التأثير الحراري للتيار الكهربائي

التيار الكهربائي

لا يمكن الاستغناء عن الكهرباء في هذا الزمان، حيث أصبحت الحياة اليومية باختلاف أنشطتها تعتمد اعتمادا كليًّا على الكهرباء، فقد أحدث العالِم أديسون نقلة نوعية في العِلم حين اخترع المصباح الكهربائي ومن حينها أصبحت الكهرباء مركز الاهتمام لتطوير وتحسين حياة البشرية، فالكهرباء عبارة عن شحنات -سواء كانت إلكترونات أو أيونات- عندما تتجمع في مكان واحد تسمى كهرباء ساكنة وعندما تتدفق خلال سلك يطلق عليها مسمّى التيار الكهربائي، وسيناقش هذا المقال التأثير الحراري للتيار الكهربائي.

التأثير الحراري للتيار الكهربائي

عندما يمر التيار الكهربائي عبر موصل ما تتولد طاقة حرارية^[١]، ويعتمد تأثير هذه الحرارة على ثلاث عوامل رئيسة: مدى مقاومة الموصل الكهربائي-كلما زادت المقاومة تزيد الحرارة-، زمن سريان التيار الكهربائي-كلما زاد الزمن زادت الحرارة-، وأخيرًا كلما زاد التيار الكهربائي تزيد الحرارة الناتجة منه، وقد تم توضيح هذه العلاقة في قانون جول الذي ينص رياضيًا على:
الحرارة التي ينتجها تيار كهربائي = مربع التيار الكهربائي*مقاومة الموصل*الزمن.^[٢]
إن مرور التيار الكهربائي في بعض العناصر يكون أسرع من الأخرى؛ فعندما يسري التيار الكهربائي في النحاس والألمنيوم تنتقل الالكترونات بسهولة من ذرة إلى أخرى، لهذا السبب استخدامهما شائع في صناعة الأسلاك، ومن جهة مقابلة إذا مر تيار كهربائي في سلك حديدي فإن الإلكترونات ستنتقل بشكل أصعب وأبطأ نتيجة لوجود إلكترونات الذرات في مدارات قريبة من النواة، إلا أن على الطاقة التي قد اكتسبتها الإلكترونات الظهور بشكل أو بآخر، وبحسب قوانين الديناميكا الحرارية فإن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم إنما تتحول من شكل إلى آخر، وفي هذه الحالة تحولت الطاقة إلى إشعاع كهرومغناطيسي أو ما يعرف بالحرارة، وتنبعث من الذرات في السلك ليصبح ساخنًا بما فيه الكفاية ليتوهج باللون الأحمر.^[٣]

وهناك العديد من العناصر الأخرى المستخدمة عند تحويل الكهرباء لحرارة أشهرها النيكروم -خليط من المعادن أساسها النيكل والكروم-، ومن أهم خصائص النيكروم أنه يمتلك درجة انصهار عالية تصل إلى 1400 درجة مئوية، كما أنه لا يتأكسد ولا يتمدَّد كثيرًا عند ارتفاع حرارته، كما أن له مقاومة مقبولة وثابتة نسبيًّا، فقد يستخدم النيكروم كما هو أو قد يضاف إلى مواد أخرى كالسيراميك لجعله أكثر مقاومة للحرارة.^[٤]

تطبيقات التأثير الحراري للتيار الكهربائي

العديد من الأجهزة تستند على مبدأ التأثير الحراري للتيار الكهربائي في عملها ومن أشهرها المكواة، مجفف الشعر وسخان المياه، فعند مرور التيار الكهربائي في هذه الأجهزة ترتفع حرارتها في حين تبقى الأسلاك باردة، كما ينطبق هذا على المصباح الكهربائي؛ حيث يصنع الفتيل الذي بداخله من مادة التنجستن الذي له مقاومة عالية مما يجعل الحرارة الناتجة من سريان التيار الكهربائي فيه أعلى مما يولد الضوء أيضًا^[١]، كما يلعب التأثير الحراري للتيار الكهربائي دورا مهما كآلية حماية وتنبيه؛ فالقاطع الكهربائي يصنع من مواد تنصهر بسرعة عندما يتعدى التيار الكهربائي حدًّ معينًا، مما يغلق الدارة الكهربائية مانعًا فرصة حدوث حرائق.^[٥]

المراجع

1. ^ ^{أ ب} "How Does Electrical Current Flow?", www.thespruce.com, Retrieved 14-8-2019. Edited.
2. ↑ "What are the causes of the heating effects of an electric current?", www.quora.com, Retrieved 14-8-2019. Edited.
3. ↑ "What are the heating effects of electric current?", www.quora.com, Retrieved 7-8-2019. Edited.
4. ↑ "Heating elements", www.explainthatstuff.com, Retrieved 7-8-2019. Edited.
5. ↑ "How does the use of electric fuse protect electrical alliance?", www.quora.com, Retrieved 14-8-2019. Edited.