وحدة قياس التيار الكهربائي

عنوان المقال: وحدة قياس التيار الكهربائي

مقدمة

التيار الكهربائي هو أحد المفاهيم الأساسية في علم الفيزياء والكهرباء، وهو العنصر الحاسم في تشغيل الأجهزة الإلكترونية والكهربائية التي تشكل جزءاً لا يتجزأ من حياتنا اليومية. لفهم عمل هذه الأجهزة، لا بد من فهم طبيعة التيار الكهربائي، وكيفية قياسه، ووحدة قياسه في النظام الدولي للوحدات، والعوامل المؤثرة فيه، والوسائل العملية التي يتم بها رصده وتحليله. يتناول هذا المقال بشكل مفصل وشامل وحدة قياس التيار الكهربائي، من الناحية النظرية والتطبيقية، ويشرح الأسس الفيزيائية التي تحدد هذا المفهوم الحيوي، بالإضافة إلى الأدوات المستخدمة في قياسه، واستخداماته في الحياة العملية.

تعريف التيار الكهربائي

التيار الكهربائي هو حركة الشحنات الكهربائية، عادةً الإلكترونات، داخل موصل مثل الأسلاك المعدنية. ويتم تعريفه فيزيائياً بأنه معدل مرور الشحنة الكهربائية عبر مقطع من الدائرة خلال وحدة زمنية. إذا مرت شحنة مقدارها 1 كولوم في ثانية واحدة عبر موصل، فإن التيار الكهربائي يكون 1 أمبير.

رياضياً يُعبر عن التيار بالعلاقة:

I = Q / t

حيث:

• I: التيار الكهربائي (بالأمبير)

• Q: كمية الشحنة (بالكولوم)

• t: الزمن (بالثانية)

وحدة قياس التيار الكهربائي: الأمبير

الوحدة الأساسية لقياس التيار الكهربائي في النظام الدولي للوحدات (SI) هي الأمبير (Ampere)، ويرمز لها بالرمز A. وقد سُميت هذه الوحدة على اسم العالم الفرنسي أندريه ماري أمبير، أحد مؤسسي علم الكهرباء والمغناطيسية.

يعرف الأمبير بأنه التيار الثابت الذي إذا مر في سلكين مستقيمين ومتوازيين، وطويلين جداً، وموضوعين في الفراغ وعلى بعد متر واحد من بعضهما البعض، فإنه يولد بين السلكين قوة تجاذب مقدارها 2 × 10⁻⁷ نيوتن لكل متر من الطول. هذا التعريف الذي تم اعتماده قديماً يرتكز على التفاعل المغناطيسي بين التيارات، ولكنه حالياً أصبح مرتبطاً بتعريف أكثر دقة يعتمد على الثوابت الفيزيائية الأساسية.

ابتداءً من عام 2019، أصبح تعريف الأمبير قائماً على الشحنة الأولية للإلكترون، وهي:

e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ كولوم

وبالتالي فإن:

1 أمبير = تدفق 1 / (1.602176634 × 10⁻¹⁹) ≈ 6.241 × 10¹⁸ إلكترون في الثانية

أدوات قياس التيار الكهربائي

لقياس التيار الكهربائي بدقة، يتم استخدام أدوات وأجهزة إلكترونية متخصصة، أهمها:

1. الأميتر (Ammeter)

هو الجهاز الأساسي لقياس التيار الكهربائي، ويُوصل دائماً على التوالي في الدائرة الكهربائية لكي تمر به كامل الشحنة. يتم تصميم الأميتر ليكون ذو مقاومة داخلية منخفضة للغاية، حتى لا يؤثر على التيار المراد قياسه. تتوفر منه نماذج تقليدية (تماثلية) وأخرى رقمية (ديجيتال)، وتُستخدم في المختبرات والمؤسسات الصناعية والتعليمية.

2. الملتيميتر (Multimeter)

جهاز متعدد الاستخدامات يُستخدم لقياس التيار الكهربائي، والجهد (الفولت)، والمقاومة (الأوم). يحتوي على وضعية قياس التيار ويعمل كأميتر عند اختيار هذا الوضع. يستخدم على نطاق واسع لصيانة الأجهزة الإلكترونية والكهربائية.

3. كلّامب ميتر (Clamp Meter)

جهاز يُستخدم لقياس التيار دون الحاجة إلى قطع الدائرة أو إدخال الجهاز على التوالي، حيث يحتوي على فكّيْن يُفتحان حول السلك. ويستفيد هذا الجهاز من الحقل المغناطيسي الناتج عن التيار الكهربائي لقياسه بدقة دون تلامس مباشر.

أنواع التيار الكهربائي

يتخذ التيار الكهربائي نوعين رئيسيين يختلفان من حيث الطبيعة والاتجاه:

1. التيار المستمر (DC)

يتدفق في اتجاه واحد فقط، كما هو الحال في البطاريات وخلايا الطاقة الشمسية. ويكون ثابت القيمة ولا يتغير مع الزمن.

2. التيار المتردد (AC)

يعكس اتجاهه بشكل دوري، ويستخدم في الشبكات الكهربائية المنزلية والصناعية. تردده في معظم الدول هو 50 أو 60 هرتز، ويتميز بسهولة نقله لمسافات طويلة وكفاءة استخدامه.

العوامل المؤثرة في قيمة التيار الكهربائي

تعتمد شدة التيار الكهربائي في دائرة معينة على عدة عوامل فيزيائية:

• فرق الجهد (Voltage): كلما زاد فرق الجهد بين طرفي الموصل، زادت شدة التيار.

• مقاومة الموصل (Resistance): تعيق المقاومة حركة الإلكترونات، وبالتالي تقلل من قيمة التيار.

• درجة الحرارة: تؤثر على مقاومة الموصل وبالتالي على التيار.

• نوع المادة الناقلة: تختلف الموصلية الكهربائية بين المعادن والمواد الأخرى.

• طول الموصّل وسمكه: فكلما زاد طول السلك زادت مقاومته، وكلما زاد قطره قلت المقاومة.

العلاقة بين التيار والجهد والمقاومة

تُعبر قانون أوم عن العلاقة الأساسية بين التيار والجهد والمقاومة:

V = I × R

حيث:

• V: الجهد الكهربائي (فولت)

• I: التيار الكهربائي (أمبير)

• R: المقاومة (أوم)

من هذا القانون يمكن حساب التيار:

I = V / R

قياسات التيار في الدوائر العملية

في التطبيقات اليومية، يتم قياس التيار بأحجام مختلفة حسب نوع الدائرة:

الأخطار المتعلقة بالتيار الكهربائي

شدة التيار الكهربائي لها تأثير مباشر على جسم الإنسان، ولذلك يعتبر قياسها بدقة مسألة تتعلق بالسلامة. حتى التيارات الصغيرة مثل 0.03 أمبير يمكن أن تسبب صدمات كهربائية خطيرة. ولهذا السبب، تحتوي الأنظمة الكهربائية على قواطع تيار وفواصل حماية تعمل على فصل الدائرة عند تجاوز التيار حداً معيناً.

استخدامات قياس التيار في الحياة العملية

• الهندسة الكهربائية: في تصميم الدوائر الكهربائية واللوحات الصناعية.

• الصيانة والإصلاح: لتحديد الأعطال في الأجهزة الكهربائية.

• الاختبارات التعليمية: في مختبرات المدارس والجامعات.

• أنظمة الطاقة الشمسية: لحساب كمية التيار المولد والمستهلك.

• البحوث الفيزيائية: في دراسات الظواهر الكهربية والمغناطيسية.

الأجهزة الرقمية الحديثة لقياس التيار

تطورت أجهزة قياس التيار إلى نماذج رقمية متقدمة، تعتمد على تقنيات دقيقة مثل:

• الحساسات المغناطيسية: لقياس التيار دون تماس مباشر.

• أنظمة جمع البيانات الرقمية: لقياس التيار وتحليله وتخزينه.

• واجهات الحاسوب: حيث يتم وصل الأميتر بالحاسوب لتحليل القراءات بدقة أكبر.

التيار الكهربائي في أنظمة الطاقة

في أنظمة توزيع الكهرباء، يُعد قياس التيار ضرورة قصوى لتحقيق توازن الشبكة ومنع التحميل الزائد. ويستخدم في هذه الأنظمة أجهزة قياس متقدمة تقيس التيار في الوقت الحقيقي وتربطه بأنظمة الذكاء الصناعي والتحكم المركزي.

أهمية معايرة أجهزة القياس

لضمان دقة قراءة التيار الكهربائي، يتم معايرة أجهزة القياس دورياً في مختبرات معتمدة، باستخدام مصادر تيار مرجعية موثوقة. وتُعد هذه الخطوة ضرورية في المنشآت الصناعية والبحثية والطبية.

العلاقة بين الكولوم والأمبير

الشحنة الكهربائية تُقاس بالكولوم، بينما التيار يُقاس بالأمبير. العلاقة بينهما زمنية بطبيعتها. عندما تمر شحنة مقدارها 1 كولوم خلال ثانية واحدة، يكون التيار 1 أمبير. وبالتالي:

1 كولوم = 1 أمبير × 1 ثانية

خاتمة

قياس التيار الكهربائي يشكل محوراً أساسياً في كل من الفيزياء النظرية والتطبيقات الهندسية الحديثة، ويعد “الأمبير” وحدة قياس معيارية معترف بها دولياً، تم تطوير تعريفها لتواكب التقدم في تقنيات القياس والبحث العلمي. تتنوع أدوات قياس التيار من الأجهزة البسيطة مثل الأميتر إلى النظم الرقمية المعقدة المستخدمة في أنظمة التحكم والطاقة الذكية. ويتطلب قياس التيار معرفة دقيقة بكافة العوامل التي تؤثر فيه، وتوفير بيئة آمنة للقيام بذلك، نظراً لأهمية هذا العنصر في تشغيل الأنظمة الكهربائية وحماية الإنسان والمعدات.

المراجع:

1. Horowitz, P. & Hill, W. The Art of Electronics, Cambridge University Press.

2. International Bureau of Weights and Measures (BIPM), SI Brochure – 9th Edition (2019).