Ad

يعد قانون أوم حجر الأساس في وصف الدوائر الكهربية. ويُستخدَم في استنتاج العديد من المتغيرات التابعة لمرور التيار في الدائرة الكهربية، كالفقد الحراري الناتج عن مرور التيار. فما هو قانون أوم؟ وكيف يمكن صياغته من خلال حركة الجسيمات داخل الدائرة الكهربية؟

شدة التيار

يعبر التيار عن حركة الشحنات الكهربية خلال الموصل الكهربي سواء كانت شحنات موجبة أو شحنات سالبة. ولكننا نميل إلى أن نعبر عن اتجاه التيار باتجاه الشحنات الموجبة. فمثلا إذا طبق مجال كهربي (ورمزه E واتجاه من المصدر الموجب إلى المصدر السالب، كطرفي البطارية) على طرفي موصل ما، فإن اتجاه التيار سيكون في نفس اتجاه المجال الكهربي.

أما شدة التيار (ويرمز لها بالرمز I) فهي عدد الشحنات الكهربية (يرمز لها بالرمز q) المارة خلال زمن معين (t). وبالتالي يمكن التعبير عن شدة التيار رياضيًا بالمعادلة الآتية: I=q/t.

ويمكننا النظر لمعني شدة التيار بشكل أعمق من خلال وصفها بتأثير المجال الكهربي على حركة الجسيمات. لنفترض موصل كهربي من النحاس على شكل أسطوانة وتتحرك الإلكترونات على سطحه حركة عشوائية. عند تطبيق مجال كهربي على السلك فإن حركة الإلكترونات تتأثر بقوة كهربية فاتجاه معاكس لاتجاه المجال. ونتيجة لتلك القوة فإن الإلكترونات تتحرك بسرعة تسمى «سرعة الجرف – drift velocity» في عكس اتجاه المجال. وقيمة سرعة الجرف اقل بكثير من قيمة سرعة حركة الإلكترونات العشوائية داخل الموصل بمقدار حوالي 1011 م/ث. وتتمثل العلاقة الرياضية بين شدة التيار والمجال الكهربي كالتالي: I=σAE. ويدل الرمز A على المساحة التي يعبر منها التيار أما σ فهي التوصيلية الكهربية وهي ثابت خاص بكل مادة. ومن العلاقة الرياضية السابقة، فكلما اشتد المجال الكهربي زاد معه شدة التيار. [1]

تأثير فرق الجهد على شدة التيار

نشر «جورج أوم –  Georg Ohm» عام 1827 كتابه «The galvanic circuit investigated mathematically» والذي وضح فيه كيف تتأثر شدة التيار بفرق الجهد بين طرفي الموصل [2]. فرق الجهد يعبر عن مدى شدة المجال الكهربي على بعد مسافة معينةL)). أي يمكن تمثيل فرق الجهد من العلاقة: V=E.L. وبالتالي يمكن كتابة قانون شدة التيار بالشكل الآتي: I=σAV/L. وبالتالي فإن فرق الجهد يتناسب طرديًا مع شدة التيار فكلما ذاد فرق الجهد زاد التيار المار في الموصل. أما القيمة التي تساوي A/Lσ فهي تعبر عن مقلوب المقاومة الكهربية (R). وبالتالي يمكن كتابة قانون أوم بشكل ابسط ليكون: V=IR.

المقاومة الكهربية

المقاومة الكهربية هي ممانعة الموصل لمرور التيار، وبالتالي فإذا كان الموصل جيد التوصيل للكهرباء فمقاومته الكهربية أقل والعكس صحيح. وترتبط المقاومة الكهربية بكفاءة الموصل فقيمة المقاومة تتناسب أيضًا مع قيمة الفقد الحراري الناتج عن مرور التيار في ذلك الموصل.

شذوذ معظم الإلكترونيات الحديثة عن قانون أوم

تختلف المواد في توصيليتها الكهربية (σ) عن بعضها، حيث تتناسب التوصيلية مع بعض الخصائص المرتبطة بحركة الإلكترونات داخل المادة. وواحدة من تلك الخصائص هي زمن التصادمات بين الإلكترونات، فكلما زاد زمن التصادمات بين كل إلكترون زادت التوصيلية الكهربية. وترتبط أيضا بعدد الإلكترونات الحرة، فكلما زاد عددها زادت التوصيلية الكهربية.

في الموصلات كلما ارتفعت درجة الحرارة، زاد عدد التصادمات وبالتالي يقل زمن التصادم وتقل معه التوصيلية. ولكن الإلكترونيات الحديثة تصنع معظم مكوناتها من أشباه الموصلات. وأشباه الموصلات تزداد فيها عدد الإلكترونات الحرة بشكل كبير جدًا بزيادة درجة الحرارة، على عكس الموصلات فعدد إلكتروناتها الحرة شبه ثابت. فعند زيادة درجة حرارة اشباه الموصلات يقل زمن التصادمات، ولكن يزيد عدد الإلكترونات الحرة بشكل أكبر بكثير مما يجعل التوصيلية تزيد، عكس الموصلات.

ذلك الاختلاف جعل الإلكترونيات الحديثة القائمة على اشباه الموصلات تشذ عن قانون أوم المعروف في الدوائر الكهربية المعتادة. بل وأعطى أيضا الإلكترونيات خصائص أحدث تربط الكهربية بمجالات أوسع من الطاقة، كربط الكهرباء بالطاقة الشمسية في الخلايا الشمسية.

المصادر

[1] Fermi energy, metals and the drift velocity of electrons

[2] The galvanic circuit investigated mathematically

[3] Temperature Dependence of Electrical Resistivity of (III, Mn)V Diluted Magnetic Semiconductors

سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.


فيزياء

User Avatar

Khaled Khattab

معيد بقسم الفيزياء كلية علوم، جامعة دمنهور


عدد مقالات الكاتب : 18
الملف الشخصي للكاتب :

مقالات مقترحة

التعليقات :

اترك تعليق