كيف تعمل الكهرباء للمتعلمين البصريين

هذه ليست الكهرباء لا يمكنك رؤيه الكهرباء بل يمكنك رؤيه تاثيراتها فقط مثل الضوء والحراره والحركه والمجالات المغناطيسيه والفواتير الباهظه والقوس الكهربائي خذ هذه الدائره البسيطه مع بطاريه ومفتاح ومصباح وسلك يربطهم جميعا تضيف البطاريه الطاقه الى الدائره بينما يقوم المصباح بازاله هذهه الطاقه وتحويلها الى ضوء وحراره يمكننا تغيير وضع المفتاح للتحكم في العمليه ما يحدث هو ان جسيمات صغيره تعرف بالالكترونات تتحرك عبر السلك بدءا من الطرف السالب للبطاريه مرورا بالمصباح وصولا الى الطرف الموجب انهم في الواقع يتحركون مسافه صغيره جدا ولكن ساشرح ذلك بعد قليل كثير منا تعلم ان الكهرباء تتدفق من الموجب الى السالب ويرجع ذلك الى انه منذ زمن بعيد افترض بنجامين فرانكلين ان الكهرباء كانت سائلا غير مرئي قام بفرك قضيب زجاجي بقطعه قماش مما تسبب له لاحقا بصدمه كهربائيه وكان يعتقد ان القماش يضيف المزيد من هذا السائل مما يجعله موجبا بينما الشخص الذي يلمسه لديه كميه اقل منه مما يجعله سالبا لذا افترض ان الكهرباء تتدفق من الموجب الى السالب ثم قامت المدارس بتعليم هذه المعلومه ولا زال الكثير منها يفعل ذلك وندعو هذا التيار بالتيار التقليدي بعد سنوات قليله قام جوزيف تومسون بتجربه انبوب اشعه الكاثود وهو جهاز يحتوي على لوحين معدنيين في فراغ عندما تم تشغيل الجهاز ظهر شعاع غريب وسافر بشكل غير معتاد من الجانب السالب الى الجانب الموجب لاحظ ان مجالا مغناطيسيا اثر على اتجاه الشعاع كما لاحظ انه عند مروره بين لوحين مشحونين كهربائيا ينحرف في الحقل الكهربائي بينهما باتجاه الجانب الموجب كما نعلم ان الشحنات المتماثله تتنافر والشحنات المختلفه تجذب لذا يجب ان يكون الشعاع مكونا من جسيمات صغيره تحمل شحنه سالبه تتحرك من السالب الى الموجب لقد اطلق على هذه الجسيمات اسم الالكترون ونسمي حركه الالكترونات هذه تدفق الالكترونات للاسف كان تخمين بنجامين فرانكلين غير صحيح اذ كان القماش يزيل الالكترونات من القضيب الزجاجي وكانت الالكترونات تتحرك من الشخص الى القضيب التشبيه الشائع هو ان البطاريه تشبه المضخه حيث توفر الضغط لدفع التيار عبر الدائره نقيس هذا الضغط الكهربائي بوحده الفولت على سبيل المثال تم تصنيف هذه البطاريه لتوفير فولت ونصف وهذه مصنفه لتوفير 9 فولت يشبه تدفق الماء في الانبوب تدفق الالكترونات في الاسلاك نقيس معدل التدفق بوحده الكميه في الزمن ونقيس التيار بالامبير او بالمبينات ببساطه امبير واحد يساوي كولوم واحد في الثانيه مما يعني انه اذا كان يمر امبير واحد عبر هذا السلك فسيكون هنالك كول واحد من الشحنه في الثانيه يمر من هذه النقطه اجرى روبرت ميليكان تجربه لحساب شحنه الالكترون وهي قيمه صغيره جدا لكن بناء على ذلك يمكننا حساب عدد الالكترونات المتدفقه ونجد ان امبير واحد يعادل حوالي 6.2 كونتليون الكترون في الثانيه لذا نقول ببساطه امبير واحد لتسهيل الامر يضيف المصباح مقاومه الى الدائره كما لو كان قسما من انبوب رفيع يحد من يه الماء المتدفقه نقيس المقاومه بوحده الاوم اذا الجهد هو القوه الدافعه التي تحرك الالكترونات في حين تجعل المقاومه الحركه اكثر صعوبه مما يحد من كميه التيار التي يمكن ان تتدفق ومع ذلك يمكننا استخدام قانون اوم لحساب المقاومه او الجهد او التيار في الدائره طالما نعرف قيمتين اذا قمنا بقياس التيار في هذه الدائره ونعرف الجهد فيمكننا بسهوله حساب المقاومه ومن ثم يمكننا حساب كميه الطاقه المستهلكه على فكره لقد صنعت هذه الاكواب العمليه التي تحمل جميع الصيغ مما يجعل استخدامها سريعا وسهلا الروابط ادناه اذا كنت ترغب في الحصول على واحده فمن اين تاتي هذه الالكترونات حسنا فهي موجوده بالفعل في السلك وان كانت بعض الالكترونات تاتي من البطاريه عاده ما يصنع السلك من النحاس الذي ليس سوى بنيه تتكون من العديد من الذرات النحاسيه الصغيره الذرات صغيره جدا بحيث يحتوي هذا السنتيمتر المكعب من النحاس على اكثر من 84 سكستليون ذره اذا يحتوي هذا السلك على اكثر بكثير الذره هي مجرد مجموعه من ثلاث جسيمات الالكترون والنيوترون والبروتون تحتوي العناصر المختلفه على اعداد متفاوته من هذه الجسيمات تدرج هذه العناصر في الجدول الدوري وهنا يمكننا رؤيه النحاس ساستخدم نموذج بور لتوضيح الذره ولكن قد يكون بعضكم على درايه بالنموذج الاكثر دقه لميكانيكا الكم للذره هذا النموذج معقد جدا ويتجاوز نطاق هذا الفيديو لذا سنستخدم نموذج بور هذا يظهر ان ذره النحاس تحتوي على 29 بروتونا و35 نيوترونات والذي يشكل النواه كما يحتوي ايضا على 29 الكترونا تدور حول النواه في قشور مداريه مختلفه في القشره الخارجيه للتكافؤ يوجد الكترون واحد وهو حر في الانتقال الى ذرات النحاس الاخرى بسبب الطاقه الحراريه المحيطه تتحرك هذه الالكترونات بشكل طبيعي فهي متحركه وتنتقل عشوائيا في جميع الاتجاهات ترتد هذه الالكترونات المتنقله عن الذرات وتعود تقريبا الى موقع انطلاقها بينما تتحرك بعضها الى اليسار وبعضها الى اليمين فيكون المتوسط صفرا تحمل الالكترونات شحنه سالبه والبروتونات شحنه موجبه بينما لا تحمل النيوترونات اي شحنه عندما يغادر الكترون الذره يتبقى عدد اكبر من البروتونات فتكون الشحنه الكليه موجبه وندعو ذلك ايون تشارك ذرات النحاس الالكترونات فيما بينها لذا يوجد في داخل السلك نفس عدد الالكترونات والبروتونات بالتالي يكون التوازن قائما ولا توجد شحنه داخل السلك تحمل البروتونات شحنه موجبه وخطوط حقولها الكهربائيه تشير شعاعيا الى الخارج بينما تحمل الالكترونات شحنه سالبه وخطوط حقولها تشير شعاعيا الى الداخل خطوط الحقل الخاصه بالكترون او ببروتين تتنافر مع بعضها البعض اما البروتون والالكترون فيتجاوز من البطاريه فسوف يتراكم شحنه سالبه على احد الجوانب وشحنه موجبه على الجانب الاخر اذا تخيلت ان هذه المغناطيسات هي الكترونات وتكون شحنه محايده مع بروتونات فعندما تضيف البطاريه الكترونا فانها تضغطه فيرتفع مقدار الشحنه يحتاجون فقط الى التحرك بمقدار بسيط لحدوث ذلك نعلم ان المغناطيسات يمكنها التفاعل عبر مجالاتها المغناطيسيه على مسافات طويله دون الحاجه الى اتصال مادي نفس الامر مع الشحنات الك كهربائيه فخطوط الكهربائيه تمتد عبر الفجوه يمكننا رؤيه ذلك عند تطبيق جهد عالي عبر هذين الصفيحتين حيث ستتحدى بذور العشب مع المجال الكهربائي مما يكشف عن خطوط الحقل الكهربائي بالمناسبه تشير هذه الاسهم الى الاتجاه الذي ستتحرك فيه الشحنه الموجبه في حالتنا نستخدم الالكترونات التي تحمل شحنه سالبه لذا فانها تتحرك في الاتجاه المعاكس للسهم وهو ما قد يكون مربكا قليلا لكن تذكر فقط انها تتحرك من السالب الى المو موجب بطاريتنا لها طرف مشحون سالبا واخر مشحون موجبا وبالتالي تمتلك مجالا كهربائيا عن طريق توصيل سلك يمكننا توجيه المجال الكهربائي عبره مما يساعد على تحريك الالكترونات من الطرف السالب الى الطرف الموجب تتحرك الالكترونات بشكل عشوائي لكن المجال الكهربائي يدفعها الى الانجراف نحو الطرف الموجب وعندما تتحرك معا عبر السلك تكون مجالا مغناطيسيا حوله ويمكننا رؤيه ذلك باستخ دا بعض البوصلات نستخدم هذا لبناء المغناطيسات الكهرومغناطيسيه ويستخدم ايضا لتشغيل المحركات الكهربائيه اذا الى اي مدى تتحرك الالكترونات حسنا فلنفترض ان تيارا مقداره امبير واحد يتدفق عبر هذا السلك يمكننا حساب سرعه الانجراف وهي اقل من 0.1 ملم في الثانيه مما يعني انه سيستغرق وقتا طويلا جدا لقطع هذه المسافه الصغيره لكن عندما اقلب المفتاح يضيء الضوء فكيف يمكن للالكترونات ان تسافر بهذه السرعه البطيئ اذا تخيلت فهذه الالكترونات عندما نحرك الكترونا في احد الاطراف ينتقل تاثيره بسرعه اكبر وبمسافة يختلف عن السلك النحاسي القياسي نستخدمه في اشياء مثل محمصات الخبز لان المقاومه الكبيره تنتج حراره بينما السلك النحاسي يمتلك مقاومه ضئيله للغايه اذا قمنا بتطبيق 10 فولت على الاطراف فان الجهد يقل تدريجيا على طول السلك لكن التيار يظل ثابتا عند كل نقطه ذلك لان مقدار المجال الكهربائي داخل الاسلاك متساو اذا يحدث شيء ما عند توصيل السلك بالبطاريه تحتوي البطاريه على مزيج من المواد المختاره خصيصا لانها تحدث تفاعلا كيميائيا يمتص الالكترونات من جانب ويقذفها من الجانب الاخر تخيل ان التفاعل الكيميائي يجذب الكترونا ويدفعه الى احد الاطراف في كل مره يحدث فيها ذلك ينمو المجال الكهربائي ويصعب حركه الكترون اخر لكن قوه التفاعل الكيميائي قويه جدا بحيث تستمر في نقل الالكترونات حتى تتساوى القوى ثم تتوقف اذا غادر الكترون تصبح القوى غير متوازنه فيقوم التفاعل الكيميائي بنقل الكترون اخر لاستعاده ذلك التوازن والمحافظه عليه لتحريك هذه المغناطيسات نحو بعضها البعض يتطلب مني طاقه فهي ترغب في التنافر يتطلب نقل هذا الالكترون ضد المجال الكهربائي بواسطه التفاعل الكيميائي طاقه ايضا لكل كولوم من الشحنه المتحركه يحتاج الامر الى 1.5 جول من الطاقه هذا هو جهدنا اي قوتنا الدافعه الكهربائيه هذا هو الضغط الذي يمكن للبطاريه توفيره ويمكن لتفاعلات كيميائيه اخرى ان توفر فروق جهد مختلفه لذا وبفضل التفاعل الكيميائي يحدث تراكم للالكترونات ذات الشحنه السالبه على احد الجوانب بينما يكون هنالك نقص في الالكترونات على الجانب الاخر مما ينتج عنه وجود طرف موجب واخر سالب هذه الشحنه عند اطراف البطاريه ستخلق مجالا كهربائي خاصا بها تذكر قطعه السلك المقاوم لدينا محايده الشحنه بداخلها بسبب توازن البروتونات والالكترونات لا يوجد مجال كهربائي وبالتالي لا يتدفق اي تيار لكن عند توصيله بالبطاريه تدفع البطاريه الالكترونات الى احد الاطراف وتسحبها من الطرف الاخر لذا يجب ان ينتقل تراكم الشحنه عند هذه الاطراف من السالب الى الموجب على طول هذا السلك المقاوم مما يكون تدرجا في الشحنه الشحنه موجوده على سطح السلك يمكننا تشبيهها بحلقه هناك مناطق ذات تركيز اعلى بالقرب من البطاريه ومناطق اقل تركيزا في اماكن اخرى ونقطه انتقال حيث تتحول الشحنه من سالبه الى موجبه تخيل اننا اخذنا قرصا من النحاس البروتونات والالكترونات المتنقله متوازنه ولكن اذا اضفنا بعض الالكترونات الى المركز فانها تطرد الالكترونات الاخرى بعيدا ولا تستطيع الانتقال سوى حتى السطح تظل الشحنه في المركز متوازنه لذا يجب ان يتراكم فائض الشحنه على السطح اذا قمنا بازاله بعض الالكترونات من المركز فان الالكترونات المتبقيه تحظى بمساحه اكبر وتكشف عن بعض الشحنه الموجبه للبروتونات وهذا يعطي فعليا حلقه مشحونه ايجابيا عند نقطه الانتقال نحصل على حلقه مشحونه ايجابيا واخرى مشحونه سالبا وعلى الجوانب لدينا حلقتان تكونان اما موجبتين او سالبتين لكن احداهما تحمل شحنه اقل قليلا من الاخرى كلما كان هناك فرق في الشحنه يكون هنالك مجال كهربائي يشير من المنطقه الاكثر ايجابيه الى السالبه لذا يجبر الالكترون في هذا المجال على الانتقال نحو المنطقه الاقل شحنه سالبه اذا تخيلت ان اجبار هذه الشحنات المتنافره على التجمع يتطلب طاقه فان الطاقه تخزن في المجال بينها يمكننا استخدام ذلك لتحريك شحنات اخرى يكون تدرج الشحنه مجالا كهربائيا حول الدائره باكم ل مما يجبر الالكترونات على التحرك تخزن الطاقه في الشحنه المحيطه بالاسلاك هذا السلك المقاوم له نفس القطر ونفس الماده وتياره ثابت في كل نقطه لذا يجب ان يكون مقدار المجال الكهربائي متساويا ايضا وهو ناتج عن الشحنات السطحيه في دائره عاديه تكون الاسلاك ذات مقاومه ضئيله تقريبا وهي سميكه نسبيا مقارنه بالسلك الرفيع للمصباح تتحرك الالكترونات بسهوله عبر السلك النحاسي ولكن من الصعب جدا نقلها عبر الشعيره الرفيعه للمصباح لذا تتراكم الشحنات السطحيه في الغالب عند اطراف البطاريه وعلى جانبي شعيره المصباح مع حاجه ضئيله جدا لتدرج على طول السلك النحاسي باستخدام جهاز قياس متعدد يمكننا رؤيه تقريبا الجهد الكامل للبطاريه عبر المصباح مع انخفاض صغير فقط في الجهد على طول السلك اذا فكرت في الماء الذي يمر عبر خرطوم فعندما نضع ابهام على النهايه نقلل من مساحه المقطع العرضي فيجري الماء بسرعه اكبر في تلك الجزئيه رغم ان نفس كميه الماء تمر قبل وبعد تلك النقطه يجب ان يحدث الشيء نفسه مع الالكترونات في شعيره المصباح المجال الكهربائي اقوى بسبب التدرج الحاد للشحنه السطحيه وهذا يؤدي الى سرعه ان جراف اعلى لكن تتحرك نفس كميه الالكترونات لذا نحصل على نفس التيار يمكننا النظر في الرياضيات وراء ذلك في دورتي حيث لدي وقت اكثر لشرح ذلك الروابط ادناه متاحه اذا كنت مهتما لكن هذه الالكترونات ستصطدم بالذرات في الشعيره وتنقل طاقتها الحركيه الى الهيكل البلوري من الصعب جدا على الالكترونات المرور عبر الشعيره لذا يستمر الامر في الحدوث تبطئ الالكترونات لكن المجال الكهربائي يستمر في اجبارها على الحركه وتصطدم مرارا وتكرارا مع كل تصادم ترتفع درجه حراره الشعيره تدريجيا وفي النهايه تص تصبح ساخنه جدا بحيث تصدر ضوءا مرئيا عاده ما تحتوي الدائره على مفتاح للتحكم في توقيت تدفق التيار عبر المصباح عاده ما تكون البطاريه مثبته بالفعل والمفتاح يكون على الجانب الموجب هذا يعني ان هذا القسم يصبح مشحونا سالبا وذلك القسم يصبح مشحونا ايجابيا لذا يوجد مجال كهربائي حول السلك ولكن ليس بداخله وبالتالي لن يتدفق التيار عندما يغلق المفتاح تحدث بعض التفاعلات معقده جدا خلال جزء من الثانيه قبل ان يضيء الضوء تماما ساقوم بشرح موجز لما يحدث عندما يغلق المفتاح تلتقي الشحنات على وجه المفتاح وتلغي بعضها البعض تاركه فقط حلقات الشحنه السطحيه ذات الشحنات المتعاكسه القويه هذا يحدث مجالا كهربائيا يحرك الالكترون عند اقتراب الالكترون من الحلقه الموجبه تصبح تلك الحلقه اقل ايجابيه قليلا وتصبح الحلقه السالبه اقل سلبيه قليلا تبدا الالكترونات بالتحرك فيتكون مجال مغناطيسي والتغير في الشحنه السطحيه ينشئ مجالا كهربائيه يؤثر الاضطراب على الاقسام المجاوره مباشره فتنتقل المجالات الكهربائيه والمغناطيسيه مثل موجه عبر السلك في كلا الاتجاهين لكن اقساما اخرى من الدائره غير مدركه لهذا التغيير في تلك اللحظه يمتد المجال الكهربائي عبر الفجوه ويؤثر على الشحنات السطحيه في اماكن اخرى من الدائره مما يحدث موجات اضطراب صغيره وتيارا ضئيلا هناك ايضا بينما تتحرك هذه الموجات على طول السلك فانها تصطدم باجزاء تؤدي الى موجات انعكاسيه جزئيه تتفاعل هذه الموجات مع موجات اخرى وتساهم في اقامه تدرج الشحنات السطحيه داخل المجالات الكهربائيه مما يثبت الدائره وفي النهايه يضيء الضوء مع تدفق تيار ثابت في جميع اجزاء الدائره يحدث كل ذلك في اللحظه التي نقلب فيها المفتاح تتحرك الالكترونات مسافه صغيره جدا بحيث لا تستطيع حمل الطاقه من البطاريه بل هو المجال الكهربائي في السلك الذي يسرع لتوصيل الطاقه الى المكان المطلوب وهذا المجال الكهربائي ناجم عن الشحنات السطحيه على طول السلك