قوانين أساسية في الكهرباء

قوانين أساسية في الكهرباء

اكتُشفت الكهرباء منذ وقت بعيد جداً لكن لم يُعرف ما هو منشؤها ومبدأ عملها، وبقيت الكهرباء ظاهرةً غريبةً غير مفسّرة حتّى بداية القرن السابع عشر الميلادي، عندما بدأ العالم الإنجليزي وليام جيلبرت دراسته للكهرباء عن كثب والبدء بفهمها، وتبعه العديد من العلماء والمخترعين ووضعوا نظرياتهم وأبحاثهم الخاصة التي كانت سبباً لما وصل إليه فهم الكهرباء في يومنا هذا،^[١] ويُعدّ الفهم النظري للكهرباء لبنةً أساسيةً لفهم هذه الظاهرة غير المرئية، وأساساً للتعامل معها، وفهم تطبيقاتها المختلفة، واستكشاف الأخطاء وإصلاحها، ممّا يجعل لدراسة القوانين الكهربائية المختلفة أهميةً قصوى للتطوّر والتعمّق في هذا المجال وفهمه،^[٢]، ومن أهمّ القوانين الكهربائية التي تُشكّل أساساً لهذا العلم الواسع ما يأتي:

قانون كولوم

وضع العالم الفرنسي شارل أوغستان دي كولوم قانوناً يوضّح العلاقة بين الشحنات الكهربائية سُمّي بقانون كولوم (بالإنجليزية: Coulomb’s Law)،^[٣] ينصّ على أنّ القوى الكهربائية الناشئة بين شحنات كهربائية سواء كانت قوى تجاذب بين الشحنات المختلفة أو قوى تنافر بين الشحنات المتشابهة تتناسب تناسباً عكسياً مع مربّع المسافة بينهما وتناسباً طردياً مع مقدار هذه الشحنات، كما تتأثّر هذه القوى بنوع الوسط الفاصل بين الشحنات، ويُسمّى هذا القانون بقانون التربيع العكسي،^[٤] ويُمكن التعبير عنه رياضياً كالآتي:^[٥]

ق=أ(ش₁ش₂)/ف²

حيث إنّ:

• ق: القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنتين ووحدتها (نيوتن).
• أ: ثابت التناسب ووحدته (نيوتن.م²/كولوم²)، وفي حال كان الوسط الفاصل هواء تكون قيمته 8.9875×10⁹ وهي أكبر قيمة له، وتختلف هذه القيمة باختلاف الوسط الفاصل بين الشحنتين؛ وذلك لأنّ لكلّ وسط سماحيّة كهربائية (بالإنجليزية: Permittivity) مختلفة.
• ش₁، ش₂: مقدار كلا الشحنتين، ووحدة كلّ منهما (كولوم).
• ف: المسافة الفاصلة بين كلا الشحنتين ووحدتها (متر).

قانون أوم

يُعدّ قانون أوم (بالإنجليزية: Ohm’s Law) من أهمّ القوانين الكهربائية وأكثرها استخداماً، إذ إنّه يُبيّن العلاقة بين التيّار الكهربائي وكلٍّ من الجهد والمقاومة في الدارة الكهربائية، وينصّ على أنّ التيّار الكهربائي المتولّد بين نقطتين على موصل يتناسب تناسباً طردياً مع الجهد الكهربائيّ وتُعتبر المقاومة هي ثابت ذلك التناسب، ونشر عالم الفيزياء الألماني جورج سيمون أوم قانونه هذا في الكتب لأول مرّة في عام 1827م، وسمّي القانون باسمه تخليداً لإنجازه، ويُعبَّر عن قانون أوم رياضياً كالآتي:^[٦]

ت = جـ / م

حيث إنّ:

• ت: التيار الكهربائي.
• جـ: الجهد الكهربائي.
• م: المقاومة الكهربائية.

يوضّح القانون أنّ العلاقة بين التيّار الكهربائي والمقاومة الكهربائية هي علاقة عكسيّة؛ أيّ أنّ زيادة المقاومة الكهربائية تُضعف التيّار الكهربائيّ، امّا علاقة التيّار الكهربائيّ مع الجهد فهي علاقة طردية.

قانون القدرة الكهربائية

يُستخدم قانون واط (بالإنجليزية: Watt’s Law) لحساب القدرة الكهربائية المستهلكة في الدارة البسيطة، ويوضّح القانون العلاقة بين القدرة الكهربائية المستهلكة في الدارة الكهربائية وكلٍّ من التيّار والجهد الكهربائي، ويُعبَّر عنه رياضياً كالآتي:^[٧][٨]

ق = جـ × ت

واستناداً لقانون أوم فإنّه يُمكن كتابة القانون بالصيغتين الآتيتين:  

ق = جـ2 / م أو ق = م × ت2 

حيث إنّ:

• ق: القدرة الكهربائيّة.
• جـ: فرق الجُهد.
• ت: التيار الكهربائي
• م: المقاومة الكهربائية.

قانونا كيرشوف

قانون كيرشوف للجهد الكهربائي

يُستخدم قانون كيرشوف للجهد الكهربائي (بالإنجليزية: Kirchhoff’s Voltage Law) في تحليل الدوائر المعقّدة، وينصّ القانون على أنّ المجموع الجبري للجهود الكهربائية خلال أيّ مسار مغلق في الدارة يُساوي صفراً، ولحساب قيم الجهد يجب البدء من أيّة نقطة في المسار المغلق والرجوع عندها سواء كان الالتفاف مع عقارب الساعة أو عكسه.^[٩][٧]

قانون كيرشوف للتيّار الكهربائي

يُعتبر قانون كيرشوف للتيار (بالإنجليزية: Kirchhoff’s Current Law) تطبيقاً لمبدأ حفظ الشحنة الكهربائية، وعادةً ما يُستخدم هذا القانون في الدوائر الكهربائية المعقّدة، وينصّ على أنّ مجموع التيّارات الداخلة إلى نقطة تقاطع على الدارة الكهربائية المعقدة يُساوي مجموع التيّارات الخارجة منها.^[٧]

قوانين المقاومة المكافئة

يتمّ حساب قيمة المقاومة المكافئة في دارة كهربائية حسب طريقة توصيل المقاومات في الدارة كالآتي:^[٧]

• حساب المقاومة المكافئة للمقاومات الموصولة على التوالي: تُحسب المقاومة الكهربائية المكافئة لعدد من المقاومات الموصولة على التوالي من خلال جمع تلك المقاومات كالآتي:

م مكافئة = م₁ + م₂ + م₃ + …… م _ن.

• حساب المقاومة المكافئة للمقاومات الموصولة على التوازي: تُحسب المقاومة الكهربائية المكافئة لمقاومتين موصولتين على التوازي كالآتي:

م مكافئة = (م₁ x م₂) / (م₁ + م₂)

قانون فاراداي

ينصّ قانون فاراداي (بالإنجليزية: Faraday’s Law) على أنّ القوة الدافعة الحثّية المتولّدة في دارة مغلقة تُساوي سالب قيمة معدّل التغيّر الزمني لتغيّر التدفّق المغناطيسي، وهذا يعني أنّ زيادة تغيّر شدّة المجال المغناطيسي تزيد قيمة الجهد الكهربائي المتولّد، وهذا أساس عملية الحثّ الكهرمغناطيسي المُستخدم في صناعة كلّ من المولّدات والمحرّكات والمحاثّات الكهربائية، ويُمكن التعبير عن قانون فاراداي كالآتي:^[٨]

ق دَ = – (∆Φ / ∆ز)

حيث إنّ:

• ق دَ: القوة الكهربائية.
• ∆Φ: التغير في التدفق المغناطيسي.
• ∆ز: التغير الزمني.

المراجع

1. ↑ “Basic Electrical Theory: Understanding Electricity”, www.electricianinformationresource.com, Retrieved 6-7-2020. Edited.
2. ↑ Youth Explore Trades Skills, Introduction to Electrical Theory, Page 1. Edited.
3. ↑ “Charles-Augustin de Coulomb”, www.britannica.com, Retrieved 6-7-2020. Edited.
4. ↑ “Coulomb’s Law and electric force review”, www.khanacademy.org, Retrieved 6-7-2020. Edited.
5. ↑ “Coulomb’s Law”, hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, Retrieved 6-7-2020. Edited.
6. ↑ “Ohm’s Law | Statement, Applications and Limitation of Ohm’s Law”, www.electrical4u.com, Retrieved 7-7-2020. Edited.
7. ^ ^{أ ب ت ث} “Introduction to Electronics”, ccrma.stanford.edu, Retrieved 7-7-2020. Edited.
8. ^ ^{أ ب} “Basic Electrical Theory: The Fundamental Laws of Electricity”, testguy.net, Retrieved 7-7-2020. Edited.
9. ↑ “Kirchhoff’s laws”, www.khanacademy.org, Retrieved 7-7-2020. Edited.