الكهرباء
ظاهرة الشحنة الكهربائية في السكون والحركة — من أول ملاحظات الكهرمان المفرك إلى العمود الفولطي، والحث الكهرومغناطيسي، وتوليف ماكسويل (Maxwell)، وكهربة العالم الحديث.
الكهرباء ظاهرة مرتبطة بالشحنات الكهربائية الساكنة أو المتحركة تحملها جسيمات أولية؛ بدأت دراستها بملاحظة طاليس (Thales) أن الكهرمان المفرك يجذب الأجسام الصغيرة، وتقدّمت عبر جيلبرت (Gilbert)، وتجربة فرانكلين (Franklin) بالطائرة الورقية، وقانون التربيع العكسي لكولوم (Coulomb)، والكهرباء الحيوانية عند جلفاني (Galvani). وقد منح عمود فولتا (Volta) عام 1800 العلم تيارًا مستمرًّا، وجعل اكتشاف فاراداي (Faraday) للحث الكهرومغناطيسي عام 1831 القدرة الميكانيكية قابلة للتحويل إلى كهرباء، وتنبأت معادلات ماكسويل (Maxwell) بموجات كهرومغناطيسية تسير بسرعة الضوء تحقق منها هرتز (Hertz). وبنى إديسون (Edison) وتسلا (Tesla) المصابيح والمحركات ومحطات التوليد المركزية التي أضاءت المدن، بينما تشكل الأمبير والفولط والأوم — المعرَّفة منذ 2019 على أساس الشحنة الأولية — نظام القياس في العصر الكهربائي.

في هذا المقال
نظرة عامة
وتحتوي مواد مثل المعادن على إلكترونات حرة تتحرك بسهولة وتوصل الكهرباء بكفاءة، في حين تحتوي العوازل مثل اللدائن والسيراميك على إلكترونات مرتبطة بإحكام في روابط أيونية أو تساهمية. 1Electricity · Encyclopaedia Britannica ↗
التيار الكهربائي هو حركة حاملات الشحنة الكهربائية مثل الإلكترونات أو الأيونات، ويُقاس في سلك بمقدار الشحنة المارّة عبر نقطة معينة في وحدة الزمن 1.
1. الشحنة الكهربائية ووحداتها
الشحنة الكهربائية مقدار محفوظ لا يفنى ولا يُستحدث من العدم؛ ففي أي نظام معزول، وفي أي تفاعل كيميائي أو نووي، تبقى الشحنة الكهربائية الصافية ثابتة 2Electric charge · Encyclopaedia Britannica ↗.
والشحنة الأولية نفسها مقدارها 1.602176634 × 10⁻¹⁹ كولوم 2.
قُدِّرَت شحنة الإلكترون تقديراً مباشراً ومقنعاً بوصفها وحدة طبيعية للشحنة الكهربائية لأول مرة في تجربة قطرة الزيت لميليكان. 2
وعمليًّا، الأمبير هو مرور نحو 6 كوينتليون إلكترون عبر نقطة معينة في الثانية 3SI Units - Electric Current · National Institute of Standards and Technology (NIST) ↗، والكولوم هو مقدار الشحنة الكهربائية التي تمرّ عبر مقطع من موصل في كل ثانية عندما يكون التيار أمبيرًا واحدًا، ويساوي 6.24 × 10¹⁸ وحدة طبيعية من الشحنة 2.
والأمبير وحدة معترف بها دوليًّا منذ 1908، وقد قيس بدرجات متزايدة من الدقة على مر الزمن 4Ampere: Introduction · National Institute of Standards and Technology (NIST) ↗.
ومنذ 20 مايو 2019 صار الأمبير معرَّفاً بأخذ قيمة عددية ثابتة للشحنة الأولية، وهي مقدار الشحنة الكهربائية في إلكترون أو بروتون واحد 4.
2. الوحدات الكهربائية الأساسية
| الكمية | الوحدة | التعريف أو العلاقة |
|---|---|---|
| التيار | الأمبير (A) | |
| الجهد | الفولط (V) | 1 V = 1 W/A 3 |
| المقاومة | الأوم (Ω) | 1 Ω = 1 V/A 3 |
ووحدة فرق الجهد الكهربائي في النظام الدولي للوحدات هي الفولط، وتساوي واطًا واحدًا لكل أمبير، ووحدة المقاومة الكهربائية هي الأوم، وتساوي فولطًا واحدًا لكل أمبير 3.
3. قانون أوم
التيار الكهربائي المار عبر معظم المواد يتناسب تناسبًا طرديًّا مع فرق الجهد المطبق عبر تلك المواد، وهذا ما صار يُعرف بقانون أوم. وقد اقتنع أوم بصحة هذا القانون قبل أن يصوغه في مؤلفاته.5Georg Simon Ohm (1789 - 1854) · MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews ↗
قدّم أوم في بحثين مهمين عام 1826 وصفًا رياضيًّا للتوصيل في الدوائر الكهربائية. وقد جاء هذا الوصف الرياضي على غرار دراسة فورييه للتوصيل الحراري.5
4. من الكهرمان إلى البطارية الأولى
لم تبدأ معرفة البشرية بالكهرباء من مختبر ولا من معادلة، بل من حجر أصفر شفاف يُدعى الكهرمان، حين لاحظ مفكر إغريقي قديم أن فركه بالفرو يمنحه قدرة على جذب الأجسام الصغيرة 6Electromagnetism History: Electron Timeline · National High Magnetic Field Laboratory (MagLab), Florida State University ↗. غير أن هذا الاكتشاف العابر ظل قرونًا طويلة معزولًا عن أي فهم لطبيعة الظاهرة ذاتها.
في أصيل يوم من يونيو 1752، طيّر بنجامين فرانكلين طائرة ورقية مزوّدة بمفتاح باب وقارورة ليدن خلال عاصفة رعدية، ليثبت الطبيعة الكهربائية للبرق، وساعده في ذلك ابنه ويليام 7Benjamin Franklin and the Kite Experiment · The Franklin Institute ↗. ولم تكن الصاعقة هي التي صعقت الطائرة، بل التقطت الشحنة الكهربائية المحيطة بالعاصفة 7. وقد ظهر وصف فرانكلين نفسه لتجربة الطائرة الورقية في صحيفة بنسلفانيا غازيت في أكتوبر 1752، مع تعليمات لإعادة إجراء التجربة 7.

في عام 1799 طوّر ألساندرو فولتا (Alessandro Volta) أول بطارية كهربائية، وكان تطويره لأول مصدر مستمر وقابل لإعادة الإنتاج للتيار الكهربائي خطوة مهمة في دراسة الكهرومغناطيسية وفي تطوير المعدات الكهربائية 8Archives: History of IEEE Since 1984 - Technical Topics · Engineering and Technology History Wiki (IEEE) ↗. وقد بنى فولتا بطاريته المعروفة بالعمود الفولطي من أقراص نحاسية وزنكية متعاقبة، يفصل بين كل زوج من المعدنين قماش صوفي مشبع بحمض ضعيف 8. وقد أثار العمود الفولطي قدرًا كبيرًا من البحث العلمي حتى إنه بحلول عام 1831، حين بنى مايكل فاراداي أول مولّد كهربائي، كانت أسس الكهرباء قد أرست 8. وقد جعلت بطارية فولتا الكهرباء متاحة بسهولة في المختبر 8.
-
حوالي 600 قبل الميلادالكهرمان يجذبلاحظ طاليس، وهو مفكر إغريقي قديم، أن الكهرمان يجذب الأجسام الصغيرة عند فركه بالفرو 6.
-
1799بطارية فولتا الأولىطوّر ألساندرو فولتا أول بطارية كهربائية، وهي أول مصدر مستمر وقابل لإعادة الإنتاج للتيار الكهربائي 8.
أثبت شارل كولوم أن قوة التجاذب بين كرتين مشحونتين تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما، فأسهم ذلك في إضفاء الدقة على مجال الدراسات الكهربائية 8. كما برهن على قانون التربيع العكسي للقوى بين الأجسام المتشابهة والمختلفة في الشحنة الكهربائية 9Charles Augustin Coulomb (1736 - 1806) · MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews ↗.
فحين لاحظ الفيلسوف الإغريقي طاليس نحو سنة ٦٠٠ قبل الميلاد أن الكهرمان يجذب الأجسام الصغيرة إذا دُلك بالفرو، مضت قرون قبل أن يقدّم وليام جيلبرت في كتابه «دي ماغنيتي» عرضاً كاملاً لأبحاثه في الأجسام المغناطيسية والجذوب الكهربائية 6 10William Gilbert · Encyclopaedia Britannica ↗. وكان جيلبرت أول من استعمل مصطلحات الجذب الكهربائي والقوة الكهربائية والقطب المغناطيسي، ويُعدّ غالباً أبا الدراسات الكهربائية 10.
في عام 1897 أظهر طومسون في إنجلترا أن الانبعاث الحراري ناتج عن جسيمات سالبة الشحنة هي الإلكترونات 11Electrical and electronics engineering · Encyclopaedia Britannica ↗، وخلصت تجاربه إلى وجود جسيمات دقيقة سالبة الشحنة سماها جورج جونستون ستوني 6.
5. من المغناطيسية إلى الكهرومغناطيسية
في عام 1820 استخدم هانس أورستد بطارية لتمرير تيار في سلك قرب بوصلة، فانحرفت إبرتها إلى وضع بزوايا قائمة مع السلك، وكان ذلك أول دليل على ارتباط التيار الكهربائي بالمغناطيسية 8. وقد أثبت هذا الاكتشاف أن التيارات الكهربائية تُحدث آثارًا مغناطيسية، فبرهن على ارتباط الكهرباء والمغناطيسية 12Electromagnetism · Encyclopaedia Britannica ↗.
أثبت فاراداي أن مجالًا مغناطيسيًّا متغيرًا يمكنه إحداث تيار كهربائي، وصاغ ماكسويل النتائج في نظرية موحّدة تتنبأ بموجات كهرومغناطيسية تشمل الضوء والموجات الراديوية، ثم تحقق هرتز لاحقًا من هذه الموجات 12. وقد اكتشف مايكل فاراداي الحث الكهرومغناطيسي عام 1831 حين أظهر أن مغناطيسًا يمكنه إحداث تيار كهربائي في سلك، محوّلًا الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية 13Michael Faraday (1791 - 1867) · MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews ↗. وأدى هذا الاكتشاف إلى اختراع أول مولّد كهربائي ومحوّل 14History of research at the Ri · The Royal Institution of Great Britain ↗. ويحوّل المولّد الكهربائي شكلًا من أشكال الطاقة إلى كهرباء 15Electricity explained: How electricity is generated · U.S. Energy Information Administration (EIA) ↗.

في عام 1865 اقترح جيمس كلرك ماكسويل أن الكهرومغناطيسية توجد في صورة موجات، ودعم الفكرة بمعادلاته 6. وقد حسب ماكسويل في لندن نحو عام 1862 أن سرعة انتشار المجال الكهرومغناطيسي تقارب سرعة الضوء، واقترح أن الضوء ظاهرة كهرومغناطيسية 16James Clerk Maxwell (1831 - 1879) · MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews ↗. وكتب ماكسويل أن الضوء يتألف من تموجات مستعرضة في الوسط نفسه الذي هو سبب الظواهر الكهربائية والمغناطيسية 16. وأظهر ماكسويل أن المجالين الكهربائي والمغناطيسي ينتقلان معًا في الفضاء موجاتٍ من الإشعاع الكهرومغناطيسي 12. وظهرت المعادلات التفاضلية الجزئية الأربع المعروفة اليوم بمعادلات ماكسويل أول مرة في صيغتها المكتملة عام 1873 في كتابه «الكهرباء والمغناطيسية» 16.
في عام 1887 حقق الفيزيائي الألماني هاينريش هرتز تنبؤ ماكسويل بإنتاجه موجات راديوية تجريبيًّا 11. وبلغت سرعة هذه الموجات سرعة الضوء البالغة 299,792,458 متراً في الثانية 17Speed of light · Encyclopaedia Britannica ↗. وقد برزت الهندسة الكهربائية كتخصص في عقد 1860، حين لخّص ماكسويل القوانين الأساسية للكهرباء في صورة رياضية 11.
وفي عام 1821 عُيّن مايكل فاراداي قائمًا بأعمال المشرف على المنزل في المؤسسة الملكية، وفي العام نفسه اخترع أول محرك كهربائي 14.
6. سرعة الموجات الكهرومغناطيسية
7. محطات التوليد الأولى
-
يناير 1882أول محطة مركزية إنجليزية كبرىافتتاح المحطة المركزية الأولى في هولبورن فيادكت بلندن، وقد زوّدت 1,000 مصباح 8.
-
4 سبتمبر 1882محطة بيرل ستريت في نيويوركبدء تشغيل محطة بيرل ستريت في نيويورك 8.
-
30 سبتمبر 1882أول محطة كهرومائيةدخول أول محطة كهرومائية الخدمة في أبليتون بولاية ويسكونسن 8.
وقد أدرك إديسون أن نجاح المصباح مرهون بمصدر تيار مستمر موثوق، فأنشأ أول مختبر أبحاث صناعي في العالم، وهو الذي حمل بمفرده أو بالمشاركة رقمًا قياسيًّا عالميًّا بلغ 1,093 براءة اختراع 18Thomas Edison · Encyclopaedia Britannica ↗.
8. التيار المتردد وتوسع الشبكات
في عام 1888 حصل نيكولا تسلا (Nikola Tesla) على براءات اختراع لمحرك متعدد الأطوار يعمل بالتيار المتردد، فاشترى جورج وستنغهاوس (George Westinghouse) البراءات وضمّ المخترع إلى شركته 8. وقد أشعل هذا الشراء صراعًا على النفوذ بين أنظمة إديسون ذات التيار المستمر ونهج تسلا-وستنغهاوس بالتيار المتردد، الذي انتصر في النهاية. 8
تشمل الشبكة محطات فرعية ومحوّلات وخطوط نقل تربط منتجي الكهرباء ومستهلكيها. 19Electricity explained: Delivery to consumers · U.S. Energy Information Administration (EIA) ↗ وتترابط معظم الشبكات المحلية لتشكيل شبكات أكبر وأكثر موثوقية. 19

تنقل خطوط النقل عالية الجهد الكهرباء لمسافات طويلة لأن النقل بجهد أعلى أكثر كفاءة. 19 في حين تنقل خطوط التوزيع كهرباء منخفضة الجهد تكون أكثر أمانًا للاستخدام في المنازل والمنشآت التجارية. 19
في الولايات المتحدة تتكون شبكة الكهرباء من آلاف الأميال من خطوط الجهد العالي وملايين الأميال من خطوط الجهد المنخفض. 19 وتربط آلاف محطات التوليد بمئات الملايين من العملاء. 19
9. خط زمني: من طاليس (Thales) إلى العصر الكهربائي
- نحو 600 ق.مالكهرمان يجذبلاحظ طاليس (Thales)، وهو مفكر إغريقي قديم، أن الكهرمان يجذب الأجسام الصغيرة عند فركه بالفرو — وهي أقدم ملاحظة مسجلة لما سيُعرف لاحقًا بالكهرباء.
- 1600صياغة مصطلح electricusصاغ عالم إنجليزي مصطلح electricus لوصف الخاصية التي لاحظها طاليس؛ ومن كلمة الكهرمان اليونانية وُلدت لاحقًا كلمتا electricity وelectron.
- 1746قارورة ليدن تخزن الشحنةاستطاعت قوارير ليدن (Leyden jars)، التي اخترعت في 1746، تخزين الشحنة وإنتاج شرارة كهربائية، فأصبحت الأداة الكهربائية المعيارية في منتصف القرن الـ18.
- يونيو 1752تجربة فرانكلين (Franklin) بالطائرة الورقيةفي يونيو 1752 طيّر بنجامين فرانكلين (Benjamin Franklin) طائرة ورقية بمفتاح خلال عاصفة رعدية في فيلادلفيا (Philadelphia)، فأثبت أن البرق كهربائي الطبيعة؛ وساعده ابنه ويليام (William).
- 1780ملاحظات جلفاني (Galvani) على الضفادعأجرى لويجي جلفاني (Luigi Galvani) تجارب على أرجل ضفادع مشرّحة مثبتة على خطافات حديدية أو نحاسية، فلاحظ ارتجافات عزاها إلى الكهرباء الحيوانية.
- 1791نشر «De Viribus Electricitatis»نشر جلفاني (Galvani) مقالته حول تأثير الكهرباء على الحركة العضلية، وخلص فيها إلى أن الأنسجة الحيوانية تحتوي على قوة حيوية فطرية أسماها الكهرباء الحيوانية.
- مارس 1800فولتا (Volta) يعلن عن العمود الكهربائيفي رسالة إلى جوزيف بانكس (Joseph Banks) من الجمعية الملكية (Royal Society)، وصف فولتا (Volta) أول عمود كهربائي، سلف البطارية الحديثة وأول مصدر للتيار المستمر.
- 1820أورستد (Ørsted) يربط الكهرباء بالمغناطيسيةأظهر اكتشاف هانس كريستيان أورستد (Hans Christian Ørsted) أن التيارات الكهربائية تُحدث آثارًا مغناطيسية، وهو ما أثبت ارتباط الكهرباء بالمغناطيسية.
- 1827قانون أوم (Ohm)نشر جورج زيمون أوم (Georg Simon Ohm) كتابه «Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet»، وفيه نظريته الكاملة في الكهرباء وما يعرف اليوم بقانون أوم.
- 1831فاراداي (Faraday) يكتشف الحثأظهر مايكل فاراداي (Michael Faraday) أن مغناطيسًا يمكنه إحداث تيار كهربائي في سلك، فحوّل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية واكتشف أول مولّد (dynamo).
- 1865ماكسويل (Maxwell) يصنع الموجاتاقترح جيمس كلرك ماكسويل (James Clerk Maxwell) أن الكهرومغناطيسية توجد في صورة موجات تنتقل بسرعة الضوء، ودعم الفكرة بمعادلاته.
- 1879مصباح إديسون (Edison) بفتيل الكربونبعد تجارب على مواد كثيرة مكربنة، نجح إديسون (Edison) في 21 أكتوبر 1879 بمصباح فتيله من خيط قطني مكربن، في طريقه إلى مصباح متوهج عملي.
- 1882افتتاح المحطات المركزيةدخلت محطة بيرل ستريت (Pearl Street) الخدمة في نيويورك (New York) في 4 سبتمبر 1882، وافتتح إديسون (Edison) أول محطة مركزية إنجليزية كبرى في هولبورن فيادكت (Holborn Viaduct) في لندن (London).
- مايو 1888وستنغهاوس (Westinghouse) يشتري براءات تسلا (Tesla) للتيار المتردداشترى جورج وستنغهاوس (George Westinghouse) حقوق براءات نظام تسلا (Tesla) متعدد الأطوار للتيار المتردد، فأشعل صراعًا على النفوذ انتهى بغلبة نهج تسلا-وستنغهاوس (Tesla-Westinghouse).
- 1896الطاقة تصل إلى بوفالو (Buffalo)نقل مشروع شلالات نياجارا (Niagara Falls)، الذي حمل اسم تسلا (Tesla) وأرقام براءاته، الطاقة إلى بوفالو (Buffalo) بحلول 1896.
- 1897الإلكترونأظهر ج.ج. طومسون (J.J. Thomson) من إنجلترا أن الانبعاث الحراري ينتج عن جسيمات سالبة الشحنة، هي الإلكترونات.
المراجع (23)
- 1Electricity — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
- 2Electric charge — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
- 3SI Units - Electric Current — National Institute of Standards and Technology (NIST) موقع↩عرض المصدر
- 4Ampere: Introduction — National Institute of Standards and Technology (NIST) موقع↩عرض المصدر
- 5Georg Simon Ohm (1789 - 1854) — MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews 1789 موقع↩عرض المصدر
- 6Electromagnetism History: Electron Timeline — National High Magnetic Field Laboratory (MagLab), Florida State University موقع↩عرض المصدر
- 7Benjamin Franklin and the Kite Experiment — The Franklin Institute موقع↩عرض المصدر
- 8Archives: History of IEEE Since 1984 - Technical Topics — Engineering and Technology History Wiki (IEEE) 1984 موقع↩عرض المصدر
- 9Charles Augustin Coulomb (1736 - 1806) — MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews 1736 موقع↩عرض المصدر
- 10William Gilbert — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
- 11Electrical and electronics engineering — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
- 12Electromagnetism — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
- 13Michael Faraday (1791 - 1867) — MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews 1791 موقع↩عرض المصدر
- 14History of research at the Ri — The Royal Institution of Great Britain موقع↩عرض المصدر
- 15Electricity explained: How electricity is generated — U.S. Energy Information Administration (EIA) موقع↩عرض المصدر
- 16James Clerk Maxwell (1831 - 1879) — MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews 1831 موقع↩عرض المصدر
- 17Speed of light — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
- 18Thomas Edison — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
- 19Electricity explained: Delivery to consumers — U.S. Energy Information Administration (EIA) موقع↩عرض المصدر
- 20Milestones: Volta's Electrical Battery Invention, 1799 — Engineering and Technology History Wiki (IEEE) 1799 موقععرض المصدر
- 21Nikola Tesla — Encyclopaedia Britannica موقععرض المصدر
- 22This Month in Physics History: March 20, 1800 - Volta Describes the Electric Battery — American Physical Society (APS News) 1800 موقععرض المصدر
- 23Luigi Galvani — Encyclopaedia Britannica موقععرض المصدر