معلومات عن الكهرباء

الكــــهرباء
الكهرباء قوة غير مرئية، يمكنها إنتاج حرارة، وضوء، وحركة، تجاذب أو تنافر، إضافة إلى العديد من التأثيرات الطبيعية الأخرى، ويمكن تفسير معظم الظواهر المرتبطة بالكهرباء، باستخدام مدلولات الشحنة الكهربية، والتيار والجهد، والوحدات الكهربية المرتبطة بها، وهي على الترتيب الكولوم، والأمبير، والفولت.
القطبية الموجبة والقطبية السالبة
تشاهد التأثيرات الكهربية في كل من البرق، والبطارية، واللاسلكي، والتليفزيون، وفي العديد من التطبيقات الأخرى، والقاسم المشترك بين هذه التطبيقات، وأي تطبيقات كهربية أخرى، هو الجسيمات ذات الشحنات المتخالفة، حيث إن جميع المواد التي نعرفها، سواء أكانت جوامد، أم سوائل، أم غازات، تحتوي على الجسيمات المشحونة، (الإلكترون ذو الشحنة السالبة، والبروتون ذو الشحنة الموجبة).
يمتلك الإلكترون أصغر شحنة كهربية سالبة، ويمتلك البروتون الشحنة نفسها، ولكنها موجبة؛ وترتيب هذه الجسيمات في ذرات العناصر والمواد، هو الذي يحدد خواصها الكهربية، فالمواد التي لا تظهر عليها خواص كهربية واضحة، تتساوى فيها أعداد الجسيمات ذات الشحنات الموجبة، وتلك ذات الشحنات السالبة، مما يؤدي إلى تساوي القوى المتضادة وتلاشي تأثيرها.
وللحصول على تأثير كهربي، يجب بذل شغل لفصل الإلكترونات والبروتونات عن موضعها، وترتيبها الطبيعي، في ذرة المادة، لتغيير توازن القوى الموجودة، ويظهر التأثير الكهربي للمادة عند توصيل بطارية بين طرفي دائرة كهربية، حيث تقوم الطاقة الكيميائية المختزنة في البطارية، ببذل شغل لفصل الشحنات الكهربية، وإنتاج زيادة في عدد الإلكترونات عند طرفها السالب، وزيادة في عدد البروتونات عند طرفها الموجب، وبذلك يمكن دفع تيار كهربي في الدائرة.
الإلكترون والبروتون في تركيب الذرة
تحدد الإلكترونات والبروتونات الخواص المميزة للمادة؛ يوضح مكونات ذرة الهيدروجين، التي تتكون من كتلة مركزية، يطلق عليها "نواة الذرة"، وإلكترون وحيد يدور حولها في مدار خارجي. يوجد البروتون والشحنة الموجبة في مركز الذرة، ليكونا مركز الاستقرار لها، حيث إن كتلته تساوي 1840 مرة كتلة الإلكترون.
يمكن تخيل حركة الإلكترون حول النواة في ذرة الهيدروجين، مثل حركة أي كوكب حول الشمس، حيث تتعادل قوة الجذب بين الإلكترون السالب، والبروتون الموجب، مع القوة الميكانيكية الطاردة، الناتجة من دوران الإلكترون - القوة الطاردة المركزية؛ نتيجة لهذا التعادل يحتفظ الإلكترون بمدار ثابت حول النواة؛ في الذرات التي تحتوي على أكثر من إلكترون مثل ذرة الكربون، الشكل الرقم 2، وذرة النحاس، الشكل الرقم 3. تتوزع الإلكترونات على أكثر من مدار، بينما تتجمع كل البروتونات في النواة، وفي الذرات المتعادلة، المستقرة، يجب أن يتساوى عدد الإلكترونات الدائرة في مدارات حول النواة، وعدد البروتونات المجتمعة فيها.
توزيع عدد الإلكترونات على مدارات حول النواة، خاصة تلك الإلكترونات الموجودة في المدار الأبعد عنها، (المدار الخارجي)، يحدد إلى حد بعيد الخواص الكهربية لهذه الذرة. وأي مدار خارجي، عدا المدار الأول، يتشبع بعدد 8 إلكترونات، بينما يتشبع المدار الأول بإلكترونين فقط، ففي ذرة الكربون، تقع أربعة إلكترونات في المدار الخارجي، وفي ذرة النحاس يوجد إلكترون وحيد في المدار الخارجي، وبمقارنة الذرتين، يتضح أن ذرة الكربون أكثر استقراراً من ذرة النحاس. وعندما يتجاور العديد من ذرات النحاس في سلك من النحاس، فإن الإلكترون الخارجي في كل ذرة، يمكنه الانتقال من ذرة إلى أخرى، ويطلقعلى هذا الإلكترون في هذه الحالة، "الإلكترون الحر". وهذه الإلكترونات الحرة هي المسؤولة عن جودة توصيل النحاس للتيار الكهربي.
المواد الموصلة والعازلة وشبه الموصلة
المواد الموصلة، هي تلك المواد التي تسمح بسهولة بانتقال إلكترون من ذرة إلى أخرى، وبصفة عامة، تُعد معظم المعادن، مثل النحاس والفضة، مواد جيدة التوصيل؛ أما المواد التي تميل ذراتها، إلى الاحتفاظ بالإلكترونات مستقرة في مداراتها، فيطلق عليها المواد العازلة، وهي مواد لا تسمح بتوصيل التيار الكهربي بسهولة؛ من مثل هذه المواد، الزجاج والبلاستيك والمطاط والمايكا. ولبعض المواد خواص توصيل متوسطة، فهي ليست موصل كامل، أو عازل كامل، وهي تجمع إلى حد ما، بين خواص الفئتين؛ هذه المواد يطلق عليها المواد شبه الموصلة Semi Conductor، مثل عناصر الجرمانيوم والسليكون؛ وقد أصبح لهذه المواد الآن قدر كبير من الأهمية في عملية إنتاج الترانزيستور، والدوائر الإلكترونية المتكاملةIntegrated circuits .
الشحنات الكهربية
لا يمكن تعريف الشحنة الكهربية، ولكن يمكن وصف خواصها، وتوضيح سلوكها، ومما لا شك فيه أن الشحنات الكهربية، هي من المواصفات الأساسية للجزيئات، التي تتكون منها جميع العناصر والمواد، وأن التفاعلات المتبادلة، بين ذرات atoms وجزيئاتmolecules المواد، هي بصفة أساسية تفاعلات كهربية بين جسيمات مشحونة كهربياً.
يمكن شرح البناء التركيبي، لأي مادة طبيعية، باستخدام ثلاثة أنواع من الجسيمات:
1. الإلكترون ذو الشحنة السالبة.
2. البروتون ذو الشحنة الموجبة.
3. النيوترون ذو الشحنة المتعادلة.

دمتي بخير