Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 21, 2010

Robot

روبوت

الانسالة (الإنسان الآلي أو الروبوت) (بالإنجليزية: Robot) عبارة عن أداة ميكانيكية قادرة على القيام بفعاليات مبرمجة سلفا ويقوم الروبوت بإنجاز تلك الفاليات إما بإيعاز وسيطرة مباشرة من الإنسان او بإيعاز من برامج حاسوبية والفعاليات التي تبرمج الانسالة على أداءها عادة تكون فعاليات شاقة او خطيرة مثل البحث عن الألغام والفضاء الخارجي وتنظيف الفضلات الناتجة في المفاعلات النووية . تم تقديم كلمة روبوت لأول مرة في مسرحية الكاتب المسرحي التشيكي كارل كابك عام 1920 .و كان عنوان المسرحية وقتها رجال آليون عالميون . وهي تعني في اللغة التشيكية تعني العمل الشاق رغم أن كارل هو أول من استعمل هذه الكلمة، لكن ليس من اخترعها، بل أخوه جوزيف الذي اشتقها مساعدة منه لأخيه من الكلمة التشيكية “Robota” والتي تعني السُخرة أو العمل الجبري . من هذا التاريخ بدأت هذه الكلمة تنتشر في الكتب و أفلام الخيال العلمي الأولى التي أعطت فكرة و تصور علمي عن هؤلاء الرجال الآليون الذين سيغزون العالم. و أعطت أفق كبير ووعود عظيمة للإنسان الأعجوبة الذي سيتدخل في أمور كثيرة و أهمها الصناعة .

وضع الكثير من الدراسات و التوقعات عن هذا الإنسان الآلي التي فشلت فيما بعد . و لكن بعد الكثير من وضع التصاميم الجيدة و الانتباه الجاد إلى الكثير من التفصيلات و الأمور الدقيقة ، نجح المهندسون في تقديم أنظمة آلية متنوعة للكثير من الصناعات المتوقعة في المستقبل القريب . و اليوم و بسبب التطور الهائل للحواسيب و الذكاء الإصطناعي و التقنيات و الهوس في تطوير البرامج الفضائية فنحن على حافة إنجاز كبير آخر في مجال علوم تصميم الانسالات . إذ أن الانسالة هو مناول قابل للبرمجة ثانية و يستطيع القيام بمهام عديدة و يخصص لتحريك مواد ، أجزاء ،و أدوات أو ماكينات معينة عبر حركات مختلفة البرمجة لأداء عدد من المهام.

 

[]

  •  
      6.1 الأعين الانسالية 6.2 اللغة الروبوتية 6.3 الحواس الانسالية 6.4 الأذرع الروبوتية 6.5 السيقان الروبوتية
  • 1 نظرة عامة للانسالة 2 فكرة الروبوت في التاريخ القديم 3 الروبوت من نسج خيال الأدباء 4 الروبوت جورج 5 تشريح الروبوت 6 نظم الروبوت 7 الإتصال و التحكم 8 العقل الألكتروني للروبوت 9 الأجهزة و البرامج الجاهزة المساعدة 10 بعض أنواع الروبوتات 11 مزايا و مساوئ 12 المصادر 13 مراجع

نظرة عامة للانسالة

انسالة صناعية في شركة لتصنيع السيارات

هناك جدل حول التعريف الدقيق للانسالة فلا يعتبر البعض سيارة او طائرة ذو تحكم بعيد انسالة لعدم إمتلاكها وسيلة التفكير وإتخاذ القرار بنفسها ويورد البعض مثالا بانه اذا كان بإستطاعة الانسالة ان تنفذ برنامج معد سلفا بإبتعادها عن حاجز خطوتين إلى الوراء على سبيل المثال والإتجاه نحو اليمين او اليسار و الإستمرار بالتقدم فإن هذا يمكن إعتباره انسالة حقيقية. [1]. الفكرة في هذا الجدل ان الانسالة الحقيقية حسب إعتقاد البعض يجب ان تمتلك ذكاء اصطناعي ولها القدرة على تمييز الأنماط والتعرف على النظم و الإستدلال والإستنتاج ومع التطور يبدوا ان هناك ترتيبا طبقيا حتى في الروبوتات فهناك الروبوت الثابت العامل وهناك المتحرك المرن وهناك الطبقة الذكية الشبه مستقلة القادرة علىالتعلم .

هناك انواع عديدة من الانسالات منها انسالات صناعية والتي هي عبارة عن اجهزة أتوماتيكية يمكن تطويعها و إعادة برمجتها ويستعمل لأغراض عديدة بإمكانها الحركة على ثلاثة محاور او اكثر ويستعمل هذا النوع في الشركات الصناعية الكبرى لغرض لحم المعادن و الصباغة والكوي وإلتقاط ونقل اجسام ومراقبة جودة او صلاحية جودة الناتج النهائي للمصنع قبل التصدير وهذه الروبوتات مبرمجة عادة لتنفيذ مهامها بصورة سريعة و مكررة و دقيقة [2] وتم لاحقا إضافة مايسمى الالرؤية الحاسوبية Computer vision لهذه الروبوتات مما جعلتها تتمتع بنوع من الإستقلالية و المرونة في تنفيذ المهام المبرمجة بقدرتها على فهم وتحليل الصور التي تستقبلها في حاسوب خاص مثبت في الروبوت [3].

هناك روبوتات قادرة على الحركة و الإنتقال ومنها طائرة بدون طيار ، البريداتور والطائرات ذات التحكم الذاتي التي تستعمل شبكات عصبونية اصطناعية مثلا [4] و يعتبر الروبوتان اللتان ارسلتهما ناسا في عام 2004 إلى سطح المريخ من اشهر الروبوتات المتحركة [5]. هناك روبوتات قادرة على إعادة تجميع نفسها بصورة شبه مستقلة على سبيل المثال تصغير حجمها للمرور خلال نفق ضيق وهذه الروبوتات تحوي في نموذجها على عدة روابط مع وحدة المعالجة المركزية و ومستقبلات الإيعزات و الذاكرة وهذه الروبوتات قادرة على بعض الحركات الشبه مطاطية لإحتواءها على وحدة مرنة إما عن طريق تحويل طاقة الهواء المضغوط في إسطوانات إلى حركات خطية او دورانية يتم الحركة بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية وهناك اساليب متطورة اخرى عديدة ومنها اسلوب أداة المرآة الدقيقة الرقمي Digital micromirror device التي ظهرت لأول مرة في عام 1987 وكانت فكرتها نصب عدة آلاف مرايا دقيقة وصغيرة جدا في الروبوت تتجاوب مع عنصر الصورة لإضافة مرونة اكثر في حركة وردة فعل الروبوت [6] ، [7].

روبوت إجتماعي يعمل في مطعم

هناك أنواع من الروبوت يقوم بالأعمال المنزلية ، و يعلم الأطفال و يلعب الشطرنج. هذا النوع من الروبوتات يطلق عليها تسمية الروبوت الإجتماعي Social robot وهي تتميز بدرجة عالية من الإستقلالية ولايمكن إطلاق مصطلح الربوت الإجتماعي على الأداة التي يتحكم بها الإنسان من بعيد ويجب على الروبوت الإجتماعي النجاح في إختبارين رئيسيين لتصنيفه بروبوت إجتماعي:

  • اختبار تورنج : وهو إختبار لمعرفة ما إذا كان يمكني تسمية النظام الروبوتي بالنظام الذكي. وضع هذا الإختبار عالم الرياضيات البريطاني آلان تورنج (1912 – 1954) وهو عبارة عن حوار مع الربوت واذا لم يستطع المختبر الجزم 100% من ان رسالة الجواب كانت من الإنسان او من الروبوت فان الأختبار يعتبر ناجحا و الروبوت ذكيا. [8].
  • إختبار إسحاق أسيموف وهو مدى إلتزام الروبوت بما يسمى قوانين الروبوت laws of robotics وهي
    • يجب ألا يتسبب الروبوت في حدوث أي أذى للإنسان البشري.
    • يجب أن يطيع أوامر الإنسان البشري إلا إذا تعارضت مع القانون الأول.
    • يجب أن يدافع عن نفسه إلا إذا تعارض مع القوانين الأول و الثاني [9].

نادرا ما يكون الروبوت في شكل إنسان بشري. و يمكن القول بأن الروبوت هو جهاز أو آلة يمكنها أن تحل محل الإنسان في بعض المواقف. و يتوقف شكله الخارجي على المهمة التي صنع من أجلها. إن الجسم البشري جهاز عضوي ذو قدرات عالية يستطيع القيام بالعديد من الوظائف. و يمكن للروبوت أن يقوم بمهام خاصة قد تثير السأم لدى الإنسان البشري ، أو تستغرق وقتا طويلا جدا أو تمثل خطورة إذا مارسه البشر ، و من ثم فيتم تصنيع الروبوت لأداء أعمال محدودة. دأبت قصص الخيال العلمي في السنين الماضية بالتحدث عن الإنسان الآلي أو ما أطلقو عليه اسم الروبوت. أما في الوقت الحاضر فقد أصبح حقيقة علمية بسبب التقدم التقني المذهل و خاصة ذلك الذي أصاب مجال الإلكترونيات. و يساهم الروبوت في العديد من الأعمال التي نمارسها في حياتنا اليومية ، فهو يشارك في اعداد الرواتب و فواتير الكهرباء و الهاتف ، كما يقوم بتجميع أجزاء السيارات. و يقود الطائرات (الطيران الآلي) مثل طائرات التجسس .

فكرة الروبوت في التاريخ القديم

عالم الرياضيات أركيتاس (428 – 374 قبل الميلاد)

يمكن أن نرجع جذور الروبوت الحديث ، إلى اأجهزة آلية اخترعت في الماضي البعيد و أطلق عليها “الآلات ذاتية الحركة”. ففي طيبة في عهد قدماء المصريين حوالي عام 1500 قبل الميلاد كان يوجد تمثال للملك ممنون يصدرأصواتا جميلة في الصباح. و في اليونان – في القرن الرابع ق.م. – اخترع أركيتاس عالم الرياضيات ، حمامة آلية يمكنها الطيران. و في القرن الثالث قبل الميلاد ، اخترع ستيسيبيوس العديد من الأجهزة الآلية و منها آلة موسيقية تشبه الأرغن تعمل بالمياه و ساعة مائية. و لم تكن هذه أول ساعة مائية في التاريخ ، فقد عرفها القدماء المصريون ، و لكن تميزت ساعة ستيسيبيوس بأنها مزودة بجهاز يجعل مستوى المياه ثابتا ، و هي تعمل بنفس طريقة الغرفة العائمة في كاربريتور السيارة الحديثة.

وكان هيرون الأسكندري الذي عاش حوالي 150 ميلادي مخترعا فذا. فقد اخترع آلات تعمل بتدفق المياه ، و بالثقل و حتى بالبخار ، و من أهم اختراعاته آلة aeolipile التي تعتبر الشكل الأول للتوربين الذي يدار بقوة البخار ، كما صمم أيضا آلة ميكانيكية توزع المياه المقدسة ، و طائرا آليا يمكنه الطيران و الشرب و الغناء ، و مسرحا آليا ، و تمثال هرقل و هو يصارع التنين و الذي يمكنه تحريكه بتدفق المياه داخله. و شرح هيرون الاسكندري معظم هذه الأجهزة الآلية في كتابه automatopoietica و عبر القرون التالية ، ظهرت مخترعات رائعة في الشرق الأقصى و الأوسط ، في الصين ، و في الهند و في اليابان و في الجزيرة العربية. و في كتاب رسالة الجزاري الذي يتضمن سردا للأجهزة الآلية التي اخترعها العرب – وصفا لأحد هذه الأجهزة و التي أطلق عليها نافورة الطاووس التي كانت تستخدم لغسل الأيدي ، فتقدم المياه و الصابون و المنشقة آليا.

في أوروبا في القرون الوسطى ، اهتم الفيلسوفان ألبرت فاجنوس و روجر باكون إهتماما كبيرا بالآلات ذاتية الحركة ، بل و صنعا البعض منها. و أدى اختراع الساعة الآلية في أواخر القرن الثالث عشر ، إلى إمداد الآلات الذاتية الحركة بالقوة الميكانيكية اللازمة لها ، و هكذا أمكن اختراع الساعةالتي تدق الأجراس لتعلن الوقت. في القرن الثامن عشر ، أنتج صناع اللعب عددا كبيرا من الآلات الذاتية الحركة و التي كانت في شكل الإنسان و يمكنها الكلام و عزف الموسيقى و الكتابة و حتى لعب الشطرنج. و من أشهر المخترعين لهذه اللعب رجل فرنسي اسمه جاك دي فوكاسون الذي صمم نولا نسيجيا آليا(ذاتي الحركة) و في عام 1801 استخدم هذا التصميم مخترع فرنسي آخر يندعى جوزيف ماري جاكار ، لينتج نولا للنسيج يعمل بتحكم مجموعة من البطاقات المثقبة. في القرن الثامن عشر استخدم جهازين آليين آخرين ، تطبيقا لمبدأ التغذية الراجعة feed back التي تعتبر شرطا أساسيا لنظم الرقابة الآلية ذاتية التغذية (أوتوماتيكية). و هذان الجهازان الآليان هما مروحة الطاحونة الهوائيةالتي تبقي الريش متجهة نحو الريح و من ثم تستمر الطاحونة الهائية في الدوران ، أما الجهاز الثاني فكان المنظم و المتحكم الآلي للمحرك البخاري و هو الذي يجعله مستمرا في الدوران بسرعة ثابتة.

الروبوت من نسج خيال الأدباء

كان الأديب التشيكي كارل كابك هو أول من اطلق كلمة robot و كان ذلك في أوائل القرن العشرين ، و من ثم ذاع استخدام هذه الكلمة ، و بعد انتاج روايته الشهيرة روبوت روسوم العالمي rossum’s universal robots في مدينة براغ سنة 1921 حيث صور الكاتب الروبوت و كأنه انسان humanoid و لكنه آلة يمكن إنتاجها في المصنع بسرعة و بتكلفة قليلة. و قد اشتقت كلمة روبوت من الكلمة التشيكية روبوتا robota و تعني أعمال السخرة أو العبودية. و هكذا اعتبر الروبوت عبدا للجنس البشري ، أو مجرد إنسان آلي أو أوتوماتيكي . بعد سنتين من صدور الرواية تمت ترجمتها إلى الإنجليزية وفي اكتوبر 1922 تم تحويل الرواية إلى عمل مسرحي تم تقديمه على مسرح جاريك في نيويورك وفيه يسافر البروفيسور روسوم إلى جزيرة نائية لغرض دراسة أمواج البحر ويحاول اثناء وجوده على الجزيرة تصنيع مادة حية من مزج مواد كيميائية ويحاول لسنوات خلق هذا الكائن فتفشل محاولاته في خلق كلب وبعد 10 سنوات يتمكن من تصنيع روبوت بمساعدة إبنه [10].

و لا يقتصر ظهور الانسالة على الخيال الأدبي الحديث ، ففي عام 1818 صدرت أول رواية عن الإنسان الآلي و هي فرانكشتاين التي كتبتها ماري شيللي الزوجة الثانية عشر للشاعر المعروف شيللي ، و كانت تتميز هذه الرواية بالرعب ، و تتلخص بأن عالما يدعى فرانكشتاين قد استطاع أن يجمع إنسانا حيا من أجزاء الجثث الآدمية و لكن هذا الإنسان تحول إلى مسخ خاف منه الناس و طردوه و بالتالي ثار على خالقه و أصبح أداة للشر ، و قد وضعت ماري شيللي عنوانا مرعبا لقصتها “برميثيوس الحديث” و هي بهذا تقصد اسطورة بروميثيوس اليونانية ، و الذي خلق الإنسان من الماء و الطين ثم نفخ فيه الآلهة أثينا من أنفاس الحياة.

ظهر العديد من الروبوت و الاندرويد(الروبوت الذي على شكل الإنسان) في الأفلام السينمائية و التلفزيونية عبر السنين ، و البعض منهم ودود و يلقى الإعجاب من المشاهدين ، ففي فيلم الكوكب المحرم forbidden planet يظهر الروبوت “روبي الودود” ويظهر الروبوت ايضا في فيلم حرب العوالم (فيلم 2005) و في فيلم حرب النجوم star war يظهر الثنائي الهزلي r2d2 ، c3po و ثمة أنواع أخرى تبدو في صورة شريرة مثل الروبوت كوج و داليكس المرعب من المسلسل التلفزيوني dr.who و هذه النماذج الشريرة هي التي أساءت إلى الروبوت ، حتى أن البعض يتخوف من استخدام الروبوت في الأعمال اليومية ، و بذلك لا يعتمد الناس عليهم تماما في حياتهم. و للتخفيف من هذه المخاوف ، اقترح كاتب الخيال العلمي الشهير إسحق أزيموف أن يبرمج الروبوت بحيث يلتزم بالمبادئ التالية و التي أطلق عليها قوانين الروبوت laws of robotics.

الروبوت جورج

كان جورج من أوائل الانسالات التي ظهرت. يقوم جورج بقيادة الطائرات معظم الوقت ، إنه الطيار الآلي ،وتم إختراعه من قبل المهندس الكهربائي إلمر سبيري مؤسس شركة سبيري للكهربائيات [11] في عام 1913 ، وكان نموذج الطيار الآلي الأول عبارة عن بوصلة مغناطيسية مرتبطة مع جهاز لقراءة الأرتفاع و جهاز يؤشر إلى الإتجاه الذي تسير فيه الطائرة (جيرسكوب) و يتميز الجيروسكوب بأنه يظل محافظا على الإتجاه الذي تسير فيه الطائرة ، و يترك الطيارون البشر مسؤولية الطيران إلى الروبوت جورج ، و بمجرد أن تستقر الطائرة في الإتجاه الصحيح لرحلتها ، و يلاحظ جورج أي تغير رأسي أو أفقي أثناء الطيران و يتخذ الإجراءات التصحيحية فورا. قام المخترع الأمريكي Elmer Ambrose Sperry إلمر سبيري (1860 – 1930) بتجربته للطيار الآلي على الملأ بقيادة طائرة ويداه في الهواء [12] . في عام 1954 تم تصميم اول انسالة صناعية كان اسم مخترعها جورج ، ايضا ، تم تصميمه من قبل المهندس George Devol جورج ديفول (مواليد 1912) الذي لم يتخرج من اية كلية للهندسة وإنما إستند على التعلم الذاتي و المراقبة ويعتبر من رواد مخترعي الروبوت الصناعي [13] وكان مهمة هذا الروبوت الرئيسية إلتقاط وتحويل الأجسام الثقيلة من مكان لآخر وتم تطويره لاحقا للقيام بتلحيم المعادن [14].

تشريح الروبوت

تشريح الروبوت
الجزء الصورة نبذة
المستشعرات ويسمى Sensors يستعمل لمساعدة الروبوت لتحسس المؤثرات الخارجية فالبعض منها قادر على تحسس الحرارة العالية مثل احتراق شمعة على بعد 2 متر [15].
متحكم دقيق ويسمى Microcontrollers وهو بمثابة عقل الروبوت و بقدرته القيام بالعديد من الوظائف كتمييز الأنماط الخارجية ويقوم المعالج ايضا بتوجيه الروبوت. كما يقوم بالتعرف على الأشكال IdentifyForm. أي باختصار هو الجزء المكلف بتطبيق الخوارزميات المختلفة التي يحتاجها اللإنسان الآلي في تأدية مهمته. و يمكن للروبوتات أن يحتوي كل منها على معلج خاص به أو أن يشتركوا كلهم في معالج مركزي يسير العديد من الروبوتات [16]
متحكم المحرك ويسمى Motor Controllers ويتراوح فولتياتها في الروبوتات الصغيرة من 4.5 فولت إلى 36 فولت وإذا إرتفعت الفولتية المتولدة عن هذا الحد فيجب نصب ادوات تبريد في الروبوت [17] .
المحرك وهو الجزء المسؤول عن حركة الروبوت ويستعمل بعض المولدات تكنولوجيا نموذخ النصف خطوة half step mode مما يساعد على الدقة العالية [18] تختلف الطاقة المستعملة في تحريك الروبوت حسب النوع و الغرض فقد تكون طاقة هوائية او الكترونية [19] او قوة الموائع hydraulic
أدوات الإتصال و هي نقاط تبادل المعلومات بين الروبوت و عالمه الخارجي. ولبعضها قدرة للتعامل في ذبذبات تصل إلى 2.4 جيجاهرتز GHz. و يمكن تبادل المعلومات لا سلكيا أو عن طريق أسلاك باإستعمال بروتوكولات GPIB و RS232.
برمجيات ويسمى Software وهي برامج ومنها وندوز 95 ، 98 ، XP للسيطرة والتحكم بحركات الروبوت وإحداث سلسلة من الحركات المتناسقة [20]
بطاريات واداة شحن ويسمى Batteries and Chargers وهي على الأغلب خلايا شمسية مربوطة بمحولات للطاقة وشاحنة صغيرة لإعادة شحن البطارية [21].

لقد كان هدف العلماء إختراع انسالة تستطيع القيام بالأعمال التي يؤديها الإنسان البشري ، و بالتالي احلاله محل الإنسان في وظائف معينة و خاصة في مجال الصناعة. و يتكون الروبوت من نظم الكترونية و أجهزة حساسة تناظر الجهاز العصبي و أعضاء الحس للإنسان البشري. و للروبوت أيضا عقل الكتروني هو عبارة عن حاسبة الكترونية و بتطور استخدام الشرائح الألكترونية في الحاسبة سيمكن تجهيز الروبوت بعقل الكتروني بالغ القوة ، و من ثم فمن الممكن برمجته ليكون قادرا على أداء العمليات المعقدة. و في الواقع أن تطور هذا العقل الألكتروني قد فاق النظم الاخرى من أجهزة الروبوت ، و أصبح ذا كفاءة عالية في التشغيل. إن التخاطب مع الروبوت أمر صعب ، و لا بد من استخدام إحدى لغات الحاسبة الإلكترونية ، يستفيد علماء الروبوت في تجاربهم من دراسة أوجه التشابه بين نظم الإتصال و التحكم في الإنسان البشري و نظيرها في الآلة. و يعرف هذا الفرع من العلم بإسم السايبرناتيكا cybernetics ، و قد اشتق هذه الكلمة لاول مرة العالم الرياضي الأمريكي نوربرت فاينر في كتاب نشر له عام 1948. عندما يكون مطلوبا صناعة روبوت شبيه للإنسان العادي فإنه يمكن توظيف قواعد الالكترونيات البيولوجية biological electronics (نبضات مصدرها عضوي حيوي). و باختصار بيونيك bionics فمثلا تستخدم أذرع و أيدي صناعية و لكنها حساسة و تستجيب في حركتها إلى النبضات الكهربائية الدقيقة و التي تنشأ عن عضلات الجسم البشري العادية و كذلك أيضا أجزاء غير متحركة مثل العيون البلاستيكية و الشرايين الصناعية و مفاصل الورك المصنوعة من المعدن أو الخزف.

و يعكف العلماء على اختراع المزيد من الأطراف و الأجزاء الصناعية التعويضية للجسم البشري مثل ضابطة النبض التي تعمل بالنظائر المشعة و تستخدم في تقوية القلب البشري. و إذا ضعف قلب الإنسان أو كليته لأمكن استبدالهما من زرع أعضاء جديدة في شخص آخر يتبرع بهما. و ربما في المستقبل القريب ، يمكن زرع قلوب صناعية كاملة لمن يحتاجها من المرضى بالقلب. و يتنبأ العلماء بأنه في نهاية القرن الواحد و العشرين سيمكن إستبدال كافة أجزاء الجسم البشري بأخرى صناعية ، و ربما يؤدي هذا إلى وجود الشخص الذي جزء منه آدمي و الجزء الآخر آلي مثل الرجل الألكتروبيولوجي bionic man بطل المسلسل التلفزيوني الشهير رجل الستة ملايين دولار و هو إنسان مختلط أعيد بناء جسمه من بقايا جسم رائد فضاء يحتضر بعد تحطم سفينته أثناء عودتها لكوكب الأرض ، و أمكن بإستبدال أجزاء من جسمه بأخرى صناعية أن يأتي بأعمال خارقة.

نظم الروبوت

يمكن مقارنة أجزاء و نظم الروبوت بمثيلاتها في الجسم البشري ، فالأذن و الصوت البشري تستبدلان بميكرفون يحول موجات الصوت إلى نبضات كهربائية بينما يقوم مكبر صوت آخر بالعملية العكسية. و تقوم خلية كهروضوئية أو كاميرا تلفزيونية بتحويل موجات الضوء إلى نبضات كهربائية و هي في هذا بديلة عن العين البشرية. و النبضات الكهربائية التي تصدر عن الميكروفون أو الكاميرا التلفزيونية في الروبوت ، تشبه الإشارات و النبضات التي تتدفق خلال الجهاز العصبي للإنسان ، و هي تنقل في الروبوت بواسطة أسلاك من النحاس أو الدوائر الكهربائية المطبوعة على صفيحة السليكون ، و بدلا من الأوعية الدموية في الإنسان فإن الروبوت يحتوي على شبكة من الأنابيب تحتوي على سوائل لها قوة ضغط معينة حيث يتحرك الروبوت عن طريق الضغط الهيدورليكي لهذه السوائل.

عين الروبوت القديمة إلى اليمين و عين أرجوس الحديثة المتعددة الأبعاد إلى اليسار

الأعين الانسالية

في الانساليات القديمة كان العين عبارة عن كاميرا تنقل المعلومات المرئية إلى البرمجيات لغرض تحليلها وكان هناك صعوبة في هذا النموذج حيث كانت الانسالة يجد صعوبة في التمييز فيما إذا كان يتحرك بخطوات نحو الأمام اويتحرك بشكل دائري في حلقة مفرغة وكان سبب هذه الصعوبة هو الإعتماد على كاميرا (عين) واحدة . منذ عام 2003 يعمل الباحثون على الأعتماد على اكثر من كاميرا واحدة ويشبه الباحثون الأسلوب القديم للرؤية في الروبوت بالنظر من خلال إسطوانة ضيقة يصعب فيها رؤية شمولية وخاصة عند الإلتفات والحل حسب الباحثين في جامعة ميريلاند في الولايات المتحدة هو نصب عين متطورة في مؤخرة الجزء العلوي من الروبوت وهذا العين عبارة عن 9 كاميرات رقمية بجم كرة قدم مصغرة وتم تسميتها بعين أرجوس Argus eye تيمنا بالإله اليوناني الذي كان جسمه مغطى بمئات العيون. يختلف نظم العين في الروبوت حسب نوع الروبوت ففي الروبوتات البسيطة يكون نموذج العين عبارة عن مقاومة كهربائية إلى كاميرات فيديو فائقة الدقة مزودة ببرمجيات معالجة الضوء light detection and processing systems في الروبوتات المتطورة ويفضل العلماء محاكاة نموذج عين الحشرات لصناعة وتصميم الأعين الروبوتية وذلك لصغر حجم الدماغ و مركز معالجة المرئيات في عقل الحشرات [22] . يحوي الأعين الروبوتية في روبوت سبيرت Spirit الموجود على سطح المريخ على كاميرا بانورامية Pancam بإستطاعتها الإلتفات 360 درجة ونقل صورة شمولية للسطح المحيط بالروبوت يبلغ وزن هذه الكاميرا 270 غرام وحجمها بقدر قبضة اليد وبإستطاعتها إنتاج صور يبلغ مقدار عنصر الصورة فيها إلى 24,000 بكسل [23].

اللغة الروبوتية

نظام تمييز وتحليل الأصوات المسموعة في الروبوت عبارة عن تحويل إشارات صوتية يتم إلتقاطها بواسطة ميكروفون إلى مجموعة من الكلمات المكتوبة المفهومة للروبوت والمخزونة في برمجيات الروبوت التي تقوم بتحليل ومحاكاة فهم اللغات الطبيعية ويطلق على هذه العملية معالجة اللغات الطبيعية وهناك العديد من التقنيات المستخدمة في تمييز وتحليل الأصوات منها الشبكات العصبونية الاصطناعية و شبكات عصبونية أمامية التغذية خلفية النقل و تحويل فوريي السريع و الشبكات العصبونية . يوجد هناك برمجيات تمييز المحادثة Speech Recognition Software ونموذج العتاد الصلب لتمييز المحادثة Speech Recognition Hardwarew Module وتعتبر الأولى اكثر تطورا من الثانية ولكنها متوفرة للغات محدودة [مصدر رسالة ماجستير في علوم الحاسوب ، جامعة UMEA السويد 2005, http://www.cs.umu.se.

على سبيل المثال عندما يصدر إيعاز إلى الروبوت بالذهاب إلى غرفة معينة كالمطبخ مثلا فإن الروبوب سوف يلتقط كلمة المطبخ مع كل البيانات المتعلقة بكلمة المطبخ من ناحية الوظيفة و الأجواء المتعلقة بالكلمة والمخزونة في عتاد الحاسوب وعندما يعطى إيعاز غير مفهوم او إيعاز غير منطقي كإختراق جدار مثلا فإن الروبوت ومن خلال عملية التغذية الراجعة حسب منظور علم السيبرنيتيك سوف يرسل إيعازا جوابيا مضمونه إما ان الإيعاز غير مفهوم او غير منطقي . في الثمانينيات كان الباحثون يغذون برمجيات الروبوت بإيعزات مكونة من جملة او جملتين مثل “تحرك” ، إلتفت يمينا” ولكن بدأ التركيز مؤخرا على جمل طويلة ومعقدة مشابهة لأساليب التحدث في الإنسان.

الحواس الانسالية

المستشعرات هي نظم حسية تحاكي حواس الإنسان يقوم المستشعر بإلتقاط نمط معين من البيانات التي يجب تحليلها بواسطة البرمجيات لإنتاج ردة الفعل المناسبة و المبرمجة في الروبوت وفيما يلي بعض المستشعرات التي لاتتوفر كلها في جميع انواع الروبوتات [24] :

المستشعر نموذج الوظيفة  
 
مستشعر الدوران يقيس دوران المركز حول المحور ومدى إنحراف عجلات الروبوت.
مستشعر موقعية عامة يستلم إشارات من الأقمار الصناعية وغرضها تحديد البقعة الجغرافية الدقيقة التي يتواجد فيها الروبوت.
مستشعر الليزر يستخدم الليزر لقياس البعد عن جسم معين لغرض الإستدلال على الحواجز و العوائق.
مستشعر اللمس الكشف عن إتصال الروبوت بجسم خارجي كحائط وجسم داخلي كذراع الروبوت ويستند هذا المستشعر على تغير الضغط المسلط.
مستشعر الضوء يقيس مستوى الإضاءة من 0% (معتم جدا) إلى 100% (مضيئ جدا) بإعتمادها على ترانزستور ضوئي

الأذرع الروبوتية

ذراع روبوتي اثناء اعمال صيانة في مركبة فضائية

يحتوي أذرع الروبوت على نظام يقوم بعملية التغذية الراجعة feedback-driven connection بين الإيعاز الحسي و ردة الفعل الناتجة من ميكانيكيات الإستجابة الآلية Actuator التي يقوم بتنظيمها وحدة المعالجة المركزية كإستجابة للإيعاز المرسل من قبل المستشعرات . يختلف عدد ونوع المفاصل في ذراع الروبوت حسب الغرض ويعتبر المفاصل الدورانية rotary و الخطية linear من اكثر الأنواع شيوعا [25]. في الروبوتات المتطورة و المتخصصة بحقل الفضاء الخارجي يحوي الذراع على نظام تطويع ذو تحكم بعيد Remote Manipulator System وتقوم بإلتقاط ونقل ادوات ومعدات ، تم إستعمالها لأول مرة عام 1981 وتم تطويرها و التركيز عليها بعد حادثة تحطم مركبة الفضاء كولومبيا لغرض برمجة الذراع للقيام بأعمال الصيانة والتصليح [26].

يستخدم ذراع الانسالة في مجال الطب ايضا وخاصة الجراحة وفي يونيو 2006 قام ذراع انسالي بالقيام بأول عملية جراحية كاملة بدون اية مساعدة في مستشفى مدينة بوسطن وإستغرقت عملية القلب لعلاج إرتجاف الأذينين 50 دقيقة على مريض عمره 34 سنة [27] . هناك محاولات لصنع مستشعرات لمسية بالغة الدقة تتمكن من قراءة الكتابات البارزة مثل الكتابات على العملات المعدنية بمجرد اللمس [28] وهناك محاولات لتصنيع جلد صناعي في الولايات المتحدة ولكن المشروع لايزال في الأطوار التمهيدية [29].

إن محاولة إنتاج جهاز يؤدي عمل الذراع البشرية ، لهو أمر بالغ الصعوبة ، إن أعقد جهاز يشبه الذراع البشرية يؤدي فقط من 10 إلى 20 حركة مستقلة ، بينما تؤدي الذراع البشرية حوالي 40 حركة مستقلة. و تتميز النماذج المتقدمة من الروبوت بأن أصابع يدها مرنة و تحتوي على أجهزة إحساس بحيث تدرك ما تلمسه ، أما البعض الآخر فيتوافق مع عيون الكترونية حتى يمكن أن يعمل مستقلا كاليد البشرية. فاليد البشرية توجه إلى هدفها لا شعوريا وفق ما تراه العين. و يمكن بسهولة أن نجعل الروبوت يتحرك بوضعه فوق العجلات ، و لكن قد يحدث هذا إذا أردنا أن نحركه فوق سطح أملس ، أما إذا كان السطح وعرا فلا تصلح هذه الطريقة.

الهيكل العظمي الخارجي

السيقان الروبوتية

يحوي سيقان الروبوت المتطور في بعض الأحيان على اكثر من 40 مستشعر و أداة ميكانيكية مائعية (هايدروليكية) ويقوم المستشعرات بصورة مستمرة بقياس توزيع الضغط المسلط على السيقان وقد تم في عام 2004 صناعة سيقان انسالية يمكن تركيبها على سيقان الإنسان لتساعد في تحويل الخطوات البشرية الإعتيادية إلى خطوات سريعة و عملاقة دون بذل مجهود عضلي للإنسان [30] وتم تسمية هذا الإختراع بالهيكل العظمي الخارجي exoskeleton ويلغ وزنها حوالي 50 كغم . في الروبوتات يعتبر تنسيق الخطوات بشكل يحاكي خطوات الإنسان عملية معقدة جدا [31] ويكون من الأسهل إستعمال العجلات بدلا من السيقان . من انواع الروبوتات المتطورة التي تتحرك بإستعمال ساقين روبوت سيغمو SIGMO و روبوت كريو QRIO و روبوت أسيمو ASIMO. في الروبوتات القديمة كان التركيز على نصب سيقان متعددة تصل إلى 6 سيقان وكان تعدد السيقان يوفر الثبات و التوازن. إن تقليد الساق البشرية أصعب من تقليد اليد البشرية. و من المشاكل الرئيسية التي تقابل صناع الروبوت مشكلة التوازن. و من الإفضل أن يكون للروبوت أربع سيقان بدلا من اثنين. و ليست فكرة انتاج آلات تستطيع المشي و الإنتقال بفكرة حديثة العهد. فقد استخدم البعض منها خلال السنين الماضية في العمليات الزراعية و الحفر. و من أشهر تلك الآلات المتحركة شاحنة ذات أربع سيقان أنتجتها شركة جنرال الكتريك للجيش الأمريكي ، و يتحكم السائق في الشاحنة بتحريك يديه و سيقانه التي تتصل بسيقان الشاحنة.

الإتصال و التحكم

مقالة رئيسية: سيبرنيتيك

يمكن أن تكون أجهزة الإتصال و التحكم في داخل الروبوت ، غاية في التعقيد مثلها في ذلك مثل أجهزة الجسم البشري و من ثم أصبح لها علم مستقل لدراستها ، هو علم السايبرناتيكا cybernetics. هذه الأجهزة التي تعمل بالتحكم عن بعد ، و التي تحتوي على ذاكرة أو أجهزة حسية أو تعمل آليا ، و لابد أن تعتمد هذه الأجهزة على نظام يقوم بعملية التغذية الراجعة و ذلك لتحقيق التحكم الذاتي :

  • جهاز هاتف يعمل بالأزرار ، و هو مزود بذاكرة محدودة لتخزين الأرقام المتكررة ، فالروبوت يحتاج إلى ذاكرة شاملة.
  • تحتوي القذائف الموجهة على أجهزة حساسة تمكنها من الوصول إلى أهدافها. و يحتاج الروبوت إلى عدد من أجهزة حساسة لجمع المعلومات عن البيئة المحيطة به.
  • غلاية آلية ، تنطفأ من تلقاء نفسها عندما يغلى السائل الذي بداخلها. يحتاج الروبوت إلى العديد من النظم الآلية حتى تمكنه أن يؤدي وظائفه بكفاءة.
  • ثرموستات (مثبت آلي لدرجة الحرارة) في جو الحجرة ، يطفأ و يشغل نفسه آليا ، وفق معلومات يحصل عليها من أجهزته الحساسة. يحتاج الروبوت إلى نظم معلومات حتى يتمكن من أداء التحكم الذاتي.

العقل الألكتروني للروبوت

الشبكة العصبونية شبكة مترابطة من عقد تعمل بأسلوب مشابع لعصبونات الدماغ البشري

مقالة رئيسية: معالج
مقالة رئيسية: وحدة المعالجة المركزية

عقل الروبوت هو الوحدة المسيرة له و التي تقوم بتنفيذ أو حساب الخوارزميات المختلفة التي يحتاجها الروبوت من التعرف الأنماط إلى الملاحة و مرورا بفهم اللغة الطبيعية. و تستعمل الشبكات عصبونية اصطناعية في برمجة العديد من الوظائف آنفة الذكر حيث ترتب عادة بشكل طبقات من العصبونات الاصطناعية تحتوي كل منها على عدد من العصبونات و تتصل بكافة أو بعض العصبونات الموجودة في الطبقة التي تليها أو تسبقها [32]. كما يمكن أن تكون وحدة المعالجة البرمجية غير موجودة على الروبوت نفسه كأن يجتمع عدد من الروبوتات في معالج أي ما يمكن إعتباره عقلا موحدا و هي تقنية ما يسمى ب ال shared memory. أي أنه هناك كمبيوتر مركزي يقوم بتنفيذ الخوارزميات المختلفة الني يحتاجها الربوت أو مجموعة الروبوتات. الباراديغم الآخر المنتشر هو ما يسمى باالعميل البرمجي software agents و يمكن أن نجعل من كل روبوت عبارة عن عميل برمجي و يحوي معالجا ينفذ خوارزمية ما إلا أن أداء الوظيفة يقتضي أن يقوم عدد كبير من العملاء البرمجيين أو الروبوتات بتنفيذ الخوارزمية.

في الماضي كان العقل أو المعالج هو نقطة الضعف في نظم الروبوت نظرا لأن هذا العقل كان يشغل وزنا هائلا و حجما ضخما و قدرة تحسيب بسيطة ، أما في الوقت الحالي فقد اختلف الأمر ، حيث يمكن إنتاج عقل الكتروني بحجم صغير جدا. و يتكون العقل الالكتروني عادة من شرائح السليكون و أجزاء الكترونية أخرى يتم توصيلها مع بعضها.و عقل الروبوت هو بمثابة كمبيوتر صغير و من ثم فليس له القدرة على التفكير الابتكاري أو المستقل مثل العقل البشري بل هو عبد يطيع الأوامر التي يصدرها إليه الإنسان البشري. و لكنه إذا ما تم تزويد عقل الروبوت الالكتروني بالتعليمات فإنه يستطيع نظريا أن يضع برنامجا يقود بمقتضاه سفينة فضائية إلى كوكب أورانوس مثلا أو يشغل معملا لتكرير النفط أو يعد رواتب العاملين بإحدى الشركات و أيضا يبقى لديه الوقت ليربح مباراة في الشطرنج. و بالرغم من أن العقل الالكتروني لا يتمتع بالذكاء إلا أن لديه ما يطلق عليه ذكاء الآلة machine Intelligence و يمكن لبعض العقول الالكترونية في الوقت الحاضر ، أن تستفيد من تجاربها السابقة (يطلق على الدراسات المتعقلة بهذا الإكتشاف الذاتي) بينما بعض الحاسبات الأخرى تعلم نفسها كيفية حل المشكلات التي تعترضها ، بدلا من الإعتماد على التعليمات التي يصدرها الآدميون. و يبدو أن الحاسبات الالكترونية تعلم كيفية أدائها للأعمال ، أفضل من الآدميين الذي صمموها ، و من ثم تتمكن من إتخاذ قرارات أكثر دقة و أفضل من القرارات التي يتخذها الإنسان. و يتم دراسة هذه الظاهرة تحت ما يعرف بذكاء اصطناعي

الأجهزة و البرامج الجاهزة المساعدة

مقالة رئيسية: عتاد الحاسوب
مقالة رئيسية: قرص صلب

برنامج مكتوب بلغة جافا

يطلق على الأجهزة و المعدات الآلية للحاسبة الالكترونية عتاد الحاسوب hardware ، أما التعليمات و البيانات التي يتم إدخالها إليها فيطلق عليها البرامج الجاهزة المساعدة software و تختلف الأجهزة من حاسبة لأخرى. و يحتوي الروبوت على جزء فقط من مجموع الأجهزة التي تكون وحدة كمبيوتر كاملة ، و يكون هذا الجزء مرتبطا ارتباطا خارجيا مع الأجزاء الأخرى و في نظام نموذجي للحاسبة ، يتم تلقينها بالتعليمات عن طريق برنامج من خلال وحدة الإدخال التي غالبا ما تكون في شكل لوحة مفاتيح متصلة بجهاز عرض مرئي. و تعمل وحدة المعالجة المركزية وفقا للبرنامج ، و هي بدورها تصدر تعليمات إلى الوحدة الحسابية arithmetic unit لتشغيل البيانات التي في الذاكرة ثم تنقل النتائج إلى وحدة الإخراج التي قد تكون في شكل وحدة طباعة printer أو قد تعرض النتائج على جهاز عرض مرئي مثل شاشة التليفزيون و تقوم الحاسبة الالكترونية بمعالجة البيانات التي تكون في شكل أرقام ، مستخدمة نظام عد ثنائي binary system ، و هذا النظام يستخدم فقط الرقمين 1 ، صفر اللذين يمكن تمثيلهما في دوائر الحاسبة الالكترونية بتدفق التيار (1) أو عدم تدفق التيار (صفر) و يطلق لفظ البرنامج program على مجموعة التعليمات التي يتم إدخالها إلى الحاسبة الالكترونية ، و هي يجب أيضا أن تحول إلى النظام الثنائي. و لكن هذا التحويل لا يقوم به المبرمج بطريقة مباشرة ، فهو يكتب البرنامج بلغة سهلة و تقوم الحاسبة بتفهمه ثم تحوله إلى رمز ثنائي ، و هناك ثلاث لغات شائعة الإستعمال في الحاسبة الالكترونية ، هي فورتران fortran و كوبول cobol و بيسيك basic و قبل أن يقوم المبرمج بكتابة البرنامج ، عليه أن يتأكد مما يريده من الحاسبة الالكترونية ، فهو يقوم بما يطلق عليه تحليل النظم systems analysis أي تحديد تفاصيل العميات التي يجب أن تقوم بها الحاسبة الالكترونية ، و يتم هذا في شكل خريطة تدفق flow chart تقوم بتحويل العمليات إلى قرارات متتابعة بنعم أو لا يرمز لها (نعم = 1) ، (لا = صفر) في الحاسبة الالكترونية.

في مجال تصنيع الانسالات يوجد القليل جدا من الظوابط لتصميم البرمجيات و عتاد الحاسوب الخاصة بالروبوتات وإنعدام وجود ظوابط قياسية يعيق إستعمال البرمجيات الخاصة لروبوت معين في نوع آخر من الانسالات هناك مشاريع مستقبلية لكتابة برمجيات قياسية عامة يمكن إستعمالها وإعادة إستعمالها في انواع متعددة من الروبوتات . في لغة جافا على سبيل المثال والموضح في الصورة الدائرة الصغيرة تشير إلى الروبوت والخط المحيط به يمثل الحواجز او العوائق في طريق الروبوت وفي هذه الحالة على سبيل المثال سوف يتم كتابة برنامج لإستعمال وتنشيط مستشعر الليزر لقياس البعد عن العائق و إستعمال مستشعر الدوران للإنحراف عن الحاجز وهناك العديد من الخوارزميات المشابهة المصممة للإستدلال على نمط او مشكلة معينة و إيجاد ردة الفعل المناسبة [33].

بعض أنواع الروبوتات

  • روبوتات منزلية
  • روبوتات عسكرية
  • روبوتات شبيهة بالبشر
  • روبوتات صناعية
  • روبوتات إجتماعية
  • روبوتات فضائية
  • روبوتات العلاج الطبي
  • روبوتات كاسحات الألغام
  • روبوتات الاستكشاف
  • روبوتات الخدمة

مزايا و مساوئ

الروبوتات تقدم مزايا عديدة منها على سبيل المثال : إنتاج أكثر ، استعمال التجهيزات بشكل فعال ، تكاليف عمل منخفضة ، نوعية و مكننة أفضل للأجزاء ، مرونة محسنة ، إنجاز أقصر للعمل ، مرونة و سهولة في البرمجة ، القدرة على العمل في الظروف الخطرة ، نوعية محسنة لأماكن العمل و الإنتاج ، عائدات استثمار جيدة ، امتلاك الحرية في الحركة في الأبعاد الثلاثة للفراغ . إلا أنها تعاني من عدد من السلبيات ، فإحدى أكثر الصعوبات هو أن الروبوت لا يزال غير قادر بعد على مسك جزء معين عشوائي من صندوق بدون استعمال نظام رؤية خاص .إن أول التطبيقات الناجحة للروبوت كانت في مجال صناعة السيارات الأمريكية ، ففي شركة فورد الأمريكية و حصراً في عام 1940 تم ولادة كلمة جديدة سميت بالأتمتة ، و بعد مضي الكثير من الوقت و الجهد أصبح الروبوت ينفذ الكثير من الأعمال في هذا المجال كاللحام النقطي و تحميل الآلات و الكثير من التطبيقات الأخرى و في عام 1995 أدخل حوالي 25000 روبوت في خدمة صناعة السيارات في الولايات المتحدة وحدها ، و بالنسبة لبقية العالم فلم يكن الرقم أصغر من هذا ، فقد تم استعمال 1000000 روبوت للخدمة في المجالات الصناعية المختلفة.

بالرغم من التضخيم المستعمل في السينما و أدب الخيال العلمي حول إحتمالية تشكيل الروبوت تهديدا لمستقبل الإنسان بسبب الذكاء الاصطناعي ولكن وعلى ارض الواقع فإن الخطر الحقيقي من الربوتات يكون مصدره على الأغلب برمجيات غير سليمة او فيروس الحاسوب وكلاهما من صنيعة الإنسان . ويشكل الروبوتات الصناعية العملاقة احد إحتماليات فرضها خطرا على حياة الإنسان لإحتمالية حدوث حركة غير متوقعة نتيجة لطبيعة البرمجيات المعقدة في الروبوت ولهذا السبب يحاط معظم الروبوتات الصناعية بسياج او فاصل عازل لتجنب اي حركة عشوائية غير متوقعة [34]

Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 21, 2010

Electronic

يشير مصطلح الإلكترونيات إلى تدفق الشحنات الكهربية (الإلكترونات المتحركة) من الموصلات اللافلزية (غالبًا ما يُطلق عليها أشباه موصلات)، في حين يشير مصطلح الكهرباء إلى تدفق الشحنات الكهربية من خلال موصلات فلزية. على سبيل المثال، يندرج تدفق الشحنات الكهربية من خلال السليكون – الذي يعتبر من اللافلزات – تحت إطار “الإلكترونيات” بينما يندرج تدفق الشحنات الكهربية من خلال النحاس – الذي يعتبر من الفلزات – تحت إطار “الكهرباء”. هذا، وقد بدأ التمييز بين هذين المصطلحين لأول مرة في حوالي عام 1906 عندما اخترع “لي دي فورست” الصمام الثلاثي (ترايود). وحتى عام 1950 كان يطلق على مجال الإلكترونيات اسم “التقنيات اللاسلكية”؛ وذلك لأنه كان يُستخدم في الأساس في التصميمات والنظريات الخاصة بكل من أجهزة الإرسال وأجهزة الاستقبال اللاسلكية والصمامات المفرغة.

علاوةً على ذلك، تعتبر دراسة أشباه الموصلات والتكنولوجيا الخاصة بها أحد فروع علم الفيزياء، بينما يعتبر تصميم وبناء الدوائر الإلكترونية لحل المشاكل العملية أحد فروع علم هندسة الإلكترونيات. وهذا المقال فيركز على الجوانب الهندسية للإلكترونيات.

 

//

[] المكونات والأجهزة الإلكترونية

Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :مكونات إلكترونية

إن المكونات الإلكترونية عبارة عن أي كيان مادي في النظام الإليكتروني وتتمثل وظيفتها في التأثير على الإلكترونات أو المجالات المتصلة بها بطريقة معينة تتسق مع الوظيفة المحددة للنظام الإلكتروني. وعمومًا، يتم تصنيع المكونات الإلكترونية بحيث يتم توصيلها ببعضها البعض – بجعلها عادةً تلتحم بلوحة دائرة مطبوعة – بهدف إنشاء دائرة إلكترونية لها وظيفة معينة (على سبيل المثال، لصنع مضخم أو جهاز استقبال لاسلكي أو مولد ذبذبة). ويمكن أن توجد المكونات الإلكترونية في صورة فردية بسيطة أو في صورة مجمعة أكثر تعقيدًا كالتي توجد في الدوائر المتكاملة. هذا، ومن الأمثلة الشائعة للمكونات الإلكترونية المكثفات والمقاومات والصمامات الثنائية (دايود) والترانزستور وغير ذلك.

[] أنواع الدوائر الإلكترونية

[] دوائر تناظرية (أنالوج)

Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :إلكترونيات تناظرية

شاسيه هيتاشي J100 ذو تردد قابل للضبط

تتكون معظم الأجهزة التناظرية، مثل أجهزة الاستقبال اللاسلكية، من مجموعات من الدوائر الأساسية. وتستخدم الدوائر التناظرية مدى من الجهد الكهربي المتصل، وليس المنفصل كما هو الحال في الدوائر الرقمية.

ويعتبر عدد الدوائر التناظرية المختلفة التي تم تصميمها حتى الآن كبيرًا جدًا، خاصةً وأن مصطلح “الدائرة الإلكترونية” من الممكن أن يطلق على أي شيء بدءًا من المكون الواحد وحتى النظم التي تحتوي على آلاف المكونات. في بعض الأحيان، يطلق على الدوائر التناظرية اسم “الدوائر الخطية” على الرغم من استخدام العديد من المؤثرات غير الخطية في الدوائر التناظرية مثل أجهزة الخلط والتضمين وغيرها. ومن الأمثلة الجيدة على الدوائر التناظرية الصمامات المفرغة ومضخمات الترانزستور ومضخمات التشغيل ومولدات الذبذبة. في هذه الأيام، تُستخدم في بعض الدوائر التناظرية أحيانًا تقنيات رقمية أو حتى تقنيات مايكروبروسيسور (خاصة بالمعالجة الدقيقة) من أجل تحسين الأداء الأساسي للدائرة. وعادةً ما يطلق على هذا النوع من الدوائر اسم “الدوائر ذات الإشارة المختلطة”. وفي بعض الأحيان، قد يكون من الصعب التمييز بين الدوائر الرقمية والتناظرية؛ لأنهما يحتويان على عناصر خاصة بالعمليات الخطية وغير الخطية. ويعد أحد الأمثلة على ذلك “المقارن” الذي يسحب مدى متصل من الجهد الكهربي (وهذا من خصائص الدوائر التناظرية) لكن يخرج مستوى واحد فقط من مستويين، كما هو الحال في الدوائر الرقمية الموضحة لاحقًا. وبالمثل، يمكن لمضخم الترانزستور عند تشغيله على جهد عالي بالنسبة له أن يكتسب صفات المفتاح الذي يتم التحكم فيه وبالتالي، يكون له مستويان من الخرج.

[ دوائر رقمية (ديجيتال)

Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :إلكترونيات رقمية

إن الدوائر الرقمية عبارة عن دوائر كهربية مبنية على عدد من مستويات الجهد الكهربي المنفصل. كما أنها تعتبر التطبيق العملي الأكثر شيوعًا لقواعد الجبر البووليني والأساس لكل أجهزة الكمبيوتر الرقمية. وبالنسبة لمعظم المهندسين، فإن مصطلحات “الدائرة الرقمية” و”النظام الرقمي” و”المنطق” مصطلحات تُستخدم على نحو متبادل في سياق الحديث عن الدوائر الرقمية. وبالنسبة للدوائر الرقمية فيستخدم معظمها مستويين من الجهد الكهربي يطلق عليهما “منخفض”(0)، و”عالٍ”(1). وغالبًا يكون مستوى الجهد الكهربي “منخفضًا” عندما يقترب من الصفر ويكون “عاليًا” عندما يزيد على ذلك، ويتوقف هذا الأمر على الجهد الكهربي المستخدم. وتجدر الإشارة هنا أنه تم عمل بعض نماذج أولية لأجهزة كمبيوتر تعتمد على ما يسمى بالمنطق الثلاثي الذي يحتوي على ثلاثة مستويات منطقية وليس مستويين فقط.

تتكون كل من أجهزة الكمبيوتر والساعات الإلكترونية وأجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (التي تستخدم للتحكم في العمليات الصناعية) من دوائر رقمية. كما تعد وحدات معالجة الإشارات الرقمية مثالاً آخر على ذلك. عناصر البناء في الأجهزة الإلكترونية:

  • بوابات المنطقية
  • الدوائر المجمعة (دوائر تُدمج فيها إشارتان أو أكثر لإعطاء إشارة خرج تتناسب سعتها مع مجموع سعات إشارات دخلها)
  • المضاعفات الثنائية
  • فليب-فلوب (قلاب)
  • العدادات
  • سجلات
  • ناخب
  • موزع
  • مشفر
  • مفك شفرة
  • دائرة شميت

الأجهزة المتكاملة:

  • مايكروبروسيسور (المعالج الدقيق)
  • المتحكم الدقيق
  • الدائرة المتكاملة محددة التطبيقات
  • وحدة معالجة الإشارات الرقمية
  • مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة

[] أهمية تبديد الحرارة والتحكم فيها

يجب العمل على تبديد الحرارة المتولدة عن الدوائر الإلكترونية وتشتيتها لمنع تلف الدوائر وضمان عملها بكفاءة على المدى الطويل. لذلك، يوجد العديد من التقنيات التي يمكن استخدامها لتبديد الحرارة ومنها المشتت الحراري ومراوح التبريد وغيرها من الوسائل المستخدمة في تبريد الكمبيوتر مثل التبريد بالمياه. أما عن الوسائل المستخدمة في هذه التقنيات من أجل تبديد الحرارة فتتمثل في انتقال الحرارة بواسطة الحَمْل الحراري والتوصيل الحراري والإشعاع.

[] الضوضاء في الدوائر الإلكترونية

Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :ضوضاء الكترونية

تعتبر الضوضاء خاصية مصاحبة لجميع الدوائر الإلكترونية. ووفقًا لما جاء في كتاب [1]، فإنه يتم تعريف الضوضاء على أنها تشويش غير مرغوب فيه يغطي على الإشارة الإلكترونية المفيدة، مما يؤدي إلى تعتيم أو غموض المحتوى المعلوماتي الخاص بها. جدير بالذكر أن الضوضاء تختلف في مفهومها عن تشويه الإشارة الناتج عن الدائرة الإلكترونية.

[] نظرية الإلكترونيات

تعتبر دراسة الرياضيات جزءً لا يتجزأ من دراسة الإلكترونيات. لذا، فمن أجل إتقان دراسة الإلكترونيات، لا بد من إتقان دراسة القواعد الرياضية المتعلقة بتحليل الدوائر الإلكترونية. يقصد بتحليل الدوائر الإلكترونية دراسة طرق الحل المطلوبة لمعرفة المتغيرات المجهولة المرتبطة بالأنظمة الخطية عمومًا مثل معرفة مقدار الجهد الكهربي عند عقدة معينة أو التيار الكهربي في فرع معين من شبكة إلكترونية. ومن الأدوات التحليلية الشائع استخدامها في هذا المجال برنامج SPICE لمحاكاة الدوائر الإلكترونية. من المهم أيضًا لإتقان دراسة الإلكترونيات العمل على دراسة وفهم نظرية المجال الكهرومغناطيسي.

[] التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD)

في هذه الأيام، بات لمهندسي الإلكترونيات القدرة على تصميم الدوائر الإلكترونية باستخدام مكونات جاهزة الصُنع مثل مصادر الإمداد بالطاقة وأشباه الموصلات (مثل الترانزستور) والدوائر المتكاملة. هذا وتشتمل برامج الكمبيوتر (EDA) الخاصة بأتمتة التصميم الإلكتروني على برامج الرسم التخطيطي Schematic Capture وبرامج تصميم لوحات الدوائر المطبوعة. ومن أشهر التطبيقات والبرامج المستخدمة في مجموعة برامج EDA برنامج NI Multisim وCadence (ORCAD) وEagle PCB وSchematic وMentor (PADS PCB وLOGIC Schematic)وAltium (Protel) وLabCentre Electronics (Proteus) وغيرها من البرامج والتطبيقات الأخرى.

[] أساليب توصيل المكونات الإلكترونية

لقد تم، على مدار سنوات عدة، استخدام العديد من الأساليب المختلفة من أجل توصيل المكونات الإلكترونية ببعضها البعض. على سبيل المثال، كان مهندسو الإلكترونيات في البداية يستخدمون لوحات تجارب خشبية لبناء الدوائر الإلكترونية عن طريق توصيل الأطراف النهائية للمكونات باستخدام الأسلاك. كما كان يتم توصيلها من خلال التركيب المكدس للدائرة والوصلات السلكية الالتفافية. أما الآن، فيتم استخدام لوحات الدوائر المطبوعة (المصنوعة من المادة المثبطة للهب FR4)، والدوائر المتكاملة. تجدر الإشارة إلى أنه في خلال السنوات الأخيرة تم تسليط الضوء على المخاوف المتعلقة بتجميع المكونات الإلكترونية على البيئة والصحة، وخاصة فيما يتعلق بالمنتجات الإلكترونية الموجهة إلى دول الاتحاد الأوروبي. لذلك، أصدر الاتحاد الأوروبي قوانين الحد من المواد الخطرة (RoHS) والمعدات الكهربية والإلكترونية المخلفة (WEEE)، التي دخلت في حيز التنفيذ في شهر يوليو عام 2006.

Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 21, 2010

Electricity

الكهرباء اسم يشمل مجموعة متنوعة من الظواهر الناتجة عن وجود شحنة كهربائية وتدفقها. وتضم هذه الظواهر البرق والكهرباء الساكنة. ولكنها تحتوي على مفاهيم أقل شيوعًا مثل المجال الكهرومغناطيسي والحث الكهرومغناطيسي.

أما في الاستخدام العام، فمن المناسب استخدام كلمة “كهرباء” للإشارة إلى عدد من التأثيرات الفيزيائية. ولكن في الاستخدام العلمي، يعد المصطلح غامضًا. كما أن هذه المفاهيم المتعلقة به يُفضل تعريفها وفقًا لمصطلحات أكثر دقة كما يلي:

  • الشحنة الكهربائية: عبارة عن خاصية لبعض الجسيمات دون الذرية تحدد التفاعلات الكهرومغناطيسية الخاصة بها. فالمادة المشحونة كهربيًا تتأثر بالمجالات الكهرومغناطيسية وتنتجها.
  • التيار الكهربائي: عبارة عن تحرك أو تدفق الجسيمات المشحونة كهربائيًا، ويُقاس عادةً بالأمبير.
  • المجال الكهربائي: عبارة عن تأثير تنتجه شحنة كهربائية في غيرها من الشحنات الموجودة بالقرب منها.
  • الجهد الكهربائي: قدرة المجال الكهربائي على الشغل، ويُقاس عادةً بوحدة الفولت.
  • الكهرومغناطيسية: عبارة عن التفاعل الأساسي الذي يحدث بين المجال المغناطيسي ووجود الشحنة الكهربائية وحركتها.

خضعت الظواهر الكهربائية للدراسة منذ القِدم، إلا أن علم الكهرباء لم يشهد أي تقدم حتى القرنين السابع عشر والثامن عشر. وعلى الرغم من ذلك، فقد ظلت التطبيقات العملية المتعلقة بالكهرباء قليلة العدد، ولم يتمكن المهندسون من تطبيق علم الكهرباء في الحقل الصناعي والاستخدامات السكنية إلا في أواخر القرن التاسع عشر. وقد أدى التقدم السريع في تكنولوجيا الكهرباء في ذلك الوقت إلى إحداث تغييرات في المجال الصناعي وفي المجتمع أيضًا. كما أن الاستعمالات المتعددة والمذهلة للكهرباء كمصدر من مصادر الطاقة أظهر إمكانية استخدامها في عدد لانهائي من التطبيقات مثل المواصلات والتدفئة والإضاءة والاتصالات والحساب. فأساس المجتمع الصناعي الحديث يعتمد على استخدام الطاقة الكهربائية، ويمكن التكهن بأن الاعتماد على الطاقة الكهربائية سيستمر في المستقبل.

//

[] تأصيل

يعود أصل كلمة الكهرباء إلى الكلمتين الفارسيتين: “کاه”، أي القش، و”رُبَای”، أي جاذب، وتعني كلمة “کهربا” في الفارسية الكهرمان. أما أصل المرادف الأجنبي فيعود إلى الكلمة اللاتينية الجديدة “ēlectricus” التي تعني “شبيه الكهرمان”، وهذه بدورها مأخوذة من الكلمة اليونانية “ἤλεκτρον” (إلكترون)، وتعني “الكهرمان”.

[] تاريخ

طاليس، أول باحث في الكهرباء.

Crystal Clear app kdict.png مقالات تفصيلية :كمية الكهرباء، تاريخ الكهرومغنطيسية و تاريخ الهندسة الكهربائية

قبل معرفة الكهرباء بفترة طويلة، كان الناس على دراية بالصدمات التي يحدثها سمك الرعاش، وقد أشارت النصوص التي تركها قدماء المصريين، والتي يرجع تاريخها إلى سنة 2750 قبل الميلاد، إلى هذه الأسماك باسم “صاعقة النيل”، كما وصفوها بأنها حامية جميع الأسماك الأخرى. وبعد حوالي ألف عام، أشار إليها أيضًا الإغريق والرومان وعلماء الطبيعة والأطباء المسلمون.[2] ولقد أكد الكتّاب القدامى، مثل بليني الأكبر وسكريبونيس لارجوس على الإحساس بالتنميل الناتج عن الصدمات الكهربائية التي يحدثها سمك السلّور الصاعق وأنقليس الرعاد الكهربائي. كما اكتشف هؤلاء الكتّاب أن هذه الصدمات يمكن أن تنتقل عبر الأجسام الموصلة.[3] وبجميع الأحوال، ينسب أقدم وأقرب أسلوب لاكتشاف ماهية البرق والكهرباء الصادرة عن أي مصدر آخر إلى العرب الذين أطلقوا كلمة “رعد” العربية على الشعاع الكهربائي قبل القرن الخامس عشر. وقد كان معروفًا في الثقافات القديمة للدول المطلة على البحر الأبيض المتوسط أن هناك أجسامًا معينة مثل قضبان الكهرمان، يمكن حَكِّها بفرو قطة فتجذب الأجسام الخفيفة مثل الريش. وقد قام العالم والفيلسوف الإغريقي، طاليس الملطي، حوالي عام 600 قبل الميلاد بتسجيل مجموعة من الملاحظات تتعلق بالكهرباء الساكنة. وبعد هذه الملاحظات، توصل إلى أن الاحتكاك يحول الكهرمان إلى مادة مغناطيسية. وعلى عكس ذلك، لا تحتاج المعادن، مثل الماغنتيت المعروف باسم أكسيد الحديد الأسود، إلى عملية الاحتكاك حتى تكتسب صفة المغناطيسية.[4] إلا أن طاليس كان مخطئًا في اعتقاده بأن سبب الانجذاب هو التأثير المغناطيسي، فقد أثبتت الأبحاث العلمية فيما بعد وجود علاقة بين المغناطيسية والكهرباء. ووفقًا لإحدى النظريات المثيرة للجدل، فقد عرف البارثيون، إحدى شعوب بلاد فارس، عرفوا الطلاء الكهربائي، وفقًا لما أفادت المعلومات التي تحصلت من اكتشاف بطارية بغداد عام 1936. وعلى الرغم من أن هذه البطارية تشبه الخلية الجلفانية، فإنه من غير المؤكد ما إذا كانت ذات طبيعة كهربية أم لا.

بنيامين فرانكلين، أبرز العلماء والباحثين في مجال الكهرباء، حيث أجرى أبحاثًا شاملة حول هذا الموضوع في القرن الثامن عشر.

ظلت الكهرباء تعني أكثر من مجرد فضول فكري لآلاف السنين حتى عام 1600. ففي ذلك العام، أجرى الطبيب الإنجليزي ويليام جيلبرت دراسة دقيقة حول الكهرباء والمغناطيسية، وفرّق فيها بين تأثير حجر المغناطيس والكهرباء الساكنة التي تنتج عن احتكاك مادة الكهرمان.[4] وابتكر كلمة “electricus” وهي باللغة اللاتينية الجديدة (“من الكهرمان” أو “شبيه الكهرمان“، ومأخوذة من “ήλεκτρον” أي “إلكترون“، وهي المرادف اليوناني لكلمة “كهرمان“) للإشارة إلى خاصية جذب الأجسام الصغيرة بعد حكها. [5] أدى هذا الارتباط إلى إبراز الكلمتين “Electric” و”Electricity” اللتين ظهرتا لأول مرة في كتاب توماس براون “الأخطاء الشائعة” (باللاتينية: Pseudodoxia Epidemica) الذي صدر عام 1646.[6]

مايكل فاراداي، واضع أسس تقنية المحرك الكهربائي.

وقد قدم أوتو فون جيريك وروبرت بويل وستيفن جراي وسي إف ديو فاي المزيد من الأعمال. وأجرى بنيامين فرانكلين في القرن الثامن عشر أبحاثًا شاملة بشأن الكهرباء، حتى أنه اضطر إلى بيع ممتلكاته لتمويل أبحاثه. وقيل أنه في شهر حزيران/يونيو من سنة 1752، قام بربط مفتاح معدني أسفل خيط طائرة ورقية رطب وأطلق الطائرة في سماء تنذر بهبوب عاصفة. ثم لاحظ مجموعة متلاحقة من الشرارات تخرج من المفتاح إلى ظهر يده، الأمر الذي برهن على أن البرق ذو طبيعة كهربائية بالفعل. [7] نشر لودجي جالفاني عام 1791 اكتشافه الخاص بالكهرباء الحيوية الذي أظهر أن الكهرباء هي الوسيط الذي تقوم من خلاله الخلايا العصبية بنقل الإشارات إلى العضلات.[8]

وفي عام 1800، اخترع أليساندرو فولتا أول بطارية كهربائية وأطلق عليها اسم “البطارية الفولتية”. وكانت مصنوعة من طبقات متوالية من الزنك والنحاس. ولقد مَدّت هذه البطارية العلماء بمصدر للطاقة الكهربائية يمكن الاعتماد عليه أكثر من الماكينات الإلكتروستاتية [8] التي كانت تُستخدم من قبل. ويرجع الفضل في التعرّف على الكهرومغناطيسية، أي وحدة الظواهر الكهربية والمغناطيسية، إلى هانز كريستيان أورستد وأندريه-ماري أمبير في الفترة الممتدة بين عامي 1819 و1820، ثم اخترع مايكل فاراداي المحرك الكهربائي عام 1821. كما قام جورج أوم بتحليل الدائرة الكهربائية حسابيًا عام 1827.[8]

وعلى الرغم من أن أوائل القرن التاسع عشر شهدت تقدمًا سريعًا في علم الكهرباء، فإن أواخر القرن نفسه شهدت أعظم تقدم في مجال الهندسة الكهربائية. وتحولت الكهرباء من مجرد فضول علمي مُحير إلى أداة رئيسية لا غنى عنها في الحياة العصرية وأصبحت القوة الدافعة للثورة الصناعية الثانية. وكل ذلك تحقق بفضل بعض الأشخاص مثل نيقولا تسلا وتوماس إديسون وأوتو بلاثي وجورج ويستنغهاوس وإرنست ويرنر فون سيمنز وألكسندر جراهام بيل واللورد ويليام تومسون، بارون كلفن الأول.[9]

[] مفاهيم شائعة

[] الشحنة الكهربائية

Crystal Clear app kdict.png مقالات تفصيلية :الشحنة الكهربائية، الكترون، بروتون و أيون

الشحنة الكهربائية عبارة عن خاصية موجودة في مجموعة معينة من الجسيمات دون الذرية، وهي سبب توليد القوة الكهرومغناطيسية فضلاً عن تفاعلها معها. وتعد القوة الكهرومغناطيسية واحدة من القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة. وتنشأ الشحنة في الذرة التي يعد الإلكترون والبروتون أشهر حامليها. كما أنها عبارة عن كمية مخزنة، أو بمعنى آخر، أن الشحنة الكائنة داخل نظام معزول ستظل ثابتة بغض النظر عن أي تغييرات تحدث داخل هذا النظام ومن الممكن أن تنتقل الشحنة بين الأجسام داخل النظام، إما عن طريق الاتصال المباشر أو المرور من خلال مادة موصلة، مثل السلك.[10] ويشير مصطلح “الكهرباء الساكنة” إلى وجود (أو عدم توازن بين) شحنات على الجسم. وعادةً ما يحدث ذلك عندما يتم حك المواد المختلفة معًا فتنتقل الشحنة من مادة إلى أخرى.

تتسبب الشحنة الكهربائية الموجودة على المكشاف الكهربائي ذهبي الوريقات في تنافرهما بشكل واضح.

إن وجود شحنة كهربائية هو ما يولد القوة الكهرومغناطيسية: إذ أن الشحنات تدفع بعضها البعض بالقوة، وهذا التأثير كان معروفًا منذ قديم الزمن على الرغم من عدم فهمه.[11] فمن الممكن شحن كرة خفيفة الوزن معلقة بسلك عن طريق ملامستها لقضيب من الزجاج مشحون من خلال حَكِّه في قطعة من القماش. وفي حالة شحن كرة أخرى مماثلة بقضيب الزجاج نفسه، يُلاحظ أنها تتنافر مع الكرة الأولى؛ حيث إن الشحنة الكهربائية ستدفع الكرتين بعيدًا عن بعضهما البعض. كما تتنافر الكرتان المشحونتان عن طريق ملامستهما لقضيب من الكهرمان تم حَكِّه في قطعة من القماش. ومع ذلك، إذا تم شحن الكرة الأولى بقضيب الزجاج والثانية بقضيب الكهرمان، فستنجذبان إلى بعضهما البعض. وقد قام تشارلي أوجستين دو كولوم ببحث هذه الظواهر في القرن الثامن عشر وتوصل إلى أن الشحنة الكهربائية تظهر في شكلين متقابلين. وأدى هذا الاكتشاف إلى المسلمة المعروفة القائلة إن: “الشحنات الكهربائية المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب“.[11]

إن القوة تعمل على الجسيمات المشحونة نفسها، ومن ثم تميل الشحنة إلى الانتشار بشكل متساوٍ قدر الإمكان على سطح موصل. سواء كانت تجاذب أم تنافر من خلال قانون كولوم الذي يكوّن علاقة بين القوة وحاصل ضرب الشحنات، وبين القوة والتربيع العكسي للمسافة بينها. أدى هذا الاكتشاف إلى البديهية الشهيرة: “قوة التنافر بين جسمين كرويين صغيرين مشحونين بالنوع نفسه من الكهرباء يتناسبان عكسيًا مع مربع المسافة بين مركزيهما“.[12] تعد القوة الكهرومغناطيسية قوية جدًا، وتحتل المرتبة الثانية فقط من حيث القوة في التفاعلات القوية.[13] ولكن بخلاف تلك القوة، يمتد تأثير الكهرومغناطيسية عبر جميع المسافات.[14] ومقارنةً بقوة الجاذبية الأكثر ضعفًا، فإن القوة الكهرومغناطيسية التي تدفع إلكترونين بعيدًا عن بعضهما أكبر من قوة التجاذب التثاقلي التي تجذبهما معًا بحوالي 1042 مرة.[15]

تتقابل الشحنة الكهربائية الموجودة على الإلكترونات والبروتونات، ولذلك يوصف مقدار الشحنة بأنه سالب أو موجب. وقد جرت العادة على اعتبار الشحنة التي تحملها الإلكترونات سالبة والتي تحملها البروتونات موجبة. وبدأت هذه العادة مع أعمال بنيامين فرانكلين. [16] يُرمز إلى مقدار الشحنة عادةً بالرمز “Q” ويُعبر عنه بوحدة الكولوم.[17] ويحمل كل إلكترون الشحنة نفسها والتي تساوي تقريبًا -1.6022×10−19 كولوم. ويحمل البروتون شحنة متعادلة ومتقابلة، تساوي +1.6022×10−19 كولوم. ولا تنحصر الشحنة الكهربائية في المادة فقط، بل توجد كذلك في المادة المضادة. فكل جسيم مضاد يحمل شحنة متعادلة ومتقابلة مع الجسيم المماثل له.[18]

بالإضافة إلى ذلك، من الممكن قياس الشحنة الكهربائية بعدة وسائل، مثل المكشاف الكهربي ذهبي الوريقات والذي يحتوي على شريطين رقيقين من أوراق الذهب متدليين في إناء زجاجي فيبتعدان عن بعضهما البعض عندما يشحنان، وتعتمد زاوية ابتعادهما على كمية الشحنة. وعلى الرغم من أن استخدام هذا المكشاف مستمر حتى الآن في التجارب الإيضاحية داخل الفصول الدراسية، فإن الإلكترومتر الإلكتروني قد حل محله.[19]

[] التيار الكهربائي

Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :تيار كهربائي

تُعرف حركة الشحنة الكهربائية باسم التيار الكهربائي الذي تقاس شدته عادةً بوحدة الأمبير. ويتكون التيار الكهربائي من أية جسيمات مشحونة ومتحركة. وتعد الإلكترونات الأكثر شيوعًا بين هذه الجسيمات، ولكن أي شحنة متحركة يمكنها أن تكون تيارًا. ووفقًا لما هو متعارف عليه، فإن التيار الموجب يُعَرّف بأنه التيار المتدفق في الاتجاه نفسه الذي تتدفق فيه أية شحنة موجبة يحملها؛ أو أنه التيار المتدفق من أقصى طرف موجب في الدائرة الكهربائية إلى أقصى طرف سالب. ويُطلق على هذا النوع من التيارات اسم التيار الاصطلاحي. وبالتالي، تعد حركة الإلكترونات السالبة حول الدائرة الكهربائية ـ وهي أحد أشهر أشكال التيار الكهربائي ـ موجبة في الاتجاه المقابل لاتجاه الإلكترونات.[20] ومع ذلك، فإنه وفقًا للظروف المحيطة يمكن أن يتكون التيار الكهربائي من تدفق الجسيمات المشحونة (الجسيم المشحون) في أيٍّ من الاتجاهين أو حتى في كلا الاتجاهين في وقت واحد. ويشيع استخدام المصطلحين السالب والموجب لتبسيط هذه الحالة.

يقدم القوس الكهربائي دليلاً فعالاً على التيار الكهربائي.

علاوةً على ذلك، يُطلق على العملية التي يمر فيها التيار الكهربائي خلال أحد المواد “التوصيل الكهربائي”. وتختلف طبيعة التوصيل الكهربائي عن طبيعة الجسيمات المشحونة والمادة التي يمر من خلالها. ومن أمثلة التيارات الكهربائية: التوصيل الفلزي الذي تتدفق فيه الإلكترونات خلال موصل مثل الفلز. بالإضافة إلى ذلك، هناك التحليل الكهربائي الذي تتدفق فيه الأيونات (وهي عبارة عن ذرات مشحونة) خلال السوائل. في حين تتحرك الجسيمات نفسها ببطء تام، ليصل متوسط سرعة الانسياق أحيانًا إلى أجزاء من المليمتر في الثانية،[19] فإن المجال الكهربائي الذي تتدفق فيه هذه الجسيمات ينتشر في حد ذاته بسرعة مقاربة لسرعة الضوء، مما يسمح للإشارات الكهربائية بالمرور بسرعة خلال الأسلاك.[21] يؤدي التيار الكهربائي إلى حدوث عدة تأثيرات ملحوظة ـ كانت تعتبر في الماضي الوسيلة التي يدرك بها الأفراد وجود تيار كهربائي. وقد اكتشف ويليام نيكلسون وأنطوني كارلايل عام 1800 أن بإمكان التيار الكهربائي تحليل الماء من بطارية فولتية، وتُعرف هذه العملية الآن باسم التحليل الكهربائي. وقام مايكل فاراداي بعمل دراسات موسعة في اكتشاف نيكلسون وكارلايل بشكل كبير عام 1833.[22] ويسبب التيار المار من خلال مقاومة نوعًا من التدفئة في المكان المحيط، وهو تأثير كان جيمس بريسكوت قد بحثه حسابيًا عام 1840. ومن أهم الاكتشافات الخاصة بالتيار الكهربائي كان ما توصل إليه هانز كريستيان أورستد بمحض الصدفة عام 1820 عندما كان يحضر إحدى محاضراته. حيث وجد أن التيار الكهربائي في أحد الأسلاك يشوش حركة إبرة البوصلة المغناطيسية،[23] كما اكتشف الكهرومغناطيسية، وهي عبارة عن تفاعل أساسي يحدث بين الكهرباء والمغناطيسات.

يوصف التيار الكهربائي عادةً، في التطبيقات الهندسية وفي المنازل، بأنه إما تيار مستمر أو تيار متردد. ويشير هذان المصطلحان إلى الكيفية التي يتغير بها التيار الكهربائي من حيث الزمن. فالتيار المستمر، الذي يتم إنتاجه من البطارية على سبيل المثال واللازم لتشغيل معظم الأجهزة الإلكترونية يتدفق في اتجاه واحد من الطرف الموجب للدائرة الكهربائية إلى الطرف السالب منها.[24] وفي حالة قيام الإلكترونات بنقل أو حمل هذا التيار المتدفق، وهو الأمر الأكثر شيوعًا، فإنها ستمر في الاتجاه المعاكس. أما التيار المتردد فهو أي تيار ينعكس اتجاهه بشكل متكرر. وغالبًا ما يأخذ هذا التيار شكل موجة جيبية.[25] وبالتالي، يتذبذب التيار المتردد ذهابًا وإيابًا داخل الموصل دون أن تتحرك الشحنة الكهربائية لأي مسافة على مدار الوقت. وتبلغ قيمة متوسط الفترة الزمنية التي يستغرقها التيار المتردد صفرًا. إلا أنه يقوم بتوصيل الطاقة في اتجاه واحد وهو الأول ثم يعكس. ويتأثر التيار المتردد بالخصائص الكهربائية التي يصعب ملاحظتها في حالة الاستقرار التي يتمتع بها التيار المستمر. ومن أمثلة هذه الخصائص: المحاثة والسعة.[26] ومع ذلك، تزيد أهمية هذه الخصائص عندما تتعرض مجموعة من الدوائر الكهربائية لتراوح مؤقت في التيار، مثلما يحدث عند تزويدها بالطاقة لأول مرة.

[] المجال الكهربائي

تَحَدّث مايكل فاراداي عن مفهوم المجال الكهربائي، فقال أنه ينشأ من خلال جسم مشحون في الحيز المحيط به، ويُحْدث قوة على أيٍّ من الشحنات الأخرى داخل المجال. ويعمل المجال الكهربائي بين شحنتين بالطريقة نفسها التي يعمل بها مجال الجاذبية بين كتلتين (كتلة). كما يتمدد المجال الكهربائي، مثله في ذلك مثل مجال الجاذبية، إلى ما لا نهاية ويظهر علاقة تربيع عكسي مع المسافة،[14] ومع ذلك، يوجد اختلاف مهم بينهما:

إذ تعمل الجاذبية دائمًا على عنصر الجذب، فتجذب كتلتين نحو بعضهما البعض. بينما قد يتسبب المجال الكهربائي في جذب الجسيمات أو تنافرها. وبما أن الأجسام كبيرة الحجم، مثل الكواكب، لا تحمل عادةً أي صافي شحنة، فإن المجال الكهربائي عن بُعد يساوي صفر. وبالتالي، تعد الجاذبية القوة الغالبة في الكون، على الرغم من ضعفها مقارنةً بالقوى الأخرى.[15]

خطوط المجال المنبعثة من شحنة موجبة فوق موصل مستوي.

بشكل عام، يختلف الحيز الذي يشغله المجال الكهربائي،[27] وتُعرّف شدته في أي نقطة على أنها القوة (لكل وحدة شحنة) التي تشعر بها شحنة ثابتة ومهملة إذا وضعت عند هذه النقطة.[28] ويجب أن تكون الشحنة التصورية، التي يطلق عليها اسم “شحنة اختبار” شديدة الصغر حتى تمنع مجالها الكهربائي من التشويش على المجال الرئيسي. كما ينبغي أن تكون ثابتة حتى تمنع تأثير المجالات المغناطيسية (المجال المغناطيسي). وبما أن المجال الكهربائي يتم تعريفه من منطلق القوة، وبما أن القوة تعتبر متجهًا، يُستخلص من ذلك أن المجال الكهربائي متجه أيضًا وله مقدار واتجاه. وبشكل أدق، يعد المجال الكهربائي مجالاً متجهيًا.[28]

فضلاً عن ذلك، يطلق على دراسة المجالات الكهربائية التي تُحْدثها الشحنات الثابتة اسم الكهرباء الساكنة. ويمكن تصوير المجال الكهربائي من خلال مجموعة من الخطوط التخيلية التي يكون اتجاهها في أي نقطة هو نفسه اتجاه المجال. ويعتبر فاراداي أوّل من قدّم هذا المفهوم.[29] ولا يزال مصطلح “خطوط القوة” الذي وضعه فاراداي مستعملاً في بعض الأحيان. وتعتبر خطوط المجال بمثابة المسارات التي تُحْدِثها شحنة موجبة؛ لأنها اضطرت للتحرك داخل هذا المجال. ومع ذلك، تعد هذه الخطوط مفهومًا تخيليًا ليس له وجود مادي. ويتخلل المجال الحيز الواقع بين الخطوط.[29] وأما خطوط المجال المنبعثة من الشحنات الثابتة فتتمتع بعدة خصائص رئيسية. الخاصية الأولى هي أنها تنشأ عند الشحنات الموجبة وتنتهي عند الشحنات السالبة، والخاصية الثانية هي وجوب دخولها أي موصل جيد بزوايا قائمة. أما الخاصية الثالثة فهي أنها لا تتقاطع ولا تطوق نفسها.[30]

إن أي جسم موصل أجوف يحمل كل شحناته الكهربائية على سطحه الخارجي. وبناءً على ذلك، فالمجال الكهربائي يساوي صفر في جميع الأماكن الموجودة داخل الجسم.[31] وهذه هي قاعدة التشغيل الرئيسية التي يعتمد عليها قفص فاراداي، وهو عبارة عن هيكل فلزي موصل يعزل ما بداخله عن المؤثرات الكهربية الخارجية. تزيد أهمية الكهرباء الساكنة بشكل خاص عند تصميم عناصر المعدات ذات الجهد العالي. ويوجد حد معين تنتهي عنده شدة المجال الكهربائي التي يمكن مقاومتها بأي وسيط. وبخلاف ذلك، يحدث الانهيار الكهربائي ويسبب القوس الكهربائي وميضًا عابرًا بين الأجزاء المشحونة. فعلى سبيل المثال، يسير الهواء في مسار منحني عبر الفجوات الصغيرة التي تتجاوز عندها شدة المجال الكهربي 30 كيلو فولت لكل سنتيمتر. وفي الفجوات الأكبر، تضعف شدة الانهيار الكهربائي، حيث تصل إلى كيلو فولت لكل سنتيمتر على الأرجح.[32] وأوضح ظاهرة طبيعية تدل على هذا الأمر هي البرق؛ إذ أنه يحدث عندما تنفصل الشحنات الكهربائية في السحاب بفعل الأعمدة الهوائية المرتفعة وعندما تقوم الشحنات برفع المجال الكهربائي في الهواء أكثر مما تحتمل. ومن الممكن أن يزيد الجهد الكهربائي في إحدى سحب البرق الكبيرة حتى يصل إلى 100 ميجا فولت وربما يقوم بتفريغ كمية هائلة من الطاقة قد تصل إلى 250 كيلواط في الساعة.[33]

تتأثر شدة المجال بدرجة كبيرة بالأجسام الموصلة المجاورة، وتزداد شدته خاصةً عندما يضطر إلى الانحناء حول أجسام مدببة الأطراف. ويتم استخدام هذا المبدأ في مانعة الصواعق. وهي عبارة عن عمود معدني ذي طرف مدبب يعمل على امتصاص التيار الكهربائي الناتج من الصواعق، بدلاً من نزوله على المبنى الذي يحميه.[34]

[] الجهد الكهربي

Crystal Clear app kdict.png مقالات تفصيلية :كمون كهربائي و الجهد

زوج من بطاريات AA، تدل العلامة + على قطبية فروق الجهد الكهربي بين طرفي البطارية.

يرتبط مفهوم الجهد الكهربائي ارتباطًا وثيقًا بالمجال الكهربائي. فالشحنة الصغيرة الموجودة داخل المجال الكهربائي تواجه قوة، ويتطلب نقل هذه الشحنة إلى تلك النقطة المضادة للقوة بعض الشغل. ويتم تعريف الجهد الكهربائي في أي مرحلة على أنه الطاقة اللازمة لجلب وحدة شحنة الاختبار ببطء من بُعد لا نهائي إلى هذه النقطة. ويُقاس الجهد الكهربائي عادةً بوحدة الفولت. والفولت الواحد عبارة عن الجهد الذي يجب أن يستهلكه جول من الشغل لجلب كولوم من الشحنة الكهربائية اللانهائية.[35] وعلى الرغم من أن تعريف الجهد الكهربائي تصوري، فإنه يتضمن جانبًا عمليًا بسيطًا. ويعتبر المفهوم الأكثر أهمية هو فرق الجهد الكهربائي، ويُعَرّف بأنه الطاقة اللازمة لتحريك وحدة شحنة بين نقطتين محددتين. ويتمتع المجال الكهربائي بخاصية مميزة، وهي أنه “محافظ” ـ الأمر الذي يعني أن المسار الذي تتخذه شحنة الاختبار ليست مهما: فكل المسارات بين نقطتين محددتين تستهلك مقدار الطاقة نفسه. وبالتالي، يمكن تحديد قيمة مميزة لفرق الجهد.[35] ويُعرف الفولت بأنه وحدة لقياس ووصف فرق الجهد الكهربائي، حتى أن مصطلح الجهد الكهربائي يزيد استخدامه اليومي بصورة كبيرة.

وفيما يتعلق بالأغراض العملية، من المفيد أن تُحدد نقطة إسناد مشتركة يتم من خلالها التعبير عن الجهود ومقارنتها. وفي حين أن هذا الأمر قد يكون لا نهائيًا، فإن الإسناد الأكثر إفادةً هو كوكب الأرض نفسه الذي يفترض البعض أن جهده لا يتغير في أي مكان. ويطلق على نقطة الإسناد هذه عادةً اسم الأرضي (يطلق عليه باللهجة البريطانية “Earth” وبالأمريكية “Ground”). ويفترض أن الأرض مصدر لا نهائي من كميات متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة. وبالتالي، فهي غير مشحونة كهربائيًا وغير قابلة لإعادة للشحن. الجهد الكهربائي عبارة عن كمية سُلَّميّة أو قياسية أي أن له مقدار فقط ولا اتجاه له. ومن الممكن اعتباره مشابهًا للارتفاع: فكما يسقط الجسم الحر عند ارتفاعات مختلفة بفعل الجاذبية، تسقط كذلك الشحنة الكهربائية عند جهود مختلفة بفعل المجال الكهربائي.[36]

وكما تظهر الخرائط المجسمة لخطوط الكفاف التي تبين النقاط المتساوية في الارتفاع، من الممكن رسم مجموعة من الخطوط التي تبين نقاط الجهود الكهربائية المتساوية (والمعروفة باسم تساوي الكمون) حول جسم مشحون ساكنيًا. فهذه الخطوط تمر عبر جميع خطوط القوة بزوايا قائمة. كما يجب أن تمتد بشكل متوازي لسطح الموصل وإلا أدى ذلك إلى إنتاج قوة على حوامل الشحنة ولما أصبح المجال ساكنًا. كان يتم تعريف المجال الكهربائي على أنه القوة المبذولة لكل وحدة شحنة، إلا أن مفهوم الجهد الكهربائي سمح بوضع تعريف مرادف أكثر إفادة ألا وهو أن المجال الكهربائي هو تدرج موضعي للجهد الكهربائي. وعادةً ما يتم التعبير عنه بوحدة الفولت لكل متر، واتجاه متجه المجال الكهربائي عبارة عن خط لأكبر تدرج للجهد وهو الخط الذي تكون فيه خطوط تساوي الجهد قريبة من بعضها البعض.[19]

[] كهرومغناطيسية

Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :كهرومغناطيسية

دوائر المجال المغناطيسي حول تيار كهربائي.

دلل اكتشاف أورستد عام 1821 بوجود مجال مغناطيسي حول جميع جوانب السلك الحامل للتيار الكهربائبي، دلل على وجود علاقة مباشرة بين الكهرباء والمغناطيسية. فضلاً عن ذلك، بدا التفاعل مختلفًا عن قوة الجاذبية والقوة الكهربائية الساكنة، وهما قوتا الطبيعة اللتان تم اكتشافهما بعد ذلك.[23] والقوة الواقعة على إبرة البوصلة لم توجهها نحو السلك الحامل للتيار الكهربائي ولا بعيدًا عنه، ولكنها كانت تعمل نحو الزوايا القائمة بالنسبة لها. وفيما يلي كلمات أورستد التي اتسمت بقليل من الغموض: “إن التعارض الكهربائي يعمل بطريقة دوارة“. كما اعتمدت القوة على اتجاه التيار، فإذا انعكس التدفق، انعكست القوة كذلك. في واقع الأمر،[37] لم يستوعب أورستد اكتشافه استيعابًا كاملاً، لكنه لاحظ أن التأثير كان متبادلاً أو عكسيًا، بمعنى أن التيار يبذل قوة على المغناطيس والمجال المغناطيسي يبذل قوة على التيار. وقد بحث أندريه ماري آمبير بشكل أعمق في هذه الظاهرة واكتشف أن السلكين المتوازيين الذين يحملان التيار الكهربائي يبذلان قوة على بعضهما البعض: بمعنى أن السلكين الموصلين للتيار الكهربائي في الاتجاه نفسه ينجذبان لبعضهما البعض، بينما يتنافر السلكان اللذان يحملان التيار في اتجاهات متقابلة. ويتوسط المجال المغناطيسي الذي ينتجه كل تيار هذا التفاعل الذي يُمثل أساس التعريف الدولي لوحدة الأمبير.[38]

يستخدم المحرك الكهربائي تأثيرًا مهمًا يتعلق بالكهرومغناطيسية: ألا وهو أن التيار الكهربائي المار خلال مجال مغناطيسي يتعرض لقوة في الزوايا القائمة لكل من المجال والتيار.

تُعتبر العلاقة بين المجالات المغناطيسية والتيارات الكهربائية علاقة في غاية الأهمية؛ حيث إنها أدت إلى اختراع مايكل فاراداي للمحرك الكهربائي عام 1821. إذ يتكون محرك فاراداي، وهو محرك أحادي القطب، من مغناطيس دائم موضوع داخل حوض من الزئبق. وقد تم توصيل تيار كهربائي داخل سلك متدلي من مرتكز فوق المغناطيس ومغموس في الزئبق. ويبذل المغناطيس قوة مماسية على السلك مما يجعله يدور حول المغناطيس طوال فترة سريان التيار الكهربائي.[39] كشفت التجربة التي أجراها فاراداي عام 1831 أن السلك الذي يتحرك بشكل عمودي نحو مجال مغناطيسي يحدث فرق جهد بين طرفيه. كما سمح له التحليل الإضافي لهذه العملية، المعروفة باسم الحث الكهرومغناطيسي، بوضع المبدأ المعروف الآن باسم قانون فاراداي للحث المغناطيسي. وينص هذا القانون على أن فرق الجهد المحثوث داخل دائرة مقفلة يتناسب مع معدل تغير التدفق المغناطيسي خلال الدائرة. وقد تمكن فاراداي من خلال استخدام هذا الاكتشاف من اختراع أول مولّد كهربائي عام 1831. وفي هذا المولّد قام فاراداي بتحويل الطاقة الحركيّة لقرص نحاسي دوار إلى طاقة كهربائية. وعلى الرغم من عدم كفاءة[39] قرص فاراداي وقصوره كمولّد عملي، فإنه أظهر إمكانية توليد قدرة كهربائية باستخدام المغناطيسية. ولقد استفاد من أعقبه من أعماله استفادة كبيرة. كشفت أعمال كل من فاراداي وأمبير عن أن المجال المغناطيسي المتفاوت في الزمن يعمل كمصدر للمجال الكهربائي، وأن المجال الكهربائي المتغير في الزمن يعمل كمصدر للمجال المغناطيسي. ولذلك، عند تغير زمن أيٍّ من المجالين، يُستحث مجال الآخر بالضرورة.[40] وتتمتع هذه الظاهرة بخصائص الموجة ويُشار إليها عادةً باسم الموجة الكهرومغناطيسية. وقد قام جيمس كليرك ماكسويل بتحليل الموجات الكهرومغناطيسية من الناحية النظرية عام 1864. كما طور ماكسويل مجموعة من المعادلات التي قد تصف بوضوح العلاقة المتبادلة بين المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي والشحنة الكهربائية والتيار الكهربائي. وبالإضافة إلى ذلك، تمكن من إثبات أن هذه الموجة ستسير بالضرورة بسرعة الضوء، وبالتالي فإن الضوء نفسه يعد شكلاً من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي. وتعتبر قوانين ماكسويل التي تعمل على الربط بين الضوء والمجالات والشحنة الكهربائية أحد أعظم إنجازات الفيزياء النظرية.[40]

[] الدوائر الكهربائية

Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :دائرة كهربائية

دائرة كهربائية أساسية. مُصدر الجهد الكهربائي على الجانب الأيسر يدفع التيار الكهربائي حول الدائرة، فيوصل الطاقة الكهربائية في المقاومة. ويعود التيار من المقاوم إلى المصدر ويكمل الدائرة الكهربائية.

الدائرة الكهربائية عبارة عن ترابط بين المكونات الكهربائية، وتهدف عادةً إلى القيام ببعض المهام المفيدة مع مسار العودة بهدف تمكين الشحنة من الرجوع إلى مصدرها. إن مكونات الدائرة الكهربائية تأخذ أشكالاً عدة، وقد تتضمن هذه الأشكال عناصر مثل المقاومات (المقاوم) والمكثفات (المكثف) والمفاتيح (المفتاح) والمحولات (المحول) والإلكترونيات. وتشمل الدوائر الإلكترونية (الدئرة الكهربائية) مكونات نشطة (مكون نشط)، وتكون عادةً أشباه موصلات (شبه موصل) وتظهر بشكل لا خطي، مما يتطلب تحليلاً معقدًا. أما أبسط المكونات الكهربائية فهي التي توصف بأنها سلبية وخطية. فبينما تقوم هذه المكونات بتخزين الطاقة بشكل مؤقت، فإنها لا تحتوي على مصادر للطاقة. كما أنها تصدر استجابات خطية للمثيرات.[41]

يُحتمل أن المقاوم هو أبسط العناصر السلبية في الدائرة الكهربائية. وكما يوحي اسمه، فهو يقاوم التيار الكهربائي الذي يمر من خلاله ويبدد طاقته الحرارية. والمقاومة هي نتيجة لحركة الشحنة الكهربائية خلال الموصل. فعلى سبيل المثال، ترجع المقاومة في المعادن أساسًا إلى تصادم الإلكترونات بالأيونات. ويعتبر قانون أوم القانون الأساسي لنظرية الدائرة الكهربائية. وينص هذا القانون على أن التيار المار خلال مقاومة في موصل يتناسب طرديًا مع فرق الجهد بين طرفيه. ومقاومة معظم المواد تعد ثابتة نسبيًا على اختلاف درجات الحرارة والتيارات الكهربائية. والمواد التي ينطبق عليها هذه الشروط توصف بأنها “أومية”. ولقد أُطلق اسم أوم، وهو وحدة قياس المقاومة، نسبة إلى واضعه جورج أوم ويرمز له بالحرف اليوناني “Ω”. إن الرمز “1 Ω” يشير إلى المقاومة التي ستنتج فرق جهد يساوي واحد فولت استجابة لتيار يساوي واحد أمبير.[41]

أما المكثف فعبارة عن جهاز يقوم بتخزين الشحنة الكهربائية، وبالتالي تخزين طاقة كهربائية في المجال الناتج عن هذه العملية. ومن الناحية التصورية، يتكون المكثف من لوحين موصلين تفصل بينهما طبقة رقيقة عازلة. ومن الناحية العملية، يتم لف رقائق معدنية رقيقة معًا مما يزيد من سُمْك منطقة السطح من حيث وحدة حجم والسعة. ووحدة السعة هي الفاراد، وسُميت باسم مايكل فاراداي ويرمز إليها بالرمز “F”، والفاراد الواحد يساوي السعة التي تنشأ عن فرق الجهد البالغ واحد فولت عندما يقوم بتخزين شحنة تساوي واحد كولوم. والمكثف الموصَّل بمورد الجهد الكهربائي يتسبب مبدئيًا في مرور تيار كهربائي؛ حيث إنه يجمع الشحنة الكهربائية. ومع ذلك، يضمحل التيار الكهربائي بمرور الوقت كلما امتلأ المكثف الكهربائي ويصل بالتدريج إلى الصفر. ولذلك، لا يسمح المكثف بمرور تيار في حالة الاستقرار، بل يعوقه.[41]

فضلاً عن ذلك، يعتبر ملف الحث بمثابة موصل، عادةً ما يكون ملف من السلك، يقوم بتخزين الطاقة في المجال المغناطيسي استجابةً للتيار المار به. وعندما يتغير التيار، يتغير المجال المغناطيسي بالتبعية ويحث الجهد الكهربائي بين طرفي الموصل. والجهد المستحث يتناسب مع المعدل الزمني للتغيير في التيار الكهربائي. أما ثابت التناسب فيطلق عليه اسم المحاثة. ووحدة المحاثة هي “هنري“، تيمنًا بجوزيف هنري الذي عاصر فاراداي. وواحد هنري يساوي المحاثة التي تحث فرق الجهد البالغ واحد فولت في حالة تغير التيار المار به بمعدل واحد أمبير لكل ثانية.[41] وتنعكس طريقة عمل ملف الحث في بعض الأحيان على طريقة عمل المكثف، بمعنى أنه يسمح بمرور تيار غير متغير بسهولة ويسر، ولكنه يقاوم مرور التيار سريع التغير.

[] الإنتاج والاستخدامات

[] توليد الكهرباء

تتمتع طاقة الرياح بأهمية متزايدة في العديد من الدول.

إن التجارب التي أجراها طاليس باستخدام قضبان الكهرمان كانت أولى الدراسات التي أجريت على عملية إنتاج الطاقة الكهربائية. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة، المعروفة الآن باسم تأثير كهرباء الاحتكاك، قادرة على رفع الأجسام الخفيفة وكذلك توليد الشرارات، فإنها غير فعالة على الإطلاق.[42] ولم يتم التوصل لمصدر كهربائي فعال إلا بعد اختراع البطارية الفولتية في القرن الثامن عشر. وهذه البطارية وكذلك الطراز الأحدث منها ألا وهو البطارية الكهربائية، تخزن الطاقة بشكل كيميائي وتجعلها متاحة للاستخدام في شكل طاقة كهربائية.[42] وتتميز البطارية بتعدد استخداماتها وتعد مصدرًا شائعًا وقويًا للطاقة ويصلح استخدامها في العديد من التطبيقات. إلا أن قدرتها على تخزين الطاقة محدودة، وبمجرد تفريغ الطاقة المخزنة، يجب التخلص من البطارية أو إعادة شحنها. وبالنسبة للاحتياجات الضخمة من الطاقة الكهربائية، فينبغي توليدها وتحويلها بكميات كبيرة. عادةً ما تولد الطاقة الكهربائية عن طريق المولدات الحركيّة الكهربائية التي يديرها البخار المنتج من احتراق الوقود الحفري أو الحرارة الناتجة عن التفاعلات النووية. كما تولد الطاقة من مصادر أخرى مثل الطاقة الحركية المستخلصة من الرياح أو الماء المتدفق. ولا تتشابه هذه المولدات مع المولد الذي اخترعه فاراداي عام 1831 وهو عبارة عن مولد أحادي القطب. ولكن لا يزال الاعتماد قائمًا على مبدئه الكهرومغناطيسي القائل إن الموصل الذي يتصل بمجال مغناطيسي متغير يحث فرق جهد عبر طرفيه.[43] إن اختراع المحول في أواخر القرن التاسع عشر جعل بالإمكان توليد الكهرباء من محطات توليد مركزية عن طريق الاستفادة من وفورات الحجم، ونقل هذه الكهرباء عبر الدول بكفاءة متزايدة.[44][45]

وبما أنه من الصعب تخزين الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة تكفي لتلبية الاحتياجات على المستوى القومي، ينبغي أن يكون الإنتاج بقدر الاحتياج في جميع الأوقات.[44] وهذا الأمر يتطلب أن تتحرى المرافق الكهربائية الدقة في توقعاتها بشأن احتياجاتها الكهربائية وتحافظ على التنسيق المستمر مع محطات توليد الكهرباء. وهناك مقدار معين من عملية التوليد يجب أن يكون احتياطيًا حتى يقلل صدمات الشبكة الكهربائية التي تحدث بسبب الاضطرابات والفواقد التي يتعذر اجتنابها. وفي واقع الأمر، فإن الطلب على الطاقة الكهربائية يتزايد بسرعة كبيرة كلما زاد تقدم الدولة ونما اقتصادها. وقد كشفت الولايات المتحدة عن تزايد الطلب على الكهرباء بنسبة 12% كل عام على مدار الثلاثة عقود الأولى من القرن العشرين،[46] وهو معدل نمو تشعر به الآن الاقتصادات الناشئة، مثل الهند أو الصين.[47][48] ومن الناحية التاريخية، زاد معدل نمو الطلب على الطاقة الكهربائية عن صور الطاقة الأخرى. لقد أدت بعض المخاوف البيئية المتعلقة بتوليد الكهرباء إلى التركيز بشكل متزايد على التوليد من مصادر متجددة، وخاصةً الطاقة المائية وطاقة الرياح. وعلى الرغم من استمرار الجدل حول التأثير البيئي للوسائل المختلفة لإنتاج الطاقة، فإن الصورة النهائية لها نظيفة نسبيًا.[49]

[] الاستخدامات

يعمل مصباح الإضاءة، وهو أحد التطبيقات الأولى على الكهرباء، عن طريق التسخين بحرارة جول: فالتيار المار خلال المقاومة يولد الحرارة.

إن الكهرباء صورة مرنة جدًا من صور الطاقة، فهي تلائم عددًا كبيرًا ومتزايدًا من الاستخدامات.[50] وقد كان لاختراع مصباح الإضاءة المتوهج على يد توماس أديسون في السبعينات من القرن التاسع عشر الفضل في أن تصبح الإضاءة واحدةً من أولى التطبيقات المتوفرة من الطاقة الكهربائية. على الرغم من مخاطر الكهرباء، فإن الاستعاضة بها عن اللهب المكشوف للإضاءة المعتمدة على الغاز قللت كثيرًا من مخاطر الحريق داخل البيوت والمصانع.[51] وقد تم إنشاء مرافق عامة في العديد من المدن لتستهدف سوق الإضاءة الكهربائية الآخذ في الازدهار. علاوةً على ذلك، كان لتأثير التسخين بحرارة جول المستخدم في مصباح الإضاءة أثرًا مباشرًا في مجال التدفئة الكهربائية. ومع أن هذا التأثير متعدد الاستعمالات ويمكن التحكم فيه، يرى البعض أنه مضيعة للوقت؛ حيث إن معظم عمليات التوليد الكهربائي يلزمها بالفعل إنتاج الحرارة في إحدى محطات توليد الكهرباء.[52] ولقد سنت عدة دول، مثل الدنمارك، قانونًا يحد أو يمنع من استخدام التدفئة الكهربائية في المباني الجديدة.[53] ومع ذلك، تعد الكهرباء، إلى حد كبير، مصدرًا عمليًا للطاقة يمكن استخدامه في عمليات التبريد،[54] حيث إن تكييف الهواء يمثل أحد القطاعات التي تزيد احتياجاتها للطاقة ـ وهي متطلبات تضطر دائمًا مرافق الكهرباء إلى تلبيتها.[55]

تستخدم الكهرباء في الاتصال عن بُعد. وفي الواقع، كان التلغراف الكهربائي، الذي ابتكره ويليام كوك وتشارلز ويتستون عام 1837، من أوائل تطبيقات الكهرباء في هذا المجال. ومع وضع أول نظام تلغراف عابر للقارات، ثم عبر المحيط الأطلسي، في الستينات من القرن التاسع عشر، سهلت الكهرباء وسائل الاتصال فأصبحت لا تستغرق سوى دقائق معدودة في جميع أنحاء العالم. وعلى الرغم من أن تكنولوجيا الألياف البصرية والاتصال عبر الأقمار الصناعية قد شغلت حصة في سوق نظم الاتصالات، ولكن ما زالت الكهرباء جزءًا أساسيًا من هذه العملية. فضلاً عن ذلك، تظهر تأثيرات الكهرومغناطيسية بوضوح في المحرك الكهربائي الذي يعد وسيلة نظيفة وفعالة للقدرة المحركة. ويسهل تزويد المحرك الثابت، مثل الرافعة، بمصدر للإمداد بالقدرة. أما المحرك الذي يتحرك مع تطبيقه، مثل السيارة الكهربائية، فيجب أن يحمل معه مصدرًا للقدرة كالبطارية، أو يجمع شحنة كهربائية مستمدة من تماس انزلاقي مثل البانتوجراف، مما يضع قيودًا على مداه أو أدائه.[56] هذا وتستخدم الأجهزة الإلكترونية المقحل، الذي يعد من أهم الاختراعات في القرن العشرين. كما أنه وحدة بناء أساسية تدخل في تكوين جميع الدوائر الكهربائية الحديثة. وقد تحتوي الدائرة المتكاملة الحديثة على مليارات من أجهزة المقحل صغيرة الحجم في محيط لا يتجاوز بعض السنتيمترات المربعة.[57]

[] الكهرباء والعالم الطبيعي

[] التأثيرات الفيزيولوجية

Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :صدمة كهربائية

يتسبب تعرض جسم الإنسان لجهد كهربائي في سريان تيار كهربائي عبر الأنسجة. وعلى الرغم من أن العلاقة بين الجهد والتيار الكهربائي لا خطية، فإنه كلما زاد الجهد الكهربائي، اشتد التيار.[58] وبداية الإدراك الحسي لهذا الأمر يختلف باختلاف تردد المصدر ومسار التيار. ولكنه يتراوح ما بين 0.1 مللي أمبير إلى 1 مللي أمبير فيما يختص بكهرباء تردد الموصلات الرئيسية. ومع ذلك من الممكن الكشف عن تيار كهربائي منخفض تصل شدته إلى ميكروأمبير على أنه تأثير الاهتزازات الكهربائية في ظل ظروف معينة.[59] وفي حالة ارتفاع التيار الكهربائي بنسبة كافية، فإنه يتسبب في حدوث تقلص عضلي وارتجاف القلب وحروق في الأنسجة.[58] كما أن غياب أي علامة مرئية تدل على أن أحد الموصلات مشحون كهربيًا يجعل من الكهرباء خطرًا بالغًا. ومن الممكن أن يكون الألم الناجم عن الصدمة الكهربائية شديدًا، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى تحول الكهرباء لوسيلة تعذيب. ويطلق على الوفاة التي تنتج عن صدمة كهربائية اسم الصعق الكهربائي. فضلاً عن ذلك، يعد الصعق الكهربائي وسيلة من وسائل تنفيذ الأحكام القضائية في بعض الدول، على الرغم من ندرة استخدامه في الآونة الأخيرة.[60]

[] الظواهر الكهربائية في الطبيعة

الأنقليس الرعاد (Electrophorus electricus).

إن الكهرباء ليست اختراعًا من اختراعات الإنسان. والدليل على ذلك هو إمكانية ملاحظتها في صور متعددة في الطبيعة، وأبرز هذه الدلائل هو البرق. وعدد كبير من التفاعلات المألوفة والبسيطة، مثل اللمس أو الاحتكاك أو الربط الكيميائي، يحدث نتيجة للتفاعلات بين المجالات الكهربائية على المقياس الذري. ويعتقد البعض أن المجال المغناطيسي لكوكب الأرض ينشأ عن التيارات الدوارة في مركز الأرض والتي تعد مولدًا كهربيًا طبيعيًا.[61] بعض البلورات، مثل المرو أو حتى السكر، تولد فرقًا في الجهد على أسطحها عندما تتعرض لضغط خارجي.[62] وتعرف هذه الظاهرة باسم الكهرضغطية، وهي مأخوذة من الكلمة اليونانية “πιέζειν” وتعني “يضغط”. وقد اكتشف هذه الظاهرة بيير كوري وجاك كوري عام 1880. ويعد هذا التأثير متبادلاً؛ فعندما تتعرض مادة كهرضغطية لمجال كهربائي، يحدث تغيير بسيط في الأبعاد الفيزيائية.[62] بالإضافة إلى ذلك، تستطيع بعض الكائنات الحية، مثل أسماك القرش، الكشف عن التغييرات التي تحدث في المجالات الكهربائية والاستجابة لها، ويعرف ذلك باسم “الاستشعار الكهربائي”.[63] بينما تتمتع بعض الكائنات الحية الأخرى بما يطلق عليه “القدرة على التفريغ الكهربائي” ـ أي أنها تولد جهودًا كهربائية بنفسها كوسيلة لافتراس غيرها من الكائنات أو كسلاح دفاعي لها.[3] ويعتبر الأنقليس الرعاد أشهر مثال على ذلك حيث بوسعه اكتشاف فريسته أو صعقها من خلال تفريغ جهود كهربائية عالية تتولد من خلايا عضلية معدلة تسمى الخلايا الكهربائية. وتقوم الحيوانات جميعها بإرسال المعلومات على امتداد أغشية الخلايا وذلك مع نبضات مشحونة كهربائيًا تسمى جهود الفعل (جهد الفعل) وهي الموجة المتشكلة من التفريغ الكهربائي التي تنتقل من منطقة إلى أخرى مجاوة لها على طول الغشاء الخلوي لأي خلية حية. ووظيفة هذه الجهود تتضمن الاتصال بين الخلايا العصبية والعضلات عن طريق النظام العصبي.[64] تخفز الصدمة الكهربائية هذا النظام، وتتسبب في تقلص العضلات.[65] كما أن جهود الفعل مسئولة عن تنسيق الأنشطة في مجموعة معينة من النباتات والثدييات.

[] المفهوم الثقافي للكهرباء قديمًا

لم تكن الكهرباء تشغل جزءًا رئيسيًا من الحياة اليومية للعديد من الأفراد في القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، حتى في الدول الصناعية في العالم الغربي. وبناءً على ذلك، صورت الثقافة الشعبية الكهرباء في هذا الوقت على أنها قوة غامضة وشبه سحرية، وقادرة على قتل الأحياء وإحياء الموتى، أو بتعبير آخر، فهي تستطيع تغيير قوانين الطبيعة.[66] ويظهر هذا الموقف تجاه الكهرباء في الرواية التي كتبتها ماري شيلي بعنوان فرانكنشتاين سنة 1819، وكانت أولى الروايات التي وضعت الصورة المكررة التي تصور عالمًا مجنونًا يقوم بإحياء كائن من رقع من القماش بالقدرة الكهربائية.

علاوةً على ذلك، ومع اعتياد العامة على الكهرباء كقوام الحياة في الثورة الصناعية الثانية، كانت استخداماتها تنصب غالبًا على الجانب الإيجابي،[67] مثل العاملين في مجال الكهرباء الذين “يكونون قاب قوسين أو أدنى من الموت وهم يقطعون الأسلاك الكهربائية ويصلحونها” كما ورد في قصيدة “أبناء مارثا” (بالإنجليزية: The Sons of Martha‏) للكاتب روديارد كبلينج التي ألّفها عام 1907[67] وقد برزت جميع أنواع السيارات التي تعمل باستخدام الطاقة الكهربائية بشكل كبير في قصص المغامرات، مثل روايات الكاتب الفرنسي “جول فيرن” أو سلسلة روايات بطل الخيال العلمي “توم سويفت”.[67] وقد كان العامة ينظرون إلى كبار الأساتذة في مجال الكهرباء، سواء كانوا أشخاصًا من الواقع أم من وحي الخيال، بما فيهم العلماء مثل توماس إديسون أو تشارلز شتاينمتز أو نيقولا تسلا على أنهم يتمتعون بقدرات تشبه قدرات السحرة.[67]

أما والآن بعد أن صارت الكهرباء أمرًا عاديًا وتقليديًا، وأساسيًا في الحياة اليومية منذ النصف الثاني من القرن العشرين، فلم يعد الأمر يلفت نظر الناس إلا عند توقف الكهرباء عن التدفق،[67] وهو حدث يساوي كارثة بالنسبة لهم.[67] والأفراد الذين يحافظون على تدفقها، مثل البطل المغمور الذي تتناوله الأغنية التي كتبها جيمي ويب “Wichita Lineman” عام 1968، لا يزال يعتبرهم البعض أبطالاً يتمتعون بقدرات تشبه قدرات السحرة.[

Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 20, 2010

Direct Current

التيار المستمر Direct Current

ويطلق عليه اختصارا بـ Direct current DC .. وهو التيار الذي يسري دائما باتجاه واحد فقط .. وتكون قطبيته ثابتة ومحدده إما موجبه + أو سالبه -

اغلب الأجهزة الالكترونية تحتاج إلى التيار المستمر لكي تعمل .. لأنها تحتاج إلى تيار ثابت القطبية ..

البطارية الكهربائية تعطي تيار مستمر ويكون معروف أطرافها إما موجب أو سالب ..

 

ملاحظة .. لايمكن توصيل التيار المستمر مع المحولات الكهربائية وذالك لان تردد هذا التيار هو صفر مما يجعل ممانعة الملف تساوي تقريبا صفر وهذا يؤدي إلى قصور في الدائرة الالكترونية Short Circuit.

 

Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 20, 2010

Wireless Electricity

نقل لاسلكي للطاقة

نقل الطاقة لاسلكياً هي عملية تتم داخل أي نظام حيث يتم نقل الطاقة الكهربائية من مصدر قدرة إلى حمل كهربائي من دون وجود أسلاك موصلة.

بدأت ظاهرة استخدام الكهرباء التي تعمل بالطريقة اللاسلكية تغزو عالم التكنولوجيا، بحيث تنبأ أحد الخبراء أن الهواتف والكمبيوترات المحمولة ستتوقف عن استخدام الأسلاك للحصول على الكهرباء خلال سنة فقط.

فيقول إريك گيلر، كبير الخبراء التنفيذيين الإداريين بشركة “وي تريسيتي”، إن شركته قادرة على إنارة لمبات المصابيح الكهربائية، باستخدام الكهرباء اللاسلكية والتي تتحرك وتبث لمسافة عدة أقدام من مقبس الكهرباء.

وأوضح گيلر، والذي خرجت شركته من المجموعات البحثية الخاصة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الأمريكي الشهير، بأن الكهرباء اللاسلكية يمكنها أن تنهي حاجة الناس إلى الأسلاك والبطاريات.

وأكد غيلر أن هذا الأمر سيصبح طبيعيا تماما خلال خمس سنوات فقط، موضحا أن “أكبر أثر للطاقة اللاسلكية هو الهجوم الذي ستشنه على إهدار الطاقة الذي يجري عندما يشتري الناس بطاريات يمكن التخلص منها.”

وأضاف أن هذا الأمر يجعل السيارات التي تعمل على الكهرباء أكثر جاذبية للمستهلكين، لأنها ببساطة ممكن أن تملأ نفسها بالطاقة عبر الدخول إلى مرآب مزود بحصيرة تبث طاقة لاسلكية، مبينا أن “السيارات الكهربائية هي جميلة بالفعل، ولكن هل يريد أي أحد بأن يدخلهم في مقبس عبر سلك مما سيحد من حركتهم.”

ويحاول فريق گيلر، التابع لمعهد مساتشوستس للتكنولوجيا، أن يجمع أحسن الأمرين وذلك عبر إيجاد أجهزة ومعدات قادرة على بث أكبر قدر من الطاقة عبر أطول مسافات ممكنة.

ولقد تم إطلاق اسم “ربط الرنين المغناطيسي” والتي تقوم بإرسال حقل مغناطيسي بهواء بتردد معين بحيث يتمكن هاتف يمتلك قدرات خاصة من التقاطها وتحويلها إلى كهرباء، وهي طريقة تعمل بشكل قريب من الصوت، مثلما يقوم مغني أوبرا كسر إحدى الزجاجات وهو يغني وفق تردد معين.

وبين غيلر أن التكنولوجيا الحديثة تنتج حقولا مغناطيسية والتي يصل حجم كثافتها إلى “نفس حجم كثافة” الحقل المغناطيسي على الكرة الأرضية.

وأشار إلى أنه للكهرباء اللاسلكية الكثير من المنافع للبيئة، حيث أن الشركات تصنع أكثر من 40 مليار بطارية قابلة للتخلص منها سنويا، مما قد يسبب الكثير من إهدار الطاقة والتلوث وهو ما سوف تنهيه التقنية الجديدة، مؤكدا أن هذا النوع من التقنية سيخرج إلى العلن خلال عام.

وبالرغم من تفاؤل غيلر، فهناك بعض الشكوك حول تقنية “ربط الرنين المغناطيسي”، حيث رأى بعض الخبراء أنه يمكن أن تكون هناك مخاطر صحية مرتبطة بالحقول المغناطيسية والتي تم صنعها من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

يذكر أنه بحسب خبراء، فإن فكرة الحصول على كهرباء لاسلكية ليست بالأمر الجديد، فلقد كانت تدور بأذهان العلماء منذ ما يزيد على القرن، حيث قامت شركة “نيكولا تسلا” بإجراء محاولات لإرسال الكهرباء عبر الهواء في العقد الأخير من القرن التاسع عشر، وهو الأمر الذي جعل العلماء منذئذ يسعون لجعل تقنية الكهرباء اللاسلكية آمنة وزهيدة الثمن بحيث يمكن بيعها وتسويقها بين الناس

تاريخ النقل اللاسلكي للطاقة

  • 1820: أندري ماري أمبير وضع قانون أمبير الذي ينص على أن التيار الكهربائي المار في موصل ما يولد مجالاَ مغناطيسياَ حول الموصل.
  • 1831: مايكل فاراداي وضع قانون فاراداي للحث, أحد القوانين الأساسية للكهرومغناطيسية.
  • 1864: جايمس كلارك ماكسويل وضع نموذجاَ رياضياَ لسلوك الإشعاعات الكهرومغناطيسية جامعاَ بذلك المشاهدات والتجارب والقوانين السابقة المتعلقة بالكهرباء و المغناطيسية و البصريات في نظرية واحدة.
  • 1888: هاينريش رودولف هرتز يؤكد وجود الإشعاعات الكهرومغناطيسية. حيث أعتبر جهاز توليد الإشعاعات الكهرومغناطيسية الذي صنعه كأول جهاز أرسال راديوي.
  • 1891: نيكولا تسلا يقوم بتطوير جهاز هرتز.
  • 1893: نيكولا تسلا يؤدي عرضاَ يقوم فيه بإضاءة مجموعة من مصابيح الإضاءة لاسلكياَ.
  • 1894: نيكولا تسلا يضيء لاسلكياَ مجموعة من الأنابيب المفرغة باستخدام الحث الكهروديناميكي.
  • 1894: Nikola Tesla wirelessly lights up single-terminal incandescent lamps at the 35 South Fifth Avenue laboratory, and later at the 46 E. Houston Street laboratory in New York City by means of “electrodynamic induction,” i.e., wireless resonant inductive coupling.[1][2][3]
  • 1894: Jagdish Chandra Bose (Indian) ignites gunpowder and rings a bell at a distance using electromagnetic waves, showing that communications signals can be sent without using wires.[4][5]
  • 1895: Jagdish Chandra Bose transmits signals over a distance of nearly a mile.[4][5]
  • 1896: Nikola Tesla transmits signals over a distance of about 48 كيلومترs (30 ميل).[6]
  • 1897: Guglielmo Marconi uses ultra low frequency radio transmitter to transmit Morse code signals over a distance of about 6 km.
  • 1897: Nikola Tesla files the first of his patent applications dealing with wireless transmission.
  • 1899: In Colorado Springs Nikola Tesla writes, “the inferiority of the induction method would appear immense as compared with the disturbed charge of ground and air method.”[7]
  • 1900: Guglielmo Marconi fails to get a patent for radio in the United States.
  • 1901: Guglielmo Marconi transmits signals across the Atlantic Ocean using Tesla’s apparatus.
  • 1902: Nikola Tesla vs. Reginald Fessenden – U.S. Patent Interference No. 21,701, System of Signaling (wireless); selective illumination of incandescent lamps, time and frequency domain spread spectrum telecommunications, electronic logic gates in general.[8]
  • 1904: At the St. Louis World’s Fair, a prize is offered for a successful attempt to drive a 0.1 horsepower (75 W) air-ship motor by energy transmitted through space at a distance of least 100 قدم (30 م).[9]
  • 1917: Tesla’s Wardenclyffe tower is demolished.
  • 1926: Shintaro Uda and Hidetsugu Yagi publish their first paper on Uda’s “tuned high-gain directional array”[10] better known as the Yagi antenna.
  • 1961: William C. Brown publishes article that explores possibilities of microwave power transmission.[11][12]
  • 1964: William C. Brown demonstrated on CBS News with Walter Cronkite a microwave-powered model helicopter that received all the power needed for flight from a microwave beam. Between 1969 and 1975 Brown was technical director of a JPL Raytheon program that beamed 30 kW over a distance of 1 mile at 84% efficiency.
  • 1968: Peter Glaser proposes wirelessly transferring solar energy captured in space using “Powerbeaming” technology.[13][14]
  • 1971: Prof. Don Otto develops a small trolley powered by induction at The University of Auckland, in New Zealand.
  • 1973: World first passive RFID system demonstrated at Los-Alamos National Lab.[15]
  • 1975: Goldstone Deep Space Communications Complex does experiments in the tens of kilowatts.[16][17][18]
  • 1988: A power electronics group led by Prof. John Boys at The University of Auckland in New Zealand, develops an inverter using novel engineering materials and power electronics and conclude that inductive power transmission should be achievable. A first prototype for a contact-less power supply is built. Auckland Uniservices, the commercial company of The University of Auckland, patents the technology.
  • 1989: Daifuku, a Japanese company, engages Auckland Uniservices Ltd to develop the technology for car assembly plants and materials handling providing challenging technical requirements including multiplicity of vehicles
  • 1990: Prof. John Boys team develops novel technology enabling multiple vehicles to run on the same inductive power loop and provide independent control of each vehicle. Auckland UniServices Patents the technology.
  • 1996: Auckland Uniservices develops an Electric Bus power system using Inductive Power Transfer to charge (30-60 kW) opportunistically commencing implementation in New Zealand. Prof John Boys Team commission 1st commercial IPT Bus in the world at Whakarewarewa, in New Zealand.
  • 2004: Inductive Power Transfer used by 90 per cent of the US$1 billion clean room industry for materials handling equipment in semiconductor, LCD and plasma screen manufacture.
  • 2005: Prof Boys’ team at The University of Auckland, refines 3-phase IPT Highway and pick-up systems allowing transfer of power to moving vehicles in the lab
  • 2007: فريق بحثي في معهد مساتشوستس للتقنية نجح في إضاءة مصباح بقدرة 60 وات لاسلكياَ على مسافة مترين وبفاعلية تصل إلى 40%.[19]
  • 2007: A physics research group, led by Prof. Marin Soljačić, at MIT confirm the earlier (1980′s) work of Prof. John Boys by wireless powering of a 60W light bulb with 40% efficiency at a 2 مترs (6.6 ق) distance using two 60 cm-diameter coils.
  • 2008: Bombardier offers new wireless transmission product PRIMOVE, a power system for use on trams and light-rail vehicles.[20]
  • 2008: Industrial designer Thanh Tran, at Brunel University made a wireless light bulb powered by a high efficiency 3W LED.
  • 2008: Intel reproduces Nikola Tesla’s 1894 implementation and Prof. John Boys group’s 1988′s experiments by wirelessly powering a nearby light bulb with 75% efficiency.[21]
  • 2009:A Consortium of interested companies called the Wireless Power Consortium announced they were nearing completion for a new industry standard for low-power Inductive charging[22]
Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 20, 2010

energy

طاقة

 

Lightning is the electric breakdown of air by strong electric fields and is a flow of energy. The electric potential energy in the atmosphere changes into heat, light and sound which are other forms of energy.

الطاقة Energy هي المقدرة على القيام بعمل ما. وهناك صور عديدة للطاقة، يتمثل أهمها في الحرارة والضوء. الصوت أيضا عبارة عن طاقة. و هناك” الطاقة الميكانيكية” التي تولدها الآلات، و”الطاقة الكيميائية” التي تتحرر عند حدوث تغيرات كيميائية.

يمكن تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى. فعلى سبيل المثال، يمكن تحويل الطاقة الكيميائية المختزنة في بطارية الجيب إلى ضوء .

كمية الطاقة الموجودة في العالم ثابتة على الدوام، فالطاقة لا تفنى ولا تستحدث، وإنما تتحول من شكل إلى آخر. وعندما يبدو أن الطاقة قد استنفذت، فإنها في حقيقة الأمر تكون قد تحولت إلى صورة أخرى لهذا نجد أن الطاقة هي قدرة المادة للقيام بالشغل( الحركة)\ن كنتيجة لحركتها أو وضعها بالنسبة للقوي التي تعمل عليها .فالطاقة التي يصاحبها حركة يطلق عليها طاقة حركية kinetic energy . والطاقة التي لها صلة بالوضع يطلق عليها طاقة كامنة (جهدية أو مخزنة ) potential energy . فالبندول المتأرجح به طاقة جهدية في نقاطه النهائية . وفي كل أوضاعه النهائية له طاقة حركية وطاقة جهدية في أوضاعه المختلفة .

والطاقة توجد في عدة أشكال كالطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية والطاقة الديناميكية الحرارية والطاقة الكيميائية والطاقة الكهروبائية والطاقة الإشعاعية والطاقة الذرية . وكل أشكال هذه الطاقات قابلة للتحويل الداخلي بواسطة طرق مناسبة . والطعام الذي نتاوله ،به طاقة كيماوية يخزنها الجسم ويطلقها عندما نعمل أو نبذل مجهودا.

وتستغل مصادر هذه الطاقات لتوليد الكهرباء التي نحتاجها في بيوتنا ومدارسنا ومكاتبنا ومصانعنا وكمبيوتراتنا سواء للإنارة أم لتشغيل الماكينات والأجهزة الكهروبائية .والبترول نحرقه ليدير سياراتنا وغيرها من الأنشطة الخلاقة التي نمارسها ونتمتع بها في حياتنا. فهي ضرورة حياتية للعيش فوق كوكبنا.ومن خلالها صعدت المركبات للفضاء وجاب الإنسان العالم ليتعرف عليه ويستنزف ثرواته .

النوع تكوين الطاقة الداخلية (U)
الطاقة المحسوسة the portion of the internal energy of a system associated with kinetic energies (molecular translation, rotation, and vibration; electron translation and spin; and nuclear spin) of the molecules.
الطاقة الكامنة the internal energy associated with the phase of a system.
طاقة كيميائية the internal energy associated with the different kinds of aggregation of atoms in matter.
طاقة نووية the tremendous amount of energy associated with the strong bonds within the nucleus of the atom itself.
تفاعلات الطاقة those types of energies not stored in the system (e.g. انتقال حراري, mass transfer, and work), but which are recognized at the system boundary as they cross it, which represent gains or losses by a system during a process.
طاقة حرارية the sum of sensible and latent forms of internal energy.

الطاقة إحدى المفاهيم الأساسية في الفيزياء، وكذلك الكتلة. وتوجد الطاقة في عِدّة أشكال. وكل شكل من أشكال الطاقة يمكن أن يتحوّل إلى آخر، في عملية تُسمّى تحوُّل الطاقة. فمثلاً الطاقة الحرارية التي نشعر بها قادمة من النار تصلنا في صورة إشعاع. والأجسام القريبة من النار تسخَنُ بوساطة الأشعة تحت الحمراء، وهي إحدى أشكال الأشعة الكهرومغنطيسية. وهذه الأجسام تكتسب الطاقة في شكل حرارة. والضوء أيضاً موجات كهرومغنطيسية، ولهذا فهو أحد أشكال الطاقة. وهناك أشكال أخرى من الطاقة مثل الطاقة الكيميائية والطاقة النووية والطاقة الكهربائية والكتلة.

أشكال الطاقة

والحياة الإنسانية كلُّها تعتمد على الطاقة التي نستقبلها من الشّمس على هيئة إشعاعات. فالأشعاعات الشمسية تحت الحمراء تدفئ الأرض وأشعتها الضوئية تعطي النبات الطاقة اللازمة لنموه. والنباتات تختزن الطاقة الشمسية في شكل طاقة كيميائية في عملية التركيب الضوئي. والمواد الغذائية التي يكونها النبات هي الغذاء الذي تعتمد عليه جميع الكائنات الحية. وتستخدم الحيوانات والكائنات الحية الأخرى الطاقة الناتجة من الغذاء لدفع العمليات الجسمية وتحريك العضلات. وتختزن طاقة الشمس أيضاً في شكل طاقة كيميائية في الزيت والغازات والفحم الحجري. وقد نتجت هذه الأنواع من الوقود الأحفوري عن تآكل النباتات والكائنات الحية التي عاشت منذ ملايين السنين. ونحن نحرق هذا الوقود لاستخلاص الطاقة منه. ويحوّل الاحتراق الطاقة الكيميائية في الوقود إلى حرارة. والحرارة بالتالي يمكن أن تُحوَّل إلى طاقة ميكانيكية. فاحتراق الفحم الحجري مثلاً يمكن أن يُدير العنفات (التوربينات) البخارية التي تنتج الكهرباء في محطات توليد الطاقة الكهربائية. وفي هذه المحطات تتحول الطاقة الكيميائية في الفحم الحجري إلى طاقة حرارية تتحوّل بدورها إلى طاقة ميكانيكية. وتتحول الطاقة الميكانيكية في العنفات بوساطة المولدات إلى طاقة كهربائية.

والطاقة النووية شكل آخر من أشكال الطاقة، وتُختزن في نَوَى الذرات. وتنتج التفاعلات النووية، مثل الانشطار والاندماج طاقة في شكل حرارة وإشعاع. وتُنتج التفاعُلات الانشطارية الحرارة في المفاعلات النووية، وتولد التفاعلات الاندماجية حرارة شديدة في باطن الشمس. وفي الطبقات الخارجية للشمس تتحول الحرارة إلى الإشعاع الذي ينبعث من الشمس في كافة الإتجاهات، ونحن نستقبل جزءًا ضئيلاً فقط من هذا الإشعاع. وفي التفاعلات الانشطارية والاندماجية، تكون كتلة المواد الناتجة من التفاعل أقلّ بقليل من كتلتها قبل التفاعل، ولذا فإن جزءًا صغيراً من المادة يكون قد تحول إلى طاقة. وقد استنتج العلماء أنّ المادة والطاقة متكافئتان. وجميع العمليات محكومة بالتغيُّرات التي تحدث في الطاقة من شكل إلى آخر.

بينما تسقط الكرة بحرية تحت تأثير الجاذبية، فإن سرعتها تتزايد كلما اقتربت من الأرض، فطاقة وضعها المبدئية تتحول إلى طاقة حركة. وعند الارتطام بسطح صلب، تنبعج الكرة، محولة طاقة الحركة إلى طاقة وضع مرنة. وعند ارتداد الكرة للأعلى، تتحول الطاقة أولاً إلى طاقة حركة ثم بارتفاعها إلى طاقة وضع. تحول الطاقة إلى حرارة بسبب الانبعاج غير المرن ومقاومة الهواء يسبب الاضمحلال المتتالي لكل قفزة ارتدادية.

الطاقة الكامنة والطاقة الحركية

الطاقة الميكانيكية هي الطاقة الناتجة عن الحركة، أي بسبب تأثير القوة على الأجسام. والطاقة الحركية هي الطاقة التي يتمتع بها الجسم لأنه يتحرك. وتتناسب طاقة حركة الجسم طردياً مع كتلته ومربع سرعته. ولهذا، فإنّ للقطار الذي يتحرّك بسرعة 80 كم في الساعة طاقة تعادل أربعة أمثال طاقة قطار آخر يتحرّك بسرعة 40كم في الساعة. والقطار الساكن ليس له طاقة حركة. فكل طاقة الحركة التي اكتسبها أثناء حركته قد تحولت إلى حرارة، تولدت عن الاحتكاك في المكابح التي أوقفت القطار.

الطاقة الكامنة هي الطاقة الموجودة في الجسم بسبب وضعه أو حالته. وهي تمثل الشغل الذي بُذِل فعلاً، وتسمّى أحياناً الطاقة المختزنة. فإذا رفعنا صندوقاً من الأرض إلى منضدة، فإن طاقة وضع الجسم سوف تزداد بمقدار كمية الشغل اللازمة لرفعه إلى منضدة. ويمكن تحويل الطاقة الكامنة إلى أشكال أخرى من الطاقة. فإذا ما دفعنا الصندوق من فوق المنضدة فسوف يبدأ في السقوط وتتحول طاقته الكامنة إلى طاقة حركية. وعندما يصطدم الصندوق بالأرض يحدث اهتزازات على الأرض والهواء المحيط بها. وتسخن هذه الاهتزازات الأرض والهواء، وبهذا تكون الطاقة الحركية للجسم قد تحوّلت إلى طاقة حرارية.

ملخص عام للطاقة وحياة البشر.

الطاقة الكيميائية

أحد أشكال الطاقة الكامنة. فالجزيئات يمكن أن تخزّن الطاقة نتيجة لطاقة وضع الذرات التي تنشأ عن تأثير القوى بين الذرات في الجزيئات. وأثناء التفاعلات الكيميائية تأخذ الذرات في الجزيئات مواقع مختلفة، وتحدث تغيرات في الطاقات الكامنة لهذه الذرات. وإذا قلت الطاقة الكامنة فإن التفاعل ينتج طاقة تَظهر على شكل حرارة.

بقاء الطاقة

لاحظنا أنّه خلال زمن سقوط الصندوق من المنضدة قلت طاقته الكامنة، بينما زادت طاقته الحركية. ولكن يظل مجموع الطاقتين ثابتاً أثناء السقوط. ويعبّر العلماء عن ذلك بقانون ينص على أنّ الطاقة تظلّ باقية. ولا ينطبق قانون بقاء الطاقة على حالة الصندوق الساقط فقط، ولكنه ينطبق على حالة الكون كلّه. وينص هذا القانون على أن الطاقة الكلية للكون ذات قيمة ثابتة دائمًا.

ويُمكن أن يُعدّ البندول مثالاً لكيفية تحوُّل الطاقة من شكل إلى آخر بينما تظلّ الطاقة الكلية ثابتة. فعندما يصل البندول إلى نهاية اهتزازاته تكون له طاقة حركية فقط. وتتحوّل هذه الطاقة إلى طاقة كامنة عندما يصل البندول مرة أخرى إلى أعلى نقطة في اهتزازاته.وسوف يستمر البندول في الاهتزاز طالما لا يوجد هناك احتكاك أو مقاومة من الهواء. ولكن الطاقة التي تستخدم في التغلب على مثل هذا الاحتكاك لا تُفقد، وإنما تتحول إلى حرارة، ونحن نعلم الآن أن المادة والطاقة ترتبطان ارتباطاً وثيقاً. ولذا فإن قانون بقاء الطاقة يشمل المادة أيضاً. فالطاقة لا تفنى ولا تأتي من العدم، ولكنها يمكن أن تنشأ من المادة وتتحوّل إليها. فهي مثلاً قد تتحول إلى مادة في معجّلات الجسيمات عند ظهور جُسيمات جديدة أثناء تصادم الجسيمات المعجَّلة عند سرعات فائقة.

قياس الطاقة

تقاس الطاقة في النظام المتري بالجول. والجول الواحد هو كمية الشغل المبذول لتحريك جسم مسافة متر واحد ضد مقاومة قوة مقدارها نيوتن واحد. وتقاس الطاقة الكامنة للجاذبية بحاصل ضرب وزن الجسم في المسافة الرأسية التي يُمكن تحريكها أثناء سقوطه حتى يصل إلى حالة السُّكون. وتُقاس الطاقة الحركية بالعلاقة : الطاقة الحركية = ½ ك ع²، حيث ك هي كتلة الجسم، وع² هي مربع سرعته. والقدرة هي معدل أداء الشغل، ووحدتها الواط. وتساوي قدرة الآلة واط واحد إذا كانت تنتج جولا واحداً في كل ثانية.

أنواع الطاقة

تعتبر الطاقة الحيوانية أول طاقة استخدمها الإنسان في فجر الحضارة عندما استخدم الحيوانات الأليفة في أعماله ثم شرع واستغل قوة الرياح في تسيير قواربه لآفاق بعيدة .واستغل هذه الطاقة مع نمو حضارته، واستخدمها كطاقة ميكانيكية في إدارة طواحين الهواء و في إدارة عجلات ماكينات الطحن و مناشير الخشب ومضخات رفع الماء من الآبار وغيرها .وهذا ما عرف بالطاقة الميكانيكية .

و قوة الحيوانات نجدها مستمدة من الطاقة الكيماوية chemical energy الموجودة في الطعام بعد هضمه في الإنسان والحيوان .والطاقة الكيماوية نجدها في الخشب الذي كان يستعمل منذ القدم في الطبخ والدفء .وفي بداية الثورة الصناعية استخدمت القوة المائية كطاقة تشغيلية من خلال حركية نظم سيور وبكر وتروس لإدارة العديد من الماكينات.

و نجد الطاقة الحرارية Thermal energy في الآلات البخارية التي تحول الطاقة الكيماوية لوقود تحوله لطاقة ميكانيكية . فالآلة البخارية يطلق عليها آلة احتراق خارجي لأن الوقود يحرق بالخارج لتوليد البخار الذي يدير الآلات من الداخل . لكن في القرن 19 إخترعت آلة الإحتراق الداخلي مستخدمة وقودا يحترق داخل الآلة حسب نظام غرف الإحتراق الداخلي المباشر بها ، لتصبح مصدرا للطاقة الميكانيكية التي إستغلت في عدة أغراض كتسيير السفن والعربات والقطارات .

و في القرن 19 ظهر مصدر آخر للطاقة ، لايحتاج لإحتراق الوقود ،وهي الطاقة الكهروبائية المتولدة من الدينامو( المولد). وأصبحت هذه المولدات تحول الطاقة الميكانيكية لطاقة كهربائية التي أمكن نقلها إلي أماكن بعيدة عبر الأسلاك. مما جعلها تنتشر, حتي أصبحت طاقة العصر الحديث ولاسيما وأنها متعددة الأغراض ،بعدما أمكن تحويلها لضوء وحرارة وطاقة ميكانيكية، بتشغيلها محركات الآلات والأجهزة الكهربائية . وتعتبر طاقة نظيفة إلى حد ما .

ثم ظهرت الطاقة النووية التي استخدمت في المفاعلات الذرية حيث يجري الإنشطار النووي الذي يولد حرارة هائلة تولد البخار الذي يدير المولدات الكهروبائية التي تمدنا بالكهرباء أو يدير المحركات التي تسير السفن والغواصات .لكن مشكلة هذه المفاعلات النووية في نفاياتها المشعة واحتمال حدوث تسرب إشعاعي أو إنفجار المفاعل ، كما حدث في مفاعل تشيرنوبل الشهير .

والطاقة الغير متجددة نحصل عليها من باطن الأرض كسائل كما في النفط وكغاز كما في الغاز الطبيعي أو كمادة صلبة كما في الفحم الحجري .وهي غير متجددة لأنه لايمكن صنعها ثانية أو استعواضها مجددا في زمن قصير .عكس الطاقة المتجددة ، فيمكن إستعواضها في زمن قصير .ومصادر الطاقة المتجددة نجدها في طاقة الكتلة الحيوية Biomass energy التي تستمد من مادة عضوية كإحراق النباتات وعظام الحيوانات وروث البهائم والمخلفات الزراعية.فعندما نستخدم الخشب أو أغصان الأشجار أو روث البهائم في اشتعال الدفايات أو الأفران ، فهذا معناه أننا نستعمل وقود الكتلة الحيوية التي تستغل كمادة عضوية من النباتات ونفايات الزراعة أو الخشب أو مخلفات الحيوانات . وفي الولايات المتحدة تستغل طاقة الكتلة الحيوية في توليد 3%من مجمل الطاقة لديها لتوليد 10 آلاف ميجا وات من القدرة الكهربائية.

و تستغل طاقة الحرارة الأرضية Geothermal energy لتوليد الكهرباء والتسخين . وحاليا نصف الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة الأمريكية تأتي من قوة دفع المياه التي تدير التوربينات، والتي تسيّر االمحركات لتوليد الكهرباء. كما يحدث في مصر في السد العالي. وفي أمريكا تمثل كهرباء الطاقة المائية 12% من جملة الكهرباء.و يمكن مضاعفتها إلي 72ألف ميجاوات.

وهناك أيضا طاقة قوة الرياح Wind power حيث تدير شفرات(ألواح) كبيرة تدور بالهواء فوق الأبراج بحركة مروحية ومثبت بها مولدات كهرباء .وكانت قوة الرياح تستغل في إدارة طواحين الهواء ومضخات رفع المياه ، كما هو إتبع في هولندا عندما نزح الهولنديون مساحات مائية من البحر لتوسيع الرقعة الزراعية عندهم. وسبب عدم إنتشارها في العالم ،أصواتها المزعجة وقتلها للطيور التي ترتطم بشفراتها السريعة, وعدم توفرالرياح في معظم المناطق بشكل مناسب.

أيضا في خلايا الطاقة التي هي خلايا وقود الهيدروجين تنتج الكهرباء من خلال تفاعل كهربائي كيميائي باستخدام الهيدروجين والأوكسجين.

مصادر الطاقة

بترول

هو عبارة عن سائل كثيف، قابل للاشتعال، بني غامق أو بني مخضر، يوجد في الطبقة العليا من القشرة الأرضية. وأحيانا يسمى نافثا، من اللغة الفارسية (“نافت” أو “نافاتا” والتي تعني قابليته للسريان).

وهو يتكون من خليط معقد من الهيدروكربونات، وخاصة من سلسلة الألكانات، ولكنه يختلف في مظهره وتركيبه ونقاوته بشدة من مكان لأخر. وهو مصدر من مصادر الطاقة الأولية الهام للغاية ([ إحصائيات الطاقة في العالم]). البترول هو المادة الخام لعديد من المنتجات الكيماوية، بما فيها الأسمدة، مبيدات الحشرات، اللدائن.

وقود

الوقود له أنواع مختلفة من أهمها الوقود الأحفوري، وهو الذي يشمل كل من النفط والفحم والغاز, والذي أستخدم بإسراف منذ القرن الماضي ولا يزال يستخدم بنفس الإسراف مع ارتفاع أسعاره يوما بعد يوم مع أضراره الشديد للبيئة. ومثله وقود السجيل وهو مثل النفط يكون مخلوط مع الرمال.

من أنواع الوقود الأخرى هو الوقود الخشبي والذي يغطي استخدامه حوالي 6% من الطاقة الأولية العالمية.، و هناك الوقود المستخرج من النفايات الحيوانية أو المياه الثقيلة للمجاري حيث بالمستطاع استخدام هذه النفايات في توليد الطاقة بالاعتماد عليها بعد عمليات التخمير، وتستخدم في العديد من دول العالم معالجة المياه الثقيلة للاستفادة من الغازات المنبعثة لأغراض توفير الطاقة.

من الطرق الحديثة والنظيفة في توفير الوقود النظيف يمكن أن يكون من نباتات الأشجار سريعة النمو، أو بعض الحبوب أو الزيوت النباتية أو المخلفات الزراعية أو بقايا قصب سكر ، أمكن تحويل بعض منتجات السكر إلى كحول لاستخدامه كوقود للسيارات وكذلك زيت النخيل ويتميز هذا النوع من الوقود بأنه يقلل من التلوث، حيث لا حاجة هناك لاستعمال الرصاص في مثل هذا النوع من الوقود لرفع أوكتان الوقود كما هو الحال في البنزين المستحصل عليه من النفط الأحفوري ومن ثم فإنه بنزين خال من الرصاص.

هناك الوقود النووي وتحطه الكثير من المشاكل والقوانين الضابطة والتي قد لا تخلو من ازدواجية في المعايير وإجحاف بالسماح لاستخدامها على البعض, ناهيك في خطورة استخدامها وتأثيرها السيئ على البيئة.

طاقة شمسية

تعتبر الطاقة الشمسية الطاقة الأم فوق كوكبنا حيث تنبعث من أشعتها كل الطاقات فوقه . لأنها تسير كل ماكينات و آلية الأرض بتسخين الجو المحيط واليابسة وتولد الرياح وتصريفها ، وتدفع دورة تدوير المياه ، و تدفيء المحيطات ،و تنمي النباتات وتطعم الحيوانات . و مع الزمن تكون الوقود الإحفوري في باطن الأرض . وهذه الطاقة يمكن تحويلها مباشرة أو بطرق غير مباشرة لحرارة و برودة و كهرباء و قوة محركة .وأشعة الشمس أشعة كهرومغناطيسية.و طيفها المرئي يشكل 49% و الغير مرئي كالأشعة الفوق بنفسجية يشكل 2% و الأشعة دون حمراء 49%. و الطاقة الشمسية تختلف حسب حركتها و بعدها من الأرض.

و تختلف كثافة أشعة الشمس و شدتها فوق خريطة الأرض حسب فصول السنة فوق نصفي الكرة الأرضية و بعدها عن الأرض و ميولها و وضعها فوق المواقع الجغرافية طوال النهار أو خلال السنة, و حسب كثافة السحب التي تحجبها. لأنها تقلل أو تتحكم في كمية الأشعة التي تصل لليابسة . عكس السماء الصحوة الخالية من السحب أو الأدخنة. وأشعة الشمس تسقط علي الجدران والنوافذ واليابسة والبنايات والمياه, وتمتص الأشعة وتخزنها في كتلة (مادة) حرارية Thermal mass. وهذه الحرارة المخزونة تشع بعد ذلك داخل المباني . وتعتبر هذه الكتلة الحرارية نظام تسخين شمسي يقوم بنفس وظيفة البطاريات في نظام كهربائي شمسي(الفولتية الضوئية ).فكلاهما يختزن حرارة الشمس لتستعمل فيما بعد.

والمهم معرفة أن الأسطح الغامقة تمتص الحرارة و لا تعكسها كثيرا ، لهذا تسخن . عكس الأسطح الفاتحة التي تعكس حرارة الشمس لهذا لا تسخن . و الحرارة تنتقل بثلاث طرق ،إما بالتوصيل conduction من خلال مواد صلبة, أو بالحمل convection من خلال الغازات, أوالسوائل ، أو بالإشعاع radiation. و من هنا نجد الحاجة لإنتقال الحرارة بصفة عامة لنوعية المادة الحرارية التي ستختزنها, لتوفير الطاقة و تكاليفها .لهذا توجد عدة مباديء يتبعها المصممون لمشروعات الطاقة الشمسية, من بينها قدرة المواد الحرارية المختارة, علي تجميع وتخزين الطاقة الشمسية حتي في تصميم البنايات واختيار مواد بنائها حسب مناطقها المناخية سواء في المناطق الحارة أو المعتادة أو الباردة . كما يكونون علي بينة بمساقط الشمس علي المبني و البيئة من حوله كقربه من المياه واتجاه الريح والخضرة ونوع التربة,والكتلة الحرارية التي تشمل الأسقف والجدران و خزانات الماء. كل هذه الإعتبارات لها أهميتها في إمتصاص الحرارة أثناء النهار و تسربها أثناء الليل.

هناك مصادر للطاقة نظيفة يمكن استخدامها كوقود بديل ومنها:

  • الطاقة الشمسية.
  • طاقة الرياح.
  • طاقة المد والجزر.
  • الطاقة المستمدة من حرارة الأرض الجوفية.
Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 20, 2010

Frequency

التردد أو التواتر

 هو مقياس لتكرار حدث ما في وحدة قياس معيّنة. غالبًا ما يكون الحديث عن وحدة قياس زمنية ما، وعندها تكون وحدة التردد هي الهرتس (Hz) والتي تعادل \frac{1}{sec}، وتستخدم بشكل أساسي لقياس مقدار تكرار الموجات. يكون تردد موجة دوريّة 1Hz إذا كانت تمر موجة كاملة في نقطة ما، هي نقطة القياس، خلال ثانية واحدة. أي أنّه إذا قسنا في لحظة معيّنة قيمة قصوى للموجة في تلك النقطة، لن نحصل على نفس القياس إلاّ بعد مرور ثانية واحدة.

التردّد هو المفهوم المعاكس لمفهوم الدورة والتي تعرّف، حسب المثال السابق، كالفترة الزمنية بين الحصول على قياس أقصى في الموجة في نقطة معيّنة، إلى الحصول على نفس القياس مرّة أخرى.

تعريف ووحدات

يعرّف التردّد لأي عمليّة دوريّة تعود على نفسها كعدد المرّات التي تتكرّر فيها الدورة أو العمليّة خلال وحدة زمنية معيّنة. يستخدم الحرف f أو ν لتمثيل التردّد في العديد من المجالات الهندسيّة أو الفيزيائيّة كالبصريات والكهرباء وعلم الصوت والراديو وغيرها.

الوحدة التقليديّة لقياس التردّد هي الـHz أو الهرتس (والتي تعادل \frac{1}{sec}) على اسم العالم الفيزيائي الألماني هاينريخ هرتس. على سبيل المثال، فإذا كان تردّد عمليّة ما هو 1Hz، يعني هذا أنّها تحصل مرّة كل ثانية، أمّا إذا كان 2Hz، فإنّها تحصل مرّتين في كل ثانية، وهكذا. فإذا رمزنا لزمن الدورة بـT، تكون العلاقة بينه وبين التردد كالتالي:

f = \frac{1}{T}

بشرط أن يتم الحفاظ على وحدات الطرفين، فإذا كان التردد يقاس بوحدات الـHz، تكون وحدة زمن الدورة هي الثانية.

في بعض الاستعمالات هنالك وحدات خاصّة لقياس التردّد. فمثلاً، لقياس سرعة نبض القلب، تستعمل وحدة “نبضة في الدقيقة” أو BPM) Beats per Minute)، ونفس الوحدة تستخدم في عالم الموسيقى لقياس الإيقاع. في الحركة الدائريّة تستخدم أحيانًا وحدة “دورة في الدقيقة” أو rpm) Revolutions per Minute) لقياس التردّد. لتحويل تلك الوحدات إلى الـHz تجب القسمة على 60.

[] قياس التردّد

لقياس تردّد ظاهرة ما، يجب إحصاء عدد المرّات التي تتكرّر بها الظاهرة في فترة زمنية، ومن ثم القسمة على مدّة هذه الفترة.

في الواقع، فمن المفضل على وجه العموم، ولغرض التدقيق، قياس الفترة الزمنية اللازمة لعدد محدّد مسبقًا من التكرارات، عوضًا عن قياس عدد التكرارات الحاصلة خلال فترة زمنيّة محدّدة. هذا لأنّ التردّد قد لا يكون عددًا صحيحًا، كحركة البندول المتأرجح. إنّ الطريقة الثانية تؤدي إلى خطأ عشوائي في القياس يتراوح بين صفر إلى تكرّر واحد، أي إلى نصف تكرّر بالمعدّل، ممّا يؤدي إلى انحياز في تقديرنا لـf. أمّا بالطريقة الأولى، فإنّنا نقيس وحدة زمنية، والتي بالإمكان قياسها بشكل أدق بواسطة ساعة.

[] تردّدات الأمواج

بالإمكان تحليل كل موجة إلى عدد من الأمواج التوافقية (وفق تحليل فورييه) الدّوريّة، ولكل موجة دوريّة هنالك علاقة بين تردّد الموجة لطول الموجة وسرعة تقدّمها:

f = \frac{v}{\lambda}

بحيث أن:

f هو تردّد الموجة
v هي سرعتها و
λ هو طول الموجة

أي أن هنالك علاقة طردية بين التردّد وسرعة الموجة، إذا حافظنا على طول الموجة، وعلاقة عكسية بين تردّد وطول الموجة، إذا بقيت سرعتها ثابتة. في الأمواج الكهرومغناطيسيّة، تستبدل القيمة v عادًة بالقيمة c للتنويه إلى سرعة الضوء.

عند انتقال أمواج كهرومغناطيسيّة تخرج عن مصدر أحادي اللون (أي مصدر يرسل أمواجًا كهرومغناطيسيّة ذات نفس طول الموجة) من وسط ذي معامل انكسار معيّن إلى وسط ذي معامل انكسار آخر، يتغيّر طول الأمواج وسرعتها، في حين يبقى تردّدها ثابتًا، وهي ظاهرة تعرف بانكسار الضوء.

[] أمثلة

  • بإمكان الأذن البشريّة أن تلتقط أمواجًا صوتيّة يتراوح تردّدها بين الـ20Hz والـ20 kHz. في الواقع، فإنّ الأطفال يستطيعون سماع التردّدات حتّى الـ20 kHz، ولكن قدرة السمع في مثل هذه الترددات المرتفعة تنخفض كلما كبر الإنسان بالسن.

  • إنّ تردّد التيار المتردّد في المقابس الكهربائيّة البيتيّة في أوروبا وأفريقيا وأستراليا ومعظم آسيا هو 50Hz، ولكنّه بقيمة 60Hz في معظم الأمريكيّتين.

  • تردّد الضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي يتراوح بين 430THz إلى 750THz.

[] أنواع أخرى من التردّد

  • التردد الزاوي: يمثل بواسطة الحرف اليوناني ω، ويصف سرعة التغير في طور موجة جسم يتذبذب حركة توافقية، مثلاً:

ω = 2πf
وحدة القياس المتّبعة للتردد الزاوي هي راديان في الثانية \frac{rad}{sec}.

  • يجدر الذكر بأنّ هناك بعض التردّدات غير الزمنيّة. فمثلاً، من الممكن الحديث عن تردّد حيّزي في صورة معيّنة، أو تردد لدالّة دوريّة معيّنة. فالتردّد الحيزي يمكن أن يكون، على سبيل المثال، عدد أزواج الخطوط السوداء والبيضاء في المتر الواحد من صورة لخطوط سوداء وبيضاء. وفي هذه الحالة يستبدل متغيّر الزمن بأحد متغيّرات الفضاء.

Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 20, 2010

Infrared radiation

أشعة تحت الحمراء

: ,

صورة بالأشعة تحت حمراء لكلب

الأشعة تحت الحمراء

 (أو إشعاع تحت الأحمر) هو الإشعاع الكهرطيسي مع الطول الموجي بين 0.7 و 300 ميكرومتر، وهو ما يعادل تقريبا نطاق الترددات بين 1 و 430 THz [1].

طول موجته أطول (وتردد أدنى) من ذلك الضوء المرئي، ولكن طول موجي أقصر (والتردد العالي) من تلك الموجات من الإشعاع التراهرتز. ضوء الشمس الساطع يوفر الساقط من حوالي 1 كيلو وات لكل متر مربع عند مستوى سطح البحر. من هذه الطاقة، و 527 واط هو ضوء الأشعة تحت الحمراء، و 445 واط من الضوء المرئي، و 32 واط من الأشعة فوق البنفسجية

[] نظرة عامة

التصوير بالأشعة تحت الحمراء ويستخدم على نطاق واسع لأغراض عسكرية ومدنية. وتشمل التطبيقات العسكرية والاستحواذ على الأهداف، والمراقبة، للرؤية الليلية، وتعقب صاروخ موجه. استخدامات غير عسكرية تشمل تحليل الكفاءة الحرارية، ودرجة الحرارة والاستشعار عن بعد، قصيرة تراوحت الاتصالات اللاسلكية، والتحليل الطيفي، والتنبؤ بالأحوال الجوية. علم فلك الأشعة تحت الحمراء يستخدم المقاريب المزودة بأجهزة استشعار لاختراق مناطق الغبار في الفضاء، مثل السحب الجزيئية ؛ كشف أجسام باردة مثل الكواكب، وعرض للغاية الحمراء تحولت الكائنات من الأيام الأولى من الكون.

يشع البشر في درجة حرارة الجسم الطبيعي اساسا على طول موجي حول 10μm (ميكرومتر) على المستوى الذري، والطاقة، تحت الحمراء يتسبب في وسائط الذبذبات في جزيء من خلال إحداث تغيير في اللحظة ثنائي القطب، مما يجعلها مفيدة لطائفة وتردد دراسة هذه الدول الطاقة للجزيئات من التماثل السليم. مطياف الأشعة تحت الحمراء يدرس امتصاص ونقل فوتونات في مدى الأشعة تحت الحمراء والطاقة، وبناء على وتيرة وحدة

[] أصل مصطلح

معنى الاسم (تحت الحمراء بالاتينية) والاحمر له اطول طول موجى من بين الاشعة المرئية والاشعة تحت الحمراء لها طول موجى أكبر (وتردد اقل) من الضوء الاحمر

في مناطق مختلفة من الأشعة تحت الحمراء

الكائنات عموما تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء عبر طيف من الأطوال الموجية، ولكن فقط في منطقة معينة من الطيف هو من مصلحة لاستشعار عادة ما تكون مصممة فقط لجمع الإشعاع داخل النطاق الترددي محددة. نتيجة لذلك، حزمة الأشعة تحت الحمراء غالبا ما تنقسم إلى أقسام أصغر

 

[] CIE division scheme

اللجنة الدولية للالإضاءة (CIE) أوصت بتقسيم الإشعاع الضوئي في المجموعات الثلاث التالية :

  • الأشعة تحت الحمراء، وقال : 700 نانومتر – 1400 نانومتر
  • الأشعة تحت الحمراء ب : 1400 نانومتر – 3000 نانومتر
  • الأشعة تحت الحمراء جيم : 3000 نانومتر – 1 ملم

فرعيا يستخدم عادة خطة التقسيم :

  • القريبة من تحت الحمراء : 0.75-1.4 ميكرومتر في الطول الموجي ،والتي يشيع استخدامها في الاتصالات السلكية واللاسلكية من الألياف البصرية منخفضة في الزجاج SiO2 (السيليكا) والمتوسط. المشددات صورة حساسة لهذا المجال من الطيف. وتشمل الأمثلة أجهزة رؤية ليلية مثل نظارات للرؤية الليلية.
  • الطول الموجي القصير الأشعة تحت الحمراء (SWIR) : 1.4-3 ميكرومتر، امتصاص الماء يزيد بشكل ملحوظ في 1،450 نانومتر. نطاق 1،530 إلى 1،560 ميل بحري هو المهيمن في المنطقة الطيفية للاتصالات السلكية واللاسلكية لمسافات طويلة.
  • منتصف طول موجة الأشعة تحت الحمراء (MWIR،) وتسمى أيضا الوسيطة الأشعة تحت الحمراء (آي آي آر) : 3-8 ميكرومتر. في تكنولوجيا الصواريخ الموجهة 3-5 سنوات ميكرومتر جزء من هذه الفرقة هي النافذة في الغلاف الجوي التي رؤساء صاروخ موجه من الأشعة تحت الحمراء السلبي ‘الحرارة تسعى’ صواريخ مصممة على العمل، رغبة في العودة إلى التوقيع على الأشعة تحت الحمراء من طائرات المستهدفة، وعادة ما تكون المحرك النفاث ريشة العادم.
  • الطول الموجي الطويل الأشعة تحت الحمراء (LWIR، اي ار سي الدين) : 8-15 ميكرون. وهذا هو التصوير “الحرارية” المنطقة، وأجهزة الاستشعار التي يمكن الحصول على صورة سلبية تماما عن العالم الخارجي على أساس الانبعاثات الحرارية فقط، وتتطلب أي ضوء خارجي أو مصدر حراري مثل الشمس والقمر أو إضاءة الأشعة تحت الحمراء. تطلعي الأشعة تحت الحمراء (رادار الأشعة دون الحمراء) نظم استخدام هذا المجال من الطيف. الذي يسمى أيضا أحيانا “الآن الأشعة تحت الحمراء.”
  • الأقصى الأشعة تحت الحمراء (منطقة معلومات الطيران) : 15-1،000 ميكرومتر “تنعكس الأشعة تحت الحمراء” في حين MWIR وLWIR يشار إليه أحيانا ب “الأشعة تحت الحمراء الحرارية.” نظرا لطبيعة منحنيات إشعاع الجسم الأسود، نموذجية ‘ساخنة’ الكائنات، مثل مواسير العادم، وغالبا ما تبدو اكثر اشراقا في ميغاواط مقارنة مع نفس الكائن ينظر في وزن شحمي.

[] مخطط تقسيم علماء الفلك للاشعة تحت الحمراء

يقسم علماء الفلك عادة الطيف بالأشعة تحت الحمراء على النحو التالي :

  • الأدنى : (0.7-1) إلى 5 ميكرومتر
  • المتوسط : من 5 إلى (25-40) ميكرومتر
  • الطويل : (25-40) إلى (200-350) ميكرون.

هذه الانقسامات ليست دقيقة، ويمكن أن تختلف تبعا للمنشور. المناطق الثلاث التي تستخدم لمراقبة تتراوح درجات الحرارة المختلفة، وبالتالي بيئات مختلفة في الفضاء.

 

[] Sensor response division scheme

وهناك مخطط الثالثة على تقسيم الفرقة على أساس الاستجابة للكشف عن مختلف :

  • الأدنى الأشعة تحت الحمراء : من 0.7 إلى 1.0 ميكرومتر (من النهاية التقريبية للاستجابة العين البشرية إلى التي من السيليكون).
  • الموجة القصيرة الأشعة تحت الحمراء : 1.0 إلى 3 ميكرومتر (من قطع من السليكون لأنه من النافذة MWIR في الغلاف الجوي. InGaAs يغطي حوالي 1.8 ميكرومتر، وأقل حساسية أملاح الرصاص تغطي هذه المنطقة.
  • منتصف موجة الأشعة تحت الحمراء : من 3 إلى 5 ميكرومتر (التي حددتها نافذة في الغلاف الجوي والتي تغطيها إنديوم antimonide [InSb] وHgCdTe وجزئيا من قبل سيلينيد الرصاص [PbSe]).
  • الطويلة موجة الأشعة تحت الحمراء : من 8 إلى 12، أو من 7 إلى 14 ميكرومتر : نافذة الغلاف الجوي (التي تغطيها HgCdTe وmicrobolometers).
  • جدا بطول موجة الأشعة تحت الحمراء (VLWIR) : من 12 إلى حوالي 30 ميكرومتر، التي تغطيها السيليكون مخدر.

هذه الانقسامات تبررها استجابة الإنسان المختلفة لهذا الإشعاع : الأشعة تحت الحمراء بالقرب من المنطقة الأقرب في الطول الموجي للإشعاع للكشف عن طريق العين البشرية، وبعيد منتصف الأشعة تحت الحمراء هي تدريجيا المزيد من الطيف المرئي. تعاريف أخرى تتبع مختلف الآليات المادية (قمم الانبعاثات، مقابل العصابات، وامتصاص الماء)، ومتابعة أحدث أسباب فنية (وكواشف السيليكون المشتركة حساسة لحوالي 1،050 ميل بحري، في حين InGaAs ‘الحساسية يبدأ حوالي 950 نانومترا وينتهي بين 1،700 و 2،600 ميل بحري، اعتمادا على تكوين محددة). للأسف، والمعايير الدولية لهذه المواصفات غير متوفرة حاليا.

الحد الفاصل بين الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء ليست محددة بدقة. العين البشرية بشكل ملحوظ أقل حساسية للضوء فوق طول موجي 700 نانومتر، وذلك أقصر الترددات تقديم مساهمات ضئيلة لمشاهد مضيئة من مصادر الضوء المشتركة. ولكن لا سيما ضوء مكثفة (على سبيل المثال، من أشعة الليزر، أو من ضوء النهار الساطع مع الضوء المرئي عن طريق إزالة المواد الهلامية الملونة) يمكن الكشف عن ما يصل إلى حوالي 780 نانومتر، وسوف ينظر إليها على ضوء أحمر. بداية من الأشعة تحت الحمراء ويعرف (وفقا لمعايير مختلفة) في مختلف القيم عادة ما بين 700 نانومتر و 800 نانومتر

[] التطبيقات

مرشحات الأشعة تحت الحمراء

الأشعة تحت الحمراء (يحيل / عابرة) المرشحات يمكن أن تكون مصنوعة من مواد مختلفة كثيرة. نوع واحد هو مصنوع من البلاستيك polysulfone الذي يمنع أكثر من 99 ٪ من طيف الضوء المرئي من “مصادر” الضوء الأبيض مثل المصابيح المتوهجة الفتيلية. مرشحات الأشعة تحت الحمراء يسمح بأقصى قدر من الإنتاج مع المحافظة على الأشعة تحت الحمراء covertness المدقع. حاليا قيد الاستخدام في جميع أنحاء العالم، ومرشحات الأشعة تحت الحمراء التي تستخدم في المعدات العسكرية وتنفيذ القوانين، التطبيقات الصناعية والتجارية. تشكيلة فريدة من البلاستيك تسمح لأقصى قدر من المتانة ومقاومة للحرارة. مرشحات الأشعة تحت الحمراء توفير أكثر فعالية من حيث التكلفة والزمن المستغرق في حل أكثر من معيار استبدال المصابيح البديلة. جميع أجيال من أجهزة رؤية ليلية ويعزز بدرجة كبيرة مع استخدام مرشحات الأشعة تحت الحمراء.

 

[] رؤية ليلية

الأشعة تحت الحمراء وتستخدم في معدات الرؤية الليلية عندما يكون هناك عدم كفاية الضوء المرئي لنرى. أجهزة للرؤية الليلية يعمل من خلال عملية تنطوي على تحويل فوتونات الضوء المحيط في الالكترونات التي يتم تضخيمها من قبل الكيميائية والكهربائية وعملية ثم تحويلها إلى الضوء المرئي. مصادر الأشعة تحت الحمراء ضوء يمكن أن تستخدم لزيادة الضوء المحيطة المتاحة للتحويل عن طريق أجهزة للرؤية الليلية، وزيادة وضوح، في الظلام دون فعليا باستخدام مصدر الضوء المرئي. وينبغي استخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء وأجهزة رؤية ليلية لا يمكن الخلط بينه وبين التصوير الحراري التي تخلق صورا على أساس الاختلافات في درجة الحرارة السطحية عن طريق الكشف عن الأشعة تحت الحمراء (الحرارة) التي تنبعث من الأجسام والبيئة المحيطة بها

Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 20, 2010

Power

 

 

القدرة الكهربائية أو الاستطاعة الكهربائية

 

(P) هي المعدل الزمني لتدفق الطاقة الكهربائية في دائرة كهربائية، والقدرة كمية وحدة قياسها حسب النظام الدولي

 

للوحدات هي واط.

تحسب القدرة المفقودة بسبب المقاومة الكهربائية حسب قانون جول:

P = V * I حيث

P هي القدرة واط
V هي فرق الجهد على طرفي المقاومة فولت
I هي التيار المار بالمقاومة أمبير

أو حسب القانونين المحورين من قانون أوم : P = I^2 R\, = \frac{V^2}{R} \,

R هي قيمة المقاومة أوم Ω

[] أنواع القدرة

القدرة المركبة هي عبارة عن جمع اتجاهي بين القدرة الفعالة والقدرة المفاعلة

و تنقسم القدرة داخل الدوائر الكهربائية إلى :

  • قدرة فعالة P وحدتها واط (W).
  • قدرة غير فعالة Q وحدتها الفار (var).
  • قدرة مركبة S وحدتها فولت. أمبير (VA).

و يمكن التعبير عن القدرة المركبة كالتالي :

 S = P + jQ \,\! حيث j رمز تخيلي

أو بشكل آخر حسب قانون فيثاغورس :

S^2\,\! = {P^2\,\!} + {Q^2\,\!}.

و يمكن حساب القدرة الفعالة

 P =v.i\left|\cos\phi\right|.

حيث أن

\left|\cos\phi\right|. هي معامل القدرة

و يمكن حساب القدرة غير فعالة

 Q=v.i\left|\sin\phi\right|.

والجدير بالذكر ان الاحمال المنزلية أو ان كهرباء البيوت تستهلك القدرة الفعالة p التي تقاس بالواط (W) وتحاسب شركة الكهرباء على ما استهلكة من القدرة الفعالة P بينما المصانع  شركة الكهرباء تحاسبها على استهلاكها من القدرة الفعالة P والقدرة غير فعالة Q التي تقاس ب(var)

Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 20, 2010

current

التيار الكهربي

 عبارة عن تدفق من الشحنات الكهربية.[1] والشحنة الكهربية قد تكون إلكترونات أو أيونات[2]. طبقًا للنظام الدولي للوحدات تقاس شدة التيار الكهربي بـ الأمبير. بينما يقاس التيار الكهربي بجهاز الأميتر[1]

سريان التيار الكهربي في سلك فلزي

يحتوي الفلز الصلب الموصِل للكهرباء على مجموعة كبيرة من الإلكترونات المتحركة أو الحرة.وترتبط هذه الإلكترونات بـ شبكة من الأسلاك الفلزية ولكنها لا ترتبط بأية ذرة مفردة.وحتى في حالة انعدام المجال الكهربي الخارجي، تتحرك هذه الإلكترونات بصورة عشوائية لحدٍ ما بفعل الطاقة الحرارية ولكن، في المتوسط، يكون صافي قيمة التيار داخل الفلز صفرًا.وإذا افترضنا أنَّ لدينا سطحًا مستويًا يمر السلك من خلاله، فسنجد أن عدد الإلكترونات التي تتحرك من جانب لآخر في أية فترة زمنية يتساوى في متوسطه مع عدد الإلكترونات التي تمر في الاتجاه المعاكس.

إنَّ أنسب سلك للتوصيل الكهربي هو السلك النحاسي المجدول

عند توصيل سلك من الفلز بطرفي مصدر جهد كهربي ذي تيار مستمر مثل البطارية، سيعمل المصدر على توليد مجال كهربي عبر الموصِل. وبمجرد توصيل السلك الفلزي، تندفع الإلكترونات الحرة نحو الطرف الموجب في الموصل بفعل هذا المجال الكهربي.وبالتالي، تمثل الإلكترونات الحرة ناقل التيار الكهربي في الموصِل الصلب النموذجي.ففي تيار كهربي شدته 1 أمبير، يندفع 1 كولوم من الشحنة الكهربية (التي تتألف من نحو 6.242 إلكترون تقريبًا مضروبًا في 10 18 إلكترون) كل ثانية عبر أي سطح مستوٍ يمر من خلاله الموصِل.

في أي تدفق ثابت، يمكن حساب التيار I المُقاس بـ الأمبير باستخدام المعادلة التالية:

I = {Q \over t}

حيث

Q \!\ هو الشحنة الكهربية السارية مقاسةً بـ الكولوم
t \!\ هو الزمن محسوبًا بـ الثواني

وبشكل أكثر تعميمًا، يمكن تعريف التيار الكهربي بأنه المعدَّل الزمني لتغير الشحنة الكهربية، أو

I = \frac{dQ}{dt}.

[ التيارات الكهربية في الوسائط الأخرى

في الفلزات الصلبة، تتدفق الكهرباء بفعل حركة الإلكترونات، من الجهد الكهربائي الأدنى إلى الجهد الكهربي الأعلى.أما في أي وسط آخر، فإن أي تدفق لأجسامٍ ذات شحنة كهربية يمكن أن يؤدي إلى توليد تيار كهربي.

فيالفراغ، قد تتكون حزمة من الأيونات أو الإلكترونات.أما في المواد الأخرى الموصلة للكهرباء، فيتولد التيار الكهربي نتيجة تدفق جسيمات ذات شحنة سالبة وأخرى ذات شحنة موجبة في آنٍ واحد. وفي المواد الساكنة، يعود التيار الكهربي في مجمله إلى سريان شحنة كهربية موجبة . على سبيل المثال، تكون التيارات الكهربية في الإلكتروليتات عبارة عن تدفقات من ذرات ذات شحنات كهربية (أيونات)، موجبة أو سالبة.وفي أي من الخلاياالكهروكيميائية المعروفة المحتوية على حمض الرصاص، تتكون التيارات الكهربية من أيونات هيدروجينية موجبة (بروتونات) تسري في اتجاه معين، وأيونات سلفات سالبة تسري في الاتجاه الآخر.أما بالنسبة للتيارات الكهربية التي تسري في الشرارات أو البلازما، فهي عبارة عن تدفقات من الإلكترونات وكذلك من الأيونات الموجبة والسالبة.في الثلج وفي أنواع معينة من الإلكتروليتات الصلبة، يتألف التيار الكهربي في مجمله من أيونات متدفقة.وفي أشباه الموصلات قد يكون مفيدًا أحيانًا التفكير في التيار الكهربي على أنه نتاج سريان “فجوات” إلكترونية موجبة (وهي المواضع التي يجب أن تحتوي على إلكترون لجعل الموصِل متعادلاً).وهذا ما يحدث في شبه الموصل من النوع الموجب.

[] كثافة التيار الكهربي

Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :كثافة التيار

كثافة التيار الكهربي هي مقياس شدة التيار الكهربي.وتعرف اصطلاحًا بأنها قيمة متجهية تُقاس قيمتها بقيمة التيار الكهربي المار لكل سطح مقطع عرضي.طبقًا للنظام الدولي للوحدات، تُقاس كثافة التيار الكهربي بـالأمبير لكل متر مربع.

[] سرعة تدفق الشحنات الكهربية

في أي موصل، دائمًا ما تتحرك الجسيمات المتحركة الحاملة لشحنات كهربية في اتجاهات عشوائية كما في جزيئات الغاز. ولكي يتولَّد تدفق صافٍ من الشحنات، يجب أن تتحرك هذه الجسيمات معًا بمتوسط معدل دَفْق معين.تعتبر الإلكترونات بمثابة العناصر الناقلة للشحنات الكهربية في الفلزات حيث تسلك مسارًا عشوائيًا، بانتقالها السريع من ذرةٍ إلى أخرى، ولكنها تتدفق عمومًا في نفس اتجاه المجال الكهربائي. ويمكن حساب سرعة انسياق الإلكترونات وفقًا لهذه المعادلة:

I=nAvQ \!\

حيث

I \!\ هو التيار الكهربي
n \!\ هو عدد الجسيمات المشحونة كهربيًا لكل وحدة حجم
A \!\ هو مساحة المقطع العرضي في الموصل
v \!\ هي سرعة الانسياق و
Q \!\ هي الشحنة الموجودة في كل جسيم.

عادةً ما تسري التيارات الكهربية في الأجسام الصلبة ببطء شديد.على سبيل المثال، في سلك نحاسي لمقطع عرضي مساحته 0.5 ملم2، وشدة التيار الكهربي المار فيه 5&nbsp أمبير؛ تُحسَب سرعة الانجراف الإلكترونات بالملليمتر في الثانية.وإذا أخذنا مثالاً مختلفًا، ففي الفراغ الموجود داخل أنبوب أشعة الكاثود، تتحرك الإلكترونات في خطوط شبه مستقيمة (“حركةً بالستية”) بسرعة تصل إلى عشر سرعة الضوء تقريبًا.

إن أية شحنة كهربية متسارعة، ومن ثمَّ أي تيار كهربي متغير، ينشأ عنها موجة كهرومغناطيسية تنتشر بسرعة كبيرة جدًا خارج سطح الموصل.وعادةً ما تكون هذه السرعة عبارة عن كسر دلالي من سرعة الضوء، كما يمكن أن نستنتج من معادلات ماكسويل وبالتالي، فإنها تكون أكبر عدة مرات من سرعة انسياق الإلكترونات.على سبيل المثال، في خطوط القدرة ذات التيار المتردد، تنتشر موجات الطاقة الكهرومغناطيسية في الفراغ الموجود بين الأسلاك، فتنتقل من أي مصدر إلى حِمل بعيد، في حين تتحرك الإلكترونات جيئةً وذهابًا فقط عبر مسافة متناهية الصغر.

تُعرف نسبة سرعة الموجة الكهرومغناطيسية إلى سرعة الضوء في الفراغ الحر باسم معامل السرعة، وتعتمد هذه النسبة على الخصائص الكهرومغناطيسية للموصل وعلى المواد العازلة المحيطة به وشكلها وحجمها.

ولكي نتعرف أكثر على طبيعة هذه السرعات الثلاث، يمكننا مقارنتها بالسرعات الثلاث المشابهة لها في الغازات.تتشابه سرعة الانسياق المنخفضة لعناصر حمل الشحنات الكهربية مع حركة الهواء أو حركة الرياح. أما السرعة العالية للموجات الكهرومغناطيسية، فتتشابه مع سرعة الصوت في الغاز، بينما تتشابه السرعة العشوائية للشحنات الكهربية مع السرعة الحرارية لجزيئات الغاز ذات الحركة العشوائية.

[] قانون أوم

ينص قانون أوم على أن المقصود بشدة التيار في أي مقاوِم (أو أي جهاز أوميتر آخر) (مثالي) هو قيمة الجهد الكهربي الممَارس مقسومًا على قيمة المقاومة:

 I = \frac {V}{R}

حيث

I هو شدة التيار مُقاسًا بـ الأمبير
V هو فرق الجهد الكهربي مُقاسًا بـ الفولت
R هي المقاومة الكهربائية مُقاسة بـ الأوم

[] التيار الاصطلاحي

ويؤدي سريان الشحنة الكهربية الموجبة إلى توليد التيار الكهربي نفسه الذي يتولَّد عن السريان العكسي للشحنة الكهربية السالبة.وهكذا، تؤدي التدفقات العكسية للشحنات الكهربية المتقابلة إلى توليد تيار كهربي أحادي.ولهذا السبب، يمكن عادةً تجاهل قطبية الشحنات المتدفقة أثناء عمليات القياس.فمن المفترض أن تحمل كل الشحنات المتدفقة قطبية موجبة، ويعرف هذا النوع من التدفق باسم التيار الاصطلاحي.ويمثل التيار الاصطلاحي صافي تأثير مسار التيار، بصرف النظر عن إشارة شحنة الأجسام الناقلة للتيار.

في الفلزات الصلبة مثل الأسلاك، تظل الجسيمات الحاملة للشحنة الكهربية الموجبة ساكنة، وتتحرك فقط الإلكترونات سالبة الشحنة.ولأنَّ الإلكترون يحمل شحنة كهربية سالبة، فٍإن حركة الإلكترون في أي فلز تكون في الاتجاه المعاكس لاتجاه التيار الاصطلاحي ( أو الكهربي).

[] أمثلة

من الأمثلة الطبيعية لمصادر توليد التيار الكهربي البرق والرياح الشمسية ومصدر الشفق القطبي بنوعيه: الشفق القطبي الشمالي والشفق القطبي الجنوبي.يتمثل الشكل الاصطناعي للتيار الكهربي في سريان إلكترونات التوصيل في أسلاك معدنية، مثلما يحدث في خطوط القدرة الكهربية المعلقة التي تعمل على توصيل الطاقة الكهربية عبر مسافات طويلة وكذلك في الأسلاك الأصغر الموجودة في الأجهزة الكهربية والإلكترونية.وفي الإلكترونيات، توجد أشكال أخرى للتيار الكهربي منها سريان الإلكترونات عبر مقاوِمات)، أو عبر الفراغ في صمام مفرغ، وسريان الأيونات داخل بطارية أو خلية عصبية، وسريان الفجوات عبر شبه موصل.

وفقًا لـ قانون أمبير، يولِّد التيار الكهربي مجالاً مغناطيسيًا.

[] الكهرومغناطيسية

يولد التيار الكهربي مجالاً مغناطيسيًا. يمكن تصور المجال المغناطيسي كما لو كان نموذجًا من خطوط المجال الدائرية التي تحيط بالسلك.

يمكن قياس التيار الكهربي مباشرةً باستخدام الغلفانومتر ولكن هذه الطريقة تؤدي إلى فتح الدائرة الكهربية، الأمر الذي يتسبب أحيانًا في بعض المشكلات.هذا، ومن الممكن أيضًا قياس التيار الكهربي دون التسبب في فتح الدائرة الكهربية من خلال كشف المجال المغناطيسي المقتَرن بالتيار.ونذكر من الأجهزة المستخدمة في قياس التيار الكهربي أجهزة الاستشعار المتعلقة بقياس تأثير هول وفك التيار، ومحولات التيار الكهربي، وومَلفات روجوسكي.

[] الاتجاه المرجعي

عند توصيل الدوائر الكهربية، عادةً ما يكون الاتجاه الفعلي للتيار الكهربي عبر أي عنصر من عناصر الدائرة الكهربية غير معروف.وبالتالي، يتم تعيين قيمة تيار كهربي متغيرة لكل عنصر من عناصر الدائرة الكهربية على حدة وباتجاه مرجعي يتم اختياره عشوائيًا.وبمجرد توصيل الدائرة الكهربية، قد تتولَّد شحنات موجبة أو سالبة في التيارات الكهربية السارية في عناصر الدائرة.تعني القيمة السالبة أن الاتجاه الفعلي للتيار الكهربي المار عبر هذا العنصر في الدائرة يكون عكس الاتجاه المرجعي الذي تم اختياره.

[] معايير السلامة والأمان ضد مخاطر الكهرباء

رمز للحماية متعارف عليه عالمياً “تحذير، خطر الإصابة بصدمة كهربائية” (ISO 3864),

من أكثر مخاطر الكهرباء وضوحًا الصدمة الكهربية الناتجة عن سريان تيار كهربي عبر أحد أجزاء الجسم.ويتحدد تأثير الصدمة الكهربية وفقًا لمقدار التيار الكهربي الساري عبر الجسم، وهو أمرٌ يعتمد على طبيعة التلامس، وحالة هذا الجزء من الجسم، ومسار التيار الساري عبره، وقيمة الجهد الكهربي لمصدر التيار.ففي الوقت الذي قد يؤدي فيه مقدار صغير جدًا من التيار الكهربي إلى الشعور بوخزة خفيفة، فإنَّ المقدار الكبير جدًا منه قد يسبب حروقًا خطيرة إذا نفذ عبر الجلد أو سكتة قلبية إذا سرت كمية كافية منه خلال القلب. ويختلف تأثير الصدمة الكهربية من فرد لآخر بشكل ملحوظ.

هذا، وقد يكون التسخين الكهربي غير المقصود خطيرًا أيضًا.فالتحميل الزائد على كابلات الكهرباء يعد سببًا متكررًا في اندلاع الحرائق.وكذلك، إذا تم وضع بطارية صغيرة في حجم خليةAA في جيب به عملات معدنية، فقد يؤدي ذلك إلى تكون دائرة كهربية مصغرة تعمل على تسخين البطارية والعملات المعدنية مما قد يؤدي إلى الإصابة بحروق.أما عن بطاريات النيكل والكادميوم وبطاريات هيدريد النيكل وبطاريات الليثيوم على وجه التحديد، فإنها تمثل خطورةً أيضًا حيث يمكنها توليد تيار كهربي عالٍ جدًا نتيجة لطبيعة المقاومة الداخلية المنخفضة فيها.

 

.

Older Posts »

Categories

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.