محاضرة تعريفية عن مفردات مادة الكهربائية والمغناطبسية 2 ومقدمة عن التيار الكهربائي

مفردات منهج مادة الكهربائية 2

الفصل الاول: التيار والمقاومة
1- التيار الكهربائي
2- تغير المقاومة مع درجة الحرارة
الفصل الثاني : دوائر التيار المستمر

الفصل الثالث: القوة الدافعة الكهربائية
1-قانونا كيرشوف

الفصل الرابع: المجال المغناطيسي
1- القوة المغناطيسية
2- العزم المغناطيسي
3- السايكلوترون

الفصل الاول
التيار والمقاومة
التيار الكهربائي
في هذا الفصل نتعامل مع المواد الموصلة للكهربائية ذلك إن الموصل فيه ناقلات الشحنة تمتلك حرية الحركة في الوسط الموصل وتستجيب إلى ابسط المجالات الكهربائية. وعلى الرغم من أن معظم الأجهزة الكهربائية خاصة المستعمل منها في المنازل تدار بالتيار المتناوب A.C. حيث تسري الشحنات خلال الموصلات بشكل جيئة و رواح، إلا أننا سنصب اهتمامنا الرئيسي على التيار المستمر D.C. حيث تسري الشحنات خلال الموصلات بشكل دائم في نفس الاتجاه، والسيارة التي تدار بالكهرباء مثالاً على استعمال دوائر التيار المستمر.
وقد اشرنا إلى أن الموصلات الكهربائية التي تحتوي على شحنات حرة الحركة خلال المواد تسمى الالكترونات، وتأتي المعادن مثل الفضة والنحاس في مقدمة المواد التي تحتوي على هذه الالكترونات الطليقة التي تتميز بحركتها العشوائية في جميع الاتجاهات. ويجب أن لا يغيب عن الأذهان أن الاصطدامات الالكترونية المتكررة مع ذرات المادة والناجمة عن الطاقة الحرارية بغياب المجال الكهربائي أو أي عامل مؤثر خارجي هي السبب في الحركة العشوائية للالكترونات. إن محصلة المسافة التي يقطعها كل إلكترون لفترة طويلة ستكون صفراً وهذا يعني إن معدل السرعة الحرارية للإلكترون هي الأخرى تساوي صفراً كما يوضحها الشكل (1-1).
من المعروف أن الالكترونات الطليقة هي المسؤولة عن تكوين التيارات الكهربائية في الموصلات المعدنية. ويجب أن نكون قد أدركنا أن هـذه التيارات لا تنتـج بغيـاب المؤثرات الخارجية لذا فان انسياق الالكترونات المكونة للتيارات الكهربائية داخل الموصل تحدث إذا فرضنا أن مجالاً كهربائياً انشأ داخل الموصل وهذا المجال يرتبط بفرق جهد مسلط على طرفي الموصل المعدني. وبذا أصبح كل إلكترون تحت تأثير قوة المجال الكهربائي (eE) وهذه القوة تكسبه تعجيلا










شكل (1,1) الحركة العشوائية للالكترون بغياب المجال الكهربائي


بنفس اتجاه القوة المؤثرة. وبسبب اصطداماتها المتكررة مع ذرات المادة تتباطأ حركتها لكنها لا تلبث أن تتعجل مرة أخرى عند تأثير قوة المجال، وهكذا تكون حركة الالكترونات تباطؤ وتسارع تكسبها في النهاية سرعة وسطية بطيئة تكون بعكس اتجاه المجال الكهربائي تسمى سرعة الانجراف أو الانسياق Drift Velocity. إن سرعة الانجراف هذه تعد بطيئة جداً مقارنةً بسرعته الحرارية (العشوائية) بغياب المجال الكهربائي، والمرتسم في الشكل (1-2) يمثل حركة الإلكترون تحت تأثير المجال الكهربائي.








صار مناسباً الآن التكلم عن كمية يطلق عليها التيار الكهربائي. لنفترض أن محصلة الشحنة الكهربائية q تتحرك عبر مساحة مقطع مستعرض من سلك موصل فيه مجال كهربائي ناتج عن وجوده بين قطبي مصدر طاقة كهربائية (شكل 4-3) خلال زمن قدره t ، فان التيار الكهربائي خلال السلك هو:
……...(1-1)
إن وحدة q هو الكولوم وt هي الثانية. وعليه فان وحدة التيار الكهربائي I حسب النظام الدولي للوحدات SI هي الأمبير، أي أن: . وهناك أجزاء لهذه الوحدة تستعمل لقياس التيارات الكهربائية الضعيفة كالملي أمبير mA ويعادل واحد من ألف من الأمبير والمايكرو أمبير ويعادل واحد من مليون من الأمبير.














المعادلة (1-1) تصح في حالة التيار منتظم التوزيع أي أن انسياب الشحنات منتظمٌ خلال مقطع السلك. إلا أن الحال لا يكون هكذا دائماً، فإذا كان التيار غير منتظم التوزيع أي أن انسياب الشحنات غير منتظمٍ ففي هذه الحالة يجب اعتبار الشحنة الكلية dq التي تعبر المقطع في فترة زمنية صغيرة dt، عندئذ يكون الكلام عن التيار الآني ويعبر عنه رياضياً بالشكل الآتي :
…….…(2-1)
كما ان التيارات الكهربائية في الموصلات المعدنية مسؤولة عنها الكترونات طليقة. ولكنه يجب أن نتذكر أن التيارات قد تنتج أيضا عن حركة الايونات الموجبة أو السالبة أو كليهما معاً كما في حالة المحاليل الالكتروليتية والموصلات الغازية.




سلك مصنوع من الفضة طوله L ومساحة مقطعه A ينقل شحنة قدرها q في زمن t. احسب سرعة انجراف الالكترونات في السلك.
الحل :
مجموع الالكترونات الطليقة التي يحتويها جزء السلك الذي طوله L يساوي nAL حيث n تمثل عدد الالكترونات الحرة في وحدة الحجم من السلك، وعليه:

بتعويض قيمة q في المعادلة (1-1) ينتج:


وبهذا يمكن إيجاد سرعة الانجراف من المعادلة :
……......(3-1)