كهرباء
الكهرباء Electricity مصطلح عام يضم مجموعة متنوعة من الظواهر الناتجة عن وجود شحنة كهربية وتدفقها. وتضم هذه الظواهر البرق والكهرباء الساكنة. ولكنها تحتوي على مفاهيم أقل شيوعًا مثل المجال الكهرومغناطيسي والحث الكهرومغناطيسي. يعمد أصل المرادف الأجنبي لحدثة كهرباء إلى الحدثة اللاتينية الجديدة ēlectricus التي تعني "شبيه الكهرمان")، وهذه بدورها مأخوذة من الحدثة اليونانية ἤλεκτρον (إلكترون) وتعني الكهرمان.
أما في الاستخدام العام، فمن المناسب استخدام حدثة "كهرباء" للإشارة إلى عدد من التأثيرات الفيزيائية. ولكن في الاستخدام الفهمي، يعد المصطلح غامضًا. كما حتى هذه المفاهيم المتعلقة به من المفضل حتى يتم تعريفها وفقًا لمصطلحات أكثر دقة كما يلي:
- الشحنة الكهربية : تعبير عن خاصية لبعض الجسيمات دون الذرية تحدد التفاعلات الكهرومغناطيسية الخاصة بها. فالمادة المشحونة كهربيًا تتأثر بالمجالات الكهرومغناطيسية وتنتجها.
- التيار الكهربي : تعبير عن تحرك أوتدفق الجسيمات المشحونة كهربيًا، ويُقاس عادةً بالأمبير.
- المجال الكهربي : تعبير عن تأثير تنتجه شحنة كهربية في غيرها من الشحنات الموجودة بالقرب منها.
- الجهد الكهربي : قدرة المجال الكهربي على الشغل، ويُقاس عادةً بوحدة الفولت.
- الكهرومغناطيسية : تعبير عن التفاعل الأساسي الذي يحدث بين المجال المغناطيسي ووجود الشحنة الكهربية وحركتها.
لقد خضعت الظواهر الكهربية للدراسة منذ القِدم، إلا حتى فهم الكهرباء لم يشهد أي تقدم حتى القرنين السابع عشر والثامن عشر. وعلى الرغم من ذلك، فقد ظلت التطبيقات العملية المتعلقة بالكهرباء قليلة العدد، ولم يتمكن المهندسون من تطبيق فهم الكهرباء في الحقل الصناعي والاستخدامات السكنية إلا في أواخر القرن التاسع عشر. وقد أدى التقدم السريع في تكنولوجيا الكهرباء في ذلك الوقت إلى إحداث تغييرات في المجال الصناعي وفي المجتمع أيضًا. كما حتى الاستعمالات المتعددة والمذهلة للكهرباء كمصدر من مصادر الطاقة أظهر إمكانية استخدامها في عدد لانهائي من التطبيقات مثل المواصلات والتدفئة والإضاءة والاتصالات والحساب. فأساس المجتمع الصناعي الحديث يعتمد على استخدام الطاقة الكهربية، ويمكننا التكهن بأن الاعتماد على الطاقة سيستمر في المستقبل.
تاريخ الكهرباء
قبل فهم الكهرباء بفترة طويلة، كان الناس على دراية بالصدمات التي يحدثها سمك الرعاش، وقد أشارت النصوص التي هجرها قدماء المصريين والتي يرجع تاريخها إلى 2750 قبل الميلاد إلى هذه الأسماك باسم "صاعقة النيل"، كما وصفوها بأنها حامية جميع الأسماك الأخرى. وبعد حوالي ألف عام، أشار إليها أيضًا الإغريق والرومان وفهماء الطبيعة والأطباء المسلمون. ولقد أكد الكتّاب القدامى، مثل بليني الأكبر وسكريبونيس لارجوس على الإحساس بالتنميل الناتج عن الصدمات الكهربية (الصدمة الكهربية) التي يحدثها سمك السلّور وسمك الرعاد الكهربي. كما اكتشف هؤلاء الكتّاب حتى هذه الصدمات يمكن حتى تنتقل عبر الأجسام الموصلة. وعلى أي حال، ينسب أقدم وأقرب أسلوب لاكتشاف ماهية البرق والكهرباء الصادرة عن أي مصدر آخر إلى العرب الذين أطلقوا الحدثة العربية (رعد) على الشعاع الكهربي قبل القرن الخامس عشر. وقد كان معروفًا في الثقافات القديمة للدول المطلة على البحر الأبيض المتوسط حتى هناك أجسامًا معينة مثل قضبان الكهرمان، يمكن حَكِّها بفروقطة فتجذب الأجسام الخفيفة مثل الريش. ولقد قام طاليس حوالي عام 600 قبل الميلاد بتسجيل مجموعة من الملاحظات تتعلق بالكهرباء الساكنة. وبعد هذه الملاحظات، توصل ثاليس إلى حتى الاحتكاك يحول الكهرمان إلى مادة مغناطيسية. وعلى عكس ذلك، لا بحاجة المعادن، مثل الماغنتيت المعروف باسم أكسيد الحديد الأسود، إلى عملية الاحتكاك حتى تكتسب صفة المغناطيسية. إلا حتى طاليس كان مخطئاً في الاعتقاد بأن سبب الانجذاب هوالتأثير المغناطيسي، فقد أثبتت الأبحاث الفهمية فيما بعد وجود علاقة بين المغناطيسية والكهرباء. ووفقًا لإحدى النظريات المثيرة للجدل، فقد عهد شعب البارثيون الطلاء الكهربي استنادًا إلى اكتشاف بطارية بغداد عام 1936. وعلى الرغم من حتى هذه البطارية تشبه الخلية الجلفانية، فإنه من غير المؤكد ما إذا كانت ذات طبيعة كهربية أم لا.
ظلت الكهرباء تعني أكثر من مجرد فضول فكري لآلاف السنين حتى عام 1600. ففي ذلك العام، أجرى الطبيب الإنجليزي ويليام جيلبرت دراسة دقيقة حول الكهرباء والمغناطيسية، وفرّق فيها بين تأثير حجر المغناطيس والكهرباء الساكنة التي تنتج عن احتكاك مادة الكهرمان. ولقد ابتكر حدثة (electricus) وهي باللغة اللاتينية الجديدة ("من الكهرمان" أو"شبيه الكهرمان"، ومأخوذة من "ήλεκτρον" [أي "إلكترون" ، ] وهي المرادف اليوناني لحدثة "كهرمان") للإشارة إلى خاصية جذب الأجسام الصغيرة بعد حكها. أدى هذا الارتباط إلى إبراز الحدثتين "Electric" و"Electricity" اللتين ظهرتا لأول مرة في كتاب توماس براون "Pseudodoxia Epidemica" الذي صدر عام 1646.
ولقد قدم اوتوفون جيريك وروبرت بويل وستيفن گراي وسي إف ديوفاي المزيد من الأعمال. وأجرى بنجامين فرانكلين في القرن الثامن عشر أبحاثًا شاملة بشأن الكهرباء، حتى أنه اضطر إلى بيع ممتلكاته لتمويل أبحاثه. وقيل أنه في يونيو1752، قام بربط مفتاح معدني أسفل خيط طائرة ورقية رطب وأطلق الطائرة في سماء تنذر بهبوب عاصفة. ثم لاحظ مجموعة متلاحقة من الشرر تخرج من المفتاح إلى ظهر يده، الأمر الذي برهن على حتى البرق ذوطبيعة كهربية بالعمل. نشر لويجي گلڤاني عام 1791 اكتشافه الخاص بالكهرباء الحيوية الذي أظهر حتى الكهرباء هي الوسيط الذي تقوم من خلاله الخلايا العصبية بنقل الإشارات إلى العضلات. ولقد اخترع ألساندروڤولتا أول بطارية كهربية وأطلق عليها اسم "البطارية الفولتية" عام 1800. وكانت مصنوعة من طبقات متوالية من الزنك والنحاس. ولقد مَدّت هذه البطارية الفهماء بمصدر للطاقة الكهربية يمكن الاعتماد عليه أكثر من الماكينات الإلكتروستاتية التي كانت تُستخدم من قبل. وترجع فهم الكهرومغناطيسية، أي وحدة الظواهر الكهربية والمغناطيسية، إلى هانز كريستيان أورستد وأندريه-ماري أمبير عامي 1819-1820، ثم اخترع مايكل فاراداي المحرك الكهربي عام 1821. كما قام جورج أوم بتحليل الدائرة الكهربية حسابيًا عام 1827.
وعلى الرغم من حتى أوائل القرن التاسع عشر شهدت تقدمًا سريعًا في فهم الكهرباء، فإن أواخر القرن نفسه شهدت أعظم تقدم في مجال الهندسة الكهربية. وتحولت الكهرباء من مجرد فضول فهمي مُحير إلى أداة رئيسية لا غنى عنها في الحياة العصرية وأصبحت القوة الدافعة للثورة الصناعية الثانية. وكل ذلك تحقق بفضل بعض الأشخاص مثل نيكولا تيسلا وتوماس إديسون واوتوبلاثي وجورج ويستنگهاوس وإرنست ڤرنر فون سيمنز وألكسندر گراهام بل ولورد كلڤن.
مفاهيم شائعة
الشحنة الكهربية
الشحنة الكهربية تعبير عن خاصية موجودة في مجموعة معينة من الجسيمات دون الذرية، وهي سبب توليد القوة الكهرومغناطيسية فضلاً عن تفاعلها معها. وتعد القوة الكهرومغناطيسية واحدة من القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة. وتنشأ الشحنة في الذرة التي يعد الإلكترون والبروتون أشهر حامليها. كما أنها تعبير عن كمية مخزنة، أوبمعنى آخر، حتى الشحنة الكائنة داخل نظام معزول ستظل ثابتة بغض النظر عن أي تغييرات تحدث داخل هذا النظام ومن الممكن حتى تنتقل الشحنة بين الأجسام داخل النظام، إما عن طريق الاتصال المباشر أوالمرور من خلال مادة موصلة، مثل السلك. ويشير مصطلح "الكهرباء الاستاتيكية" إلى وجود (أوعدم توازن بين) شحنات على الجسم. وعادةً ما يحدث ذلك عندما يتم حك المواد المتنوعة معًا فتنتقل الشحنة من مادة إلى أخرى.
إن وجود شحنة كهربية هوالذي يولد القوة الكهرومغناطيسية: إذ حتى الشحنات تدفع بعضها البعض بالقوة، وهوتأثير كان معروفًا منذ قديم الزمن على الرغم من عدم فهمه. فمن الممكن شحن كرة خفيفة الوزن معلقة بسلك عن طريق ملامستها لقضيب من الزجاج مشحون من خلال حَكِّه في بترة من القماش. وفي حالة شحن كرة أخرى مماثلة بقضيب الزجاج نفسه، ستجد أنها تتنافر مع الكرة الأولى؛ حيث إذا الشحنة الكهربية ستدفع الكرتين عن بعضهما البعض. كما تتنافر الكرتان المشحونتان عن طريق ملامستهما لقضيب من الكهرمان تم حَكِّه في بترة من القماش. ومع ذلك، إذا تم شحن الكرة الأولى بقضيب الزجاج والثانية بقضيب الكهرمان، فستنجذبان إلى بعضهما البعض.ولقد قام تشارلي أوجستين دوكولوم ببحث هذه الظواهر في القرن الثامن عشر وتوصل إلى حتى الشحنة الكهربية تظهر في شكلين متقابلين. وأدى هذا الاكتشاف إلى المسلمة المعروفة القائلة إن: الشحنات الكهربية المتشابهة تتنافر والمتنوعة تتجاذب.
إن القوة تعمل على الجسيمات المشحونة نفسها، ومن ثم تميل الشحنة إلى الانتشار بشكل متساوٍ قدر الإمكان على سطح موصل. سواء كانت تجاذب أم تنافر من خلال قانون كولوم الذيقد يكون علاقة بين القوة وحاصل ضرب الشحنات، وبين القوة والتربيع العكسي للمسافة بينها.أدى هذا الاكتشاف إلى البديهية الشهيرة: "قوة التنافر بين جسمين كرويين صغيرين مشحونين بالنوع نفسه من الكهرباء يتناسبان عكسيًا مع مربع المسافة بين مركزيهما". تعد القوة الكهرومغناطيسية قوية جدًا، وتحتل المرتبة الثانية فقط من حيث القوة في التفاعل القوي. ولكن بخلاف تلك القوة، يمتد تأثير الكهرومغناطيسية عبر جميع المسافات. ومقارنةً بقوة الجاذبية الأكثر ضعفًا، فإن القوة الكهرومغناطيسية التي تدفع إلكترونين بعيدًا عن بعضهما أكبر من قوة التجاذب التثاقلي التي تجذبهما معًا بحوالي 1042 مرة.
تتقابل الشحنة الكهربية الموجودة على الإلكترونات والبروتونات، ولذلك يوصف مقدار الشحنة بأنه سالب أوموجب. وقد جرت العادة على اعتبار الشحنة التي تحملها الإلكترونات سالبة والتي تحملها البروتونات موجبة. وبدأت هذه العادة مع أعمال بنيامين فرانكلين. مقدار الشحنة يُرمز إليه عادةً بالرمز Q ويُعبر عنه بوحدة الكولوم. ويحمل جميع إلكترون الشحنة نفسها والتي تساوي تقريبًا -1.6022×10-19كولوم. ويحمل البروتون شحنة متعادلة ومتقابلة، تساوي +1.6022×10-19 كولوم. ولا تنحصر الشحنة الكهربية في المادة فقط، بل توجد كذلك في المادة المضادة. فكل جسيم مضاد يحمل شحنة متعادلة ومتقابلة مع الجسيم المماثل له.
بالإضافة إلى ذلك، من الممكن قياس الشحنة الكهربية بعدة وسائل، مثل المكشاف الكهربي مضىي الوريقات والذي يحتوي على شريطين رقيقين من أوراق المضى متدليين في إناء زجاجي فيبتعدان عن بعضهما بعضا عندما يشحنان، وتعتمد زاوية ابتعادهما على كمية الشحنة. وعلى الرغم من حتى استخدامه مستمر حتى الآن في التجارب الإيضاحية داخل الفصول الدراسية، فإن الإلكترومتر الإلكتروني قد حل محله.
التيار الكهربي
تُعهد حركة الشحنة الكهربية باسم التيار الكهربي الذي تقاس شدته عادةً بوحدة الأمبير.ويتكون التيار الكهربي من أي جسيمات مشحونة ومتحركة. وتعد الإلكترونات الأكثر شيوعًا بين هذه الجسيمات، ولكن أي شحنة متحركة يمكنها حتى تكون تيارًا. ووفقًا لما هومتعارف عليه، فإن التيار الموجب يُعَرّف بأنه التيار المتدفق في الاتجاه نفسه الذي تتدفق فيه أية شحنة موجبة يحملها؛ أوأنه التيار المتدفق من أقصى طرف موجب في الدائرة الكهربية إلى أقصى طرف سالب.ويطلق على هذا النوع من التيارات اسم التيار الاصطلاحي. وبالتالي، تعد حركة الإلكترونات السالبة حول الدائرة الكهربية ـ وهي أحد أشهر أشكال التيار الكهربي ـ موجبة في الاتجاه اللقاء لاتجاه الإلكترونات. ومع ذلك، فإنه وفقًا للظروف المحيطة يمكن حتى يتكون التيار الكهربي من تدفق الجسيمات المشحونة (الجسيم المشحون) في أيٍّ من الاتجاهين أوحتى في كلا الاتجاهين في وقت واحد. ويشيع استخدام المصطلحين السالب والموجب لتبسيط هذه الحالة.
علاوةً على ذلك، يطلق على العملية التي يمر فيها التيار الكهربي خلال أحد المواد "التوصيل الكهربي". وتختلف طبيعة التوصيل الكهربي عن طبيعة الجسيمات المشحونة والمادة التي يمر من خلالها. ومن أمثلة التيارات الكهربية: التوصيل الفلزي الذي تتدفق فيه الإلكترونات خلال موصل مثل الفلز. بالإضافة إلى ذلك، يوجد التحليل الكهربي الذي تتدفق فيه الأيونات (أيون) (وهي تعبير عن ذرات مشحونة) خلال السوائل. في حين تتحرك الجسيمات نفسها ببطء تام، ليصل متوسط سرعة الانسياق أحيانًا إلى أجزاء من المليمتر في الثانية، فإن المجال الكهربي الذي تتدفق فيه هذه الجسيمات ينتشر في حد ذاته بسرعة مقاربة لسرعة الضوء، مما يسمح للإشارات الكهربية بالمرور بسرعة خلال الأسلاك. يؤدي التيار الكهربي إلى حدوث عدة تأثيرات إشارة ـ كانت تعتبر في الماضي الوسيلة التي يدرك بها الأفراد وجود تيار كهربي.ولقد اكتشف نيكلسون وكارلايل عام 1800 حتى بإمكان التيار الكهربي تحليل الماء من بطارية فولتية، وتُعهد هذه العملية الآن باسم التحليل الكهربي. ولقد قام مايكل فاراداي بعمل دراسات موسعة في اكتشاف نيكلسون وكارلايل بشكل كبير عام 1833. ويسبب التيار المار من خلال مقاومة نوعًا من التدفئة في المكان المحيط، وهوتأثير كان جيمس بريسكوت قد بحثه حسابيًا عام 1840. ومن أبرز الاكتشافات الخاصة بالتيار الكهربي كان ما توصل إليه هانز كريستيان أورستد بمحض الصدفة عام 1820 عندما كان يحضر إحدى محاضراته. حينها عثر حتى التيار الكهربي في أحد الأسلاك يشوش حركة إبرة البوصلة المغناطيسية.. كما اكتشف الكهرومغناطيسية، وهي تعبير عن تفاعل أساسي يحدث بين الكهرباء والمغناطيسات. في التطبيقات الهندسية وفي المنازل، يوصف التيار الكهربي عادةً بأنه إما تيار مستمر أوتيار متردد. ويشير هذان المصطلحان إلى الكيفية التي يتغير بها التيار الكهربي من حيث الزمن. فالتيار المستمر، الذي يتم إنتاجه من البطارية على سبيل المثال على سبيل المثال واللازم لتشغيل معظم الأجهزة الإلكترونية يتدفق في اتجاه واحد من الطرف الموجب للدائرة الكهربية إلى الطرف السالب منها. وفي حالة قيام الإلكترونات بنقل أوحمل هذا التيار المتدفق، وهوالأمر الأكثر شيوعًا، فإنها ستمر في الاتجاه المعاكس. أما التيار المتردد فهوأي تيار ينعكس اتجاهه بشكل متكرر. وغالبًا ما يأخذ هذا التيار شكل موجة جيبية. وبالتالي، يتذبذب التيار المتردد ذهابًا وإيابًا داخل الموصل دون حتى تتحرك الشحنة الكهربية لأي مسافة على مدار الوقت. وتبلغ قيمة متوسط الفترة الزمنية التي يستغرقها التيار المتردد صفر. ولكنه يقوم بتوصيل الطاقة في اتجاه واحد وهوالأول ثم يعكس.ويتأثر التيار المتردد بالخصائص الكهربية التي يصعب ملاحظتها في حالة الاستقرار التي يتمتع بها التيار المستمر. ومن أمثلة هذه الخصائص: المحاثة والسعة. ومع ذلك، تزيد أهمية هذه الخصائص عندما تتعرض مجموعة من الدوائر الكهربية لتراوح مؤقت في التيار، مثلما يحدث عند تزويدها بالطاقة لأول مرة.
المجال الكهربي
تَحَدّث مايكل فاراداي عن مفهوم المجال الكهربي.ينشأ المجال الكهربي من خلال جسم مشحون في الحيز المحيط به، ويُحْدث قوة على أيٍّ من الشحنات الأخرى داخل المجال. ويعمل المجال الكهربي بين شحنتين بالطريقة نفسها التي يعمل بها مجال الجاذبية بين كتلتين (كتلة). كما يتمدد المجال الكهربي، مثله في ذلك مثل مجال الجاذبية، إلى ما لا نهاية ويظهر علاقة تربيع عكسي مع المسافة، ومع ذلك، يوجد اختلاف مهم بينهما. إذ تعمل الجاذبية دائمًا على عنصر الجذب، فتجذب كتلتين نحوبعضهما البعض. بينما قد يتسبب المجال الكهربي في جذب الجسيمات أوتنافرها.وبما حتى الأجسام كبيرة الحجم، مثل الكواكب، لا تحمل عادةً أي صافي شحنة، فإن المجال الكهربي عن بُعد يساوي صفر. وبالتالي، تعد الجاذبية القوة الغالبة في الكون، على الرغم من ضعفها مقارنةً بالقوى الأخرى.
، بشكل عام، يختلف الحيز الذي يشغله المجال الكهربي، وتُعرّف شدته في أي نقطة على أنها القوة (لكل وحدة شحنة) التي تشعر بها شحنة ثابتة ومهملة إذا وضعت عند هذه النقطة. ويجب حتى تكون الشحنة التصورية، التي يطلق عليها اسم "شحنة اختبار" شديدة الصغر حتى تمنع مجالها الكهربي من التشويش على المجال الرئيسي. كما ينبغي حتى تكون ثابتة حتى تمنع تأثير المجالات المغناطيسية (المجال المغناطيسي).
وبما حتى المجال الكهربي يتم تعريفه من منطلق القوة وبما حتى القوة متجه، نستنتج من ذلك حتى المجال الكهربي متجه أيضًا وله مقدار واتجاه. وبشكل أدق، يعد المجال الكهربي مجالاً متجهيًا.
فضلاً عن ذلك، يطلق على دراسة المجالات الكهربية التي تُحْدثها الشحنات الثابتة اسم الكهرباء الساكنة. ويمكن تصوير المجال الكهربي من خلال مجموعة من الخطوط التخيلية التيقد يكون اتجاهها في أي نقطة هونفسه اتجاه المجال. ويعتبر فاراداي هوالذي قدّم هذا المفهوم. ولا يزال مصطلح "خطوط القوة" الذي وضعه فاراداي مستعملاً في بعض الأحيان. وتعتبر خطوط المجال بمثابة المسارات التي تُحْدِثها شحنة موجبة؛ لأنها اضطرت للتحرك داخل هذا المجال. ومع ذلك، تعد هذه الخطوط مفهومًا تخيليًا ليس له وجود مادي. ويتخلل المجال الحيز الواقع بين الخطوط. ؤأما خطوط المجال المنبعثة من الشحنات الثابتة فتتمتع بعدة خصائص رئيسية. الخاصية الأولى هي أنها تنشأ عند الشحنات الموجبة وتنتهي عند الشحنات السالبة، والخاصية الثانية هي وجوب دخولها أي موصل جيد بزوايا قائمة. أما الخاصية الثالثة فهي أنها لا تتقاطع ولا تطوق نفسها.
إن أي جسم موصل أجوف يحمل جميع شحناته الكهربية على سطحه الخارجي. وبناءً على ذلك، المجال الكهربي يساوي صفر في جميع الأماكن الموجودة داخل الجسم. وهذه هي قاعدة التشغيل الرئيسية التي يعتمد عليها قفص فاراداي، وهوتعبير عن هيكل فلزي موصل يعزل ما بداخله عن المؤثرات الكهربية الخارجية. تزيد أهمية الكهرباء الاستاتيكية بشكل خاص عند تصميم عناصر المعدات ذات الجهد العالي. ويوجد حد معين تنتهي عنده شدة المجال الكهربي التي يمكن مقاومتها بأي وسيط.وبخلاف ذلك، يحدث الانهيار الكهربي ويسبب القوس الكهربي وميضًا عابرًا بين الأجزاء المشحونة. عملى سبيل المثال، يسير الهواء في مسار منحني عبر الفجوات الصغيرة التي تتجاوز عندها شدة المجال الكهربي 30 كيلوفولت لكل سنتيمتر.وفي الفجوات الأكبر، تضعف شدة الانهيار الكهربي، حيث من الممكن تصل إلى كيلوفولت لكل سنتيمتر. وأوضح ظاهرة طبيعية تدلل على هذا الأمر هي البرق؛ إذ أنه يحدث عندما تنفصل الشحنات الكهربية في السحاب بعمل الأعمدة الهوائية المرتفعة وعندما تقوم الشحنات بحمل المجال الكهربي في الهواء أكثر مما تحتمل.ومن الممكن حتى يزيد الجهد الكهربي في إحدى سحب البرق الكبيرة حتى يصل إلى 100 ميجا فولت وربما يقوم بتفريغ كمية هائلة من الطاقة قد تصل إلى 250 كيلواط في الساعة.
تتأثر شدة المجال بدرجة كبيرة بالأجسام الموصلة المجاورة، وتزداد شدته خاصةً عندما يضطر إلى الانحناء حول أجسام مدببة الأطراف.ويتم استخدام هذا المبدأ في مانعة الصواعق. وهي تعبير عن عمود معدني ذي طرف مدبب يعمل على امتصاص التيار الكهربي الناتج من الصواعق، بدلاً من نزوله على المبنى الذي يحميه.
الجهد الكهربي
يرتبط مفهوم الجهد الكهربي ارتباطًا وثيقًا بالمجال الكهربي. فالشحنة الصغيرة الموجودة داخل المجال الكهربي تقابل قوة، ويتطلب نقل هذه الشحنة إلى تلك النقطة المضادة للقوة بعض الشغل.ويتم تعريف الجهد الكهربي في أي فترة على أنه الطاقة اللازمة لجلب وحدة شحنة الاختبار ببطء من بُعد لا نهائي إلى هذه النقطة. ويُقاس عادةً الجهد الكهربي بوحدة الفولت. والفولت الواحد تعبير عن الجهد الذي يجب حتى يستهلكه جول من الشغل لجلب كولوم من الشحنة الكهربية اللانهائية. وعلى الرغم من حتى تعريف الجهد الكهربي تصوري، فإنه يتضمن جانبًا عمليًا بسيطًا. ويعتبر المفهوم الأكثر أهمية هوفرق الجهد الكهربي ويُعَرّف بأنه الطاقة اللازمة لتحريك وحدة شحنة بين نقطتين محددتين. ويتمتع المجال الكهربي بخاصية مميزة، وهي أنه "محافظ" ـ الأمر الذي يعني حتى المسار الذي تتخذه شحنة الاختبار ليست مهما: فكل المسارات بين نقطتين محددتين تستهلك مقدار الطاقة نفسه. وبالتالي، يمكن تحديد قيمة مميزة لفرق الجهد. ويُعهد الفولت بأنه وحدة لقياس ووصف فرق الجهد الكهربي حتى حتى مصطلح الجهد الكهربي يزيد استخدامه اليومي بصورة كبيرة.
وفيما يتعلق بالأغراض العملية، من المفيد حتى تُحدد نقطة إسناد مشهجرة يتم من خلالها التعبير عن الجهود ومقارنتها.وفي حين حتى هذا الأمر قد يحدث لا نهائيًا، فإن الإسناد الأكثر إفادةً هوكوكب الأرض نفسه الذي يفترض البعض حتى جهده لا يتغير في أي مكان.ويطلق على نقطة الإسناد هذه عادةً اسم الأرضي (يطلق عليه بالبريطانية Earth وبالأمريكية Ground).ويفترض حتى الأرض مصدر لا نهائي من كميات متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة. وبالتالي، فهي غير مشحونة كهربيًا وغير قابلة لإعادة للشحن. الجهد الكهربي تعبير عن كمية سُلَّميّة أوقياسية أي حتى له مقدار فقط ولا اتجاه له. ومن الممكن اعتباره مشابهًا للارتفاع: فكما يسقط الجسم الحر عند ارتفاعات مختلفة بعمل الجاذبية، تسقط كذلك الشحنة الكهربية عند جهود مختلفة بعمل المجال الكهربي. وكما تظهر الخرائط المجسمة خطوط الكفاف التي تبين النقاط المتساوية في الارتفاع، من الممكن رسم مجموعة من الخطوط التي تبين نقاط الجهود الكهربية المتساوية (والمعروفة باسم تساوي الكمون) حول جسم مشحون إلكتروستاتكيًا. فهذه الخطوط تمر عبر جميع خطوط القوة بزوايا قائمة.كما يجب حتى تمتد بشكل متوازي لسطح الموصل وإلا أدى ذلك إلى إنتاج قوة على حوامل الشحنة ولما أصبح المجال ساكنًا. إن المجال الكهربي كان يتم تعريفه على أنه القوة المبذولة لكل وحدة شحنة، إلا حتى مفهوم الجهد الكهربي جاز بوضع تعريف مرادف وأكثر إفادة ألا وهوحتى المجال الكهربي هوتدرج موضعي للجهد الكهربي. وعادةً ما يتم التعبير عنه بوحدة الفولت لكل متر، واتجاه متجه المجال الكهربي تعبير عن خط لأكبر تدرج للجهد وهوالخط الذي تكون فيه خطوط تساوي الجهد قريبة من بعضها البعض.
كهرومغناطيسية
إن اكتشاف اورستد عام 1821 لوجود مجال مغناطيسي حول جميع جوانب السلك الحامل للتيار الكهربي دلل على وجود علاقة مباشرة بين الكهرباء والمغناطيسية.فضلاً عن ذلك، بدا التفاعل مختلفًا عن قوة الجاذبية والقوة الإلكتروستاتية، وهما قوتا الطبيعة اللتان تم اكتشافهما بعد ذلك. والقوة الواقعة على إبرة البوصلة لم توجهها نحوالسلك الحامل للتيار الكهربي ولا بعيدًا عنه، ولكنها كانت تعمل نحوالزوايا القائمة بالنسبة لها. وفيما يلي حدثات أورستد التي اتسمت بقليل من الغموض: "إن التعارض الكهربي يعمل بطريقة دوارة".كما اعتمدت القوة على اتجاه التيار، فإذا انعكس التدفق، انعكست القوة كذلك.
في الحقيقة، لم يستوعب اورستد اكتشافه استيعابًا كاملاً. ولكنه لاحظ حتى التأثير كان متبادلاً أوعكسيًا، بمعنى حتى التيار يبذل قوة على المغناطيس والمجال المغناطيسي يبذل قوة على التيار.ولقد درس أمبير بشكل أعمق في هذه الظاهرة واكتشف حتى السلكين المتوازيين الذين يحملان التيار الكهربي يبذلان قوة على بعضهما البعض: بمعنى حتى السلكين الموصلين للتيار الكهربي في الاتجاه نفسه ينجذبان لبعضهما البعض، بينما يتنافر السلكان اللذان يحملان التيار في اتجاهات متقابلة.ويتوسط المجال المغناطيسي الذي ينتجه جميع تيار هذا التفاعل الذي يُمثل أساس التعريف الدولي لوحدة الأمبير.
إن العلاقة بين المجالات المغناطيسية والتيارات الكهربية في غاية الأهمية؛ حيث إنها أدت إلى اختراع مايكل فاراداي للمحرك الكهربي عام 1821.إذ يتكون محرك فاراداي، وهومحرك أحادي القطب، من مغناطيس دائم موضوع داخل حوض من الزئبق.
ولقد تم توصيل تيار كهربي داخل سلك متدلي من مرتكز فوق المغناطيس ومغموس في الزئبق. ويبذل المغناطيس قوة مماسية على السلك مما يجعله يدور حول المغناطيس طوال فترة سريان التيار الكهربي. كشفت التجربة التي أجراها فاراداي عام 1831 حتى السلك الذي يتحرك بشكل عمودي نحومجال مغناطيسي يحدث فرق جهد بين طرفيه. كما جاز له التحليل الإضافي لهذه العملية، المعروفة باسم الحث الكهرومغناطيسي، بوضع المبدأ المعروف الآن باسم قانون فاراداي للحث المغناطيسي. وينص هذا القانون على حتى فرق الجهد المحثوث داخل دائرة مقفلة يتناسب مع معدل تغير التدفق المغناطيسي خلال الدائرة. ولقد تمكن فاراداي من خلال استخدام هذا الاكتشاف من اختراع أول مولّد كهربي عام 1831. وفي هذا المولّد قام فاراداي بتحويل الطاقة الميكانيكية لقرص نحاسي دوار إلى طاقة كهربية. وعلى الرغم من عدم كفاءةقرص فاراداي وقصوره كمولّد عملي، فإنه قد أظهر إمكانية توليد قدرة كهربية باستخدام المغناطيسية. ولقد استفاد من أعقبه من أعماله استفادة كبيرة. كشفت أعمال جميع من فاراداي وأمبير عن حتى المجال المغناطيسي المتفاوت في الزمن يعمل كمصدر للمجال الكهربي، وأن المجال الكهربي المتغير في الزمن يعمل كمصدر للمجال المغناطيسي.ولذلك، عند تغير زمن أيٍّ من المجالين، يُستحث مجال الآخر بالضرورة. وتتمتع هذه الظاهرة بخصائص الموجة ويشار إليها عادةً باسم الموجة الكهرومغناطيسية. ولقد قام جيمس كليرك ماكسويل بتحليل الموجات الكهرومغناطيسية من الناحية النظرية عام 1864.كما طور ماكسويل مجموعة من المعادلات التي قد تصف بوضوح العلاقة المتبادلة بين المجال الكهربي والمجال المغناطيسي والشحنة الكهربية والتيار الكهربي. وبالإضافة إلى ذلك، تمكن من إثبات حتى هذه الموجة ستسير بالضرورة بسرعة الضوء، وبالتالي فإن الضوء نفسه يعد شكلاً من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي. وتعتبر قوانين ماكسويل التي تعمل على الربط بين الضوء والمجالات والشحنة الكهربية أحد أعظم إنجازات الفيزياء النظرية.
الدوائر الكهربية
الدائرة الكهربية تعبير عن ترابط بين المكونات الكهربية، وتهدف عادةً إلى القيام ببعض المهام المفيدة مع مسار العودة بهدف تمكين الشحنة من الرجوع إلى مصدرها. إن مكونات الدائرة الكهربية تأخذ أشكالاً عدة، وقد تتضمن هذه الأشكال عناصر مثل المقاومات (المقاوم) والمكثفات (المكثف) والمفاتيح (المفتاح) والمحولات (المحول) والإلكترونيات. وتضم الدوائر الإلكترونية (الدئرة الكهربية) مكونات نشطة (مكون نشط)، وتكون عادةً أشباه موصلات (شبه موصل) وتظهر بشكل لا خطي، مما يحتاج تحليلاً معقدًا.أما أبسط المكونات الكهربية فهي التي توصف بأنها سلبية وخطية. فبينما تقوم هذه المكونات بتخزين الطاقة بشكل مؤقت، فإنها لا تحتوي على مصادر للطاقة. كما أنها تصدر استجابات خطية للمثيرات.
ربما يعد المقاوم أبسط العناصر السلبية في الدائرة الكهربية. وكما يوحي اسمه، فهويقاوم التيار الكهربي الذي يمر من خلاله ويبدد طاقته الحرارية.والمقاومة هي نتيجة لحركة الشحنة الكهربية خلال الموصل. عملى سبيل المثال، ترجع المقاومة في المعادن أساسًا إلى تصادم الإلكترونات بالأيونات. ويعتبر قانون أوم القانون الأساسي لنظرية الدائرة الكهربية. وينص هذا القانون على حتى التيار المار خلال مقاومة في موصل يتناسب طرديًا مع فرق الجهد بين طرفيه. ومقاومة معظم المواد تعد ثابتة نسبيًا على اختلاف درجات الحرارة والتيارات الكهربية. والمواد التي ينطبق عليها هذه الشروط توصف بأنها "أومية". ولقد أطلق اسم أوم، وهووحدة قياس المقاومة، نسبة إلى واضعه جورج أوم ويرمز له بالحرف اليوناني Ω. إذا الرمز 1 Ω يشير إلى المقاومة التي ستنتج فرق جهد يساوي واحد فولت استجابة لتيار يساوي واحد أمبير.
إن المكثف تعبير عن جهاز يقوم بتخزين الشحنة الكهربية، وبالتالي تخزين طاقة كهربية في المجال الناتج عن هذه العملية. ومن الناحية التصورية، يتكون المكثف من لوحين موصلين تفصل بينهما طبقة رقيقة عازلة. ومن الناحية العملية، يتم لف رقائق معدنية رقيقة معًا مما يزيد من سُمْك منطقة السطح من حيث وحدة حجم والسعة. ووحدة السعة هي الفاراد، وسُميت باسم مايكل فاراداي ويرمز إليها بالرمز F. ، والفاراد الواحد يساوي السعة التي تنشأ عن فرق الجهد البالغ واحد فولت عندما يقوم بتخزين شحنة تساوي واحد كولوم. والمكثف الموصَّل بمورد الجهد الكهربي يتسبب مبدئيًا في مرور تيار كهربي؛ حيث إنه يجمع الشحنة الكهربية. ومع ذلك، يضمحل التيار الكهربي بمرور الوقت حدثا امتلأ المكثف الكهربي ويصل بالتدريج إلى الصفر. ولذلك، لا يسمح المكثف بمرور تيار في حالة الاستقرار، بل يعوقه.
فضلاً عن ذلك، يعتبر ملف الحث بمثابة موصل، عادةً ماقد يكون ملف من السلك، يقوم بتخزين الطاقة في المجال المغناطيسي استجابةً للتيار المار به. وعندما يتغير التيار، يتغير المجال المغناطيسي بالتبعية ويحث الجهد الكهربي بين طرفي الموصل.والجهد المستحث يتناسب مع المعدل الزمني للتغيير في التيار الكهربي. أما ثابت التناسب فيطلق عليه اسم المحاثة.ووحدة المحاثة هي هنري. وسُميت بذلك على اسم جوزيف هنري الذي عاصر فاراداي. وواحد هنري يساوي المحاثة التي تحث فرق الجهد البالغ واحد فولت في حالة تغير التيار المار به بمعدل واحد أمبير لكل ثانية. وتنعكس طريقة عمل ملف الحث في بعض الأحيان على طريقة عمل المكثف، بمعنى أنه يسمح بمرور تيار غير متغير بسهولة ويسر، ولكنه يقاوم مرور التيار سريع التغير.
الإنتاج والاستخدامات
توليد الكهرباء
إن التجارب التي أجراها ثاليس باستخدام قضبان الكهرمان كانت أولى الدراسات التي أجريت على عملية إنتاج الطاقة الكهربية.وعلى الرغم من حتى هذه الطريقة، المعروفة الآن باسم تأثير كهرباء الاحتكاك، قادرة على حمل الأجسام الخفيفة وكذلك توليد الشرارات، فإنها غير فعالة على الإطلاق. ولم يتم التوصل لمصدر كهربي فعال إلا بعد اختراع البطارية الفولتية في القرن الثامن عشر. وهذه البطارية وكذلك الطراز الأحدث منها ألا وهوالبطارية الكهربائية، تخزن الطاقة بشكل كيميائي وتجعلها متاحة للاستخدام في شكل طاقة كهربية. وتتميز البطارية بتعدد استخداماتها وتعد مصدرًا شائعًا وقويًا للطاقة ويصلح استخدامها في الكثير من التطبيقات. إلا حتى قدرتها على تخزين الطاقة محدودة، وبمجرد تفريغ الطاقة المخزنة، يجب التخلص من البطارية أوإعادة شحنها. وبالنسبة للاحتياجات الضخمة من الطاقة الكهربية، فينبغي توليدها وتحويلها بكميات كبيرة.
عادةً ما تولد الطاقة الكهربية عن طريق المولدات الميكانيكية الكهربية التي يديرها البخار المنتج من احتراق الوقود الحفري أوالحرارة الناتجة عن التفاعلات النووية. كما تولد الطاقة من مصادر أخرى مثل الطاقة الحركية المستخلصة من الرياح أوالماء المتدفق. ولا تتشابه هذه المولدات مع المولد الذي اخترعه فاراداي عام 1831 وهوتعبير عن مولد أحادي القطب. ولكن لا يزال الاعتماد قائمًا على مبدئه الكهرومغناطيسي القائل إذا الموصل الذي يتصل بمجال مغناطيسي متغير يحث فرق جهد عبر طرفيه. إن اختراع المحول في أواخر القرن التاسع عشر يعني إمكانية توليد الكهرباء من محطات توليد كهرباء مركزية عن طريق الاستفادة من وفورات الحجم، ونقل هذه الكهرباء عبر الدول بكفاءة متزايدة.
وبما أنه من الصعب تخزين الطاقة الكهربية بكميات كبيرة تكفي لتلبية الاحتياجات على المستوى القومي، يجب حتىقد يكون الإنتاج بقدر الاحتياج في جميع الأوقات. وهذا الأمر يحتاج حتى تتحرى المرافق الكهربية الدقة في تسقطاتها بشأن احتياجاتها الكهربية وتحافظ على التنسيق المستمر مع محطات توليد الكهرباء. وهناك مقدار معين من عملية التوليد يجب حتىقد يكون احتياطيًا حتى يقلل صدمات الشبكة الكهربية التي تحدث بسبب الاضطرابات والفواقد التي يتعذر اجتنابها. في الحقيقة، تتزايد الطلبات على الطاقة الكهربية بسرعة كبيرة حدثا زاد تقدم الدولة ونما اقتصادها. وقد كشفت الولايات المتحدة عن تزايد الطلب على الكهرباء بنسبة 12٪ جميع عام على مدار الثلاثة عقود الأولى من القرن العشرين، وهومعدل نموتشعر به الآن الاقتصادات الناشئة، مثل الهند أوالصين. ومن الناحية التاريخية، زاد معدل نموالطلب على الطاقة الكهربية عن صور الطاقة الأخرى. لقد أدت بعض المخاوف البيئية المتعلقة بتوليد الكهرباء إلى الهجريز بشكل متزايد على التوليد من مصادر متجددة، وخاصةً الطاقة المائية وطاقة الرياح.وعلى الرغم من استمرار الجدل حول التأثير البيئي للوسائل المتنوعة لإنتاج الطاقة، فإن الصورة النهائية لها نظيفة نسبيًا.
الاستخدامات
إن الكهرباء صورة مرنة جدًا من صور الطاقة، فهي تلائم عددًا كبيرًا ومتزايدًا من الاستخدامات. وقد كان لاختراع مصباح الإضاءة المتوهج لمخترعه توماس اديسون في السبعينات من القرن التاسع عشر الفضل في حتى تصبح الإضاءة واحدةً من أولى التطبيقات المتوفرة من الطاقة الكهربية. على الرغم من مخاطر الكهرباء، فإن الاستعاضة به عن اللهب المكشوف للإضاءة المعتمدة على الغاز قللت بشدة من مخاطر الحريق داخل البيوت والمصانع.
وقد تم إنشاء مرافق عامة في الكثير من المدن لتستهدف سوق الإضاءة الكهربية الآخذ في الازدهار. علاوةً على ذلك، كان لتأثير التسخين بحرارة جول المستخدم في مصباح الإضاءة أثرًا مباشرًا في مجال التدفئة الكهربية. ومع حتى هذا التأثير متعدد الاستعمالات ويمكن التحكم فيه، يرى البعض أنه مضيعة للوقت؛ حيث إذا معظم عمليات التوليد الكهربي يلزمها بالعمل إنتاج الحرارة في إحدى محطات توليد الكهرباء. ولقد سن عدد من الدول، مثل الدنمارك، قانونًا يحد أويمنع من استخدام التدفئة الكهربية في المباني الجديدة. ومع ذلك، تعد الكهرباء، إلى حد كبير، مصدرًا عمليًا للطاقة يمكن استخدامه في عمليات التبريد، حيث إذا تكييف الهواء يمثل أحد القطاعات التي تزيد احتياجاتها للطاقة ـ وهي متطلبات تضطر دائمًا مرافق الكهرباء إلى تلبيتها.
تستخدم الكهرباء في الاتصال عن بُعد. وفي الواقع، كان التلغراف الكهربي، الذي ابتكره كوك وويتستون عام 1837، من أوائل تطبيقات الكهرباء في هذا المجال.ومع وضع أول نظام تلغراف عبر القارات، ثم عبر المحيط الأطلسي، في الستينات من القرن التاسع عشر، سهلت الكهرباء وسائل الاتصال فأصبحت لا تستغرق سوى دقائق معدودة في جميع أنحاء العالم. وعلى الرغم من حتى تكنولوجيا الألياف البصرية والاتصال عبر الأقمار الصناعية قد شغلت حصة في سوق نظم الاتصالات، ولكن مازالت الكهرباء جزءًا أساسيًا من هذه العملية. فضلاً عن ذلك، تظهر تأثيرات الكهرومغناطيسية بوضوح في المحرك الكهربي الذي يعد وسيلة نظيفة وفعالة للقدرة المحركة. ويسهل تزويد المحرك الثابت، مثل الرافعة، بمصدر للإمداد بالقدرة. أما المحرك الذي يتحرك مع تطبيقه، مثل السيارة الكهربية، فيجب حتى يحمل معه مصدرًا للقدرة كالبطارية، أويجمع شحنة كهربية مستمدة من تماس انزلاقي مثل البانتوجراف، مما يضع قيودًا على مداه أوأدائه. هذا وتستخدم الأجهزة الإلكترونية تستخدم الترانزستور، الذي يعد من أبرز الاختراعات في القرن العشرين. كما أنه وحدة بناء أساسية تدخل في تكوين جميع الدوائر الكهربية الحديثة. وقد تحتوي الدائرة المتكاملة الحديثة على مليارات من أجهزة الترانزستور صغيرة الحجم في محيط لا يتجاوز بعض السنتيمترات المربعة.
الكهرباء والعالم الطبيعي
التأثيرات الفسيولوجية
يتسبب تعرض جسم الإنسان لجهد كهربي في سريان تيار كهربي عبر الأنسجة. وعلى الرغم من حتى العلاقة بين الجهد والتيار الكهربي لا خطية، فإنه حدثا زاد الجهد الكهربي، اشتد التيار. وبداية الإدراك الحسي لهذا الأمر يختلف باختلاف تردد المصدر ومسار التيار. ولكنه يتراوح ما بين 0.1 مللي أمبير إلى 1 مللي أمبير فيما يختص بكهرباء تردد الموصلات الرئيسية. ومع ذلك من الممكن الكشف عن تيار كهربي منخفض تصل شدته إلى ميكروأمبير على أنه تأثير الاهتزازات الكهربية في ظل ظروف معينة. وفي حالة ازدياد التيار الكهربي بنسبة كافية، فإنه يتسبب في حدوث تقلص عضلي وارتجاف القلب وحروق في الأنسجة. كما حتى غياب أي علامة مرئية تدل على حتى أحد الموصلات مشحون كهربيًا يجعل من الكهرباء خطرًا بالغًا. ومن الممكن حتىقد يكون الألم الناجم عن الصدمة الكهربية شديدًا، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى تحول الكهرباء لوسيلة تعذيب.ويطلق على الوفاة التي تنتج عن صدمة كهربية اسم الصعق الكهربي. فضلاً عن ذلك، يعد الصعق الكهربي وسيلة من وسائل تطبيق الأحكام القضائية في بعض السلطات القضائية، على الرغم من ندرة استخدامه في الآونة الأخيرة.
الظواهر الكهربية في الطبيعة
إن الكهرباء ليست اختراعًا من اختراعات الإنسان. والدليل على ذلك هوإمكانية ملاحظتها في صور متعددة في الطبيعة، وأبرز هذه الدلائل هوالبرق. وعدد كبير من التفاعلات المألوفة والبسيطة، مثل اللمس أوالاحتكاك أوالربط الكيميائي، يحدث نتيجة للتفاعلات بين المجالات الكهربية على المقياس الذري. ويعتقد البعض حتى المجال المغناطيسي لكوكب الأرض ينشأ عن التيارات الدوارة في مركز الأرض والتي تعد مولدًا كهربيًا طبيعيًا. بعض البلورات، مثل الكوارتز أوحتى السكر، تولد فرقًا في الجهد على أسطحها عندما تتعرض لضغط خارجي. وتعهد هذه الظاهرة باسم الكهرضغطية، وهي مأخوذة من الحدثة اليونانية (πιέζειν) وتعني "يضغط". وقد اكتشف هذه الظاهرة بيير كوري وجاك كوري عام 1880. ويعد هذا التأثير متبادلاً؛ فعندما تتعرض مادة كهرضغطية لمجال كهربي، يحدث تغيير سهل في الأبعاد الفيزيائية. بالإضافة إلى ذلك، تستطيع بعض الكائنات الحية، مثل أسماك القرش، الكشف عن التغييرات التي تحدث في المجالات الكهربية والاستجابة لها، ويعهد ذلك باسم "القدرة على استقبال النبضات الكهربية". بينما تتمتع بعض الكائنات الحية الأخرى بما يطلق عليه "القدرة على التفريغ الكهربي" ـ أي أنها تولد جهودًا كهربية بنفسها كوسيلة لافتراس غيرها من الكائنات أوكسلاح دفاعي لها. ويعتبر ك الأنقليس الرعاد الذي ينتمي إلى رتبة Gymnotiforme، أشهر مثال على ذلك حيث بوسعه اكتشاف فريسته أوصعقها من خلال تفريغ جهود كهربية عالية تتولد من خلايا عضلية معدلة تسمى الخلايا الكهربية. وتقوم الحيوانات جميعها بإرسال المعلومات على امتداد أغشية الخلايا وذلك مع نبضات مشحونة كهربيًا تسمى جهود العمل (جهد العمل) وهي الموجة المتشكلة من التفريغ الكهربي التي تنتقل من منطقة إلى مجاورتها على طول الغشاء الخلوي لأي خلية حية. ووظيفة هذه الجهود تتضمن الاتصال بين الخلايا العصبية والعضلات عن طريق النظام العصبي. تخفز الصدمة الكهربائية هذا النظام, وتتسبب في تقلص العضلات. كما حتى جهود العمل مسئولة عن تنسيق الأنشطة في مجموعة معينة من النباتات والثدييات. .
المفهوم الثقافي للكهرباء قديمًا
لم تكن الكهرباء تشغل جزءًا رئيسيًا من الحياة اليومية للعديد من الأفراد في القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، حتى في الدول الصناعية في العالم الغربي. وبناءً على ذلك، صورت الثقافة الشعبية الكهرباء في هذا الوقت على أنها قوة غامضة وشبه سحرية، وقادرة على اغتال الأحياء وإحياء الموتى، أومن ناحية أخرى، فهي تستطيع تغيير قوانين الطبيعة. ويظهر هذا الموقف تجاه الكهرباء في الرواية التي خطتها ماري شيلي بعنوان فرانكنشتاين (1819) وكانت أولى الروايات التي وضعت الصورة المكررة التي تصور عالمًا مجنونًا يقوم بإحياء كائن من رقع من القماش بالقدرة الكهربية. علاوةً على ذلك، ومع اعتياد العامة على الكهرباء كقوام الحياة في الثورة الصناعية الثانية، كانت استخداماتها تنصب غالبًا على الجانب الإيجابي، مثل العاملين في مجال الكهرباء الذين "يكونون قاب قوسين أوأدنى من الموت وهم يبترون الأسلاك الكهربية ويصلحونها" كما ورد في قصيدة "The Sons of Martha" للمحرر روديارد كيبلينج والتي ألّفها عام 1907 ولقد برزت جميع أنواع السيارات التي تعمل باستخدام الطاقة الكهربية بشكل كبير في قصص المغامرات، مثل روايات المحرر الفرنسي "جول ڤيرن" أو سلسلة روايات بطل الخيال الفهمي "توم سويفت". وقد كان العامة ينظرون إلى كبار الأساتذة في مجال الكهرباء، سواء كانوا أشخاصًا من الواقع أم من وحي الخيال، بما فيهم الفهماء مثل توماس إديسون أوتشارلز شتاينمتز أونيكولا تيسلا على أنهم يتمتعون بقدرات تشبه قدرات السحرة. أما والآن بعد حتى صارت الكهرباء أمرًا عاديًا وتقليديًا، وأساسيًا في الحياة اليومية في النصف الثاني من القرن العشرين، فقد أصبح الأمر يحتاج عناية خاصة من قبل الثقافة الشعبية فقط عند توقف الكهرباء عن التدفق، والأفراد الذين يحافظون على تدفقها، مثل البطل المغمور الذي تتناوله الأغنية التي خطها جيمي ويب "Wichita Lineman" عام 1968، لا يزال يعتبرهم البعض أبطالاً يتمتعون بقدرات تشبه قدرات السحرة .
انظر أيضاً
- قاعدة أمبير: قاعدة أمبير توضح العلاقة بين اتجاه التيار الكهربي والتيارات المغناطيسية المتعلقة به.
- الطاقة الكهربية: الطاقة الكهربية تعبير عن طاقة الوضع أوالطاقة الكامنة لنظام الشحنات الكهربية.
- السوق الكهربي: سوق الكهرباء هونظام بيع الطاقة الكهربية.
- الظواهر الكهربية: الظواهر الكهربية تعبير عن أحداث من الممكن ملاحظتها وتوضح المبادئ الفيزيائية للكهرباء.
- القدرة الكهربية: القدرة الكهربية هي المعدل الزمني لنقل الطاقة الكهربية.
- الإلكترونيات: الإلكترونيات هي دراسة حركة الشحنة خلال مواد وأجهزة معينة.
- التناظر الهيدروليكي: التناظر الهيدروليكي تعبير عن التناظر بين تدفق الماء والتيار الكهربي.
- إسهامات سكان أمريكا الأصليين#استخدام حضارة موتشاي للكهرباء: من إسهامات سكان أمريكا الأصليين# استخدام حضارة موتشاي للكهرباء.
ملاحظات
الحواشي
a. the New Latin ēlectricus, "amber-like", came from the classical Latin electrum, itself coming from the Greek ἤλεκτρον, (elektron), meaning amber
الاستشهادات
- ^ Moller, Peter (December 1991), "Review: Electric Fish", BioScience 41 (11): 794–6 [794], doi:
- ^ Bullock, Theodore H. (2005), Electroreception, Springer, pp. 5–7, ISBN 0387231927[6] فالسقمى الذين يعانون من بعض الأمراض، مثل النقرس أوالصداع، يقومون بلمس الأسماك الكهربية على أمل حتى تداويهم هذه الصدمة الكهربية القوية.Morris, Simon C. (2003), Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe, Cambridge University Press, pp. 182–185, ISBN 0521827043
- ^ Stewart, Joseph (2001), Intermediate Electromagnetic Theory, World Scientific, p. 50, ISBN 9-8102-4471-1 [8]
- ^ Baigrie, Brian (2006), Electricity and Magnetism: A Historical Perspective, Greenwood Press, pp. 7–8, ISBN 0-3133-3358-0
- ^ Chalmers, Gordon (1937), "The Lodestone and the Understanding of Matter in Seventeenth Century England", Philosophy of Science 4 (1): 75–95, doi:
- ^ Uman, Martin (1987). (PDF). Dover Publications. ISBN .
- ^ Kirby, Richard S. (1990), Engineering in History, Courier Dover Publications, pp. 331–333, ISBN 0486264122
- ^ Marković, Dragana, The Second Industrial Revolution, http://www.b92.net/eng/special/tesla/life.php?nav_id=36502, retrieved on 2007-12-09
- ^ Duffin, W.J. (1980), Electricity and Magnetism, 3rd edition, McGraw-Hill, pp. 2–5, ISBN 007084111X
- ^ Sears, et al., Francis (1982), University Physics, Sixth Edition, Addison Wesley, p. 457, ISBN 0-2010-7199-1
- ^ Duffin, W.J. (1980), Electricity and Magnetism, 3rd edition, McGraw-Hill, p. 35, ISBN 007084111X
- ^ National Research Council (1998), Physics Through the 1990s, National Academies Press, pp. 215–216, ISBN 0309035767
- ^ Umashankar, Korada (1989), Introduction to Engineering Electromagnetic Fields, World Scientific, pp. 77–79, ISBN 9971509210
- ^ Hawking, Stephen (1988), A Brief History of Time, Bantam Press, p. 77, ISBN 0-553-17521-1
- ^ Shectman, Jonathan (2003), Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 18th Century, Greenwood Press, pp. 87–91, ISBN 0-3133-2015-2
- ^ Sewell, Tyson (1902), The Elements of Electrical Engineering, Lockwood, p. 18. كانت Q ترمز في الأصل إلى 'كمية الكهرباء', المصطلح 'كهرباء' أصبح التعبير الشائع له 'شحنة' في الوقت الحاضر.
- ^ Close, Frank (2007), The New Cosmic Onion: Quarks and the Nature of the Universe, CRC Press, p. 51, ISBN 1-5848-8798-2
- ^
Duffin, W.J. (1980), Electricity and Magnetism, 3rd edition, McGraw-Hill, p. 17, ISBN 007084111X
خطأ استشهاد: وسم
<ref>غير صالح؛ الاسم "duffin" معهد أكثر من مرة بمحتويات مختلفة. - ^ Ward, Robert (1960), Introduction to Electrical Engineering, Prentice-Hall, p. 18
- ^ Solymar, L. (1984), Lectures on electromagnetic theory, Oxford University Press, p. 140, ISBN 0-19-856169-5
- ^ Duffin, W.J. (1980), Electricity and Magnetism, 3rd edition, McGraw-Hill, pp. 23–24, ISBN 007084111X
- ^ Berkson, William (1974), Fields of Force: The Development of a World View from Faraday to Einstein, Routledge, p. 370, ISBN 0-7100-7626-6 اختلفت الأقاويل حول حدوث هذا الأمر قبل المحاضرة أم في أثنائها أم بعدها.
- ^ Bird, John (2007), Electrical and Electronic Principles and Technology, 3rd edition, Newnes, p. 11, ISBN 0-978-8556-6
- ^ Bird, John (2007), Electrical and Electronic Principles and Technology, 3rd edition, Newnes, pp. 206–207, ISBN 0-978-8556-6
- ^ Bird, John (2007), Electrical and Electronic Principles and Technology, 3rd edition, Newnes, pp. 223–225, ISBN 0-978-8556-6
- ^ تختلف جميع المجالات الكهربية في الحيز الذي تشغله. ويُستثنى من ذلك المجال الكهربي المحيط بالموصلات المستوية ذات المدى اللانهائي، وهومجال عادةً ماقد يكون منتظمًا
- ^ Sears, et al., Francis (1982), University Physics, Sixth Edition, Addison Wesley, pp. 469–470, ISBN 0-2010-7199-1
- ^ Morely & Hughes, Principles of Electricity, Fifth edition, p. 73
- ^ Sears, et al., Francis (1982), University Physics, Sixth Edition, Addison Wesley, p. 479, ISBN 0-2010-7199-1
- ^ Duffin, W.J. (1980), Electricity and Magnetism, 3rd edition, McGraw-Hill, p. 88, ISBN 007084111X
- ^ Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill, p. 2, ISBN 0-07-451786-4
- ^ Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill, pp. 201–202, ISBN 0-07-451786-4
- ^ Rickards, Teresa (1985), Thesaurus of Physics, HarperCollins, p. 167, ISBN 0-0601-5214-1
- ^ Sears, et al., Francis (1982), University Physics, Sixth Edition, Addison Wesley, pp. 494–498, ISBN 0-2010-7199-1
- ^ Saeli, Sue, Using Gravitational Analogies To Introduce Elementary Electrical Field Theory Concepts, http://physicsed.buffalostate.edu/pubs/PHY690/Saeli2004GEModels/older/ElectricAnalogies1Nov.doc, retrieved on 2007-12-09
- ^ Thompson, Silvanus P. (2004), Michael Faraday: His Life and Work, Elibron Classics, p. 79, ISBN 142127387X
- ^ Morely & Hughes, Principles of Electricity, Fifth edition, pp. 92–93
- ^ Institution of Engineering and Technology, Michael Faraday: Biography, http://www.iee.org/TheIEE/Research/Archives/Histories&Biographies/Faraday.cfm, retrieved on 2007-12-09
- ^ Sears, et al., Francis (1982), University Physics, Sixth Edition, Addison Wesley, pp. 696–700, ISBN 0-2010-7199-1
- ^ Joseph, Edminister (1965), Electric Circuits, McGraw-Hill, p. 3, ISBN 07084397X
- ^ Dell, Ronald; Rand, David (2001), Understanding Batteries, Royal Society of Chemistry, pp. 2–4, ISBN 0854046054
- ^ McLaren, Peter G. (1984), Elementary Electric Power and Machines, Ellis Horwood, pp. 182–183, ISBN 0-85312-269-5
- ^ Patterson, Walter C. (1999), Transforming Electricity: The Coming Generation of Change, Earthscan, pp. 44–48, ISBN 185383341X
- ^ Edison Electric Institute, History of the Electric Power Industry, http://www.eei.org/industry_issues/industry_overview_and_statistics/history, retrieved on 2007-12-08
- ^ Edison Electric Institute, History of the U.S. Electric Power Industry, 1882-1991, http://www.eia.doe.gov/cneaf/electricity/chg_stru_update/appa.html, retrieved on 2007-12-08
- ^ Carbon Sequestration Leadership Forum, An Energy Summary of India, http://www.cslforum.org/india.htm, retrieved on 2007-12-08
- ^ IndexMundi, China Electricity - consumption, http://www.indexmundi.com/china/electricity_consumption.html, retrieved on 2007-12-08
- ^ National Research Council (1986), Electricity in Economic Growth, National Academies Press, p. 16, ISBN 0309036771
- ^ Wald, Matthew (21 March 1990), "Growing Use of Electricity Raises Questions on Supply", New York Times, http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9C0CE6DD1F3AF932A15750C0A966958260, retrieved on 2007-12-09
- ^ d'Alroy Jones, Peter, The Consumer Society: A History of American Capitalism, Penguin Books, p. 211
- ^ ReVelle, Charles and Penelope (1992), The Global Environment: Securing a Sustainable Future, Jones & Bartlett, p. 298, ISBN 0867203218
- ^ Danish Ministry of Environment and Energy, F.2 The Heat Supply Act, http://glwww.mst.dk/udgiv/Publications/1997/87-7810-983-3/html/annexf.htm, retrieved on 2007-12-09
- ^ Brown, Charles E. (2002), Power resources, Springer, ISBN 3540426345
- ^ Hojjati, B.; Battles, S., The Growth in Electricity Demand in U.S. Households, 1981-2001: Implications for Carbon Emissions, http://www.eia.doe.gov/emeu/efficiency/2005_USAEE.pdf, retrieved on 2007-12-09
- ^ Herrick, Dennis F. (2003), Media Management in the Age of Giants: Business Dynamics of Journalism, Blackwell Publishing, ISBN 0813816998
- ^ Das, Saswato R. (2007-12-15), "The tiny, mighty transistor", Los Angeles Times, http://www.latimes.com/news/opinion/la-oe-das15dec15,0,4782957.story?coll=la-opinion-rightrail
- ^ Tleis, Nasser (2008), Power System Modelling and Fault Analysis, Elsevier, pp. 552–554, ISBN 978-0-7506-8074-5
- ^ Grimnes, Sverre (2000), Bioimpedance and Bioelectricity Basic, Academic Press, pp. 301–309, ISBN 0-1230-3260-1
- ^ Lipschultz, J.H.; Hilt, M.L.J.H. (2002), Crime and Local Television News, Lawrence Erlbaum Associates, p. 95, ISBN 0805836209
- ^ Encrenaz, Thérèse (2004), The Solar System, Springer, p. 217, ISBN 3540002413
- ^ Lima-de-Faria, José; Buerger, Martin J. (1990), Historical Atlas of Crystallography, Springer, p. 67, ISBN 079230649X
- ^ Ivancevic, Vladimir & Tijana (2005), Natural Biodynamics, World Scientific, p. 602, ISBN 9812565345
-
^ خطأ استشهاد: وسم
<ref>غير سليم؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماةmorris - ^ Kandel, E.; Schwartz, J.; Jessell, T. (2000), Principles of Neural Science, McGraw-Hill Professional, pp. 27–28, ISBN 0838577016
- ^ Davidovits, Paul (2007), Physics in Biology and Medicine, Academic Press, pp. 204–205, ISBN 9780123694119
-
^ خطأ استشهاد: وسم
<ref>غير سليم؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماةneural -
^ Van Riper, A. Bowdoin (2002). Science in popular culture: a reference guide. Westport: Greenwood Press. p. 69. ISBN Check
|isbn=value: invalid character (help). - ^ Van Riper, op.cit., p. 71. خطأ استشهاد: وسم
<ref>غير صالح؛ الاسم "Van Riper 71" معهد أكثر من مرة بمحتويات مختلفة.
المصادر
المراجع
- Bird, John (2007), Electrical and Electronic Principles and Technology, 3rd edition, Newnes, ISBN 0-978-8556-6
- Duffin, W.J. (1980), Electricity and Magnetism, 3rd edition, McGraw-Hill, ISBN 007084111X
- Edminister, Joseph (1965), Electric Circuits, 2nd Edition, McGraw-Hill, ISBN 07084397X
- Hammond, Percy (1981), Electromagnetism for Engineers, Pergamon, ISBN 0-08-022104-1
- Morely, A.; Hughes, E (1994), Principles of Electricity, Fifth edition, Longman, ISBN 0-582-22874-3
- Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill, ISBN 0-07-451786-4
- Nilsson, James; Riedel, Susan (2007), Electric Circuits, Prentice Hall, ISBN 978-0131989252
- Patterson, Walter C. (1999), Transforming Electricity: The Coming Generation of Change, Earthscan, ISBN 185383341X
- Sears, et al., Francis (1982), University Physics, Sixth Edition, Addison Wesley, ISBN 0-2010-7199-1
- بي بنيامين (1898).A history of electricity (The intellectual rise in electricity) from antiquity to the days of Benjamin Franklin. New York: J. Wiley & Sons.
وصلات خارجية
قاموس الفهم.
- "One-Hundred Years of Electricity", May 1931, Popular Mechanics
- Illustrated view of how an American home's electrical system works
- Electricity around the world
- Electricity Misconceptions
- Electricity and Magnetism
- Understanding Electricity and Electronics in aboutعشرة Minutes
- World Bank report on Water, Electricity and Utility subsidies
