الكهرباء

الكهرباء اسم يشمل 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.

أما في الاستخدام العام، فمن المناسب استخدام كلمة "كهرباء" للإشارة إلى عدد من التأثيرات الفيزيائية. ولكن في الاستخدام العلمي، يعد المصطلح غامضًا. كما أن هذه المفاهيم المتعلقة به من المفضل أن يتم تعريفها وفقًا لمصطلحات أكثر دقة كما يلي:
• الشحنة الكهربية : عبارة عن خاصية لبعض الجسيمات دون الذرية تحدد التفاعلات الكهرومغناطيسية الخاصة بها. فالمادة المشحونة كهربيًا تتأثر بالمجالات الكهرومغناطيسية وتنتجها.

• التيار الكهربي : عبارة عن تحرك أو تدفق الجسيمات المشحونة كهربيًا، ويُقاس عادةً بالأمبير.  
• المجال الكهربي : عبارة عن تأثير تنتجه شحنة كهربية في غيرها من الشحنات الموجودة بالقرب منها.
• الجهد الكهربي : قدرة المجال الكهربي على الشغل، ويُقاس عادةً بوحدة الفولت.
• الكهرومغناطيسية : عبارة عن التفاعل الأساسي الذي يحدث بين المجال المغناطيسي ووجود الشحنة الكهربية وحركتها.
لقد خضعت الظواهر الكهربية للدراسة منذ القِدم، إلا أن علم 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 علم 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 أن 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.

تأثيل
يعود أصل كلمة الكهرباء إلى الفارسية کاه أي القش ورُبَای أي جاذب، وتعني كلمة کهربا في الفارسية الكهرمان. أما أصل المرادف الأجنبي فيعود إلى الكلمة اللاتينية الجديدة ēlectricus التي تعني شبيه الكهرمان، وهذه بدورها مأخوذة من الكلمة اليونانية ἤλεκτρον (إلكترون) وتعني الكهرمان.

تاريخ

قبل معرفة الكهرباء بفترة طويلة، كان الناس على دراية بالصدمات التي يحدثها سمك الرعاش، وقد أشارت النصوص التي تركها 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 وعلماء 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 أن هذه الصدمات يمكن أن تنتقل عبر الأجسام الموصلة . 
وعلى أي حال، ينسب أقدم وأقرب أسلوب لاكتشاف ماهية البرق والكهرباء الصادرة عن أي مصدر آخر إلى العرب الذين أطلقوا الكلمة العربية (رعد) على الشعاع الكهربي قبل القرن الخامس عشر.
وقد كان معروفًا في الثقافات القديمة للدول المطلة على البحر الأبيض المتوسط أن هناك أجسامًا معينة مثل قضبان الكهرمان، يمكن حَكِّها بفرو قطة فتجذب الأجسام الخفيفة مثل الريش. ولقد قام ثاليس ميلتوس حوالي عام 600 قبل الميلاد بتسجيل مجموعة من الملاحظات تتعلق بالكهرباء الساكنة. وبعد هذه الملاحظات، توصل ثاليس إلى أن الاحتكاك يحول الكهرمان إلى مادة مغناطيسية. 
وعلى عكس ذلك، لا تحتاج المعادن، مثل الماغنتيت المعروف باسم أكسيد الحديد الأسود، إلى عملية الاحتكاك حتى تكتسب صفة المغناطيسية.  إلا أن ثاليس كان مخطئًا في الاعتقاد بأن سبب الانجذاب هو التأثير المغناطيسي، 
فقد أثبتت الأبحاث العلمية فيما بعد وجود علاقة بين المغناطيسية والكهرباء. 
ووفقًا لإحدى النظريات المثيرة للجدل، فقد عرف شعب البارثيون الطلاء الكهربي استنادًا إلى اكتشاف بطارية بغداد عام 1936. وعلى الرغم من أن هذه البطارية تشبه الخلية الجلفانية، فإنه من غير المؤكد ما إذا كانت ذات طبيعة كهربية أم لا.

أجرى بنجامين فرانكلين في القرن الثامن عشر أبحاثًا شاملة بشأن الكهرباء.
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 كلمة (electricus) وهي باللغة اللاتينية الجديدة ("من الكهرمان" أو "شبيه الكهرمان"، ومأخوذة من "ήλεκτρον" [أي "إلكترون"، ] وهي المرادف اليوناني لكلمة "كهرمان") للإشارة إلى خاصية جذب الأجسام الصغيرة بعد حكها. [5] أدى هذا الارتباط إلى إبراز الكلمتين "Electric" و"Electricity" اللتين ظهرتا لأول مرة في كتاب توماس براون "Pseudodoxia Epidemica" الذي صدر عام 1646. 

ولقد قدم أوتو فون جيريك وروبرت بويل وستيفن جراي وسي إف ديو فاي 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 حزيران/يونيو 1752، 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 أن البرق ذو طبيعة كهربية بالفعل. نشر لودجي جالفاني عام 1791 اكتشافه الخاص بالكهرباء الحيوية الذي أظهر أن الكهرباء هي الوسيط الذي تقوم من خلاله الخلايا العصبية بنقل الإشارات إلى العضلات.
 ولقد اخترع أليساندرو فولتا أول بطارية كهربية وأطلق عليها اسم "البطارية الفولتية" عام 1800. 
وكانت مصنوعة من طبقات متوالية من الزنك والنحاس. ولقد مَدّت هذه البطارية العلماء بمصدر للطاقة الكهربية يمكن الاعتماد عليه أكثر من الماكينات الإلكتروستاتية  التي كانت تُستخدم من قبل. 
وترجع معرفة 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 أن أوائل القرن التاسع عشر شهدت تقدمًا سريعًا في علم الكهرباء، 
فإن أواخر القرن نفسه شهدت أعظم تقدم في مجال الهندسة الكهربية. وتحولت الكهرباء من مجرد فضول علمي 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 وأوتو بلاثي وجورج ويستنغهاوس وإرنست ويرنر فون سيمنز وألكسندر جراهام بيل ولورد كلفن. 

مفاهيم شائعة
الشحنة الكهربية
الشحنة الكهربية عبارة 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 عبارة عن كمية مخزنة، 
أو بمعنى آخر، أن الشحنة الكائنة داخل نظام معزول ستظل ثابتة بغض النظر عن أي تغييرات تحدث داخل هذا النظام ومن الممكن أن تنتقل الشحنة بين الأجسام داخل النظام، 
إما عن طريق الاتصال المباشر أو المرور من خلال مادة موصلة، مثل السلك. ويشير مصطلح "الكهرباء الاستاتيكية" إلى وجود (أو عدم توازن بين) شحنات على الجسم. 
وعادةً ما يحدث ذلك عندما يتم حك المواد المختلفة معًا فتنتقل الشحنة من مادة إلى أخرى.

تتسبب الشحنة الكهربية الموجودة على المكشاف الكهربي ذهبي الوريقات في تنافرهما بشكل واضح.
إن وجود شحنة كهربية هو الذي يولد القوة الكهرومغناطيسية: إذ أن الشحنات تدفع بعضها البعض بالقوة، 
وهو تأثير 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 قطعة من القماش. 
وفي حالة شحن كرة أخرى مماثلة بقضيب الزجاج نفسه، ستجد أنها تتنافر مع الكرة الأولى؛ حيث إن الشحنة الكهربية ستدفع الكرتين عن بعضهما البعض. 
كما تتنافر الكرتان المشحونتان عن طريق ملامستهما لقضيب من الكهرمان تم حَكِّه في قطعة من القماش. 
ومع ذلك، إذا تم شحن الكرة الأولى بقضيب الزجاج والثانية بقضيب الكهرمان، فستنجذبان إلى بعضهما البعض.ولقد قام تشارلي أوجستين دو كولوم ببحث هذه الظواهر في القرن الثامن عشر وتوصل إلى أن الشحنة الكهربية تظهر في شكلين متقابلين. 
وأدى هذا الاكتشاف إلى المسلمة المعروفة القائلة إن: الشحنات الكهربية المتشابهة تتنافر والمختلفة 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 الذي 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 أو موجب. 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 كل إلكترون الشحنة نفسها والتي تساوي تقريبًا -1.6022×10-19 كولوم. 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 ذهبي الوريقات والذي يحتوي على شريطين رقيقين من أوراق الذهب متدليين في إناء زجاجي فيبتعدان عن بعضهما بعضا عندما يشحنان، وتعتمد زاوية ابتعادهما على كمية الشحنة. وعلى الرغم من أن استخدامه مستمر حتى الآن في التجارب الإيضاحية داخل الفصول الدراسية، فإن الإلكترومتر الإلكتروني قد حل محله.

التيار الكهربي
تُعرف 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 أن تكون تيارًا. 
ووفقًا لما هو متعارف عليه، فإن التيار الموجب يُعَرّف بأنه التيار المتدفق في الاتجاه نفسه الذي تتدفق فيه أية شحنة موجبة يحملها؛ 
أو أنه 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 المقابل لاتجاه الإلكترونات. 
ومع ذلك، فإنه وفقًا للظروف المحيطة يمكن أن يتكون التيار الكهربي من تدفق الجسيمات المشحونة (الجسيم المشحون) في أيٍّ من الاتجاهين أو حتى في كلا الاتجاهين في وقت واحد. ويشيع استخدام المصطلحين السالب والموجب لتبسيط هذه الحالة.

يقدم القوس الكهربي دليلاً فعالاً على التيار الكهربي.
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 عبارة 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 ملحوظة ـ كانت تعتبر في الماضي الوسيلة التي يدرك بها الأفراد وجود تيار كهربي.ولقد اكتشف نيكلسون وكارلايل عام 1800 أن بإمكان التيار الكهربي تحليل الماء من بطارية فولتية، وتُعرف 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، وهو تأثير كان جيمس بريسكوت قد بحثه حسابيًا عام 1840. ومن أهم الاكتشافات الخاصة بالتيار الكهربي كان ما توصل إليه هانز كريستيان أورستد بمحض الصدفة عام 1820 عندما كان يحضر إحدى محاضراته. حينها وجد أن التيار الكهربي في أحد الأسلاك يشوش حركة إبرة البوصلة المغناطيسية. 
كما اكتشف الكهرومغناطيسية، وهي عبارة عن تفاعل أساسي يحدث بين الكهرباء والمغناطيسات. في التطبيقات الهندسية وفي المنازل، يوصف التيار الكهربي عادةً بأنه إما تيار مستمر أو تيار 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 أو حمل هذا التيار المتدفق، وهو الأمر الأكثر شيوعًا، فإنها ستمر في الاتجاه المعاكس. 
أما التيار المتردد فهو أي تيار ينعكس اتجاهه بشكل متكرر. 
وغالبًا ما يأخذ هذا التيار شكل موجة جيبية. وبالتالي، يتذبذب التيار المتردد ذهابًا وإيابًا داخل الموصل دون أن 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 وهو الأول 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 .

 بحث عن الكهرباء