إن البرق ما هو إلا شرارة كبيرة شرارة معقدة، لكنه لا يزال شرارة. لكنك قد تتساءل ما هو الشرر؟ كي نفهم الشرر لا بد أن نفهم أمرًا غاية في الأهمية يتعلق بالشحنة الكهربية. فالشحنات الكهربية كلها تنتج حقولا كهربية غير مرئية، تماما كما تنتج الكتل جميعها حقول جاذبية غير مرئية. تستطيع الإحساس بالحقول الكهربية عندما تأتي بجسمين ذوي شحنتين متعارضتين وتقرب أحدهما من الآخر وترى التجاذب الذي يحدث بينهما. وكذلك فإنك عندما ترى القوة الصادة التي تنشأ بين جسمين ذوي شحنتين متماثلتين فيتنافران إنما ترى تأثيرات الحقول الكهربية الناشئة بين الأجسام.

نقيس قوة ذلك الحقل عن طريق وحدات الفولت لكل متر. ليس من اليسير حقيقة أن أفسر لك ما هو الفولت، ناهيك عن الفولت في كل متر، لكنني سوف أحاول. الجهد الكهربي Voltage لجسم ما هو مقياس لما يسمى بالكمون الكهربي Electric Potential. سوف نعين الكمون الكهربي للأرض بصفر. ومن ثم فإن الجهد الكهربي للأرض يساوي صفرًا. والجهد الكهربي للجسم المشحون شحنا موجبا موجب؛ ويعرف بكونه كم الطاقة الذي يتعين عليَّ أن أنتجه كي آتي بالوحدة الموجبة للشحنة (+1 كولوم والتي هي شحنة قدرها نحو 10¹⁸ × 6 بروتون) من الأرض أو من أي جسم موصل متصل بالأرض (كصنابير المياه الموجودة في منزلك) إلى ذلك الجسم المشحون شحنا موجبًا. لماذا يتعين علي أن أنتج طاقة كي أحرك وحدة الشحنة تلك؟ تذكر أن ذلك الجسم لو كان مشحونا شحنا. موجبًا فلسوف يتنافر مع وحدة الشحنة الموجبة. ومن ثم يتعين علي أن أولد طاقة (في الفيزياء نقول يتعين علي أن أقوم بعمل ما) كي أتغلب على تلك القوة الصادة. ووحدة الطاقة هي الجول Joule. إذا تعين علي أن أولّد قدرًا من الطاقة يساوي 1 جول فإن الكمون الكهربي لذلك الجسم يساوي +1 فولت. وإذا تعين علي أن أولد 1000 جول فإن الجهد الكهربي يساوي +1000 فولت.

ماذا إذا كان الجسم مشحونا شحنا سالبًا؟ حينها يكون الكمون الكهربي سالبا ويعرف بأنه الطاقة التي يتعين علي توليدها كي أنقل وحدة الشحنة السالبة (– 1 كولوم أي نحو 10¹⁸ × 6 إلكترون) من الأرض إلى ذلك الجسم. إذا كان قدر الطاقة 150 جول، فإن الكمون الكهربي للجسم يساوي – 150 فولت.

ومن ثم فإن الفولت هو وحدة الكمون الكهربي. ولقد سميت هذه الوحدة على اسم الفيزيائي الإيطالي اليساندرو فولتا Alessandro Volta الذي صنع في عام 1800 أول خلية كهربية من نوعها والتي نسميها اليوم بالبطارية. لاحظ أن الفولت ليس وحدة للطاقة؛ وإنما هو وحدة الطاقة لكل وحدة شحنة (جولكولوم).

يسري التيار الكهربي من الكمون الكهربي الأعلى إلى مثيله الأسفل. أما مقدار قوة ذلك التيار فيعتمد على الفارق في الكمون الكهربي وعلى المقاومة الكهربية بين الجسمين. فالعوازل ذات مقاومة كبيرة، أما المعادن فهي ذات مقاومة منخفضة. كلما زاد الفارق في الجهد الكهربي، وكلما انخفضت المقاومة زاد التيار الكهربي الناتج. يبلغ فارق الكمون بين فتحتي مخرج الكهرباء في جدر منازل الولايات المتحدة 120 فولت (يبلغ 220 فولت في أوروبا)؛ لكن هذا التيار متردد. نسمي وحدة التيار الأمبير (Ampere (amp على اسم الرياضي والفيزيائي الفرنسي آندري ماري أمبير André–Marie Ampere. إذا كان التيار الذي يمر في سلك ما هو 1 أمبير، فهذا يعني أن شحنة قدرها 1 كولوم تمر في كامل السلك في كل ثانية.

ماذا عن الشرر إذن؟ كيف لكل ذلك أن يفسره؟ لو حككت حذاءك حكا شديدا في السجادة، فإنك خلقت فارقًا كبيرًا في الكمون الكهربي، بينك وبين الأرض، أو بينك وبين مقبض الباب المعدني الذي يفصلك عنه نحو ستة أمتار، فارقًا قدره نحو 30,000 فولت هذه الفولتات الـ 30,000 تغطي مسافة الأمتار الستة، أو يكون في كل متر 5000 فولت إذا اقتربت من الباب فلن يتغير فارق الكمون الذي بينك وبين مقبض الباب، لكن المسافة ستقصر ومن ثم ستزداد قوة الحقل الكهربي. لكن عندما تكون على وشك أن تلمس المقبض، سيصير الفارق 30,000 فولت في مسافة تبلغ نحو 1 سنتيمتر. أي نحو 3 ملايين فولت في المتر الواحد.

عند هذه القيمة العالية للحقل الكهربي (في هواء جاف عند 1 جو) يحدث ما نسميه بالانهيار الكهربي. سوف تقفز الإلكترونات تلقائيًا إلى فجوة قدرها 1 سنتيمتر مؤينة الهواء مع فعلها ذلك. وهو الأمر الذي سيخلق بدوره المزيد من الإلكترونات التي ستصنع القفزة التي سينتج عنها الانهيار مسببًا شررًا. سيندفع التيار الكهربي خلال الهواء تجاه إصبعك قبل أن تلمس مقبض الباب أراهن على أنك الآن ترتجف متذكرًا آخر مرة أصابتك فيها تلك الصدمة الصغيرة الجميلة. وذلك الألم الذي أحسستم به من تلك الشرارة يحدث لأن التيار الكهربي يجعل أعصابك تنقبض بشكل سريع غير محبب.

ما مصدر تلك الضوضاء صوت القرقعة ذلك، الذي تسمعه عندما تصاب بتلك الصدمة؟ الإجابة سهلة. يقوم التيار الكهربي بتسخين الهواء بسرعة شديدة جدا، وهو الأمر الذي ينتج موجة ضغط صغيرة، موجة صوتية تصل إلى مسامعنا. لكن الشرارات تصدر الضوء أيضًا – رغم أنك قد لا تتمكن من رؤية ذلك الضوء خلال النهار، وأحيانًا تراه. لكن الكيفية التي ينتج بها هذا الضوء أكثر تعقيدًا بعض الشيء. فهو ينتج عندما تعود الأيونات التي خلقت في الهواء لتندمج مع الإلكترونات الموجودة في الهواء وتبث بعض الطاقة المتاحة في صورة ضوء. وحتى إذا لم تستطع أن ترى ضوء الشرر (لأنك لا تواجه مرآة في غرفة مظلمة) فسوف تستطيع سماع صوت القرقعة عندما تمشط شعرك في يوم ذو طقس جاف جدا.

لو فكرت في الأمر لوجدت أنك، دون جهد كبير، عندما تمشط شعرك أو تنضو قميصك المصنوع من البوليستر، تخلق عند نهايات شعرك أو على سطح قميصك حقولاً كهربية بها ثلاثة ملايين فولت في كل متر. لذا فإنك إذا اقتربت من مقبض الباب وشعرت بالصدمة الكهربية من بعد 3 ملليمترات مثلا فإن الفارق في الجهد بينك وبين المقبض سيبلغ نحو 10,000 فولت.

قد يبدو ذلك فارقًا كبيرًا، لكن معظم الكهرباء الاستاتيكية غير خطيرة على الإطلاق، وذلك مرده في الأساس إلى أن التيار الكهربي (عدد الشحنات التي تمر خلالك في فترة معينة من الزمن)، حتى وهو ذو جهد كهربي عال، تيار صغير جدا. فلو لم تكن تتأذى من تلك الصدمات الصغيرة، يمكنك أن تجري التجارب باستخدامها، وتحظى ببعض المرح وتجري العروض الفيزيائية في ذات الوقت. لكن لا تقم أبدا بإيلاج أي معادن في منافذ الكهرباء بمنزلك. قد يكون ذلك في منتهى الخطورة، بل إنه قد يهدد حياتك.

جرب أن تشحن نفسك عن طريق فرك جلدك بالبوليستر (بينما تنتعل حذاءً ذا نعل مطاطي، أو تنتعل خفا حتى لا تتسرب الشحنة إلى الأرض). أطفئ الضوء وقرب إصبعك ببطء من المصباح المعدني أو مقبض الباب. سوف يتسنى لك أن ترى شرارة تقفز في الهواء بين المعدن وإصبعك قبل أن يتلامسا. وكلما زاد شحنك لنفسك ازداد الفارق في الجهد الكهربي الذي ستخلقه بينك وبين مقبض الباب، وهو الأمر الذي سيقوم بدوره بتعظيم الشرر وتعلية الصوت.

واحد من تلاميذي كان لا يفتأ يشحن نفسه طوال الوقت دون أن يعي ذلك. فقد أبلغني أنه يملك رداء حمام مصنوع من البوليستر لا يرتديه إلا في الشتاء. وقد اتضح أن ذلك كان خيارًا غير موفق؛ لأنه كان كلما خلع رداءه يشحن نفسه ثم يصاب بالصدمة عندما يطفئ مصباحه المعدني الموجود بجوار سريره. فقد اتضح أن جلد الإنسان هو واحد من أكثر المواد ذات الشحنة الموجبة في سلسلة الاحتكاك الكهربي، والبوليستر واحد من أكثر المواد ذات الشحنة السالبة. لذلك يجدر بك أن ترتدي قميصا من البوليستر إذا أردت أن ترى الشرارات تطير أمام المرآة في غرفتك المظلمة لا رداء حمام من البوليستر.

ولتبيان الكيفية التي بها يشحن الناس بطريقة دراماتيكية (ومرحة للغاية أيضًا)، أدعو أحد تلاميذي الذي يرتدي سترة من البوليستر كي يجلس على كرسي بلاستيكي مقابلا لبقية الصف (البلاستيك عازل ممتاز). ثم أقوم، وأنا أقف على سطح زجاجي كي أعزل نفسي عن الأرض بضرب التلميذ بفراء قطة. وأستمر في ضربه لنصف دقيقة أو نحوها وسط قهقهات بقية التلاميذ بسبب بقاء الطاقة أصير أنا وذلك التلميذ مشحونين بشحنات متناقضة، وكذلك سوف يتراكم فارق الكمون الكهربي بيننا. هنا أظهر لتلاميذ الصف أنني أحمل في يدي أحد طرفي مصباح نيون يدوي، ثم نقوم بإطفاء. جميع الأضواء في قاعة الدرس فيسود الظلام الدامس، ثم ألمس التلميذ بطرف المصباح الأنبوبي الآخر، هنا يسطع الضوء (ويصاب كلانا بالصدمة الكهربية). لا بد أن فارق الكمون الكهربي بيني وبين التلميذ لم يقل عن 30,000 فولت. وذلك التيار الذي سرى خلال المصباح وخلال جسدينا أفقدنا الشحنة. إنه عرض غاية في الطرافة وغاية في الفاعلية.

وللاستزادة في سبر أغوار الكمون الكهربي، أستخدم جهازا رائعا يسمى مولد فان دي جراف، الذي يبدو ككرة معدنية بسيطة موضوعة فوق عامود أسطواني والواقع لا جهاز عبقري في إنتاجه إمكانات كهربية هائلة والجهاز الذي أملكه في قاعة الدرس قادر على إنتاج 300,000 فولت بحد أقصى، لكن هناك من هذه المولدات ما يستطيع إنتاج كمونات أعلى بكثير. إذا شاهدت محاضراتي الست الأولى على شبكة الإنترنت في مقرر الكهرباء والمغناطيسية (8.02) فستشاهد عددًا من العروض المضحكة التي أستطيع إجراءها عن طريق الفان دي جراف. سوف تراني أخلق انهيارًا في الحقل الكهربي – في شكل شرارات هائلة تنتج بين قبة الفان دي جراف الكبيرة والكرة المؤرضة الصغيرة (أي المتصلة بالأرض). سترى طاقة الحقل الكهربي غير المرئي تضيء مصباحًا فلورسنت أنبوبيًّا، وعندما يصير ذلك الأنبوب متعامدا على الحقل الكهربي ستراه «ينطفئ». بل إنك سترى أنه حتى في الظلام الدامس قمت أنا (لبرهة قصيرة) بلمس أحد طرفي الأنبوب، صانعا دائرة كهربية مع الأرض، فيتوهج الضوء بشدة أكبر. ستجدني أصرخ قليلا لأن الصدمة الكهربية كبيرة جدا رغم كونها غير خطيرة على الإطلاق.

لحسن الحظ لا يكفي الجهد الكهربي وحده لقتلك أو حتى إصابتك بأذى، فالأمر يتوقف على التيار الذي يمر خلال جسدك. والتيار هو كمية الشحنة في كل وحدة زمن، وهو الذي كما قلتُ آنفًا، يقاس بالأمبير التيار هو القادر على قتلك أو إيذائك، خاصة إذا كان مستمرًا. لماذا هو خطير؟ بكل بساطة لأن الشحنات التي تتحرك خلال جسدك تجعل عضلاتك تنقبض. فالتيارات الكهربية إذا كانت متدنية المستويات جدا فستجعل عضلاتك تنقبض أو تشتعل بعض الشيء، وهو الأمر الجوهري للبقاء على قيد الحياة. لكن إذا كان مستوى التيار عاليا فسيسبب انقباضا شديدا في العضلات والأعصاب، فيجعلها تنتفض بشكل مؤلم لا يمكن التحكم به. وإذا ازداد علو التيار أكثر فقد يجعل ذلك القلب يتوقف عن النبض.

لتلك الأسباب كان استخدام الكهرباء في التعذيب واحدا من الجوانب المظلمة في تاريخها – فهي قادرة على إحداث ألم لا يحتمل – وكذلك استخدامها في القتل كما يحدث في حالات الإعدام بالكرسي الكهربائي إذا كنتَ قد شاهدت فيلم مليونير العشوائيات Slumdog Millionaire فلعلك تذكر مشهد التعذيب الفظيع في قسم الشرطة، عندما وصل أفراد الشرطة المتوحشون قضبانًا كهربائية بجسد الشاب جمال فجعلوه ينتفض بعنف.

لكن المستويات المنخفضة من التيارات الكهربية قد تكون مفيدة للصحة. فإذا كنت قد خضعت لعلاج طبيعي على ظهرك أو كتفك، فلعلك قد تعرضت لما يسميه أخصائي العلاج الطبيعي «التحفيز الكهربي Electrical Stimulation». فهم يضعون على العضلة المصابة وسادات موصلة متصلة بمصدر للكهرباء، ثم يزيدون التيار عندها تشعر بذلك الشعور الغريب تشعر بعضلاتك تنقبض وتنبسط دونما بالتدريج. أدنى مجهود منك.

تُستخدم الكهرباء كذلك في جهود علاجية أكثر دراماتيكية. فلقد شاهدنا جميعا في المسلسلات التليفزيونية كيف يستخدم أحدهم الوسائد الكهربائية المسماة بجهاز تنظيم ضربات القلب محاولاً تنظيم ضربات قلب مريض يعاني أزمة قلبية. حتى إنني في لحظة من لحظات جراحة القلب التي خضعت لها العام الماضي عندما توقف قلبي استخدم الأطباء جهاز الصدمات الكهربائية كي يعيدوا لقلبي الخفقان مجددًا، ولقد نجح الأمر، ولولا هذا الجهاز لما كان لهذا الكتاب أن يرى النور.

يختلف الناس في القدر المحدد للتيار القاتل وذلك الاختلاف مرده إلى أسباب جلية، منها أنه لا تتوافر لدينا الكثير من الخبرة التجريبية مع تلك المستويات الخطيرة من التيار. كما أن هناك خلافًا حول ما إذا كان ذلك التيار يمر من خلال يديك مثلا أم من خلال مخك أو قلبك. قد تحترق يدك إذا مر التيار خلالها، لكن الجميع تقريبا يجمعون على أنه لو مر أكثر من عُشر واحد من أمبير لفترة تقل عن ثانية واحدة خلال قلبك فهذا قادر على قتلك. فالكراسي الكهربائية تستخدم كميات متنوعة تدور حول كمية 2000 فولت وتتدرج ما بين 5 و12 أمبير.

أتذكر حين كان الكبار يحذرونك وأنت طفل ألا تولج شوكة أو سكينًا في جهاز التحميص كي تستخرج قطعة الخبز منه كي لا تصعقك الكهرباء؟ أهذا حقيقي؟ الحقيقة أنني راجعت نسب التيار في ثلاثة من الأجهزة التي في منزلي وهي الراديو (0.5 أمبير)، جهاز تحميص الخبز (7 أمبير) وآلة صنع القهوة الاسبريسو (7 أمبير). تستطيع أن تجد هذه النسب في قاعدة معظم تلك الأجهزة، بعضها لا تجد فيها مؤشرًا على قدر الأمبير، لكنك تستطيع دومًا أن تحسبها بقسمة الواط الذي هو قدر كهرباء الجهاز على الجهد الكهربي المقيس بالفولت الذي يكون عادة 120 في الولايات المتحدة. معظم قواطع التيار في منزلي تتراوح نسبها ما بين 15 و20 أمبير. وسواء أكان جهازك ذو الـ 120 فولت يسحب 1 أمبير أم 10 أمبير فليس هذا بالأمر المهم هنا. المهم هو أنه يتعين عليك أن تتجنب التسبب عرضًا في دائرة قصيرة، أو أن تلمس على وجه الخصوص، 120 فولت بشيء معدني؛ ولو فعلت ذلك بعد أن تتحمم بوقت قصير فلسوف يتسبب في مقتلك. إذن فماذا نستنتج من كل هذه المعلومات؟ نستنتج ما قلناه لتونا، عندما تأمرك أمك ألا تضع السكين في جهاز تحميص الخبز وهو موصل بالكهرباء فهي على حق. ولو أردتَ إصلاح أي من أجهزتك الكهربائية فعليك أن تحرص على فصلها عن الكهرباء أولا. لا تنس أبدًا أن التيار قد يكون خطيرًا جدًّا.

مواضيع ذات صلة

Electrical transients

الشرر المقدس

الخلق غير المرئي

عجائب الكهرباء

مصادر الطاقة الكهربائية

التيارات الكهربائية التي تجري إلى الابد

النقل الكهربائي وقانون أوم

مبردات الهواء

طرق التبريد

تأريض نقطة التعامل خلال ملف (النظام المؤرض بالرنين)

التأريض خلال ممانعة

مميزات نظام التأريض خلال مقاومة