سلسلة كيف نَتعلَّم؟ 2 فولت Volts

    فولت  

    من هو فولتا ؟:

    السيد أليساندرو فولتا (Alessandro Volta) الشكل1، عالم إيطالي ولد في كومو (Come) سنة 1745م ومات سنة 1827م؛ ذهب إلى إنجلترا سنة 1782م واجتمع ببريسلي (هو عضو في الجمعية الملكية وعالم انجليزي) في برمنجهام؛ وضع مجموعة فولتا التي تُنسج على منوالها الحاشدات (البطاريات)؛ وتخليدا لذكراه، تسمى وحدة الضغط الكهربي باسمه (الفولتية).

البداية الأولى: البطارية الكهربائية

في الثمانينات القرن الثامن عشر، اكتشف العالم الإيطالي (لْوِجي جَالْفاني 1737-1798) أن الكهرباء يُمكن أن تجعل أرجل الضفاضع الميتة ترتعش؛ فأجرى العديد من التجارب، ولكن في واحدة منها لم يَستعمل الكهرباء؛ ما كان من جالفاني إلا أن لمس أرجل الضفدعة بنوعين مختلفين من المعادن، فكانت ترتعش! (الشكل2).

وخَلُص عالم إيطالي آخر هو  صاحبنا السيد أليساندرو فولتا، إلى أن الكهرباء كانت تمر بين نوعين مختلفين من المعادن؛ ولإثبات ذلك!، قام في عام 1799م بصنع كومة من أقراص الزنك وفصلهما بكومة من أقراص الورق الرطب (مبلل بحامض الكبريتيك) الشكل3، فنشأ عن ذلك تيار كهربائي بين أقطاب العمود، أو ما يسمى فرق الجهد؛ وبهذه الطريقة صنع فولتا أول بطارية في العالم، وباسمه سُمّيت وَحدة قياس فرق الجهد الكهربائي (فولت Volt) -لمزيد من المعلومات سلسلة: أنت والعلم2 - 

 

 

 فرق الجهد والقوة الدافعة الكهربائية  

  إن أهم مستلزمات سريان التيار الكهربائي،هو وجود قوة مُؤثرة خارجية تُجبر الإلكترونات الحرة (الشحنات) على التحرك في اتجاه معين عبر الموصل.

ويُمكن أن نحصل على هذه القوة من مصادر الطاقة الكهربائية: كالبطاريات، والمولدات؛ وتسمى هذه القوة بأسماء عدة مختلفة هي: القوة الدافعة الكهربائية، وفرق الجهد، والتوتر الكهربائي، والضغط الكهربي، والفولتية.

ومع اختلاف هذه المسميات، إلا أنها تقريبا متشابهة وتقاس بوحدة "فولت"؛ ويرمز لها بالحرف (V)؛ ويمكن تعريفها بأنها القوة التي تجبر الإلكترونات (الشحنات) على التحرك في اتجاه معين عبر الموصل، أي تسبب سريان التيار الكهربائي.

1. فرق الجهد

ويُطلق عليه كذلك اسم: التوتر الكهربائي (Tension électrique) .. أو .. الضغط الكهربائي وهو ينشأ عند وجود فرق في كمية الشحنات الكهربائية (الإلكترونات) بين نقطتين في دارة كهربائية؛ حيث تنتقل الإلكترونات من المنطقة الغنية بها إلى المنطقة التي تعاني من نقص فيها.

فالبطارية مثلا، لديها طرف سالب غني بالإلكترونات الحرة، وطرف موجب فقير بها (بالإلكترونات الحرة)؛ ومن أجل أن تتعادل الشحنات، تَتُوق الإلكترونات الحرة الموجودة عند الطرف السالب لتتحرك نحو الطرف الموجب.

وهذا يعني وجود فرق الجهد بين الطرف الموجب والطرف السالب للبطارية؛ وإذا وصَّلنا مثلا طرَفي البطارية بدارة بسيطة .. مصباح وأسلاك من نحاس، فإنه يتشكل ممر للتيار بين طرفي البطارية، فتتحرك الإلكترونات الحرة من الطرف السالب إلى الموجب بفعل تأثير فرق الجهد (الشكل4).

  ويمكن تمثيله بخزانين مملوئين بالماء (A) و (B) الشكل(5):

عندنا في الرسمة الأولى من الشكل(5)، خزان (A) و خزان (B)، يقعان على نفس المستوى وتربط بينهما قناة (C)؛ حيث نستنتج أنه لا يحدث أي تغيير على مستوى الخزانين A وB، لأنهما على نفس الخط، وبالتالي لا يوجد صبيب بينهما (على سبيل المثال لا يوجد تيار كهربائي في الدارة الكهربائية).

أما في الرسمة الثانية فالوضع يختلف تماما! إذا يوجد الخزان (A) في وضعية مرتفعة، مما يَخلُق عنها ما يسمى بفرق المستوى (يشبه فرق الجهد في الكهرباء) .. حيث يبدأ الصبيب بين (A) و(B)، عن طريق القناة (C) .. (تشبيه بوجود تيار كهربي على الأسلاك بالدارة الكهربائية).

وفرق الجهد يُختصر بأحرف (DDP) أي Différence De Potentiel، ويرمز له فيزيائيا بالحرف:U 

ووحدته في النظام العالمي هي (فولت) ورمزها: V. 

تمثيل التوتر أو فرق الجهد:

اصطلاحا، يمثل التوتر UAB بين نقطتين A وB بسهم حيث يكون رأس السهم نحو النقطة A.

  

ملحوظة: هذا السهم ليس متجهة بل تمثيلا اصطلاحيا.

1.أ) التوتر الكهربائي (فرق الجهد) مقدار جبري:

في كل نقطة من الدارة الكهربائية يوجد جهد كهربائي (Potentiel Electrique)؛ نرمز إليه:V

نعتبر نقطتين A وB في ثنائي القطب، الجهد في كل منها: VA وVB.

• إذا كان الجهد في النقطة A  أعلى من الجهد في النقطة B:

       (VA>VB) 

   فإن فرق الجهد بينهما أو التوتر:         UAB=VA-VB موجب.

أي:  VA-VB>0 أو  UAB>0 .

• أما إذا كان الجهد في النقطة A أقل من الجهد في النقطة B:

(VA<VB)

فإن فرق الجهد بينهما:     UAB=VA-VB سالب.

أي:   VA-VB<0    أو    UAB<0. 

• إذا كان الجهد في النقطة A يساوي الجهد في النقطة B: 

(VA=VB) منعدم.

أي:  VA-VB=0     أو  UAB=0

للإيضاح:

1.ب) تحديد قيمة جهد كهربائي لنقطة من دارة:

لتحديد قيمة جهد كهربائي لنقطة من دارة كهربائية، يجب اختيار نقطة مرجعيَّة تكون مرتبطة بالهيكل أو الأرض، تُسمى بهيكل الدارة الكهربائية واصطُلح أن جُهدها الكهربائي منعدم.

مثال: 

           

UAB=VA-VB وبما أن B مرتبطة بالهيكل فإن VB=0V أي أن UAB=VA 

وفي هذه الحالة التوتر الكهربائي UAB يساوي الجهد الكهربائي عند النقطة A.

1.ج) التوترات مقادير قابلة للجمع: 

نُركِّب على التوالي مولدا للتيار المستمر، ومصباحين (L1) و(L2)، وقاطعا للتيار؛ عند إغلاق الدارة الكهربائية، يمُرُّ فيها تيار بدليل أن المصباحين يضيئان.

نُركِّب، على التوازي مقياسا للتوتر بين A وB، وآخر بين B وC، وثالثا بين A وC؛ فنحصل على التوترات (التقريبية):

UAC=12V   ،    UBC=6.7  ،   UAB=5.2V الشكل (6).

في النهاية:                                      UAC=UAB+UBC

إن هذه النتيجة تُعَمم على طول كل دارة كهربائية متوالية، وتُتَرجم قانون جَمعَيَّة التوترات، أو قابلية التوترات للجمع.

1.د) خاصيات التوتر

• في التركيب على التوازي:

             U1=U2                                                                                  

• في التركيب على التوالي:

        UAB=UAC+UAB 

                                                          

                                                         

2.القوة الدافعة الكهربائية:

لكي تتحرك الإلكترونات المُكوِّنة للتيار الكهربائي، لابد لها من طاقة تكتسبها من منبع الطاقة الكهربائية، قد يكون على شكل بطارية أو أعمدة كهربائية مثلا؛ وتسمى هذه الطاقة: بالقوة الدافعة الكهربائية للمصدر ويُطلق عليها كذلك اسم (القوة المحركة الكهربائية)؛ وهي تُعتبر بمثابة الشغل اللازم لتحريك وحدة الشحنة الكهربائية؛ ويُرمز لها بالحروف اللاتنية (EMF) Force électromotrice واختصارا  (E)؛ وتقاس بوحدة فولت (V)؛ وهذه القوة هي النتيجة الطبيعية لقانون كولوم ، الذي ينص على أن الشحنات الكهربائية المتماثلة تتنافر، والشحنات المختلفة تتجاذب.

2.أ) قانون كولوم: 

المعروف من الفقرة السابقة أن بين الشحنات الكهربائية قوى متبادلة التأثير؛ وقد أمكن للعالِمالفرنسي كولوم Colomb (1736-1806) أن يُحدد بالتجربة مقدار ومدى تأثير هذه القوى الكهربائية؛ وتُقاس الشحنة الكهربائية بوحدة الكولوم، ويُرمز لها بالرمز (C)؛ وجدير بالذكر، فإن الشحنة التي يحملها الإلكترون وتسمى الشحنة النوعية للإلكترون ويرمز لها بالرمز (e)، وقيمتها المعينة بالتجربة هي:

                                                      

                                                            

ملاحظة:

• الإلكترون يحمل شحنة سالبة (-).
• البروتون يحمل شحنة موجبة (+)، وقيمته العددية هي نفس قيمة e.

  وللحصول على شحنة كهربية مقدارها كولوم واحد تحتاج إلى:

     

   أما كمية الشحنة الكهربائية فيرمز لها عادة بالحرف q (هي التي نستعملها دائما في المعادلات الحسابية)؛ يمكننا القول إن الشحنة الكهربائية هي عدد الإلكترونات مضروبا في شحنة الإلكترون الواحد: 

                                                            q=n × e 

n: عدد الإلكترونات

e:  الشحنة النوعية للإلكترون

مثال:

احسب عدد الإلكترونات التي تُكوِّن شحنة كهربائية مقدارها (320µc).

الحل:

     

  2.ب) القوة الدافعة الكهربائية للبطاريات والأعمدة الكهربائية:

   

هو فرق الجهد الكهربائي بين قطبي بطارية عندما تكون الدائرة الكهربائية (مفتوحة) غير موصلة (الشكل7 الرسمة السُفلى)؛ أو هو مقدار الطاقة التي تزودها البطارية لوحدة الشحنة الكهربائية؛ ووحدة قياس emf كما قُلنا آنفا هي:

                              

                                         الطاقة المكتسبة            جول

                             فولت = ––––––––––––––– = –––––––––

                                          كمية الشحنة             كولوم

وكما هو معلوم فإن للبطارية (سائلة أو جافة) طرف موجب الشحنة وآخر سالب الشحنة؛ فهي مصدر القوة الدافعة الكهربائية (emf)؛ حيث يبين (الشكل7؛ الرسمة العليا) بطارية متصلة بمحمل خارجي (مصباح)؛ و وفقا للاصطلاح المعروف يسري التيار الكهربائي داخل البطارية من القطب السالب إلى القطب الموجب؛ أما في الحمل الخارجي، فيسري التيار الكهربي من القطب الموجب ذي الجهد الأعلى إلى القطب السالب ذي الجهد الأقل.

ماذا نعني أن القوة الدافعة الكهربائية لبطارية مثلا هي: (emf=1.5volt)؟

• يعني مقدار الطاقة التي تزودها البطارية لوحدة الشحنة الكهربائية تساوي 1.5V.
• تقاس على التوازي القوة الدافعة الكهربائية بجهاز: الفولتمتر.
• تكون عادة مكتوبة على غلاف أي بطارية؛ في مثالنا: 1.5v.

2.ج) المُميزة (شدة التيار- التوتر ) للمولد (بطارية - عمود الكهربائي):

يبين الشكل التالي ما يُعرف باسم: (رمز المولد).

ويُلاحظ من خلال الاصطلاح المستعمل، أن شدة التيار I والتوتر   UPN نفس المنحى؛ ويُسمى هذا الاصطلاح: (اصطلاح المولد).

يخرج التيار من القطب الموجب p، ويرمز لشدته ب I، ويكون التوتر: UPN=VP-VN موجبا

أي: VP>VN بذلك يمر التيار الكهربائي في المولدات، في منحى الجهود الكهربائية التصاعدية.

 2.د) التركيب النجريبي:

لدراسة مميزة عمود، نختار عمودا مسطحا قوته الدافعة الكهربائية 4.5 (فولت)؛ وننجز التركيب التالي:

عندما يكون قاطع التيار K مفتوحا نقرأ على الفولتمتر القيمة UPN=4.5V؛ نضبط مقاومة المُعدلة أو (ريوستات) على قيمتها القصوية ونغلق قاطع التيار K، ثم ننقص من قيمة الريوستات بتحريك الزالقة، لنزيد بذلك من شدة التيار دون الوصول إلى الحالة التي تنعدم فيها المقاومة حتى نتجنب إيتلاف العمود؛ فنلاحظ أن التوتر UPN ينقص وأن شدة التيار الكهربائي I تزداد.

وهكذا نَحصر في دراستنا شدة التيار عند القيمة 0.5A:

  استنتاج:

• المُميزة لا تمر من أصل المعلم، إذن العمود ثنائي قطب نشيط.
• المميزة دالة تآلفية تناقصية.
• العمود ثنائي القطب غير تماثلي.

قانون أوم بالنسبة للعمود

معادلة المستقيم:

المستقيم دالة تآلفية لا تمر من أصل المعلم، وبالتالي نكتب:

                                                 

                                                            UPN=a ×I + b

  قيمة a:

a: المعامل الموجه للمستقيم (المعامل الذي يتحكم في الميل أو انحدار المستقيم) وهو مقدار سالب لأن الدالة تتناقص؛ ونحددها كمايلي:

                                                                                      𝛥UPN     

                                                                                ━━━━━━  =a

                                                              𝛥I

               

ومنه فإن:          a=-1.5

نلاحظ من المعادلة (ومن المبيان) أن المعامل a سالب وله وحدة (𝜴)، وهي وحدة المقاومة

(طبعا لأن التوتر على الأمبير يساوي المقاومة)؛ وبما أن المقاومة مقدار فيزيائي موجب نضع:

                                                               r=-a

تسمى المقاومة الداخلية للعمود.

قيمة b:  

إن قيمة b هي قيمة UPN عند: I=0

ومنه فإن:  b=4.5V

تدل b على توتر العمود عندما تكون شدة التيار منعدمة (الدارة مفتوحة)؛ نلاحظ أن b مقدار موجب له وحدة التوتر، نضع: 

                                 

                                                                                        E=b

يُسمى هذا التوتر القوة الكهرمحركة للعمود (f.e.m): E (كما رأينا في الفقرات السابقة).

وبالتالي فمعادلة المميزة لمولد خطي تُكتب على الشكل التالي:

                                                                UPN=E - r.I

                                   ======================

تأليف: محمد بلحاج تقني

المراجع:

.........Physique appliquée Génie életronique j.-p chanal paris 1999-

- مبادئ الكهرباء والإلكترونات .. ترجمة وإعداد المهندس علاء حسن -2004-.

- أسس الإلكترونيات..الجزء 1..........مهندس نذير المتنى .. دمشق -1983-.