التيار الكهربائي هو شحنة كهربائية في حالة حركة. يمكن أن يتكون نتيجة تفريغ مفاجئ للكهرباء الساكنة، مثل الصواعق أو مثل شرارة بين أصابعك. لكننا عندما نتحدث عن التيار الكهربائي فإننا نعني الشكل الأكثر تحكمًا في الطاقة الكهربائية الناتجة من المولدات أو البطاريات أو الخلايا الشمسية أو خلايا الوقود. تعتبر الإلكترونات والبروتونات الحامل لمعظم الشحنات الكهربائية في الذرة. البروتونات لها شحنة موجبة، بينما الإلكترونات لها شحنة سالبة. غير أن البروتونات ثابتة في الغالب داخل النواة الذرية، وبالتالي فإن الإلكترونات تتولى مهمة نقل الشحنة من مكان إلى آخر.
الإلكترونات الموجودة في مادة موصلة مثل الفلزات تكون حرة إلى حد كبير في الانتقال من ذرة إلى أخرى على طول نطاقات التوصيل الخاصة بها، وهي أعلى المدارات للإلكترون.
إن القوة الدافعة الكهربائية (emf)، أو الفولتية، تولد تخلخلًا في الشحنة (فرق الجهد الكهربائي) الذي يتسبب في تحرك الإلكترونات عبر الموصل كتيار كهربائي، وفقًا لما يقوله سيريف أوران، أستاذ الفيزياء بجامعة بيتسبورغ.
يصعب بعض الشيء مقارنة التيار الكهربائي بتيار الماء المتدفق في الأنبوب، إلا أن هناك بعض أوجه التشابه التي قد تجعل فهمه أسهل إلى حد ما. يقول مايكل دوبسون، أستاذ الفيزياء بجامعة كولورادو بولدر، يمكننا تصور تدفق الإلكترونات في سلك كتدفق المياه في أنبوب.
يجب الانتباه إلى أنه في هذه الحالة، يكون الأنبوب ممتلئًا بالماء دائمًا. إذا فتحنا الصمام من طرف واحد للسماح بدخول المياه إلى الأنبوب، فلن نضطر إلى الانتظار حتى تصل المياه إلى نهاية الأنبوب.
سنحصل على الماء من الطرف الآخر بشكل فوري تقريبًا لأن الماء الوارد يدفع الماء الموجود بالفعل في الأنبوب باتجاه النهاية. هذا هو ما يحدث في حالة التيار الكهربائي في السلك.
توجد بالفعل إلكترونات التوصيل في السلك، نحتاج فقط إلى بدء دفع الإلكترونات في إحدى النهايات، وستبدأ الإلكترونات بالتدفق إلى الطرف الآخر على الفور تقريبًا.
وفقًا لموقع HyperPhysics التابع لجامعة جورجيا، فإن السرعة الفعلية للإلكترون الموجود في سلك ما تتراوح بين بضعة ملايين متر في الثانية، لكنها لا تنتقل مباشرة إلى نهاية السلك، بل هي تقفز بشكل عشوائي تقريبًا وتحرز تقدمًا في بضع ملليمترات في الثانية فقط.
هذا ما يسمى بسرعة الانجراف للإلكترون. ومع ذلك، عندما تبدأ الإلكترونات بالاندفاع إلى الطرف الآخر من السلك بعد أن نفتح المفتاح فإن سرعة انتقال الإشارة، هي سرعة الضوء تقريبًا، أي حوالي 300 مليون متر في الثانية (186000 ميل في الثانية).
أما في حالة التيار المتناوب، حيث يتغير اتجاه التيار 50 أو 60 مرة في الثانية، فإن معظم الإلكترونات لا تخرج من السلك أبدًا.
(التيار المستمر – Direct current)
الطريقة الآتية كانت الطريقة المعروفة لإنشاء اختلال في الشحنة (فرق في الجهد) وهي البطارية الكهروكيميائية التي اخترعها الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا في عام 1800 والذي سميت باسمه وحدة القوة الدافعة الكهربائية.
يتكون (العمود الفلطائي – voltaic pile) من مجموعة من صفائح الزنك والنحاس بالتناوب مفصولة بطبقات من القماش الغارقة في المياه المالحة وتُنتج مصدرًا ثابتًا للتيار المستمر (DC). قام هو وآخرون بتحسين وصقل اختراعه على مدار العقود القليلة اللاحقة.
وفقًا للمتحف الوطني للتاريخ الأمريكي: «جذبت البطاريات انتباه العديد من العلماء والمخترعين، وبحلول الأربعينيات من القرن التاسع عشر كانت توفر التيار للأجهزة الكهربائية الجديدة مثل مغانط جوزيف هنري الكهربائية وتلغراف صامويل مورس».
تشمل مصادر التيار المستمر الأخرى خلايا الوقود، التي تدمج الأوكسجين والهيدروجين وتحولهما إلى الماء، خلال هذه العملية تنتج الطاقة الكهربائية. يمكن توفير الأكسجين والهيدروجين كغازين نقيين أو من الهواء الجوي بالإضافة إلى وقود كيميائي مثل الكحول.
مصدر آخر للتيار المستمر هو الخلية أو الفلطائية الضوئية (الخلية الشمسية – solar cell). في هذه الأجهزة تمتص الإلكترونات الطاقة الضوئية من ضوء الشمس وتحولها إلى طاقة كهربائية.
(التيار المتناوب – Alternating current)
تأتي معظم الكهرباء التي نستخدمها من شبكة تجهيز الطاقة الكهربائية على شكل تيار متناوب (AC). يُنتج التيار المتناوب بواسطة مولدات كهربائية تعمل وفقًا لقانون فاراداي للحث، حيث يمكن للمجال المغناطيسي المتغير أن يحفز تيارًا كهربائيًا في الموصل. تحتوي المولدات على ملفات دوارة من أسلاك موصلة تمر عبر حقول مغناطيسية أثناء دورانها.
أثناء دوران الملف، يتم فتح وإغلاق الأخير مع الأخذ بعين الاعتبار الحقل المغناطيسي، الأمر الذي يولد تيارًا كهربائيًا معكوس الاتجاه كل نصف دورة.
يُكمل التيار دورة كاملة للأمام والخلف 60 مرة في كل ثانية، أو 60 هرتز(Hz) (50 هرتز في بعض البلدان).
يمكن تشغيل المولدات عن طريق التوربينات البخارية التي يتم تسخينها بواسطة الفحم أو الغاز الطبيعي أو الزيت أو المفاعل النووي. كما يمكن تشغيلها بواسطة توربينات الرياح أو توربينات المياه في السدود الكهرومائية.
بعد خروجه من المولد، يمر التيار عبر سلسلة من المحولات، حيث يتم رفعه إلى فولتية أعلى بكثير لغرض النقل. والسبب في ذلك هو أن قطر الأسلاك يحدد مقدار التيار، أو الأمبيرية، بهذه الطريقة يمكن للأسلاك أن تحمل التيار دون أي ارتفاع في درجة الحرارة أو فقدان للطاقة، لكن الفولتية محدودة فقط من خلال مدى عزل الخطوط عن الأرض.
ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أن التيار يحمله سلك واحد فقط وليس اثنين. يتم تعيين الجانبين من التيار المستمر بأنها إيجابية وسلبية. لكن، لأن قطبية التيار المتناوب تتغير 60 مرة في الثانية، فإن جانبي التيار المتناوب يتم تعيينهما على أنهما ساخن (فعال) وأرضي (hot and ground). في خطوط نقل الطاقة لمسافات طويلة، تحمل الأسلاك الجزء الكهربائي الساخن أو الفعال، وينتقل الجانب الأرضي عبر الأرض لإكمال الدائرة الكهربائية.
لأن الطاقة تساوي الجهد الكهربائي (الفولتية) مضروبًا بالتيار (الأمبيرية)، يمكنك إرسال المزيد من الطاقة على الخط في نفس الأمبيرية باستخدام فولتية أعلى.
بعد ذلك يتم خفض الجهد أو الفولتية العالية عند توزيعه من خلال شبكة من المحطات الفرعية حتى تصل إلى المحول بالقرب من منزلك، حيث يتم تخفيضها أخيرًا إلى 110 فولت (في الولايات المتحدة، تعمل مقابس الحائط والأضواء على 110 فولت عند 60 هرتز. في أوروبا ، يعمل كل شيء تقريبًا على 230 فولت عند 50 هرتز).
بمجرد وصول التيار إلى نهاية الخط، يتم استخدام معظمه بإحدى الطريقتين: إما لتوفير الحرارة والضوء من خلال المقاومة الكهربائية، أو الحركة الميكانيكية من خلال الحث الكهربائي.
هناك عدد قليل من التطبيقات الأخرى -أضواء الفلورسنت وأفران الميكرويف التي تتبادر إلى الذهن- التي تعمل على مبادئ مختلفة، ولكن الحصة الأكبر تذهب إلى الأجهزة القائمة على المقاومة أو الحث على حد سواء. مجفف الشعر، على سبيل المثال، يستخدم كلا المبدأين في الوقت نفسه.
هذا يقودنا إلى ميزة هامة للتيار الكهربائي: فهو يمكن أن يقوم بالعمل. يمكن أن يُضيء منزلك، وغسل وتجفيف ملابسك، وحتى رفع باب المرآب، كل ذلك بضغطة على المفتاح الكهربائي.
ما أصبح أكثر وأكثر أهمية، هو قدرة التيار الكهربائي على نقل المعلومات، وعلى الأخص بشكل بيانات ثنائية (binary data) على الرغم من أن اتصال الإنترنت بجهاز الكمبيوتر الخاص بك يستهلك جزءًا صغيرًا فقط من التيار الكهربائي، على العكس منه في السخان الكهربائي، إلا أنه أصبح أكثر أهمية للحياة العصرية.
اقرأ أيضًا:
ما هو مقدار التيار الكهربائي الذي يمكن أن يتحمله الإنسان
تمكن العلماء من توليد موع جديد من التيارات الكهربائية، فما هو وما نوعه؟
ترجمة: أزهر البكري
تدقيق: محمد نجيب العباسي
