مفهوم الجهد و التيار الكهربائي
أولاً الجهد الكهربائي Electric Voltage
شرح فكرة الجهد الكهربائي من خلال خلية دانيال
تتكون الخلية الفولتية المعروفة بإسم خلية دانيال أو البطارية السائلة من لوح من النحاس و يطلق عليه أنود Anode و قضيب من الزنك و يسمى كاثود Cathode ، و يتم غمرهما فى محلول الكتروليتى و فى هذه الحالة هو حمض الكبريتيك H2SO4 و يوضع الجميع داخل وعاء مناسب، يحدث التفاعل الكيميائي داخل الخلية مسبباً حركة الإلكترونات السالبة من لوح النحاس و تراكمها على قضيب الزنك فى نفس الوقت و يتم هذا الإنتقال من خلال السائل الإلكتروليتى.
نتيجة لهذه العملية يتحول قضيب الزنك إلى الشحنة السالبة نتيجة تراكم الإلكترونات السالبة عليه و يحمل لوح النحاس الشحنة الموجبة نتيجة لإزالة الإلكترونات منه، يحدث تجاذب بين الشحنات السالبة المتراكمة علي قضيب الزنك و لوح النحاس (الأنود) و لكنها تُمنع من الرجوع نتيجة لوجود التفاعل الكيميائي و الذي يولد قوة تمنعها من الرجوع من خلال السائل الإلكتروليتى، و لكن إذا تم ربط الطرفين من الخارج بواسطة سلك فستسرع الإلكترونات فى إتجاه الأنود من خلال السلك الخارجى مؤدية لمرور تيار من الإلكترونات و بذلك تتعادل شحنات القضيبين.
بالطبع التفاعل الكيمائي سيستمر فى العمل علي تثبيت فارق فى عدد الإلكترونات علي الجانبين و الذي يجعل التيار الكهربائي الخارجي مستمر فى المرور خلال الدائرة الكهربية الخارجية.
عمل الخلية الكهربية مشابهه أيضاً لما يحدث في مضخة المياة و التي طالما تعمل فإن تدفق المياة يظل مستمراً في المرور خلال مواسير المياة.
لابد من ملاحظة أن إتجاه تيار الإلكترونات يكون من الزنك للنحاس في الدائرة الكهربية الخارجية بالرغم من أن الإتجاة التقليدى لمرور التيار conventional current direction (وهو إتجاه حركة الشحنات الموجبة) من النحاس إلى الزنك و لكن لا يوجد حركة للشحنات الموجبة من قضيب لآخر؟! لذلك يمكننا النظر إلى وصول الشحنات السالبة على أنه مغادرة للشحنات الموجبة لهذا القضيب.
عندما يحمل قضيب الزنك شحنة سالبة فهو بذلك يطلق عليه أن له جهد سالب بالنسبة للسائل الإلكتروليتى و علي العكس الأنود يطلق عليه أنه موجب الجهد بالنسبة للسائل الإلكتروليتى، أما بالنسبة للطرفين فالنحاس يعتبر أعلى جهداً من الزنك و يتم تثبيت فارق الجهد بشكل مستمر عن طريق التفاعل الكيميائي الذى يحدث داخل الخلية و الذى يمد الطاقة لبناء فرق الجهد.
تلخيص
يتسبب التفاعل الكيميائي الحادث داخل الخلية الكهربية في الآتي:
1. نقل الإلكترونات من لوح النحاس إلى قضيب الزنك و بذلك يتحول لوح النحاس إلى أنود موجب و قضيب الزنك إلى كاثود سالب.
2. يحدث تجاذب بين الطرفين و لكن التفاعل الكيميائي يولد قوة تمنع عودة الإلكترونات للوح النحاس مرة أخرى.
3. يصبح جهد لوح النحاس موجب و جهد قضيب الزنك سالب.
4. نتيجة لوجود فارق في الجهد بين الطرفين يمر تيار كهربى اذا ما تم ربط الطرفين بدائرة كهربية خارجية.
5. يستمر التفاعل الكيميائي فى العمل على تثبيت فرق الجهد بين الطرفين.
6. الشحنات الموجبة لا تتحرك و لكن الإلكترونات السالبة هى التى تنتقل و لذلك إتجاه التيار التقليدى ليس حركة الشحنات الموجبة و لكن هو عكس حركة الإلكترونات السالبة.
7. تعتبر الخلية الكهربية هى أحد صور تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية.
8. الجهد الكهربى هو قيمة نسبية إذ لابد من مقارنة بين نقطتين لتعريفة لذلك نجد دائما الجهد يقاس لنقطة ثابتة فى الدائرة الكهربية و هي الأرض.
ثانياً التيار الكهربائي Electric current
تعريف
يعرف التيار الكهربى بمعدل مرور الشحنات الكهربية q من خلال مقطع موصل فى زمن t قدرة واحد ثانية و يرمز له بالرمز I و يعبر عنه بوحدة قياس هى الأمبير Amp ، ويمكن تعريف الأمبير بأنه مرور شحنة كهربية مقدارها واحد كولوم خلال مقطع موصل فى زمن قدرة واحد ثانية و يمكن التعبير عن التيار الكهربى رياضياً بالمعدلة:$i=\frac{d q}{d t}$
حيث
i هو التيار الكهربي
$dq/dt$ معدل مرور الشحنات بالنسبة للزمن
كثافة التيار الكهربائي
تعرف بأنها كمية التيار الكهربى i المار عبر مقطع موصل مساحته A و يرمز لها بالرمز J و وحدة قياسها أمبير/م2
$J = i/A$ Amp/m2
سرعة التيار الكهربائي Current velocity
يطلق علي سرعة انجراف الشحنات charge drift فى الموصل بسرعة التيار الكهربي و تعتمد قيمتها علي قيمة التيار و مساحة مقطع الموصل و كثافة الالكترونات الحرة فى الموصل (نوع المادة الموصلة)، و يعبر عنه رياضياً بالمعادلة:
$V = i/nAe$
حيث:
V: سرعة انجراف الشحنات axial drift velocity بوحدة م/ث
n: عدد الشحنات الحرة فى المتر المكعب
A: مساحة مقطع الموصل
e: شحنة الالكترون و تساوى $1.6*10^{-15}$ coulomb
سرعة إنتشار الطاقة الكهربية velocity of propagation of energy
و هى سرعة تأثير القوة الدافعة الكهربية الواقعة علي كل أجزاء الموصل و المسببة لمرور التيار الكهربى، أما قيمتها فلا تعتمد على قيمة التيار و لا فرق الجهد و لكن قيمتها كبيرة و ثابتة و هى قريبة من سرعة الضوء و تساوى تقريبا $3*10^8$ m/s
تعليقات
إرسال تعليق