الجهد الكهربائي: القوة الدافعة للتيار في الدوائر
في عالم الكهرباء، توجد قوة تدفع الإلكترونات للتحرك داخل الدائرة. يُعبّر عن هذه القوة بمفهوم يُسمّى الجهد الكهربائي (Electrical Voltage). الجهد هو فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين في دائرة واحدة، ويوفر القوة اللازمة لتحريك الشحنات الكهربائية وتوليد التيار. فهم مفهوم الجهد الكهربائي أمر ضروري لكل من يتعامل مع الكهرباء أو الإلكترونيات أو حتى الأجهزة الكهربائية اليومية. يتناول هذا المقال شرحًا شاملًا للجهد، وطريقة قياسه، وعلاقته مع باقي عناصر الدائرة، وأهميته في الأنظمة الكهربائية.
ما هو الجهد الكهربائي؟ فهم مفهوم فرق الجهد
الجهد الكهربائي (Voltage)، الذي يُرمز له بالحرف V أو U، هو الفرق في الطاقة الكامنة الكهربائية بين نقطتين محددتين في مجال كهربائي. ببساطة، الجهد هو “الضغط” أو “القوة” التي تدفع الإلكترونات للتحرك عبر موصل وتُشكّل التيار الكهربائي. وحدة قياس الجهد في النظام الدولي للوحدات (SI) هي “فولت” (Volt)، وسُمّيت بهذا الاسم تكريماً للعالم الإيطالي أليساندرو فولتا ويُرمز لها بالحرف V. الفولت الواحد يعني أن مقدار طاقة قدرها جول واحدة يلزم لنقل شحنة كهربائية مقدارها كولوم واحد بين نقطتين.
تشبيه الجهد الكهربائي بضغط الماء داخل الأنبوب هو تشبيه شائع ومفيد. فكلما كان ضغط الماء في بداية الأنبوب أعلى (أي الجهد أعلى)، يتحرك الماء بقوة أكبر ويتكوّن تيار مائي أكبر (أي تيار كهربائي أكبر). كذلك، اختلاف الارتفاع في الشلال هو مثال على فرق الجهد الذي يدفع الماء إلى الأسفل.
قياس الجهد الكهربائي
يُقاس الجهد الكهربائي بين نقطتين في الدائرة باستخدام جهاز يُسمى “فولتميتر” (Voltmeter). يجب توصيل الفولتميتر دائمًا بالتوازي مع الجزء المراد قياس الجهد بين طرفيه من الدائرة. تضمن هذه الطريقة توصيل الفولتميتر بشكل يعرض فرق الجهد بين هاتين النقطتين بشكل صحيح. تتميز الفولتميترات المثالية بمقاومة داخلية عالية جدًا بحيث يمر بها تيار صغير جدًا وتأثيرها على أداء الدائرة يكون ضئيلاً.
علاقة الجهد بالتيار والمقاومة: قانون أوم
الجهد والتيار والمقاومة هي ثلاثة مفاهيم أساسية تربطها علاقة يُعبّر عنها بـ “قانون أوم”. ينص قانون أوم على أن التيار المار عبر موصل عند درجة حرارة ثابتة يتناسب طرديًا مع الجهد المطبق على طرفيه ويتناسب عكسيًا مع مقاومته. يمكن التعبير عن هذه العلاقة بأشكال مختلفة:
- V = I * R (الجهد = التيار × المقاومة): توضح هذه المعادلة مقدار الجهد اللازم لمرور تيار معين عبر مقاومة معينة.
- I = V / R (التيار = الجهد / المقاومة): توضح هذه المعادلة أنه عند جهد ثابت، كلما زادت المقاومة، قل التيار، والعكس صحيح.
- R = V / I (المقاومة = الجهد / التيار): توضح هذه المعادلة أن مقاومة قطعة ما تُحسب بقسمة الجهد عبرها على التيار المار فيها.
توضح هذه العلاقات أن الجهد يعمل كقوة دافعة للتيار، بينما المقاومة تعيق هذه الحركة.
منابع الجهد: توليد فرق الجهد
لإنشاء جهد في دائرة كهربائية وتحريك التيار، نحتاج إلى “مصدر جهد”. مصادر الجهد الكهربائي هي أجهزة توفر الطاقة وتخلق فرق جهد كهربائي. فيما يلي أكثر مصادر الجهد شيوعًا:
- البطاريات: تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وتنتج جهدًا مستمرًا (DC).
- المولدات: تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (عادةً تيار متردد AC)، مثل مولدات محطات الطاقة.
- مصادر الطاقة (Power Supplies): توفر الجهد والتيار المطلوبين للأجهزة الإلكترونية من شبكة الكهرباء (AC) أو مصادر أخرى.
- الخلايا الشمسية (الألواح الشمسية): تحول طاقة ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية (DC) وبالتالي جهد.
أهمية واستخدامات الجهد
الجهد هو معلمة أساسية في جميع الأنظمة الكهربائية:
- تزويد الطاقة للأجهزة: يحتاج كل جهاز كهربائي إلى جهد معين لكي يعمل (مثل بطارية قلم 1.5 فولت، كهرباء منزلية 220 فولت، ودوائر الكمبيوتر بجهود أقل).
- نقل الكهرباء: تُنقل الكهرباء من محطات الطاقة بجهود عالية جدًا (لتقليل الخسائر)، ثم يتم تحويلها بالقرب من المستهلكين باستخدام المحولات إلى جهود أقل.
- الدوائر الإلكترونية: يلعب الجهد دورًا رئيسيًا في تشغيل المكونات الإلكترونية مثل الترانزستورات والدوائر المتكاملة، ويحدد مستوى الإشارات.
- السلامة الكهربائية: يمكن أن يكون الجهد العالي خطيرًا، وقد تم تحديد معايير السلامة للعمل مع مختلف الجهود.
نتيجة
الجهد الكهربائي، باعتباره فرق الجهد والقوة الدافعة للتيار، هو مفهوم أساسي في علم الكهرباء. يعد فهم هذا المفهوم، ووحدته (فولت)، وكيفية قياسه، وعلاقته بالتيار والمقاومة من خلال قانون أوم، أمرًا ضروريًا لتحليل وتصميم والعمل مع أي نوع من الدوائر أو الأنظمة الكهربائية. من البطاريات الصغيرة إلى شبكات نقل الكهرباء الضخمة، يلعب الجهد دورًا أساسيًا في نقل الطاقة الكهربائية. إن فهمه يمكّننا من فهم بيئتنا المحيطة بشكل أفضل، والتي تعتمد بشكل كبير على الطاقة الكهربائية. لمزيد من مقاطع الفيديو، يرجى زيارة قسم التدريب.
المصادر :
IEC (International Electrotechnical Commission)