التيار الكهربائي هو انتقال الشحنة. من دون مصدر تتحرك الإلكترونات الحرة في الفلز في كل الاتجاهات، فلا ينتقل شيء في المحصلة؛ ومع مصدر لفرق الجهد يتحرك عدد أكبر منها في اتجاه واحد. شدة التيار I تساوي Q مقسومة على t، بالأمبير، والأمبير كولوم واحد في الثانية. الإلكترونات تزحف؛ وما يسير بسرعة هو الدفعة.
تتوفر أيضًا ترجمة بـالعربية, English, Français و Türkçe. اختر لغتك من رمز الترس في المشغّل، عند الترجمة.
تضغط على المفتاح فيضيء المصباح فوراً. بينهما أمتار من السلك، فتظن أن تلك الإلكترونات تندفع عبره. لكنها تفعل العكس. في سلك موصول ببطارية تزحف تقريباً ربع مليمتر في الثانية، أي سنتيمتراً ونصفاً في الدقيقة. أما ما يسير بسرعة تقارب سرعة الضوء فهو الدفعة.
في هذا الفيديو تتعلم ما الشحنة الكهربائية وما الذي يتحرك في الفلز. الذرة متعادلة لأن شحنة النواة تساوي تماماً شحنة كل إلكتروناتها مجتمعة. وشحنة إلكترون واحد هي أصغر مقدار يوجد منفرداً: الشحنة الأساسية، 1.602 في عشرة أس سالب تسعة عشر كولوم. وفي كولوم واحد أكثر بقليل من ستة في عشرة أس ثمانية عشر منها.
في الفلز تكون الذرات في شبكة بلورية، ومن كل ذرة يتحرك تقريباً إلكترون واحد بحرية بين الأيونات في كل الاتجاهات. من دون مصدر لا ينتقل شيء في المحصلة. صِل مصدراً لفرق الجهد فيتحرك منها في اتجاه أكثر مما في الاتجاه الآخر، وهذا هو التيار الكهربائي. ومدى قوة هذا التيار تعبّر عنه بشدة التيار: I تساوي Q مقسومة على t، بالأمبير، والأمبير ليس إلا كولوماً واحداً في الثانية.
ثم تحسب بها. شاحن دراجة كهربائية يعطي 2.0 أمبير وتشحن ثلاث ساعات: أي 10.8 كيلوثانية، فيمر أكثر من عشرين ألف كولوم عبر قابس واحد. إن حصلت على 6.0 فأنت لم تحوّل الساعات إلى ثوانٍ.
وأخيراً الاصطلاح الذي يتعثر فيه الجميع. حسب الاصطلاح يسري التيار الكهربائي من الموجب إلى السالب، بينما تتحرك الإلكترونات من السالب إلى الموجب. هذه مصادفة تاريخية: حُدّد الاتجاه قبل أن يعرف أحد بوجود الإلكترونات. ولا يغيّر ذلك شيئاً في الحسابات.
لطلاب المرحلة الثانوية، ضمن الكهرباء.
في هذا الفيديو
الشرح كاملًا مكتوبًا
بسرعة تقارب سرعة الضوء
0:00تضغط على المفتاح فيضيء المصباح فوراً. بينهما أمتار سلك، إذن تلك الإلكترونات تندفع عبر النحاس، بسرعة تقارب سرعة الضوء.
الشحنة، وأصغر مقدار منها
0:14لكي تفهم ما الذي يمر في ذلك السلك، عليك أولاً أن تعرف ما الشحنة الكهربائية. للذرة نواة تحيط بها الإلكترونات. النواة موجبة، والإلكترونات سالبة، وفي الذرة العادية يتساوى الاثنان تماماً. الشحنة الصافية صفر: الذرة متعادلة. الشحنة الكهربائية كمية فيزيائية رمزها Q، ووحدتها الكولوم.
0:39وشحنة إلكترون واحد هي أصغر مقدار من الشحنة يوجد منفرداً. تسمى الشحنة الأساسية، ورمزها e، وهي واحد فاصلة ستة صفر اثنين في عشرة أس سالب تسعة عشر كولوم. هذا صغير لدرجة يصعب تخيلها، فلنقلب الأمر: في كولوم واحد أكثر بقليل من ستة في عشرة أس ثمانية عشر إلكترون.
1:04ستة وبعدها ثمانية عشر صفراً. ولأن الشحنة لا تأتي إلا بإلكترونات كاملة: Q تساوي n في e، حيث n عدد صحيح.
ما الذي يتحرك في الفلز
1:17في الفلز تكون الذرات ثابتة في شبكة بلورية، لكن من كل ذرة يوجد تقريباً إلكترون واحد لم يعد مرتبطاً بنواته. تسمى هذه الإلكترونات الحرة، وهي تتحرك بين الأيونات في كل الاتجاهات، حتى عندما لا يكون شيء موصولاً. فلا ينتقل شيء في المحصلة. صِل مصدر جهد، فتتحرك إلكترونات أكثر في اتجاه منها في الاتجاه الآخر.
1:43تنتقل شحنة صافية، وهذا ما يسمى التيار الكهربائي. ومدى قوة هذا التيار تعبّر عنه بشدة التيار. رمزها I، ووحدتها الأمبير. وهي ليست إلا الشحنة في كل ثانية: I تساوي Q مقسومة على t. خذ شاحن دراجة كهربائية. يعطي اثنين فاصلة صفر أمبير، وتشحن لمدة ثلاث ساعات.
2:07ثلاث ساعات هي عشرة فاصلة ثمانية كيلوثانية. إذن Q تساوي I في t: اثنان فاصلة صفر في عشرة فاصلة ثمانية ألف، تساوي اثنين فاصلة واحد ستة في عشرة أس أربعة كولوم. أكثر من عشرين ألف كولوم، عبر قابس واحد. وانتبه للوحدة: أمبير في ثانية يساوي كولوم.
2:27إن حصلت على ستة فاصلة صفر، فأنت لم تحوّل الساعات إلى ثوانٍ. في السلك تتحرك الإلكترونات السالبة من السالب إلى الموجب. في أي اتجاه يسري التيار الكهربائي حسب الاصطلاح؟
الاصطلاح، ولماذا هو معكوس
2:45اصطلاحًا يسري التيار في الاتجاه الذي تتحرك فيه الشحنة الموجبة. أي من القطب الموجب للمصدر، عبر الدائرة، إلى السالب. الإلكترونات تفعل العكس تماماً. فهي تتحرك من السالب إلى الموجب. هذا محيّر، وهو مصادفة تاريخية: حُدّد الاتجاه قبل أن يعرف أحد بوجود الإلكترونات.
3:09لكنه لم يتغير قط، لأنه لا يغيّر شيئاً في الحسابات. كل الصيغ تبقى صحيحة. تذكّر إذن سهمين: تدفق الإلكترونات من السالب إلى الموجب، والتيار الكهربائي الذي ترسمه، من الموجب إلى السالب.
ما سرعة الإلكترون حقاً
3:27والآن تلك السرعة من البداية. صِل مصباحاً ببطارية، فتزحف الإلكترونات في ذلك السلك تقريباً ربع مليمتر في الثانية. في دقيقة سنتيمتر ونصف. وفي الشبكة الكهربائية الأمر أغرب. هناك يتذبذب فرق الجهد خمسين مرة في الثانية، فلا تصل الإلكترونات إلى أي مكان: تهتز جزءاً من ألف من المليمتر حول موضعها.
3:53ومع ذلك يضيء مصباحك فوراً. تخيّل خرطوم حديقة مليئاً بالماء. تفتح الصنبور فيخرج الماء فوراً من طرفه. ليس هذا الماء الخارج الآن من الصنبور، فذلك ما زال في البداية. بل الماء الذي كان ينتظر عند الطرف. الماء يتحرك فعلاً، في الخرطوم كله معاً، لكن ببطء.
4:18ما يمر بسرعة هو الدفعة. وفي السلك الأمر نفسه. إنه مليء أصلاً بالإلكترونات الحرة، والدفعة تعبره بسرعة تقارب سرعة الضوء، فتبدأ كلها بالحركة في كل مكان معاً. لكنها هي نفسها تتحرك ببطء شديد.
ثلاثة أشياء للتذكر
4:38ثلاثة أمور. الشحنة تأتي بإلكترونات كاملة: Q تساوي n في e، وe تساوي واحد فاصلة ستة صفر اثنين في عشرة أس سالب تسعة عشر كولوم. شدة التيار هي الشحنة في كل ثانية: I تساوي Q مقسومة على t، بالأمبير. والاتجاه الاصطلاحي للتيار من الموجب إلى السالب، بينما تتحرك الإلكترونات من السالب إلى الموجب. الإلكترونات تزحف؛ والدفعة تسير بسرعة تقارب سرعة الضوء.
سؤالان
5:05سؤالان. الأول. في سلك يسري لمدة نصف ثانية تيار شدته أربعة فاصلة صفر أمبير. كم شحنة مرت؟ الثاني. تطيل سلك مصباح مكتبك خمسة أمتار. هل يستغرق المصباح بعدها وقتاً أطول بشكل ملحوظ ليضيء؟
الإجابات
5:25الأول: Q تساوي I في t، فأربعة فاصلة صفر في صفر فاصلة خمسة يساوي اثنين فاصلة صفر كولوم. أمبير في ثانية يساوي كولوم، إذن الوحدة صحيحة. الثاني: لا. الإلكترونات التي تضيء مصباحك كانت موجودة أصلاً في آخر قطعة من السلك؛ فلا تحتاج أولاً أن تنتقل من المقبس إلى المصباح.
5:46أما عبر الخمسة أمتار فيجب أن تعبر الدفعة، وتستغرق بضعة أجزاء من مئة مليون من الثانية.
التيار والشحنة والاتجاهان
5:55أنت تعرف الآن ما الذي يتحرك وبأي سرعة. من أين تأتي الطاقة التي تحرك تلك الإلكترونات، ولماذا يعبَّر عنها بالفولت، فهناك فيديو منفصل عن ذلك على القناة.
أسئلة شائعة
ما سرعة حركة الإلكترونات في السلك؟
أبطأ بكثير مما تظن. في سلك رفيع موصول ببطارية تزحف تقريباً ربع مليمتر في الثانية، أي سنتيمتراً ونصفاً في الدقيقة. وفي الشبكة الكهربائية لا تصل إلى أي مكان: هناك يغيّر فرق الجهد اتجاهه خمسين مرة في الثانية، فتهتز جزءاً من ألف من المليمتر حول موضعها. ومع ذلك يضيء مصباحك فوراً، لأن السلك مليء أصلاً بالإلكترونات الحرة والدفعة تعبره بسرعة تقارب سرعة الضوء.
لماذا يسري التيار من الموجب إلى السالب بينما تتحرك الإلكترونات في الاتجاه المعاكس؟
لأن الاتجاه حُدّد قبل أن يعرف أحد بوجود الإلكترونات. الاصطلاح هو: التيار يسري في الاتجاه الذي تتحرك فيه الشحنة الموجبة، أي من القطب الموجب للمصدر عبر الدائرة إلى السالب. الإلكترونات سالبة وتفعل العكس تماماً. ولم يتغير هذا الاصطلاح قط، لأن الحسابات لا تتوقف عليه: كل الصيغ تبقى صحيحة.
كيف تحسب كمية الشحنة التي مرت؟
بالعلاقة Q تساوي I في t. انتبه لوحدة الزمن: يجب أن تكون بالثواني. شاحن شدته 2.0 أمبير يشحن ثلاث ساعات يعطي 2.0 في 10.8 كيلوثانية، أي 2.16 في عشرة أس أربعة كولوم. إن حسبت بثلاثة بدل 10800 حصلت على 6.0، وهذا خطأ بعامل 3600.
بعد هذا يأتي فرق الجهد: ماذا يقول الفولت فعلاً، ولماذا تدوم بطاريتان تحملان الرقم نفسه مدداً مختلفة جداً.
هذا الفيديو يحمل صوتاً وترجمة بعدة لغات. اختر لغتك من رمز الترس في المشغّل، عند مسار الصوت وعند الترجمة.
Physics with Thomas: الفيزياء مشروحة بالصورة حيث تضيف شيئاً، وبدونها حيث تشتّت.
في هذه السلسلة
التيار الكهربائيالإلكترونات تزحف ومصباحك يضيء فوراً6:12
فرق الجهد والسعةبطاريتان والعدد نفسه4:43
توصيل الأميتر والفولتميترتبديلهما يُتلف جهازك4:10
نبذة عني
اسمي توماس سخورمانس، ولديّ شغف بالفيزياء وبفهم لماذا تعمل الأشياء بالطريقة التي تعمل بها. ما أريده هو أن يسأل الشباب أكثر: “لماذا هذا؟” و“كيف يعمل هذا؟”، وأن أعطيهم أدوات الفيزياء بطريقة سهلة ويمكن رؤيتها.
تخرّجت عام 2003 في الفيزياء التطبيقية من جامعة دلفت التقنية. بعدها عملت أكثر من عشرين عامًا خارج التعليم: أولًا في معهد TNO للأبحاث التطبيقية، ثم في مكتب تصميم، وأخيرًا مؤسسًا لـ Proportion Global، وأعمل من خلاله على قضايا الابتكار في أفريقيا وأمريكا اللاتينية وجنوب آسيا. هذا العمل أقرب إلى الفيزياء مما تظن: لا تبدأ من الحل، بل افهم أولًا ما الذي يجري، ثم جرّب، وأخطئ، ثم انظر من جديد.
منذ ٢٠٢٦ أدرّس الفيزياء في المرحلتين الإعدادية والثانوية، وبدأت درجة الماجستير في جامعة أمستردام للحصول على مؤهلي الكامل في التدريس. هناك تعلّمت أن انتباه طالب المرحلة الثانوية الحقيقي لمادة جديدة يدوم نحو سبع دقائق. ونقطة ضعفي أنا بالذات هي الإكثار من القصص الجانبية.
من هنا وُلدت الفكرة: فيديوهات تشرح موضوعًا واحدًا بوضوح وبالصورة، ضمن تلك الدقائق السبع. أصنعها لطلابي. ثم أنشرها للجميع، لأن الشرح الجيد يجب أن يكون في متناول كل من يحتاجه، أينما كنت وبأي لغة تفكر وتتكلم.