قانون القوة الدافعة الكهربائية

القوة الدافعة الكهربائية

القوة الدافعة الكهربائية والتي تُختصر بـ EMF، وهي الطاقة اللازمة لكل شحنة كهربائية يتم نقلها بواسطة مصدر طاقة كالمولد الكهربائي أو البطارية، فالطاقة تتحول من شكل إلى أخر داخل المولد أو البطارية حيث يبذل الجهاز شغل على الشحنة الكهربائية والتي تبدأ بالانتقال داخل الجهاز نفسه، والقطب الأول للجهاز يصبح مشحونًا بالشحنة الموجبة، أما القطب الثاني مشحون بالشحنة السالبة، حيث يعرف الشغل المبذول على الشحنة الكهربائية أو الطاقة التي تكتسبها تلك الشحنة بالقوة الدافعة الكهربائية، فالقوة الدافعة الكهربائية هي خاصية لمصدر طاقة قادرعلى تحريك الشحنات الكهربائية داخل الدارة الكهربائية، وهي تقاس بوحدة الفولت وهذا يعني أنها جهد، وهذا المقال سوف يتحدث عن قانون القوة الدافعة الكهربائية.^[١]

قانون القوة الدافعة الكهربائية

من ناحية أخرى يمكن تعريف القوة الدافعة الكهربائية على أنها جهاز يحول أيّ شكل من أشكال الطاقة إلى طاقة كهربائية،^[٢]ولفهم قانون القوة الدافعة الكهربائية مثلًا وبالتطبيق على دارة كهربائية بسيطة لمصباح ذو جهد 12 فولت فيمكن توضيحه كالآتي:^[٣]

• يتم توصيل الدارة الكهربائية البسيطة بمصدر وهي بطارية 12 فولت، حيث تتكون البطارية من قطبين القطب الأول لديه فرق الجهد أعلى من القطب الثاني حيث يسمى هذا القطب القطب الموجب ويرمز له برمز الجمع +، أما القطب الثاني والذي يمتلك فرق الجهد الأقل فيسمى هذا القطب القطب السالب ويرمز له برمز الطرح -، وهذا هو مصدر القوة الدافعة الكهربائية.
• على افتراض أن مصدر القوة الدافعة الكهربائية وهي البطارية غير متصل مع المصباح، فبالتالي لن تتدفق الشحنات داخل مصدر القوة الدافعة الكهربائية، وبمجرد توصيل البطارية مع المصباح وبالوضع التقليدي تبدأ الشحنات بالتدفق من القطب الموجب للبطارية خلال المصباح بالتالي تسبب إضاءة المصباح، ثم تعود الشحنات إلى القطب السالب للبطارية وهذه حالة تدفق التيار الموجب.
• يعتبر مصدر القوة الدافعة الكهربائية كمضخة للشحنات الكهربائية، إذ تنتقل الشحنات السالبة من القطب الموجب إلى القطب السالب للحفاظ على فرق الجهد، فهذا يزيد من الطاقة الكامنة للشحنات وبالتالي زيادة الجهد الكهربائي للشحنات، وتكون القوة على الشحنة السالبة في الإتجاه المعاكس للمجال الكهربائي، ولكي يتم نقل الشحنات السالبة إلى القطب السالب يجب أن يُبذل شغل على هذه الشحنات السالبة، وهذا يتطلب طاقة يمكن الحصول عليها عن طريق التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل البطارية، وكل هذا مع بقاء الجهد عاليًا على القطب الموجب ومنخفض على القطب السالب وذلك للحفاظ على فرق الجهد بين القطبين، وتتساوى القوة الدافعة الكهربائية مع الجهد المبذول على كل وحدة شحنة وذلك عند عدم تدفق أيّ تيار.
• يمثل قانون القوة الدافعة الكهربائية مقدار الشغل الذي يبذله المصدر على وحدة الشحنة الكهربائية، ورياضيًا: ϵ=dW/dq، حيث يقاس الشغل بوحدة الجول والشحنة بوحدة الكولوم بالتالي تقاس القوة الدافعة الكهربائية ϵ بوحدة جول/كولوم وهي الفولت 1V=1J/C.

أنواع مصدر الجهد الكهربائي

يعرّف الجهد الكهربائي أو الفولتية بأنه الفرق في الطاقة الكامنة لكل وحدة شحنة بين نقطتين في مجال كهربائي، ^[٤] ودائمًا ما يكون لمصدر الجهد الكهربائي قطبين واحد موجب والآخر سالب إذ يوّفر جهد وبالتالي توليد تيار كهربائي، وتعد البطارية أهم مصدر من مصادر الجهد الكهربائي حيث تنقسم مصادر الجهد من البطارية إلى قسمين وهما مصدر الجهد المثالي ومصدر الجهد الحقيقي، كالآتي: ^[٣]

مصدر جهد مثالي أيّ البطارية المثالية

تعتبر البطارية المثالية مصدر القوة الدافعة الكهربائية التي تحافظ على فرق الجهد بين طرفي البطارية ثابت V _terminal، إذ تكون الدارة الكهربائية بدون حمل كهربائي متصل بالأقطاب، كما أنها لا تعتمد على التيار بين القطبين، حيث أن البطارية المثالية لاتحتوي على مقاومة داخلية ويكون فيها فولتية القطب تساوي قيمة القوة الدافعة الكهربائية للبطارية.

مصدر جهد حقيقي أيّ البطارية حقيقية

تحتوي البطارية الحقيقية Real Battery على مقاومة داخلية ودائمًا يكون فرق الجهد بين طرفي البطارية أقل من قيمة القوة الدافعة الكهربائية للبطارية، وتعرّف المقاومة الداخلية بأنها كمية مقاومة تدفق التيار داخل مصدر الجهد في الدارة ورمزها r.

وعلى فرض أن المقاومة الخارجية وهي مقاومة الحمل ورمزها R، يتم توصيلها عبر أقطاب البطارية التي تحتوي على مقاومة داخلية وقوة دافعة كهربائية واستخدام تدفق التيار التقليدي حيث تتدفق الشحنات من القطب الموجب للبطارية خلال المقاومة ثم تعود إلى القطب السالب للبطارية، إذ يعتمد فرق الجهد لأقطاب البطارية على القوة الدافعة الكهربائية، المقاومة الداخلية والتيار،وتمثل العلاقة رياضيًا كالآتي:

الجهد عند الأقطاب=القوة الدافعة الكهربائية-الهبوط في الجهد

أو V _terminal=ϵ−Ir

حيث يقل فرق الجهد بين الأقطاب كلما زادت قيمة التيار وذلك بسبب الهبوط بالفولتية Ir للمقاومة الداخلية، كما يتم حساب التيار الكهربائي المار في مقاومة الحمل R من خلال القانون التالي I=ϵ/r+R، حيث أنه كلما قلت المقاومة الداخلية r يزداد التيار ومصدر الجهد الذي يزود مقاومة الحمل، وكلما تم استنزاف البطارية تزداد قيمة r.

المراجع[+]

1. ↑ "Electromotive force", www.britannica.com, Retrieved 26-06-2019. Edited.
2. ↑ "Cells, EMF and Internal Resistance", www.toppr.com, Retrieved 29-06-2019. Edited.
3. ^ ^{أ ب} "Electromotive Force", phys.libretexts.org, Retrieved 28-06-2019. Edited.
4. ↑ "Electric potential", www.khanacademy.org, Retrieved 01-07-2019. Edited.