مقدمة فيزيائية لفهم المشكلات الكهربية للحاسب والأمان الكهربي

مقدمة فيزيائية لفهم المشكلات الكهربية للحاسب والأمان الكهربي
الجزء الأول :
سأبدأ بذكر المراجع لتوثيق ما يلي من معلومات مقتصرا على ذكر بعضها وبعض المؤلفين لعدم الإطالة :
1- " أساسيات الفيزياء " للعالم الفيزيائي بوش أستاذ الفيزياء بجامعة دايتون ومراجعة الأستاذ الدكتور محمد عبد المقصود أستاذ الفيزياء النووية بجامعة القاهرة
2- " الكهربية والمغناطيسية " تأليف العالم الفيزيائى إدوارد بيرسل أستاذ الفيزياء بجامعة هارفارد وترجمة ومراجعة ثلاثة أساتذة بدرجة أستاذ دكتور فى الفيزياء بجامعة القاهرة
3- " أساسيات الفيزياء الكلاسيكية والمعاصرة" للدكتور رأفت كامل أستاذ الفيزياء بجامعة القاهرة ورئيس الشبكة العربية لتعليم الفيزياء - اليونسكو
4- " العلاج الطبيعى" للأستاذ الدكتور أحمد خالد رئيس قسم الروماتيزم والتأهيل بطب القاهرة ورئيس الجمعية المصرية لأمراض المفاصل والروماتيزم وعضو الجمعية الدولية لأمراض الروماتيزم

الجزء الثاني :
1- في الذرة يوجد بالنواة بروتونات موجبة الشحنة ويدور حولها الكترونات سالبة الشحنة وفي الظروف العادية تكون الذرة متعادلة لأن عدد الشحنات السالبة يساوي عدد الشحنات الموجبة

2- إذا اكتسبت الذرة إلكترونا سالبا فإنها تصبح أيونا سالبا بسبب زيادة الشحنات السالبة عن الموجبة , وبالعكس إذا فقدت إلكترونا تصبح أيونا موجبا بسبب زيادة الشحنات الموجبة عن السالبة

3- الشحنات المتشابهة تتنافر أي تبتعد عن بعضها والشحنات المختلفة تتجاذب , وبذلك فالموجب يتنافر مع الموجب بينما يوجد قوة تجاذب بين الموجب والسالب

4- إذا كان عندنا بطارية جهدها مثلا 12 فولت , فهذا معناه أن هناك فرقا في الجهد بين قطبيها الموجب والسالب مقداره 12 فولت
5- عند توصيل سلك موصل بين قطبي البطارية فإن الالكترونات تنتقل عبر السلك من النقطة ذات الجهد المنخفض (القطب السالب ) إلى النقطة ذات الجهد الأعلى (القطب الموجب)
فلابد أن يكون هناك فرقا في الجهد بين النقطتين حتى يتحرك الإلكترون بينهما وهذه الحركة هي التي ينتج منها التيار الكهربي ( ليست أي حركة للالكترونات تعتبر تيارا كهربيا , ولكن هناك ضوابط يطول شرحها )

6- حركة الالكترونات في الدائرة الكهربية من نقطة الجهد المنخفض (القطب السالب ) إلى نقطة الجهد الأعلى (القطب الموجب) هي ما يسمى بالتيار الكهربي , و الاتجاه المذكور للحركة هو الاتجاه الفعلي للتيار الكهربي
( هناك اتجاه اصطلاحي آخر ناتج من افتراض بنيامين فرانكلين في أوائل القرن ال 18 وقد ثبت خطأه بعد ذلك وهو افتراض أن التيار إنما ينشأ من حركة الشحنات الموجبة من نقطة الجهد الأعلى ( القطب الموجب ) إلى نقطة الجهد المنخفض ( القطب السالب) ولن أذكره حتى لا يلتبس الفهم و لعدم الإطالة )

7- مما سبق يتضح أن فرق الجهد بين نقطتين يؤدي إلى تيار كهربي , وكلما ازداد فرق الجهد أدى ذلك إلى زيادة شدة التيار الكهربي .
فرق الجهد <----------تيار كهربي

8- شدة التيار تقاس بالأمبير (أو كولوم لكل ثانية) وهو عدد الشحنات التي تمر بنقطة معينة في السلك في الثانية

9- شدة التيار تقاس بجهاز الأميتر حيث أنه يوصل بالدائرة (بطريقة معينة) فيمر التيار خلاله فيتم تسجيل شدته وهي كمية الشحنة التي تمر خلاله في الثانية الواحدة . أما فرق الجهد بين نقطتين فيقاس بجهاز الفولتميتر وتكون وحدة القياس هي الفولت , والآن يوجد جهاز الملتيميتر وهو يستخدم لقياسات متعددة كشدة التيار وفرق الجهد وغيرها
الجزء الثالث : تطبيقات علمية وطبية توضح ذلك
التطبيق الأول :
جاء في المرجع رقم (4 ) :
( سادسا : أساور الروماتيزم وهي أساور من النحاس والقصدير , أو أساور من النحاس فقط ------- . وتلبس الأساور في رسغ اليد وتترك لعدة أيام , فإذا ما كانت هناك آلام بالأصابع أو الرسغ أو الكوع أو الكتف أو الذراع فإنها تتحسن بعد بضعة أيام . وفكرة هذه الأساور تعتمد على خلق فرق جهد كهربي بين النحاس ومحلول الملح الذي يخرج من غدد العرق بالجلد , وبذلك ينشأ تيار كهربي مستمر في رسغ اليد يعمل على التخفيف من الأم الموجود في الطرف)
التطبيق الثاني :

(المخ البشري نفسه يتواصل ما بين أجزائه المختلفة و يتصل بكافة أعضاء الجسم بواسطة الكهرباء الحيوية أي أنَّ مرور تيار كهربي محكوم الشدة في المخ ليس مضرًا من أساسه ! فمنَ المعْـروفِ أنَّ أحد وسائلِ نقل الرسائل العصبية بين الخلايا في المخِّ هو فرق الجهد الكهربي وَ هوَ نفسهُ المسئول عما هو معروف من أنَّ المخَّ ينبِضُ بالكهرباءِ و يمكنُ تسجيل ذلك على شكلِ موجات كهربية بواسطة رسام المخ الكهربي ؛ و لقد وجِـدَ أن الاضطراب في الموجاتِ الكهْربيَّـةِ للمخِّ يصاحِبُ بعضَ الأمراضِ النفسيةِ "كسببٍ أو كنتيجةٍ" و بالتالي فإنَّ أيَّـةَ إمكانيَّـةٍ لضبطِ هذه الموجاتِ الكهربيةِ و تنظيمِ إيقاعاتها يساهِمُ في تحسينِ الحالَةِ النفسيةِ للمريض ) انتهىِ .

وفى مقال في الطب النفسى كتبه أ.د. وائل أبو هندى:
( يتكونُ المخُّ البشَرِيُّ من آلافِ الملايينِ من الخلايا العصبيةِ .....الطريقة التي يتم بها انتقال الإشارة العصبية من خلية عصبيةٍ إلى أخرى فهيَ بصورةٍ مبسطةٍ مرور الإشارة العصبية في شكل تغيرات متتابعة في فرق الجهد الكهربي من الخلية العصبية الأولي ….عبر محورها العصبي إلى أن يصل إلى آخر) انتهى

الجزء الرابع :
ما هي شدة التيار الكهربي اللازمة لقتل إنسان ؟
جاء في المرجع رقم ( 1) ما يلي :
(الكهرباء قد تقتل الإنسان بإحدى طريقتين : بأن تسبب عطبا في عضلات القلب والرئتين ( أو أية أعضاء حيوية أخرى ) أو أن تسبب حروقا قاتلة . يمكن لقدر ضئيل من التيار الكهربائي أن يعطل عمل الخلية بشدة في ذلك الجزء من الجسم الذي يمر خلاله . عندما تكون قيمة التيار الكهربى 0.001 أمبير أو أكبر فإن الانسان يستطيع أن يشعر بإحساس الصدمة . وعند تيارات أكبر من هذا بعشر مرات 0.01أمبير فإن الانسان لا يكون قادرا على ترك السلك الكهربائى من يده لأن التيار يجعل عضلات اليد تنقبض بعنف . التيارات الأكبر من ,02 أمبير خلال جذع الإنسان تصاب عضلات التنفس بالشلل ويتوقف التنفس , وما لم يجر التنفس الصناعى على الفور فإن الضحية تختنق . ----- إذ لو مر تيار يبلغ ,1 أمبير خلال منطقة القلب فإنه يصدم عضلات القلب فيحدث فيها إنقباضات سريعة وغير منتظمة بحيث لا يعود القلب يعمل وفى النهاية فإن تيارا مقداره واحد أمبير أو أكثر يسبب حروقا خطيرة إذا مر خلال أنسجة الجسم (. انتهى
التعليق:
كما ورد بالمرجع نرى أن تيارا شدته 0,1 أمبير قد يكفى لقتل إنسان
وهذا يمكن توفيره من فرق صغير فى الجهد
فكما ينص قانون أوم أن شدة التيار يمكن معرفتها بقسمة فرق الجهد على المقاومة
فلو افترضنا أن دائرة بها مقاومة 4 أوم وبطارية 12 فولت فقط فستكون شدة التيار الناتج هى:
12 على 4 = 3 أمبير
الجزء الخامس :
متى يصاب الإنسان بالتيار الكهربي وكيف يتجنب ذلك ؟
ورد في المرجع رقم ( 1) ما يلي :
( التيار الكهربائى هو أهم كمية يمكن التحكم فيها لمنع الضرر أما الجهد فأهميته ترجع إلى أنه هو الذى يسبب سريان التيار ------ خطر الصدمة الكهربائية يمكن تحاشيه بتجنب مرور التيار خلال جسدك , حين يكون الجهد أكثر من 50 فولت عليك بتجنب لمس أى جزء معدنى مكشوف من الدائرة ---- لا تدع جسدك يصبح هو حلقة الإتصال بين نقطتين بينهما فرق شاسع فى الجهد ) انتهى
سؤال :
وهل ينطبق ذلك في حالة اختزان الشحنات الكهروستاتيكية بالجسم (الكهربية الساكنة ) ؟
الجواب:
يبدو لى حتى الآن أن هناك اختلافا بين حالة أن يكون الإنسان حلقة وصل بين نقطتين بينهما فرق جهد (كما فى المكثف كما سيأتى حيث ينتقل التيار بينهما عبر جسمه , وبين حالة أن يختزن جسم الإنسان فولتات (كهربية ساكنة ) نتيجة احتكاكه بسجادة أو كرسى ثم يتم تفريغ هذه الشحنات الساكنة بعد ذلك عند لمسه لجسم آخر كمقبض الباب مثلا أو لمسه أحد أجزاء الحاسب الإلكترونية مثلا(وما زالت كيفية ذلك موضع بحث عندى)
الجزء السادس :
تطبيق عملي على أحد أهم العناصر الالكترونية بالحاسب وهو "المكثف"
المكثف :
1- يتكون المكثف من لوحين معدنيين متوازيين وبينهما عازل , وهذا العازل قد يكون الهواء وقد يكون غير ذلك من المواد العازلة وبذلك يوجد أنواع كثيرة من المكثفات . وهو من أهم العناصر الالكترونية في دوائر الحاسب , فهو موجود في الباور سبلاي والشاشة و....... الخ

2- عندما يتصل المكثف بقطبي بطارية , فإن اللوح المعدني المتصل بالقطب السالب يشحن بشحنة سالبة (أي توجد به الكترونات زائدة ) وكذلك اللوح الآخر المتصل بالقطب الموجب يشحن بشحنة موجبة (أى يوجد به نقص فى الإلكترونات) , وفي هذه الحالة يكون هناك فرق جهد بين لوحي المكثف

3- إذا قمنا بعمل اتصال بين لوحي المكثف عن طريق سلك بين اللوحين فإن الالكترونات تنتقل عبر السلك من اللوح السالب إلى الموجب بحيث يصبح عدد الالكترونات السالبة على كل لوح يساوي عدد الشحنات الموجبة فيحدث تعادل على كل لوح , وحينئذ يقال أنه قد حدث تفريغ للشحنة الكهربية التي كانت مخزنة في المكثف .

4- حركة الالكترونات من اللوح السالب إلى اللوح الموجب عبر السلك هي ما يسمى بمرور التيار الكهربي ويمكن إثبات ذلك بتوصيل جهاز لقياس شدة التيار بين اللوحين أثناء توصيلهما بسلك فسنلاحظ أن ا لجهاز سيسجل قراءة لشدة التيار المار خلاله بين اللوحين وقد تم عمل التجربة التالية

التجربة :
قبل كتابة هذا المقال اتصلت تليفونيا بأحد العاملين في مجال الصيانة وطلبت منه توصيل الباور سبلاي بمصدر الكهرباء ثم فصل الكهرباء ثم قياس فرق الجهد بين لوحي المكثف وكذلك توصيل جهاز قياس شدة التيار بين اللوحين بعد فصل التيار الكهربي ( وذلك لعدم وجود أجهزة قياس عندي حاليا ) وكان يقوم بالتجربة وأنا معه تليفونيا ويبلغنى بالنتائج التى تظهر أمامه
فكانت النتائج هي تسجيل فرق جهد حوالي 150 فولت وكذلك بإعادة التجربة سجل قياسا لشدة التيار ثم بعد عدة ثواني عند إعادة القياس تصبح القراءة صفرا
والسؤال الآن:
لماذا عند إعادة القياس تكون شدة التيار صفر ؟
الجواب :
أنه أثناء القياس الأول انتقلت الالكترونات عبر جهاز القياس من اللوح السالب إلى اللوح الموجب فأصبح في حالة تعادل لذلك ففي القياس الثاني بعد ثواني فإنه لن يمر تيار بسبب التعادل الذي على اللوحين لذلك تكون القراءة صفر
ثمرة التجربة :
عندما يكون المكثف مشحونا بعد فصل التيار الكهربي فإذا قام إنسان بوضع إصبعه على لوحي المكثف فستنتقل الالكترونات عبر جسم الإنسان من اللوح السالب إلى الموجب أي أنه يمر تيار كهربي في جسم الإنسان ويتوقف الضرر على شدته , وقد سبق أن نقلنا أن تيار شدته0.1 أمبير قد يكفي لإيقاف عضلة القلب .
والسؤال الآن :
أن البعض قد لمس لوحي المكثف بعد فصل التيار ولكن لم يتعرض لضرر شديد فما تفسير ذلك ؟!
الجواب :
الإجابة نجدها في النص الآتي من مرجع " أساسيات الفيزياء " للعالم الفيزيائي بوش أستاذ الفيزياء بجامعة دايتون ومراجعة الأستاذ الدكتور محمد عبد المقصود أستاذ الفيزياء النووية " في معظم أجهزة التليفزيون يوجد مكثف يتم شحنه إلى فرق جهد يبلغ 20.000 فولت . وكإجراء للأمان يتم توصيل مقاوم عبر طرفي المكثف حتى يفرغ المكثف عقب إطفاء الجهاز . افترض أن هذا المقاوم الذي يطلق عليه مقاومة تجزئية كان ------ ما هو الوقت التقريبي الذي يجب انتظاره حتى يمكن لمس المكثف بأمان بعد إطفاء الجهاز ؟
طريقة الحل :...........لذا يجب الانتظار لمدة 100 ثانية قبل لمس المكثف في هذه الحالة ) انتهى
التعليق:
المدة الزمنية المذكورة إنما تتوقف على مقدار المقاومة التي افترضها المؤلف وكذلك سعة المكثف فإذا افترضنا أنه قد حدث أى شىء يؤدى إلى عدم قيام المقاومة بتفريغ المكثف مثل فك أحد لحاماتها بطرفيها أو قطع فى سلك أو غير ذلك مما يؤدىإٌلى قطع الوصلة بين لوحى المكثف فلا يحدث تفريغ لشحنته الكهربية بعد فصل التيار الكهربى ففى هذه الحالة يكون الإنسان معرضا لخطر الموت إذا لمس بإصبعه لوحى المكثف حيث سيمر التيار عبر جسمه من اللوح السالب إلى الموجب

وفى أحد مراجع الصيانة بترجمة وإعداد دكتور مهندس حذر من أن الشحنة الكهربية المخزنة بمكثف منبع التغذية بالشاشة قد تسبب إذابة رأس المفك إذا حاولنا تفريغ الشحنة بملامسة مفك لطرفى المكثف
الخلاصة:

1- أن عدم إصابة الشخص عند لمس المكثف ليس سببه عدم خطورة المكثف أو عدم مرور تيار كهربى أو عدم وجود فرق جهد بين طرفى المكثف , فكل ذلك موجود كما سبق توضيحه ولكن سبب عدم الإصابة هو وجود وصلة (مقاومة) بين طرفي المكثف لتفريغ شحنته بعد فصل التيار الكهربى من مصدر الكهرباء بالحائط
وإذا فتحت الباور سبلاى فستجد بها مكثفين كبيرين (ومكثفات أخرى صغيرة) وأمام كل منهما مقاومة (كما بالدائرة الحمراء بالصورة التى قمت بإلتقاطها) وإذا نظرت خلف تلك اللوحة الإلكترونية فستجد أن كل مقاومة متصلة بطرفى مكثف وذلك لتقوم بتفريغ شحنة المكثف بعد إطفاء الجهاز وفصل التيار الكهربى عنه
- أننا نتحدث عند فتح الباور سبلاي عند حالة الأعطال والمشكلات وفي هذه الحالة قد يكون حدث خلل في الوصلة بين لوحي المكثف كما ذكرنا فيكون الإنسان معرضا للخطر لذلك يجب أولا تفريغ المكثف بملامسة لوحيه بأي وصلة معدنية

2- أننى أظن أن الأخ الفاضل المهندس dhofar إنما يقصد بكلامه المكثف بعد تفريغ شحنته وذلك لأنه قد ثبت مما سبق أن المكثف قبل تفريغ شحنته به فرق جهد بين طرفيه ويمر تيار كهربى بينهما عند اتصالهما عبر سلك وأن التيار اللازم لقتل إنسان أقل من واحد أمبير
3- وأخيرا أتوجه له بالشكر لأن مناقشته الطيبة هى التى دفعتنى لتقديم هذا المقال
4- وهو يخص اتجاه التيارالكهربى:

(هناك شبه اتفاق – فيما بينهم- على القول بأن الإلكترونات تنتقل من القطب الموجب إلى القطب السالب وهذا هو الاتجاه الإصطلاحى (أي الذي اصطلحوا واتفقوا عليه) للتيار الكهربي وهو المستخدم حتى الآن. أما في الواقع فإن الإتجاه الفعلى الحقيقى للتيار يكون من السالب إلى الموجب ، فهذا أمر معلوم عندهم وهو أن للتيار الكهربى اتجاهين هما الفعلي والإصطلاحى.) انتهى

وهذا الكلام صحيح فيما عدا كلمة " الإلكترونات" فكما ذكرنا فى مقال اليوم أن فى الإتجاه الإصطلاحى أن الذى ينتقل من الموجب للسالب هى الشحنات الموجبة وليس الإلكترونات
أما الإلكترونات فإنها إنما تنتقل من السالب للموجب
وهذا الخطأ ناتج من أننى نقلت فى الماضى من مواقع فيزياء بالنت أو من كتب لمهندسين وعندما ناقشت حاليا طالبا بكلية الهندسة قسم الكهرباء وطالبا آخر بكلية العلوم قسم الفيزياء وكذلك بعض المدرسين الأوائل لمادة العلوم بالمدراس فوجئت بأنهم جميعا وقعوا فى نفس الخطأ ولذلك ففى هذا المقال كان اهتمامى بمراجع علماء الفيزياء وأساتذة الجامعات فهى أوثق من مواقع النت وكتب المهندسين فالمهندس ما هو إلا طالب بكلية الهندسة كان يذاكر المقرر ليجتاز الإمتحان ثم بعد تخرجه قليلا ما نجد أحدهم يستمر فى الدراسات العليا للحصول على الماجستير ثم الدكتوراة ولكننا نجده ينغمس فى مجال عمله وبالتالى فهو بمرور السنين قد ينسى تفاصيل بعض مما درسه فى الجامعة فيما عدا ما يخص مجال عمله الحالى وذلك بخلاف أستاذ الجامعة فى تخصصه ...