القوة الدافعة الكهربائية

القوة الدافعة الكهربائيّة

مصطلح القوة الدافعة الكهربائية (بالإنجليزية: Electromotive Force) هو للأسف مصطلح تاريخي خاطئ، فالقوة الدافعة الكهربائية تُعبر ليس عن قوة، بل تُعبر عن فرق جهد، والفرق بين الكميتين كبير فعلى سبيل المثال تقاس القوة بوحدة النيوتن، بينما يُقاس فرق الجهد بوحدة الفولت (بالإنجليزية: Volt).^[١]

يوجد العديد من أنواع القوى الدافعة الكهربائية، فمنها ما يزوّدنا بتيار ثابت (بالإنجليزية: Direct Current) وعادةً ما يُختصر بDC، ومنها ما يزوّدنا بتيار متناوب (بالإنجليزية: Alternative Current) وعادةً ما يُختصر بAC. وفي هذا المقال سوف نقتصر بالحديث على مصدر قوة دافعة كهربائية يولد تياراً ثابتاً وسنستخدم كلمة "بطارية" للتعبير عن مصدر القوة الدافعة الكهربائية هذا.^[١]

مفهوم القوة الدافعة الكهربائية

القوة الدافعة الكهربائية هي كما قلنا سابقاً فرق جهدٍ كهربائي، وبمعرفتنا للقوة الدافعة الكهربائية فإن مقدار القوة الدافعة الكهربائية هي أكبر فرق جهد يمكن للبطارية توليده بين طرفيها، ويمكن التفكير بمصادر القوة الدافعة الكهربائية على أنها مضخات للشحنات، حيث إنها تقوم بضخ الشحنات من المنطقة ذات الجهد المنخفض إلى المنطقة ذات الجهد المرتفع (بكلمات علمية أكثر فإن البطارية تقوم ببذل شغل على الشحنات حتى تنقلهم من القطب السالب ذي الجهد المنخفض إلى القطب الموجب ذي الجهد المرتفع، وهذه هي حركة الشحنات داخل البطارية).^[١]

المقاومة الداخلية للبطارية

في الحالة المثالية للبطاريّات يكون فرق الجهد بين طرفي البطارية مساوياً لمقدار القوة الدافعة الكهربائية للبطارية، ولكن للأسف الحالة المثالية غير موجودة فعليّاً، ففي أرض الواقع يوجد مقاومة داخلية للبطارية وسبب هذه المقاومة هو أن البطارية مصنوعة من مادةٍ ما، ولكل مادةٍ مقاومة تعتمد على درجة حرارة المادة ونوعها. وعادةً ما يرمز للمقاومة الداخلية (بالإنجليزية: Internal Resistance) بالرمز r.^[١]

إذاً بسبب وجود المقاومة الداخلية فإن فرق الجهد بين طرفي البطارية سوف يكون أقل من مقدار القوة الدافعة الكهربائية، ولكن هذه الحالة فقط إذا كان التيار يتحرك خارج البطارية من القطب الموجب الى القطب السالب، ويكون مقدار هذا النقصان هو Ir، حيث إن I هو مقدار التيار الكهربائي المار بالبطارية، لكن في بعض الحالات فإن مقدار فرق الجهد بين طرفي البطارية سوف يزداد وذلك عندما يتجه التيار من القطب السالب إلى القطب الموجب. لكن في الحالة التي يكون فيها مقدار فرق الجهد بين طرفي البطارية قد قل عن مقدار القوة الدافعة الكهربائية فإن مقدار فرق الجهد بين طرفي البطارية سوف يُعطى بالعلاقة الآتية:

ΔV= ε-Ir

حيث إن ΔV هو فرق الجهد بين طرفي البطارية، ε هو مقدار القوة الدافعة الكهربائية، r هي مقدار المقاومة الداخلية للبطارية، وI هو مقدار التيار الكهربائي (لاحظ أن الإشارة السالبة هي بسبب اتّجاه التيار، فلو كان بالاتجاه المعاكس فإن الإشارة سوف تكون موجبة وستزداد قيمة فرق الجهد بين طرفي البطارية). من الواضح من هذه العلاقة أن الحالة الوحيدة التي يكون فيها فرق الجهد بين طرفي البطارية مساوياً لمقدار القوة الدافعة الكهربائية هي عندما تكون الدارة مفتوحة؛ ففي هذه الحالة I سوف تساوي صفراً.^[١]

من الجدير بالذكر أيضاً أنه عند شراء بطارية ما فإن قيمة فرق الجهد المكتوبة عليها هي مساوية لمقدار القوة الدافعة الكهربائية. ويمكن قياس فرق الجهد بين طرفي البطارية عملياً عن طريق وضع مقياس الجهد (بالإنجليزية: Voltmeter) بين طرفي البطارية، وبإجراء بعض الحسابات البسيطة بعد قياس قيمة التيار يمكننا الحصول على مقدار القوة الدافعة الكهربائية.^[٢]

الدارة الكهربائية البسيطة

تتكون الدارة الكهربائية البسيطة في أبسط حالاتها من بطارية، وأسلاك، ومقاومة خارجية (أو أكثر) تُعرف بمقاومة الحِمل (بالإنجليزية: Load Resistance)، ومقاومة الحمل هذه قد تكون مقاومة بسيطة أو سخّان كهربائي، أو مصباح، أو أي جهازٍ كهربائيٍ آخر. يتم استخدام مصطلح "حِمل" لأن المقاومة الخارجية تُمثل حِملاً على البطارية لأن البطارية سوف تقوم بتزويد المقاومة الخارجية بالطاقة حتى تعمل (أو يعمل الجهاز الكهربائي الموصول مع البطارية).^[١]

لنقل الآن أن لدينا دارة تتكون من مقاومة وبطارية متصلتان مع بعضهما البعض، ويجب أن يكون فرق الجهد بين طرفي البطارية مساوياً لفرق الجهد بين طرفي المقاومة، وباستخدام قانون أوم يمكن إيجاد فرق الجهد بين طرفي المقاومة الخارجية حيث إنه يُعطى بالعلاقة الآتية:^[١]

ΔV=IR

حيث إن ΔV هو فرق الجهد بين طرفي المقاومة، I هو مقدار التيار المار في المقاومة، وR هي مقدار المقاومة الخارجية. الآن عند تعويض هذه العلاقة في ΔV= ε-Ir (هذا جائز لأن فرق الجهد بين طرفي المقاومة مساوٍ لفرق الجهد بين طرفي البطارية كما ذكرنا سابقاً) يمكن الحصول على العلاقة الآتية:^[١]

IR= ε-Ir ومنها ε=IR Ir،

وباستخدام هذه العلاقة يمكننا الحصول على التيار حيث إنه يساوي ε مقسوماً على مجموع المقاومات الداخلية والخارجية، وهذا يعني اعتماد التيار على كلا المقاومتين الداخلية والخارجية.^[٣][١]

أخيراً، وكما يحصل غالباً في الحياة اليومية إذا كان مقدار المقاومة الخارجية أكبر بكثير من مقدار المقاومة الداخلية ففي هذه الحالة يمكننا إهمال قيمة المقاومة الداخلية وإكمال الحساب بدونها والحصول على نتائج جيدة.^[١]

حسابات الدائرة الكهربائيّة

• مثال توضيحي: إذا كان مقدار المقاومة الخارجيّة يساوي 4 أوم، والقوة الدافعة الكهربائيّة تساوي 18 فولت، والمقاومة الداخليّة تساوي 2 أوم، المطلوب: حساب شدة التيار الكهربائيّ في الدائرة الكهربائيّة.
• الحل:

بما أنّ قيمة القوة الدافعة الكهربائيّة معطاة في المثال، إذاً يمكن استخدام العلاقة التي توصّلنا إليها سابقاً، والتي هي: I=ε/R r.

بمعنى: (قيمة التيار الكهربائيّ تساوي قيمة القوة الدافعة الكهربائيّة، مقسومةً على قيمة المقاومة الخارجيّة، مضافاً إليها قيمة المقاومة الداخلية).

بتعويض الأرقام: I=18/4 2،

إذاً إن قيمة شدة التيار الكهربائي هي: I= 3 أمبير.

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر} Raymond A. Serway (2004), Physics for Scientists and Engineers, USA: Thomson Brooks/Cole, Page 859-861 , Part 6th edition. Edited.
2. ↑ "In this experiment, we will measure the e.m.f. and the internal resistance of a dry cell.", www.markedbyteachers.com, Retrieved 13-2-2018. Edited.
3. ↑ "Electromotive Force and Internal Resistance", physicsnet.co.uk, Retrieved 13-2-2018. Edited.