القوة الدافعة الكهربائية

(1-13) القوة الدافعة الكهربائية

تتكون أي دائرة كهربائية من مصدر الطاقة الكهربائية (بطارية مثلاً) وجهاز لاستنفاذ هذه الطاقة (حمل كهربائي) إضافة إلى مفاتيح تحَكُم. والغرض من عمل الدائرة الكهربائية هو استعمال الطاقة الكهربائية وتحويلها إلى طاقة أخرى وذلك عن طريق استعمال أجهزة ومعدات كهربائية تسمى بالحمل الكهربائي. فمثلاً تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة صوتية باستعمال الميكروفونات والى طاقة ضوئية باستعمال المصابيح الكهربائية والى طاقة حركية باستعمال محركات كهربائية والى طاقة مغناطيسية عن طريق الملفات وهكذا ..... .
يتولد التيار الكهربائي بواسطة التأثير المغناطيسي أو الكيميائي أو الحراري أو الضوئي، وان التيار الكهربائي ينتج دائماً إذا كان هناك طرفان إحداهما له عدد اقل من الالكترونات أي موجب الشحنة والآخر له عدد اكبر من الالكترونات أي سالب الشحنة. وكما هو معلوم فان للبطارية (سائلة أو جافة) طرف موجب الشحنة وآخر سالب الشحنة، فهي مصدر للقوة الدافعة الكهربائية (e.m.f.) التي تمثلها الشحنات الموجودة على طرفي البطارية. وكما بينا في الفصل العاشر فان الاصطلاح المتبع لسريان التيار الكهربائي هو أن الشحنات الموجبة تندفع في الجزء الخارجي من الدائرة الكهربائية من الطرف الموجب ذي الجهد العالي إلى الطرف السالب ذي الجهد الواطئ. أما في داخل البطارية فان التفاعلات الكيميائية هي المسؤولة عن نقل الشحنات الموجبة من الطرف السالب إلى الطرف الموجب. ويتم حالياً تطوير أنواع أخرى من البطاريات غير الكيميائية الغرض منها توفير الطاقة الكـهربائية. ومن المصادر الكهربائيـة الأخرى هي المولد Generator وهو جهاز يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية المأخوذة من المحرك عن طريق سير المروحة إلى طاقة كهربائية، و المزدوج الحراري Thermocoupleالذي يعمل على مبدأ الانحدار الحراري في توفير الطاقة الكهربائية، والخلية الشمسية Solar Cell التي استعملت بصورة واسعة لتغذية الأجهزة الالكترونية المحمولة في مختلف مركبات الفضاء والتوابع الأرضية بالطاقة الكهربائية اللازمة لها، كما تستعمل لتوفير الطاقة للساعات وآلات الحاسبة اليدوية وذلك بتحويل الطاقة الضوئية والحرارية بصورة مباشرة إلى طاقة كهربائية.
يعرف مقدار القوة الدافعة الكهربائية لأي مصدر بمقدار الشغل المنجز من قبل المصدر لوحدة الشحنة. فإذا فرضنا أن شحنة كهربائية مقدارها dq مرت في دائرة كهربائية مغلقة في زمن dt، يكون الشغل المنجز حسب تعريف القوة الدافعة الكهربائية هو:

أو
………...(20-1)
أما وحدة فهي جول/كولوم أو فولت وهي نفس وحدة فرق الجهد. وإذا قسّمنا المعادلة (20-1) على عنصر الزمن نحصل على:

أو
………...(21-1)
حيث p تمثل قدرة المصدر ووحداتها واط أو جول/ثانية. من المعلوم أن البطارية (أو أي مصدر للقوة الدافعة الكهربائية) تضمر مقاومة بشكل أو بآخر لمرور الشحنات الكهربائية بداخلها ويوضح الشكل (5-1) هذه المقاومة الداخلية r وعنصر الدائرة المكافئ للبطارية.وهذا يعني إن البطارية تعمل كما لو كانت مؤلفة من قوة دافعة كهربائية خالصة ويتصل معها مقاومة r على التوالي.







يبين الشكل (17-1) دائرة كهربائية مفتوحة لا يمر فيها تيار كهربائي. لاحظ عندما لا يسحب تيار من البطارية فانه يدخل فرق للجهد عبر المقاومة الداخلية r ومن ثم يكون فرق الجهد بين طرفيها مساوياً لقوتها الدافعة الكهربائية. ولو أغلقت الدائرة سوف يمر فيها تيار كهربائي I بالاتجاه المبين في الشكل (18-1)، عندئذ يمكن حساب فرق الجهد Vab عبر طرفي البطارية المتمثل بالنقطتين a و b وذلك بأخذ المجموع الجبري للتغيرات الحاصلة في الجهد عبر المسار من b إلى a مروراً بالنقطة c، أي:

أو
…….…(22-1)






















أي أن فرق الجهد بين طرفي بطارية اقل من قوتها الدافعة الكهربائية بمقدار حاصل ضرب التيار في المقاومة الداخلية للبطارية، وهذه حالة البطارية عندما تمر بعملية تفريغ Discharge . أما إذا كانت البطارية تمر بعملية شحن Charge ، أي لو كان التيار الكهربائي يتدفق خلال البطارية من الطرف الموجب إلى الطرف السالب، كما هو الحال من البطارية 12V في الدائرة شكل (19-1)، حيث يقوم المصدر في البطارية 24V بشحن البطارية 12V عندئذ ستجد أن فرق الجهد Vab عبر طرفي البطارية 12V اكبر من قوتها الدافعة الكهربائية بمقدار حاصل ضرب التيار في المقاومة الداخلية r للبطارية، أي :

أو
……….(23-1)

وسنعود إلى إيضاح شروط بناء هذه المعادلات في بند قادم.