الفرق بين فرق الجهد وشدة التيار الكهربائى

التيار وفرق الجهد
فرق الجهد هو المتسبب بمرور التيار الكهربى
لكى يمر تيار بين نقطين يستلزم وجود فرق فى الجهد بينهما اى ان تكون نقطة جهدها اعلى من الاخرى ويمر التيار من النقطة الاعلى الى الاقل جهدا 
وحدة قياس الجهد هو الفولت ووحدة قياس التيار هو الامبير
ملحوظة: الذى نشعر به عن حدوث الصدمة الكهربية هو التيار وليس فرق الجهد وتتوقف قيمة التيار على مقاومة الجسم التى تقل فى حالة التعرق او الماء وبالتالى زيادة شدة التيار المارة فى الجسم 

ما هو الفارق بين 1 أمبير و 1 فولت ؟

أ: لا يوجد فرق
ب: ذلك غير صحيح والا لما أعطوهما أسمين مختلفين
أ: معك حق انا درست ذلك فى المدرسة وبعد ذلك فى الجامعة وما اعلمه ان الأول هو وحدة شدة التيار الكهربائي والثانى للجهد الكهربائى. وانا لم أفهم الفارق فى ذلك الزمان. واليوم قد نسيت الموضوع برمته.
ب: وانا أيضا مثلك. لكني مازلت اجد هذه المصطلحات فى الحياة اليومية. فهناك البطارية الصغيرة ال 1.5 فولت. كما ان كثيرا من الأجهزة الكهربائية تجد ملصوقا عليها قيمة الأمبير. بينما تصنف اللمبات الكهربائية حسب قيمة الوات.
ا: اتدري ما هو الأهم لمرور التيار الكهربائي؟ الأمبير ام الفولت؟
ب: لا أعلم. لكنى اتساءل ما هو الأخطر على صحة الانسان وقد يصعقه؟ الأمبير ام الفولت؟
ا: بالمناسبة عندما ذكرت الوات تذكرت الفاتورة اللتى ترسلها لى شركة الكهرباء. وانا الأن أتساءل على ماذا تحاسبنا شركة الكهرباء؟ على الأمبيرات ام الفولتات اللتى نستهلكها؟

كان ذلك حوارا افتراضيا بين صديقين افتراضيين حول موضوع فى غاية الأهمية يمس كل زاوية من اركان حياتنا المعاصرة. ومع ان الكهرباء لايمكن الاستغناء عنها اليوم ويعرفها الطفل والشيخ الا ان اساسياتها غامضة وتستحق ان نوليها اهتماما اكثر من ذلك.

دعونا نقارب لهذا الموضوع الحيوي بامر حيوى أخر. دعونا نشبه مرور التيار الكهربائى بأكل الطعام. حيث ما يماثل شدة التيار الكهربائي هى كمية الطعام اللتى نأكلها فى اليوم ونشبه الجهد الكهربائى بشدة الجوع اللتى نشعر بها. ودعونا نتأمل فى الخمس نقاط التالية:

أ لا معنى للحديث عن اكل الطعام اذا لم يكن هناك طعام أساسا
ب حتى لو كان هناك طعام موجود فنحن لا نأكل الا اذا شعرنا بالجوع
ج شعورنا بالجوع ليس معناه ان الطعام موجود بالفعل وأن أمكانية الأكل متوفرة. كما ان توفر الطعام ليس معناه بالضرورة انفتاح شهيتنا وشعورنا بالجوع
د حتى اذا كان الطعام متوفرا وكنا نشعر بالجوع فليس معنى ذلك اننا سوف نأكل . فقد نكون قررنا الصيام: سواء لاسباب دينية ام طبية ام صحية. أو ربما بسبب قلقنا من المستقبل ونخاف أن نأكل كل الطعام  ويأتى غد لايبقى لنا شئ.
ه دعونا نفترض اننا نأكل فقط اذا كان الأكل سوف يقلل شعورنا بالجوع. اما اذا كان الطعام سيزيد من شعورنا بالجوع او سيبقيه كما هو فاننا لن نأكل.

الان دعونا نسقط النقاط السابقة على موضوع الكهرباء

أ لا معنى للحديث عن مرور تيار كهربائى اذا لم تكن هناك كهرباء اساسا. والمقصود بالكهرباء هى الألكترونات حرة. وفى موضوعنا اليوم يمكننا ان نعتبر الكهرباء والألكترونات الحرة مترادفين لغويين
ب حتى لو كانت هناك الكترونات حرة موجودة فلن يمر تيار كهربائى ان لم يكن هناك فرق جهد كهربائى
ج وجود جهد كهربائى ليس معناه ان هناك شحنات كهربائية سببته فقد يكون سبب الجهد الكهربائى مجال معناطيسى متغير. و لن يسبب بالضروة مرور تيار كهربائى كما سنرى فى النقاط التالية. كما ان وجود الشحنات الكهربائية لا يصنع دائما فرق جهد كهربائى. فشحنة سالبة واخرى موجبة تجعلهما متعادلتين وتجعل الجهد الكهربائى فى المتوسط صفر.
د حتى اذا كانت هناك الكترونات حرة وكان هناك فرق جهد كهربائي فلن يمر تيار كهربائى الا فى حالة وجود دائرة كهربائية مغلقة. فهى تشبه النهر اللازم لمرور المياه. وهذا النهر ينظم حركة الماء بداخله كما تنظم اشارات المرور الحمراء المرور فلا تسير كل السيارات فى نفس اللحظة
ه التيار الكهربائى لاينتقل الا من الجهد الأعلى الى الجهد الأقل ولا ينتقل من الجهد الأقل الى الجهد الأعلى. كما لا ينتقل تيار كهربائى بين نقطتين متساويتين فى الجهد.

قد يكون التشبيه السابق موفقا وقد يكون سخيفا. لكن على كل حال ليست الفيزياء مسابقة فى الخيال الأدبى. انها تعتمد على النماذج الرياضية والأرقام. فكيف نستطيع ان نتعامل مع التشبيه السابق رقميا؟ وكيف نعين شدة التيار والجهد الكهربائيين؟

لفعل ذلك دعونا نفرض انه يوجد فى حياتنا نوع طعام واحد فقط. وان كل هذه الخضروات والفواكه اللتى نعرفها غير موجودة. والمتوافر هو سندوتشات الهامبرجر فقط! وبما أن كل السندوتشات تتشابه من حيث الكتلة والشكل والحجم الى أخره. فيكون عدد السندوتشات هو مايعبر عن كمية الطعام. وهذا التشبييه مقبول الى حد كبير حيث ان الكهرباء ليست سوى الكترونات تنتقل من القطب السالب الى القطب الموجب للبطارية. وهذه الالكترونات متشابهة فى كل شئ من ناحية الكتلة والشحنة. ولذلك يمكننا ان نعتبر ان الكترون واحد يماثل سندوتش هامبرجر واحد. وعدد الالكترونات يعبر عن كمية الكهرباء.

لكن هناك مشكلة فشحنة الألكترون هى قيمة صغيرة جدا وتكاد تكون هباء منبثا. وحتى عشرة الكترونات أو مائة من الألكترونات مجموع شحناتهم مجتمعا لا يساوى شيئا تقريبا. وقد اختار الفيزيائيون 6 مليار مليار من الألكترونات -او ستة امامها ثمانية عشر صفرا- وأعتبروا شحنتهم مجتمعة تساوى 1 كولوم. حيث الكولوم هى وحدة قياس الكميات الكهربائية.

لكننا حتى الأن لم نصل بعد الى تعيين شدة التيار الكهربائى لاننا لم ندخل الزمن فى اعتبارنا. وماقسناه حتى الان هي كمية الكهرباء. فشدة التيار الكهربائى عبرنا عنها فى المثال بكمية الطعام اللتى نأكلها فى اليوم. وعندما اقول لك ان فى المخازن مليون سندوتش هامبورجر فان هذا لا يشير الى كمية الاكل اللتى نأكلها فى النهار. ومازلنا نحتاج الى قيمة تقول اننا نأكل  ثلاثة سندوتشات فى اليوم مثلا.

وكما فى أغلب الاعمال السينمائية هناك بطلان رئيسان. الفيزياء فيها ايضا بطلان رئيسان: الزمان والمكان ولابد ان يظهرا فى الميادين الفيزيائية الاساسية. ولذلك لا نستغرب ان يظهر الزمان فى كمية اساسية فى موضوع الكهرباء وهذه الكمية هى شدة التيار الكهربائي. ووحدة شدة التيار الكهربائى هى الأمبير. و واحد امبير يعنى ان كمية كهربائية مقدارها 1 كولوم تمر فى مقطع ما فى الثانية الواحدة. ولابد ان نتوقع ان يظهر البطل الثانى او المكان فى موضوع الجهد الكهربائي

نصل الان الى المصطلح الثانى وهو الجهد الكهربائى. ويجب ان نعترف ان هذا المصطلح هو الاصعب فى التشبيه. فكيف لنا ان نحدد شدة الجوع بصورة رقمية؟ والجوع كما نعلم جزء منه معنوى كما هو مادي؟!

دعونا نعود الى تشبيهنا مرة اخرى ونفترض ان الطعام او سندوتشات الهامبرجر ليست متوفرة فى اى مكان ولكننا نحصل عليها فى مطعم للأكلات السريعة. ودعونا نفترض ان هذا المطعم فوضوي لاتوجد فيه طوابير منتظمة وتسود الفوضى ارجائه. ودعونا نفترض اننا كلما نقترب من المطعم كلما يشتد الزحام وتشتد المضايقة اللتى نشعر بها. وتزداد عنفا تلك الايادي اللتى تدفعنا نحو الخارج. واذا لم نكن نشعر بالجوع لما تحملنا الضيق اللذى نحسه كلما اقتربنا من المطعم. اذن يمكننا ان نعتبر شدة جوعنا تعبر عنه بشكل غير مباشر المضايقة اللتى نشعر بها ومع ذلك نثبت عند موقعنا. ومجرد وصولنا الى مواقع متقدمة هى شهادة بالجوع اللذى نشعر به.

من هنا نري ان شدة الجوع يعبر عنه شيئان: الأول هو قربنا من مطعم المأكولات السريعة كما رأينا والأمر الثانى هو شدة التزاحم الموجودة. فربما يوجد هناك  مطعم اخر فى مدينة اخرى نكون فيه على نفس البعد من المطعم ولكن نظرا لأن شدة التزاحم أقل فتكون درجة المضايقة اقل!

السؤال الان: أي كمية فيزيائية يمكنها ان تعبر عن ذلك الامر بأفضل صورة؟ انها الشغل. حيث تعريفه انه حاصل ضرب القوة فى المسافة اللتى يتحركها جسيم على امتداد تلك القوة!. احب ان أنوه فى البداية ان هذا التعريف للشغل ليس دقيقا تماما ولكنه يفى بغرضنا اليوم. وهنا نرى دور المكان اللذي تعبر عنه المسافة. كما ان  القوة تعبر عن شدة التزاحم. كما ان فى معظم الاحوال لن نهتم بالقيمة المطلقة للجهد ولكننا ما نسعى اليه هو فرق الجهد النسبي بين نقطتين.

الان لو افترضنا وجود بطارية كهربائية ذات قوة 1.5 فولت واذا افترضنا وجود شحنة كهربائية موجبة مقدارها 1 كولوم موجودة عند القطب الموجب للبطارية فانها تتعرض لمضايقة او قوة تدفعها بعيدا عن القطب الموجب باتجاه القطب السالب. -فى حقيقة الأمر لا توجد شحنات موجبة ولكن ما يوجد كما سبق وذكرنا هى الكترونات سالبة تتحرك من القطب السالب الى القطب الموجب – ومن السهل علينا ان نرى أنه اذا تشبثت الشحنة بمكانها فان عليها بذل جهد وفير. ومن زاوية اخرى اذا كانت تلك الشحنة الموجبة موجودة عند القطب السالب للبطارية فانها تبقى هناك ولكى تصل للقطب الموجب عليها ان تبذل شغلا مقداره 1.5 فولت او بتعبير ادق شغلا مقداره 1.5 نيوتن متر حيث ان النيوتن هى وحدة قياس القوة. او بتعبير اخر ان على هذا الشحنة ان تستنزف طاقة مقدارها 1.5 جول حيث الجول هى وحدة الطاقة لتصل من القطب السالب للبطارية الى القطب الموجب. وهذه الطاقة بامكانها رفع كتلة مقدارها 1 كحم لارتفاع 15 سم تقريبا.

اذن شحنة موجبة مقدارها 1 كولوم موجودة عند القطب الموجب للبطارية تتعرض لمضايقة تدفعها نحو القطب السالب.  وهي لذلك تمتلك هناك طاقة وضع اعلى لان الوصول الى هذا الموضع يشترط ذلك. اذن لو توافر لهذه الشحنة سبيلا محترما اى دائرة كهربائية مغلقة فانها ستنتقل من القطب الموجب الى القطب السالب. لكن فى نفس الوقت فان قوانين الفيزياء وخاصة قانون ثبات الطاقة تجبرها على تحويل هذا الفرق في طاقة الوضع الى صورة اخرى  وقد نستغل ذلك فى تشغيل مصباح كهربائى او ألة حاسبة او جهاز راديو صغير او ما غير ذلك.

والأن نعود للاسئلة فى البداية: من هو الأهم لمرور التيار الكهربائي: شدة التيار ام فرق الجهد. وبعد المقدمة السابقة يمكننا أن نرى ان السؤال صياغته عجيبة. فكأننا نسأل من هو اهم بالنسبة للأسد: الأسد ام الطعام؟ فنحن نعلم مما سبق ان شدة التيار الكهربائى هى التيار الكهربائى نفسه. فاذا لم يكن هناك تيار كهربائى تكون شدة التيار الكهربائى صفر واذا كانت شدة التيار الكهربائى صفر فانه لا يمر تيار كهربائي. بينما فرق الجهد هو أحد شروط مرور التيار الكهربائي. ولكى يمر تيار كهربائي لابد ان تكون هناك دائرة كهربائية مغلقة. وتلك الدائرة الكهربائية المغلقة هى كالنهر اللازم وجوده لكى تجري المياة. وذلك طبقا للقانون المشهور التالي:
I = U/R
حيث I  هى شدة التيار الكهربائى و U هو فرق الجهد الكهربائى بين نقطتين و R هى قيمة المقاومة بين نقطتين. ومن هنا نرى أن مهمة النهر او الدائرة الكهربائية المغلقة توفير قيمة المقاومة R فهى من ناحية لايجب ان تكون عالية كثيرا فتعوق مرور التيار الكهربائى ولكنها ايضا لاينبغى أن تكون صفر والا سيكون شدة التيار الكهربائى كما تقول المعادلة مالانهاية ويتسبب ذلك فى انصهار السلك الكهربائي اللذي يمر فيه التيار وكذلك تفسد البطارية الكهربائية ويحدث ما نطلق عليه القفلة الكهربائية. فالمقاومة الكهربائية تمثل اشارات المرور الحمراء اللتى تنظم المرور واذا عدنا الى مثالنا السابق فهى اللتى تجبر المسافرين على الصيام وعدم التهام سندوتشات الهامبرجر كلها فورا. ولو فعلوا ذلك  لالتهم المسافرون كل ما يحملونه فى زمن مقداره صفرا لان الرحلة عبر الطريق لاتكلفهم شيئا وعادوا فى جائعين مرة اخرى الى المطعم ليتزاحموا مرة اخرى ويحدث تكدس رهيب يتفاقم باستمرار حتى ينفجر الموقف.

طيور تجلس فوق سلك الكهرباء
طيور تجلس فوق سلك الكهرباء

اما السؤال الخاص بما اللذي يسبب الصعق الكهربائى؟ فانه سؤال شبيه بالسؤال السابق ونعلم ان ما يسبب الصعق هو مرور تيار كهربائى بداخل جسد الانسان. وبما أن ان شدة التيار الكهربائى هى المرادف لمرور التيار الكهربائى اذن فهى العامل الأخطر. اما الجهد الكهربائى فانه شرط لمرور التيار الكهربائى ولكنه ليس الشرط الوحيد. انظروا الى الطيور اللتى تقف فوق خطوط الضغط العالى ولا يحدث لها شيئ. لانها ببساطة لا يمر بداخلها تيار كهربائي. فلكى يمر تيار كهربائى لابد ان يغلق الطير دائرة كهربائية. فاذا لمس الطير فى نفس اللحظة سلك كهربائى ثانى فانه سوف يصعق. كما يجب ليمر التيار ان يكون بين نقطتين بينهما فرق جهد. ولذلك لا يصعق الطير الواقف على سلك الكهرباء لان النقاط اللتى تلمسها قدماه لها نفس الجهد الكهربائى وفرق الجهد بينها صفر.

اما بالنسبة للأمر المتعلق بفاتورة استهلاك الكهرباء فينبغى ان نبرز اولا ان ذلك التعبير ليس سليما. وأسم الفاتورة خطأ لأننا لا نستهلك الكهرباء. ولو احصت شركة الكهرباء مليارات الالكترونات اللتى اعطتها لنا لوجدت انها عادت اليها الكترونا الكترونا لم تنقص شيئا. فهذه شرط  من شروط مرور التيار الكهربائى ان تكون هناك دائرة كهربائية مغلقة ويكون عدد الالكترونات الخارجة من نقطة مساويا لعدد الالكترونات الداخلة اليها. اذن ماللذى نستهلكه على وجه التحديد؟ من العرض السابق نعلم اننا نستهلك الطاقة. ولذلك ينبغى ان يكون اسم الفاتورة: فاتورة استهلاك الطاقة الكهربائية. لكن كيف يمكننا ان نحسب تلك الطاقة المستهلكة؟

اذا شاهدنا التلفاز لمدة ساعة مثلا فما هى الطاقة الكهربائية اللتى استهلكناها؟ اذا افترضنا ان التيار الكهربائي اللذى نحصل عليه في البيت ذا جهد 220 فولت.  فاننا نعلم من العرض السابق ان كل شحنة كهربائية مقدارها 1 كولوم تصل الينا ثم تخرج من عندنا مرة اخرى تكون فقدت جزء من طاقة وضعها يساوى 220 فولت او 220 نيوتن متر. اذن السؤال الان عندما نشاهد التلفاز لمدة ساعة كم كولوم دخل تلفازنا وخرج منه بعد ان القى بجزء من طاقته فبه؟ حيث اننا نعلم ان شدة التيار الكهربائى تعطينا عدد الكولومات اللتى تمر فى الثانية الواحدة فلكى نحصل على العدد الكلى علينا ان نضرب شدة التيار الكهربائى فى 3600 ثانية حيث ان الساعة تتكون من 3600 ثانية. وتكون فى النهاية الطاقة المستغلة تساوى حاصل ضرب فرق الجهد فى شدة التيار فى الزمن وهذا ماتحاسبنا عليه شركة الكهرباء!

لكن مرة اخرى علينا ان ننوه ان ما نحصل عليه فى البيت هو تيار متردد وليس تيار مستمر. اى ان فرق الجهد ليس دائما 220 فولت. بل هو يكون احيانا صفر واقصى ما يبلغه هو 220 فولت. ولذلك تكون الطاقة الفعلية المستغلة اقل من الطاقة المحسوبة أعلاه.

اذن ملخص ما سبق ان التيار الكهربائى يشبه تيار مائى يجرى فى قناة او نهر . وهذا النهر يجب ان يكون مغلقا. بمعنى ان يعود النهر ليصب فى منبعه. ولترات الماء اللتى تمر فى مقطع ما فى الثانية الواحدة هى ما نعبر عنه بشدة التيار الكهربائي. وينبغى لهذا النهر ان يكون له انحدار معين او فرق جهد لان المياه لا تسرى الا من اعلى الى أسفل ولا تصعد المياة فى العالى كما يقول المثل الشعبى. وهذا الانحدار يشبه الايدى اللتى تدفع قطرات المياة بعيدا عن المنبع باتجاه المصب. كما يجب ان يكون لهذا النهر مقاومة لتتحكم فى سرعة المياة المارة. فلا تجعل كمية المياة المارة صفرا . كما لايجب ان تكون مقاومة النهر صفر فتعود المياة الى نقطة البداية هائجة لتغرق الجميع!