أساسيات الكهرباء والإلكترونيات: التيّار الكهربائي

لا تستطيع الأجهزة الكهربائية والإلكترونية العمل بدون وجود التيار الكهربائي الذي قد يكون متناوب أو مستمر، والذي يتكون بشكلٍ أساسيّ من الإلكترونات الحرة في ذرات المواد الناقلة

يعد مفهوم التيار الكهربائي بمثابة القلب من الجسد بالنسبة لعلوم الكهرباء والإلكترون، فحتى تعمل أي دارة كهربائية أو أي جهاز إلكتروني لا بدّ من مرور التيار الكهربائي فيه، وعلى الرغم من أن التيار الكهربائي لا يمكن مشاهدته إلا أن أثره واضح من حولنا، فحتى هذا المقال لن يظهر على شاشتك دون مرور تيارات كهربائية في أجهزة الحاسب والهواتف الذكية، ولكن ما هو التيار الكهربائي؟

كي نفهم المبدأ: الإلكترونات الحرة

تختلف المواد عن بعضها البعض بسماحيتها لمرور التيار الكهربائي، أي بمدى سهولة مرور الإلكترونات ضمنها (وهو ما يتم تحديده عبر خاصية الناقلية Conductivity أو مقلوبها، المقاومة Resistivity) وذلك حسب قوة الترابط بين الإلكترونات الخارجية والنواة، فكلما كان ارتباط الإلكترونات الخارجية مع النواة أضعف زادت الناقلية الكهربائية للمادة، وبالتالي فإن ذرات المواد الناقلة تتشارك إلكتروناتها الخارجية مع بعضها وتسمى هذه الإلكترونات بالإلكترونات الحرة.

تكون حركة الإلكترونات الحرة عشوائية إلى أن تؤثر عليها قوة تجبرها على الحركة في اتجاه موحد، تسمى هذه القوة بالقوة المحركة الكهربائية /EMF/، ويكون مصدر هذه القوة وجود فرق في الجهد الكهربائي /Voltage/ بين نقطتين مختلفتين.

• إقرأوا أيضا: أساسيات الكهرباء والإلكترونيات: الجهد الكهربائي

حتى تبدأ الإلكترونات بالتدفق لا يكفي وجود فرق في الجهد الكهربائي بين نقطتين، بل يجب أن يتوفر طريق مكتمل بين هاتين النقطتين؛ بمعنى آخر، تحتاج الإلكترونات التي تشكل التيار الكهربائيّ لوجودٍ وسط فيزيائيّ تستطيع الحركة ضمنه، فالتيار – كما ذكرنا سابقاً – ينتج بشكلٍ أساسيّ عن الإلكترونات الحرة التي تتواجد ضمن ذرات عناصر معينة (تُعرف هذه العناصر باسم النواقل).

بكل الأحوال، ومن أجل فهم حركة التيار الكهربائي، سيكون من الجيد دوماً الاستعانة بالنماذج المائية: لنُمثل تدفق التيار الكهربائي بالماء المتدفق في أنبوب، بفرض وجود ضغط على أحد طرفي أنبوب أكبر من الضغط على الطرف الآخر، وعند وجود طريق مفتوح لمرور الماء، سيبدأ الماء بالتدفق باتجاه الضغط الأقل، يتم تمثيل التيار الكهربائي بكمية الماء التي تتدفق خلال فترة زمنية معينة، نستنج مما سبق أنه يمكن وجود الجهد الكهربائي بدون مرور تيار كهربائي، ولكن لا يمكن مرور التيار بدون وجود الجهد.

تعريف التيار الكهربائي

عند الحديث عن الدارات الإلكترونية والأنظمة الكهربائية، يتم تعريف التيار الكهربائي على أنه كمية الشحنات التي تجتاز نقطة (أو مساحة محددة) ضمن دارة كهربائية، أي أننا إذا حاولنا عدّ الإلكترونات التي تجتاز المقطع العرضي للناقل خلال فترة زمنية ثابتة سنلاحظ العدد نفسه دوماً، وذلك على افتراض ثبات القوة المحركة الكهربائية المؤدية لنشوء التيار الكهربائي نفسه.

إن اتجاه التيار الاصطلاحي هو اتجاه حركة حاملات الشحنة الموجبة في الدارة أي من الجهد المرتفع إلى الجهد المنخفض، ولكن في الحقيقة فإن الإلكترونات هي من تتحرك بشكل فعلي بالاتجاه المعاكس من الجهد المنخفض إلى الجهد المرتفع.

عندما يتحرك التيار الكهربائي في ناقل نلاحظ إرتفاع درجة حرارة الناقل، لأن جزءاً من الطاقة الكهربائية يتحول إلى طاقة حرارية ضائعة في الأسلاك والسبب في ذلك يعود لاحتكاك الإلكترونات الحرة مع مادة الناقل نفسها أثناء الحركة (تلعب هذه العوامل دوراً هاماً في تحديد خواص كهربائية للمادة مثل الناقلية والمقاومة). لذلك من المهم الإنتباه إلى مقطع الأسلاك المستخدمة وناقليتها، لتناسب كمية التيار الكهربائي المار فيها. هنالك أثرٌ هامٌ آخر للتيار الكهربائيّ أثناء مروره ضمن ناقل وهو تشكيله لحقل مغناطيسيّ ذو اتجاهٍ معين، ولهذه الخاصية تطبيقات هامة جداً أبرزها المحركات الكهربائية التي يتم فيها توليد حقل مغناطيسيّ متغير الاتجاه عبر مرور التيار الكهربائيّ ضمن وشائع المحرك، ويُساهم هذا الحقل المغناطيسيّ المتغير في تحريك الجزء الدوّار من المحرك.

عندما يمر التيار الكهربائي في جهة ثابتة يسمى عندها تيار مستمر /DC/ أما اذا كانت جهة التيار تتغير جيئةً وذهاباً بتواتر ثابت يسمى عندها تيار متناوب /AC/. يمكن تلخيص العلاقة بين التيار الكهربائي المتناوب والتيار الكهربائي المستمر عبر الصورة التوضيحية التالية.

ما هو الأمبير؟

الأمبير /ampere/ هو واحدة قياس التيار الكهربائي ضمن النظام العالمي لواحدات القياس SI، وتم اختيار هذا الاسم تكريماً لعالم الرياضيات والفيزياء الفرنسي أندريه ماري أمبير (1775 – 1836) بسبب دوره وإسهاماته البارزة في مجال دراسات الكهرباء والحقول الكهرومغناطيسية. يُعبّر 1 أمبير عن كمية شحنات قدرها 1 كولوم تتدفق ضمن ناقل خلال ثانية واحدة. يقاس التيار الكهربائي أيضا بأجزاء الأمبير وهي:

• الميلي أمبير mA وتساوي 1/1000 أمبير
• المايكرو أمبير uA ويساوي 1/1000 ميلي أمبير، أي واحد على مليون من الأمبير

لتقريب فكرة الأمبير أكثر، قد يفيدك معرفة أن الفرن الكهربائي يستهلك بحدود 15 أمبير، بينما تعمل الثلاجة المنزلية بتيار وسطي 2 أمبير، أما الحاسب المحمول فلا يستهلك أكثر من 400 ميلي أمبير، ولكن عادة ما يقاس استهلاك الأجهزة الكهربائية للطاقة الكهربائية بمفهوم الاستطاعة الكهربائية وهي محصلة ضرب جهد الجهاز الكهربائي بالتيار المسحوب وواحدة الاستطاعة الكهربائية هي الواط /Watt/.

قياس التيار الكهربائي

لقياس التيار هناك طريقتين:

• مقاومة على التسلسل /Shunt/: هذه الطريقة مستخدمة بالمقياس متعدد الأغراض /multimeter/، حيث يتم وضع مقاومة مع الدارة على التسلسل (يصبح المقياس جزء من الدارة)، وهنا يكون التيار الأعظمي الذي يمكن قياسه مرهون باستطاعة المقاومة.
• محولة التيار /transformer/: هذه الطريقة مستخدمة بمقياس الأمبير ذو المشبك /clamp meter/، تتميز هذه الطريقة عن سابقتها بعدم الحاجة إلى قطع الدارة وإدخال عنصر إضافي، بالإضافة إلى قياس تيارات أكبر، وهي تعتمد على

في كلا الطريقتين، يتم عمليا قياس فرق الجهد المتشكل على طرفي المقاومة أو المحولة.

خلاصة

• إن التيار الكهربائي هو حركة الإلكترونات الحرة في المواد الناقلة، وذلك نتيجة وجود جهد كهربائي بين نقطتين مختلفتين في دارة كهربائية.
• يمكن وجود جهد كهربائي بدون مرور للتيار، ولكن لا يمكن مرور التيار بدون وجود الجهد، وبالتالي فإنه حسب مصدر الجهد الكهربائي يكون التيار إما مستمر DC أو متناوب AC.
• إن واحدة قياس التيار الكهربائي هي الأمبير /ampere/ ولكن يقاس استهلاك الأجهزة الكهربائية للطاقة بواحدة الواط /Watt/.