أساسيات الكهرباء والإلكترونيات: المقاومة الكهربائية وقانون أوم

تمثل المقاومة الكهربائية إحدى خصائص المادة التي تصف قدرتها على تمرير التيار الكهربائي ضمنها، وهي إلى جانب الجهد والتيار من أهم المحددات التي يجب معرفتها عند التعامل مع الدارات الكهربائية والإلكترونية

عند العمل مع الدارات الإلكترونية والكهربائية من البديهي أن يكون مفهوم المقاومة الكهربائية مألوفاً لديك، حيث تقف المقاومة الكهربائية جنباً إلى جنب مع التيار والجهد الكهربائي ليشكّلوا ثلاثة بارامترات رئيسية لوصف أي دارة كهربائية. عندما يمر التيار الكهربائي فهو بحاجة إلى وسط ناقل، وهذا الوسط له خاصية تدعى الناقلية (الموصلية) الكهربائية Conductance والتي تُعبّر عن قدرته على نقل التيار، فكلما زادت هذه القدرة تحرك التيار بشكل أسهل، نسمي الخاصية المعاكسة للناقلية الكهربائية بالمقاومة الكهربائية Resistance، ولكن من أين تأتي المقاومة الكهربائية؟

1. مفهوم المقاومة

يدل مفهوم المقاومة الكهربائية على الممانعة التي يبديها الوسط الناقل لمرور التيار الكهربائي، ولتقريب مفهوم المقاومة الكهربائية سنستعين بحركة السوائل، حيث يتمّ تمثيل الجهد الكهربائي بارتفاع خزان الماء، والتيار الكهربائي بجريان الماء من الخزان الى أسفل، أما الأنبوب الذي يجري فيه الماء فيمثل المقاومة.

بفرض وجود خزّانين على نفس الارتفاع (الجهد) يمكن بسهولة ملاحظة أن تدفق الماء (التيار) في الأنبوب العريض أكبر من تدفق الماء في الأنبوب الضيّق، أي أنّ الأنبوب الضيّق أبدى مقاومة أكبر لمرور الماء، في عالم الكهرباء، تتشابه هذه الحالة مع وجود دارتين لهما الجهد الكهربائي ذاته ولكن كل دارة تستخدم مادة مختلفة كوسط ناقل، وبالتالي فإنه وضمن الدارة التي يمتلك وسطها الناقل مادة ذات مقاومة أكبر سيكون التيار المار فيها أصغر.

• اقرأوا أيضاً: أساسيات الكهرباء والإلكترونيات – الجهد الكهربائي

2. لنفهم المبدأ: المقاومة النوعية

مرّ معنا في مقال التيار الكهربائي أنه نتيجة وجود جهد كهربائي بين نقطتين تبدأ الإلكترونات الحرة بين هاتين النقطتين بالتدفق عبر المادة الناقلة، لكن كمية الإلكترونات الحرة تختلف من مادة الى أخرى، كما أن الإلكترونات أثناء حركتها تصطدم بذرات المادة، يسبب هذين العاملين ما يسمى بالمقاومة الكهربائية النوعية للمادة Resistivity.

تقسم المواد حسب مقاومتها النوعية إلى ثلاثة أصناف:

1. نواقل conductors: تُبدي مقاومة صغيرة جداً لمرور التيار الكهربائي، ومن أشهرها الفضة والنحاس والألمنيوم، مع الإشارة إلى أن مقاومة الألمنيوم أكبر من مقاومة النحاس ولكنه يستخدم بكثرة لأنه أقل كلفة من النحاس.
2. عوازل insulators: تُبدي مقاومة كبيرة جداً لمرور التيار الكهربائي، مثل الخشب والزجاج والهواء.
3. مواد نصف ناقلة semiconductors: يمكن أن تسلك سلوك ناقل أو سلوك عازل وذلك حسب الظروف المحيطة بها، ولأنصاف النواقل مثل السيليكون والجرمانيوم دور هام جدا في صناعة الإلكترونيات.

• اقرأ أيضا: ما هو السيليكون؟ ولماذا يستخدم في صناعة الرقاقات الحاسوبية؟

يحاول المصنِّعون عند اختيار المواد تحقيق التوازن بين الكلفة والمقاومة النوعية، يوضح الجدول التالي قيم تقريبية للمقاومة النوعية لبعض المواد عند درجة حرارة 20C:

المادة	المقاومة النوعية (Ω.m)
نحاس	1.68*10-8
ألمنيوم	2.65*10-8
حديد	9.71*10-8
رصاص	2.20*10-7
ماء البحر	2.00*10-1
خشب	1.00*1014

3. المقاومة والمقاومة النوعية

لحساب المقاومة الكهربائية لأي جسم يجب معرفة المقاومة النوعية لمادة هذا الجسم ثم يدخل عاملين آخرين في حساب المقاومة، وهما طول الجسم ومساحة مقطعه، حيث أن جسمين من مادة واحدة ليس بالضرورة أن يحملا المقاومة ذاتها، فكلما زاد طول الجسم زادت مقاومته، وكلما زادت مساحة مقطعه قلت مقاومته، وتحسب المقاومة من العلاقة التالية:

وهنا يجب التنويه على أن لدرجة الحرارة تأثير على المقاومة النوعية، فمع ارتفاع درجة الحرارة تزداد الاهتزازات بين ذرات المادة وبالتالي تزداد المقاومة النوعية، لكن هذا التأثير يكون في المواد الناقلة أما بالنسبة لأنصاف النواقل فالأمر معكوس، إذ يزداد عدد الإلكترونات الحرة مع ارتفاع درجة الحرارة.

• اقرأوا أيضاً: ما هو الفرق بين المقاومة في دارات التيار المتناوب ودارات التيار المستمر؟

4. قانون أوم Ohm’s law

يعتبر قانون أوم من المبادئ الأساسية في علوم الكهرباء، وقد أطلق عليه هذا الاسم نسبة إلى واضعه عالم الفيزياء الألماني “جورج أوم Georg Ohm”، وينص القانون على أن فرق الجهد الكهربائي بين طرفي ناقل يتناسب طرديا مع شدة التيار الكهربائي المار فيه، وهذه النسبة الثابتة هي مقاومة الناقل الكهربائية، ويُعبّر عن هذا القانون من خلال المعادلة التالية:

لا تخضع جميع العناصر الإلكترونية لقانون أوم، (أي أن العلاقة بين الجهد على طرفيها والتيار المار فيها غير خطية)، نقول عن هذه العناصر أنها “غير أومية”، مثل الثنائيات نصف الناقلة (الديودات Diodes). تُعرف أيضا وحدة قياس المقاومة الكهربائية باسم الفيزيائي ذاته “أوم Ohm” وغالبا ما يشار لها بالرمز Ω، حيث نقول عن جسم ناقل أن مقاومته 1Ω، إذا مر فيه تيار قدره 1A بعد تطبيق جهد على طرفيه قدره 1V.

• اقرأوا أيضاً: ملخص قانون أوم

5. المقاومات Resistors

في الحياة العملية، تحتاج معظم التطبيقات لتحديد كمية التيار المار في الدارة بشكل دقيق، ولتحقيق هذا الغرض تستخدم عناصر إلكترونية تدعى “مقاومات Resistors” وهي تأتي بأشكال وأنواع عديدة، تصنف المقاومات ضمن العناصر غير الفعالة passive، أي أنها لا تخزن أو توفر الطاقة بل على العكس هي تستهلك الطاقة وتحولها إلى حرارة.

• اقرأوا أيضاً: ما هو الفرق بين العناصر الكهربائية الفعالة وغير الفعالة؟

في المخططات الإلكترونية، عادة ما يشار إلى المقاومة 5 أوم بالشكل /5R/ وللمقاومة 5*10³ أوم بالشكل /5K/ وللمقاومة 5*10⁶ بالشكل /5M/ وهكذا، عند وصل مقاومتين على التسلسل يمر فيهما التيار ذاته وتُحسب المقاومة الكلية لهما بجمع المقاومتين، أما عند الوصل على التفرع يكون الجهد ذاته على طرفيهما وتحسب المقاومة الكلية بجمع مقلوب المقاومتين ثم قلب النتيجة.

خلاصة

• المقاومة الكهربائية هي الممانعة لمرور التيار الكهربائي.
• المواد الناقلة تبدي مقاومة صغيرة جدا، وعكسها هي المواد العازلة.
• تتحدد مقاومة جسم بثلاث عوامل: المقاومة النوعية لمادة الجسم، وطول الجسم، ومساحة مقطعه العرضي.
• يوجد علاقة خطية بين الجهد والتيار والمقاومة تسمى قانون أوم، يمكن حساب أحد هذه البارمترات الثلاثة بمعرفة اثنين منها.

الجهد	V	volt
التيار	I	ampere
المقاومة	R	Ohms