقطة الملاحظة عند الوقوف بجوار المجرى. ها هي النقطة.

التيار من أي نوع، سواء كان تيار ماء أو تيارًا كهربيًا، هو وصف لكمية المادة المتدفقة التي تمر بإحدى النقاط خلال فترة زمنية معينة. يمكننا كتابة ذلك هنا. وهذا هو تعريفنا للتيار بصفة عامة.

بعد أن فهمنا ذلك، هيا نعد إلى تلك الشحنات الكهربية التي تحدثنا عنها سابقًا، أي الشحنات الموجبة والسالبة. لدينا هنا هاتان الشحنتان الكهربيتان، ونعرف أن لهما إشارتين متعاكستين. ماذا يعني هذا؟ يعني هذا أن كلًا منهما تجذب الأخرى. بمعنى أن هناك قوة جذب تسحب الشحنة الموجبة نحو الشحنة السالبة وتسحب الشحنة السالبة نحو الشحنة الموجبة. تتجاذب الشحنتان معًا. ونعرف أن العكس صحيح. إذ نعلم أنه إذا كانت لدينا شحنتان موجبتان، فستدفع كل منهما الأخرى. وستكون القوة المؤثرة عليهما هكذا. وبالمثل، إذا كانت لدينا شحنتان سالبتان، فسنجد أن الشحنتين متشابهتان، ومن ثم فإنهما تتنافران. ثمة قوة تدفع كلًا منهما بعيدًا عن الأخرى.

هذه الحقيقة البسيطة، التي تقول إن الشحنات الكهربية المختلفة تتجاذب والشحنات الكهربية المتشابهة تتنافر، هي السبب في تكون التيار الكهربي. بعبارة أخرى، هذا ما يجعل الشحنات الكهربية تتحرك عبر دائرة أو ملف. ولمعرفة سبب ذلك، دعونا ننظر إلى جسم يسمى بالموصل ويتكون من العديد من الشحنات الموجبة والسالبة.

في هذا الرسم الصغير، نوضح الموصل مع بعض الشحنات الممثلة، لكن في الواقع يكون عدد الشحنات أكبر بكثير مما أوضحناه هنا. في جميع الحالات، إذا عددنا جميع الشحنات السالبة الموجودة في الموصل ثم عددنا جميع الشحنات الموجبة، فسنحصل على العدد نفسه في الحالتين. وبصفة عامة، فإن عدد الشحنات الموجبة في هذا الموصل يساوي عدد الشحنات السالبة.

لكن هناك سببًا وراء تسميته بالموصل. يسمى بالموصل لأن الشحنات السالبة، الموضحة هنا في الرسم باللون الذهبي، هي شحنات حرة الحركة نوعًا ما. فمن السهل سحبها من الذرة المرتبطة بها وتحريكها في جميع أنحاء الموصل. بعبارة أخرى، إذا وضعنا شحنات كهربية أخرى بالقرب من هذه المادة، فيمكن لهذا الموصل الاستجابة لذلك. فالشحنات تتدفق داخله بالفعل.

ومع ذلك، إذا تركنا الموصل في مكانه، وليكن على سطح الطاولة، فلن تتدفق أي شحنة خلاله لأننا لا نوفر أي دفعة كهربية من أي نوع. فنحن لا نؤثر على الشحنات داخله بأي مسبب. ولكن يمكننا فعل ذلك. يمكننا أن نوفر هذه الدفعة عن طريق توصيل الموصل ببطارية.

هناك طريقة بسيطة للتفكير فيما تفعله البطارية، وهي أنها ترسل شحنات موجبة في اتجاه، وشحنات سالبة في الاتجاه الآخر. ترسل البطارية شحنة موجبة في اتجاه عقارب الساعة وشحنة سالبة في عكس اتجاه عقارب الساعة. وعندما تصل الشحنة الموجبة إلى الطرف الأيسر من الموصل، يمكننا ملاحظة ما سيحدث من خلال تذكر تجاذب الشحنات الكهربية وتنافرها اللذين عرفناهما في هذا الدرس. ستؤثر الشحنة الموجبة في الدائرة الكهربية بقوة جذب على هذه الشحنات السالبة في الطرف الأيسر من الموصل. ونتيجة لذلك، ستبدأ هذه الشحنات السالبة في التحرك إلى اليسار.

تذكر أن بإمكانها ذلك، لأن هذا موصل. عندما تترك هذه الشحنات السالبة الموصل، فسيؤدي ذلك إلى تكوين منطقة في الموصل خالية من الشحنات السالبة. وستسحب الشحنات السالبة الأخرى في الموصل إلى تلك المنطقة. وستتحرك كلها إلى اليسار من تلقاء نفسها. وتستمر هذه العملية بطول الموصل بالكامل، حيث تتحرك الشحنات السالبة إلى اليسار.

إذا كان هذا هو الجزء الوحيد من العملية، فستنفد سريعًا الشحنات الكهربية الحرة الحركة التي يساهم بها الموصل. ولكن هنا يأتي دور الشحنات السالبة التي ترسلها البطارية في الاتجاه الآخر. فهذه الشحنات قادرة على تجديد الإمداد بالشحنات السالبة الحرة الحركة في الموصل عبر الدخول من الطرف الأيمن.

كل هذه التآثرات بين الشحنات الموجبة والسالبة لدينا تحكمها هاتان القاعدتان البسيطتان. الشحنات المختلفة تتجاذب، والشحنات المتشابهة تتنافر. التأثير الكلي لهذا هو أن الشحنات السالبة، أي إشارات السالب، يمكنها التحرك عكس اتجاه عقارب الساعة باستمرار عبر هذه الدائرة. لدينا تدفق في الشحنات الكهربية، أي تيار كهربي.

بمجرد مرور تيار كهربي عبر هذه الدائرة، ستكون خطوتنا التالية هي قياسه. نريد أن نعرف قيمة التيار المتدفق. وهذا يعيدنا إلى تعريف التيار. وهو كمية المادة المتدفقة، أي الشحنة الكهربية في هذه الحالة، التي تمر بنقطة محددة خلال فترة زمنية معينة.

وفقًا لتعريف التيار، دعونا نختر نقطة معينة في هذه الدائرة. يمكن أن تكون في أي مكان. ولكنها النقطة التي سنراقب عندها تدفق الشحنة الكهربية. لنفترض أن هذه النقطة تقع هنا في الجانب العلوي الأيسر من الدائرة الكهربية. نفترض أننا نقف هنا ونراقب هذه النقطة بالتحديد. أثناء المراقبة، نعد كل شحنة سالبة تمر بتلك النقطة. وأكثر من ذلك، افترض أن لدينا ساعة إيقاف ومن ثم يمكننا عد الشحنات التي تمر بهذه النقطة الخضراء في الدائرة الكهربية خلال فترة زمنية معينة.

لنفترض أننا نعد مرور ثانية واحدة باستخدام ساعة الإيقاف، وفي هذه الثانية الواحدة، نعد ‪27‬‏ شحنة سالبة تتدفق عبر تلك النقطة المحددة في الدائرة الكهربية. إذن، لدينا ‪27‬‏ شحنة سالبة تمر بنقطة في الدائرة في ثانية واحدة. يوضح تعريف التيار أنه إذا قسمنا كمية المادة المتدفقة على الفترة الزمنية التي تبلغ ثانية واحدة، فسيكون هذا هو قياس شدة التيار في الدائرة الكهربية.

إذن عرفنا أن شدة التيار في الدائرة الكهربية، التي نرمز إليها بالحرف ‪𝐼‬‏، تساوي ‪27‬‏ شحنة سالبة تمر بنقطة في الدائرة كل ثانية. وهذا يطرح السؤال، ما كمية الشحنة في ‪27‬‏ شحنة سالبة؟ نريد أن نحسب ذلك بطريقة ما.

يتضح أن جميع الشحنات السالبة التي تحدثنا عنها الموجودة في الموصل لها شحنة كهربية خاصة بها. وكمية الشحنة هذه، التي عادة ما نرمز إليها اختصارًا بالحرف ‪𝑄‬‏، تساوي سالب ‪1.6‬‏ في ‪10‬‏ أس سالب ‪19‬‏ كولوم، حيث إن الكولوم هو وحدة قياس الشحنة الكهربية. مثلما أن المتر هو وحدة المسافة، والثواني هي وحدة الزمن، فالكولوم هو وحدة الشحنة الكهربية. معرفة هذه القيمة أمر رائع؛ لأنه يمكننا التعويض بها عن الرمز الذي لدينا للشحنة الكهربية السالبة.

أصبحنا الآن نعرف كمية الشحنة. بعد التعويض، انظر الآن إلى هذا التعبير لحساب شدة التيار ‪𝐼‬‏. لدينا كمية من المادة المتدفقة، أي الشحنة، مقسومة على فترة زمنية معينة. إذا حسبنا قيمة هذا الكسر، فسنحصل على شدة التيار المار عبر هذه الدائرة الكهربية. لكن ما وحدة قياس شدة هذا التيار؟

نلاحظ أنها كولوم لكل ثانية. لكن هناك اسمًا آخر للكولوم لكل ثانية. إذ تسمى الوحدة الرسمية لشدة التيار الكهربي الأمبير. ونرمز إليها بالحرف ‪𝐴‬‏. يعرف الأمبير بدلالة الكولوم والثواني. فالأمبير الواحد يساوي كولوم واحدًا يمر بنقطة في الدائرة الكهربية كل ثانية.

إذا نظرنا مرة أخرى إلى كمية الشحنة التي تحملها كل شحنة سالبة في الدائرة الكهربية، فسنجد أننا نحتاج إلى مليارات ومليارات من هذه الشحنات الكهربية السالبة لتشكل كولوم واحدًا من الشحنة الكلية، أي شحنات أكثر بكثير مما يمكننا عده. وهذا هو تعريف أمبير من التيار. فهو يمثل كولوم واحدًا من الشحنة يمر في كل ثانية.

لنتدرب الآن على التيار الكهربي من خلال مثال.

أي مما يلي هو المعادلة الصحيحة لحساب مقدار الشحنة التي تمر بنقطة في دائرة كهربية خلال زمن محدد؟ ‏‏‪𝑄‬‏ مقدار الشحنة، ‪𝐼‬‏ شدة التيار، ‪𝑡‬‏ الزمن.

في هذا المثال، نبحث عن المعادلة الصحيحة من بين الخيارات الأربعة المعطاة (أ) و(ب) و(ج) و(د) التي تمثل كمية الشحنة ‪𝑄‬‏، والتي تتدفق عبر نقطة في دائرة كهربية خلال زمن معطى. بعبارة أخرى، نريد أن نعرف كيف ترتبط هذه الشحنة ‪𝑄‬‏ بالتيار ‪𝐼‬‏ والزمن ‪𝑡‬‏ رياضيًا.

سيكون من المفيد لنا أن نتذكر التعريف العام للتيار. التيار هو قياس كمية المادة المتدفقة التي تمر بنقطة في فترة زمنية معينة. عندما يتعلق الأمر بالتيار الكهربي، فإن هذه المادة المتدفقة عبارة عن شحنة. ونمثلها باستخدام الحرف ‪𝑄‬‏. ويمكننا تمثيل فترة زمنية معينة باستخدام الحرف ‪𝑡‬‏.

بما أن لشدة التيار كمية الشحنة التي تمر بنقطة لكل وحدة زمن، يمكننا قسمة ‪𝑄‬‏ على ‪𝑡‬‏، وهذا سيعطينا التيار الذي نرمز إليه بالحرف ‪𝐼‬‏. لدينا الآن معادلة رياضية لشدة التيار. دعونا نر ما إذا كانت هذه المعادلة موجودة بين الخيارات.

بالنظر أولًا إلى الخيار (أ)، نجد أنه يزعم أن التيار يساوي الشحنة في الزمن. لكن توضح المعادلة أن التيار يساوي الشحنة مقسومة على الزمن. يعني هذا أن الخيار (أ) لا يمثل المعادلة الصحيحة. جميع الخيارات المتبقية بعد ذلك تحتوي على ‪𝑄‬‏ معزول في طرف بمفرده في المعادلة. لكي نقارن ذلك مع المعادلة التي لدينا، علينا إعادة ترتيبها جبريًا ليصبح ‪𝑄‬‏ في طرف بمفرده.

وللقيام بذلك، يمكننا أن نضرب طرفي المعادلة في الزمن ‪𝑡‬‏. عند القيام بذلك، يلغى ‪𝑡‬‏ في الطرف الأيمن من المعادلة لأنه موجود في البسط والمقام. تصبح المعادلة الآن ‪𝑄‬‏، أي الشحنة، يساوي ‪𝐼‬‏ في ‪𝑡‬‏. نجد أنه من بين الخيارات الثلاثة (ب) و(ج) و(د)، فإن الخيار (د) يتوافق مع هذا المقدار. إذن، المعادلة الصحيحة لكمية الشحنة التي تتدفق عبر نقطة في دائرة كهربية خلال فترة زمنية معينة هي ‪𝑄‬‏ يساوي ‪𝐼‬‏ في ‪𝑡‬‏.

لنلخص ما تعلمناه حتى الآن عن التيار الكهربي. عرفنا في هذا الدرس أن التيار الكهربي هو كمية الشحنة المتدفقة عبر نقطة في فترة زمنية معينة. إذا كتبنا ذلك في صورة معادلة، يمكننا أن نقول إن ‪𝐼‬‏، أي شدة التيار الكهربي، يساوي الشحنة ‪𝑄‬‏ على الزمن ‪𝑡‬‏. عرفنا أيضًا أن تدفق الشحنة يحدث نتيجة للتآثرات بين الشحنات الكهربية الموجبة والسالبة.

كذلك عرفنا أن الشحنات المختلفة تتجاذب، ومن ناحية أخرى، إذا كان لدينا شحنتان كهربيتان متشابهتان أو متماثلتان، فإنهما تتنافران. عرفنا أيضًا أن وحدة الشحنة الكهربية هي الكولوم، ووحدة شدة التيار هي الأمبير. كما علمنا أن كلًا منهما مرتبطة بالأخرى بهذه الطريقة، وهي أن كل أمبير يعرف على أنه كولوم واحد من الشحنة يمر بنقطة خلال ثانية واحدة. إذن، التيار الكهربي هو تدفق الشحنة الكهربية مع مرور الوقت.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.