الباب الخامس التيار الكهربي - المقاومة – القوة الدافعة الكهربية Applied Electric Current Resistance and Electromotive force

التيار الكهربي هو عبارة عن حركة الشحنات الكهربية أي إذا انتقلت كمية من الشحنة قدرها q في زمن قدرة t خلال موصل يؤثر عليه مجال كهربي منتظم E فإن التيار i المار في الموصل يعطى بالعلاقة : أما اذا كان المجال الكهربي غير منتظم فإن المعادلة السابقة تكتب على الصورة :

التيار الكهربي تقاس شدة التيار بوحدة: C/S تعرف هذه الوحدة بالنظام الدولي للوحدات : الأمبير A حيث: 1A=C/S يعرف الأمبير : عبارة عن التيار الناتج عن مرور شحنة قدرها كولوم واحد في زمن قدره ثانية واحدة

يمكن التعبير عن شدة التيار الكهربي بدلالة الشحنات التي تسببه حيث: : الشحنة السالبة المتنقلة . n2 : عدد الجسيمات التي تحملها الشحنة السالبة / وحدة الحجوم . q2 : الشحنة السالبة التي يحملها الجسيم. v2 : سرعة هذه الجسيمات.

ينتج أن التيار الكلي المار في الموصل يعطى بالعلاقة :

كثافة التيار (J) كثافة التيار: خارج قسمة شدة التيار المار في الموصل على مساحة مقطعة أي أن :

اتجاه التيار الشحنات الموجبة تتحرك نحو القطب السالب للبطارية (أي في اتجاه المجال الكهربي الناتج) الالكترونات تتجه نحو القطب الموجب (عكس اتجاه المجال الكهربي ) بالتالي اصطلح على اعتبار أن اتجاه التيار الكهربي يكون من القطب الموجب للبطارية إلى القطب السالب خلال المول ومن ثم فهو في اتجاه المجال الكهربي الناتج في الموصل وبالتالي فهو عكس اتجاه حركة الالكترونات المسببة له

قانون أوم 1 – التحريكية Mobility : حيث : : تحريكية الإلكترون وتقاس بوحدة (m2/v.s)

ووحداتها هي (Volt . meter/Amper) ، (V. M / A) 2- التوصيلية الكهربية   إذا تم تطبيق فرق جهد كهربي بين طرفي الموصل فإنه ينشأ في داخل مادة الموصل مجال كهربيE وبالتالي كثافة للتيار الكهربي J،  وكثافة التيار الكهربي الناتجة تتناسب طردياً مع شدة المجال الكهربي تبعاً للعلاقة التالية: J =  E---------------(4) حيث أن  هي ثابت التناسب وتسمى الموصلية الكهربية (Electrical conductivity) ووحداتها هي : (Ampere /volt . meter) ، (A / V . m) أما مقلوب التوصيلية الكهربية () يسمى بالمقاومة النوعية Resistivity (ρ ) ------------(5) ووحداتها هي (Volt . meter/Amper) ، (V. M / A)

العوامل المؤثرة في المقاومة الكهربية لموصل : 3- المقاومة الكهربية (R ): يتحرك الإلكترون داخل الموصل نتيجة تسليط مجال كهربي (E) عليه وأثناء حركته يحدث تصادمات واحتكاكات مع ذرات المادة فيزداد التذبذب وترتفع درجة حرارة السلك وتسمى هذه الحالة بالمقاومة الكهربية. العوامل المؤثرة في المقاومة الكهربية لموصل : 1ـ طول السلك ℓ . 2ـ مساحة مقطع السلك (A). 3ـ نوع مادة السلك (المقاومة النوعية ρ ) من هذه العوامل يمكن استنتاج العلاقة التالية : ووحدة المقاومة هي : أوم ( Ω )

قانون أوم  المواد التي تحقق قانون أوم هي التي يكون فيها " المجال الكهربي والتيار الكهربي يتناسبان تناسباً طردياً" وتسمى مواد أومية Ohmic والمواد التي لا تحقق قانون أوم تسمى مواد غير أومية nonohmic وبالتالي قانون أوم هو قانون تجريبي وينطبق على عدد محدد من المواد ويمثل العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة . استنتاج قانون أوم : لنفترض موصل طوله L ومساحة مقطعه A كما في الشكل أدناه، فإذا طبق فرق جهد كهربي على طرفي السلك فإنه سينشأ مجال كهربي E في الموصل وحيث أن العلاقة بين المجال الكهربي وفرق الجهد الكهربي هي - A e I ℓ + V E المقدار ℓ/A)) يعرف بمقاومة المادة ويرمز لها بالرمز R (Resistance) حيث (R = ℓ/A) 

المقاومة النوعية لبعض المواد عند 20 درجة مئوية ملاحظات هامة تعتمد مقاومة الموصل على الأبعاد الهندسية للموصل بينما المقاومة النوعية تعتمد على التركيب الذري للموصل. وكلأ من المقاومة والمقاومة النوعية يعتمدان على درجة الحرارة.  من المعادلة السابقة نستنتج أن مقاومة موصل تتناسب طرديا مع طوله وعكسياً مع مساحه مقطعه.  

قانون أوم 4 – المقاومة Resistance : نفترض أن لدينا موصلاَ مساحة مقطعة A وطوله L ويمر به تيار شدته i وكان فرق الجهد بين طرفيه V فإن المجال الكهربي E في الموصل يعطى بالعلاقة E i i l V

قانون أوم 4 – المقاومة Resistance : يعرف المقدار بمقاومة الموصل R E i 𝐽= 𝑖 𝐴 𝐸 𝐽 = 𝑉 𝑙 𝐴 𝑖 𝜌= 𝑉 𝑙 𝐴 𝑖 E i 𝑉 𝑖 = 𝜌 𝑙 𝐴 يعرف المقدار بمقاومة الموصل R i l V

تعرف العلاقة الاخيرة بقانون أوم: أي أن النسبة بين فرق الجهد بين طرفي الموصل وشدة التيار المار فيه تساوي مقدار ثابت وهو مقاومة الموصل

تقدر المقاومة بوحدة الاوم يمكن تعريف كل من الأوم والفولت والأمبير من العلاقة السابقة: الأوم : هو مقاومة موصل فرق الجهد بين طرفيه فولت واحد عندما يمر به تيار شدته أمبير واحد. الفولت : فرق الجهد بين طرفي موصل مقاومته أوم واحد عندما يمر به تيار شدته أمبير واحد. الأمبير : شدة التيار المار في موصل مقاومته أوم واحد عندما يكون فرق الجهد بين طرفيه فولت واحد.

توجد وحدات أخرى للمقاومة وهي : الكيلو أوم : الميجا أوم: يرمز للمقاومة الثابتة في يرمز للمقاومة المتغيرة الدوائر الكهربية بالرمز

نظرية التوصيل المعدني حيث : : متوسط المسار الحر

من المشاهد العلمية وجد أن تعتمد على درجة الحرارة من المشاهد العلمية وجد أن تعتمد على درجة الحرارة عند ثبوت درجة الحرارة فإن المقادير تأخذ قيماَ ثابته ومن ثم تأخذ قيمة معينة أما عند تغير درجة الحرارة فإننا نلاحظ: 1 – في حالة المعادن: عندما تزداد درجة الحرارة فإن الحركة العشوائية تزدد بالتالي تزداد u تقل تزداد ومن ثم تزداد R

2 – في حالة أشباه الموصلات عندما تزداد درجة الحرارة فإن عدد الشحنات الحرة الحركة يزداد كثيرا تقل ومن ثم تقل R تزداد التوصيلية

3 – في حالة الموصلات فائقة التوصيل تعمل عند درجات حرارة منخفضة جداَ معدل التصادم يقل كثيراَ تزداد وعندما نصل لدرجات حرارة قريبة من الصفر المطلق فإن الحركة تكاد أن تتوقف ومن ثم تؤول إلى المالانهاية تقترب من الصفر ونحصل على ظاهرة التوصيل الفائق

في حالة المعادن تزداد المقاومية بزيادة درجة الحرارة وفق للعلاقة التالية حيث : : المقاومية عند درجة الحرارة الابتدائية To : المقاومة عند درجة الحرارة النهائية T . : مقدار ثابت خاص بالمادة ويعرف بمعامل الحرارة للمقاومية

وحيث أن المقاومية تعتمد على T فإن المقاومة تعتمد على T وتعطى بالعلاقة : حيث : RO : المقاومة عد درجة حرارة TO. RT : المقاومة عند درجة حرارة T . (T-TO) : الفرق في درجات الحرارة ويمكن أن يرمز لها بالرمز ويمكن وضع المعادلة على الصورة