ما هي الكهرباء؟

يعد مفهوم الكهرباء واحدً من أعقد المفاهيم عبر الزمن وأهمها. إذ ساعدنا الفهم الأشمل للكهربية بتطوير علم الفيزياء بالكامل وتغير وجهة نظرنا عما يدور في كوننا. فما هي الكهرباء؟ وما سبب وجودها؟

تاريخ الكهرباء

تعرف الإنسان على الكهرباء من خلال سمك الرعاش، والذي اعتقد القدماء المصريين أنه يحمي باقي الأسماك. إلاّ أن أول الاستنتاجات العلمية للكهربية كانت بالصدفة عندما لاحظ الفيلسوف «طاليس – Thales» التجاذب بين المغنيتيت والكهرمان عند فركه بالحرير. [1]

وبقي الوضع كما هو حتى عام 1600م، عندما فسر العالم الإنجليزي «وليام جيلبيرت – William Gilbert» تلك الملاحظات تفسيرًا دقيقًا. جاءت تلك الملاحظات في كتابه «De Magnete» عندما وضح الفرق بين التجاذب الناتج عن مغناطيس والناتج عن الكهرباء الساكنة.

وكانت الطفرة في مجال الكهربية مع العالم «شارل أوغستان دي كولوم – Charles-Augustin de Coulomb» عام 1785م. إذ فسر كولوم الكهربية تفسيرًا عميقًا ووضع الخصائص التي تتصرف بها قوى الكهربية. [2] فما هو تفسير وجود الكهرباء إذن؟ وكيف تعمل؟

الشحنات الكهربية

يوجد في الطبيعة أنواع مختلفة من الجسيمات الصغيرة، وتختلف كل منها في خصائصها. فمثلًا يوجد جسيمات معينة تنجذب مع أحد أنواع الجسيمات، ولكنها تتنافر مع جسيمات أخرى. فإذا قسمنا الجسيمات إلى نوعين موجب وسالب، فالجسيم الموجب سيتنافر مع الجسيم الموجب مثله، ولكنه سينجذب إلى الجسيم السالب.

يصف قانون كولوم حركة وتفاعل تلك الجسيمات مع بعضها، وقد أوضح من خلاله أن التفاعل بين أي جسيمين مشحونين يضعف بزيادة تربيع المسافة بينهم (أي مقدار المسافة مضروب في نفسه). [2]

وتتكون كل المواد في الطبيعة من جسيمات تسمى ذرات، وتختلف كل مادة عن الأخرى في ترتيبهم وتوزيعهم. والذرة تتكون من جسيمين أساسيين هما:

1. قلب الذرة وتسمى النواة ولها شحنة موجبة
2. إلكترون سالب الشحنة يدور حول تلك النواة.

وتتكون المواد الصلبة من خلال ترتيب معين للذرات مكونة بحر من الإلكترونات على سطح المادة. وعند فرك الكهرمان بالحرير، تنتقل الإلكترونات السالبة إلى الحرير ويصبح الكهرمان موجب الشحنة (لاحتوائه على جسيمات موجبة أكثر من السالبة).
وبالتالي ينجذب الكهرمان بعد فركه مع المغنيتيت عند اقترابهما ليعوّض الشحنات السالبة التي فقدها. وتسمي حركة انتقال الشحنات تلك بالكهرباء الساكنة. ويمكنك ملاحظة الكهرباء الساكنة عند ظهور شرر عند خلع ملابسك المصنعة من البوليستر في غرفة مظلمة. [3]

البطاريات وتوليد التيار

هناك العديد من الطرق لتوليد التيار الكهربي، ولكن الفكرة الرئيسية في توليد التيار هي البطاريات. وقد صنع «أليساندرو فولتا – Alessandro Volta» أول بطارية في التاريخ. واعتمدت بطارية فولتا على وجود محلولين مختلفين في الشحنة مفصولين عن بعضهما بطبقة تمنع مرور الشحنات داخل البطارية. ويوجد سلك عند طرفي البطارية تنتقل من خلاله الشحنات. ويمثل تدفق الشحنات فيما يعرف باسم السلك التيار الكهربي، وتكون الكهرباء في تلك الحالة كهرباء متحركة. [4]

وتسمح المعادن بمرور التيار خلالها بشكل أفضل من غيرها من المواد. وبشكل عام يمكننا تقسيم المواد على حسب توصيلها للكهرباء لثلاثة أنواع:

• موصلة
• شبه موصلة
• عازلة

فكلما كان سطح المادة يحوي إلكترونات حرة أكثر كان أفضل في توصيل التيار.  ويجتهد العلماء حاليًا في تطوير أشباه الموصلات للاستخدامات الكهربائية وذلك لتنوع خصائصها الكهربائية عن الموصلات. إذ تستخدم أشباه الموصلات في خلايا الطاقة الشمسية والإلكترونيات الحديثة. أما تطوير البطاريات فهو أمر لا يقل أهمية ونرى ذلك في الظهور الدوري لأنواع حديثة من البطاريات.  

المصادر:

1. BioScience
2. Histoire de l’Academie royale des sciences
3. Fundamentals of physics / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. —9 th ed. Section 21 (Electric Charge).
4. Volta’s Electrical Battery Inventio