أمان الكهرباء فائدته وكيفية عمله

لا يمكن أن يكون هناك بيت أو مؤسسة أو مصنع إلا ويوجد ضمن شبكة الكهرباء أمان كهربائي يعرف باسم circuit breaker وتعمل هذه الأداة كمراقب للتيار الكهربائي المار عبر الأسلاك الكهربية في المنزل فإذا ما زادت قيمة التيار الكهربي عن حد معين فإنها تقوم مباشرة بفصل التيار الكهربي ولا يعود التيار الكهربي إلا إذا تدخل احد وأعاد مفتاح الأمان الكهربي بعد إصلاح الخلل الذي سبب فصل التيار الكهربي.

ولكن ماذا يحدث لو لم يقم الأمان بعمله أو انه غير موجود؟

 الأمر في هذه الحالة خطير جدا لأنه أي خلل قد يسبب في ارتفاع درجة حرارة الأسلاك فورا ونشوب حريق.

وفي هذا الموضوع من كيف تعمل الأشياء سوف نكتشف المزيد من المعلومات عن الأمان الكهربي وكيف يقوم بفصل التيار الكهربي في حالة ارتفاعه عن قيمة معينة.

أساسيات في الكهرباء

لفهم فكرة عمل أمان الكهرباء يجب أن نتعلم بعض الحقائق الأساسية عن الكهرباء فالكهرباء تعرف من خلال ثلاث كميات فيزيائية هي

 (1) فرق الجهد الكهربي voltage
 (2) التيار الكهربي current
(3) المقاومة الكهربية Resistance

فرق الجهد الكهربي هو بمثابة القوة التي تسبب في دفع الشحنة الكهربية لتتحرك نتيجة لاختلاف فرق الجهد بين نقطتين. والتيار الكهربي هو معدل تدفق هذه الشحنات في السلك. والمقاومة هي الممانعة التي تعيق الشحنات من أن تتحرك بحرية تامة في السلك.

معنى ذلك أن كلا من الجهد والتيار والمقاومة يربطهم علاقة مع بعضهم البعض، بمعنى أن أي تغير بحدث لأحدهما سوف يؤثر على الباقي. وبالتجربة وجد أن التيار الكهربي يساوي الجهد الكهربي مقسوما على المقاومة وتكتب هذه العلاقة على النحو التالي

التيار الكهربي = الجهد الكهربي / المقاومة

وبالتالي نستطيع أن نعرف انه إذا زادت قيمة الجهد أو قلت قيمة المقاومة فان التيار الكهربي سيزداد.  والعكس صحيح بمعنى انه لو قل الجهد أو ارتفعت قيمة المقاومة فان التيار الكهربي سوف يقل.

والآن ما علاقة هذه الأمور بالأمان الكهربي؟

يمكننا أن نتصور دائرة كهربية بسيطة تتكون من مصباح كهربي وأسلاك وبطارية ولكي نضيء المصباح الكهربي فإننا يجب ان نصمم دائرة كهربية نوصل فيها المصباح الكهربي بطرفي البطارية فينتقل التيار الكهربي من الطرف الموجب إلى الطرف السالب مرورا بالمصباح الكهربي فيضيء

وبنفس هذه الفكرة تقوم شبكة توزيع الكهرباء في المدينة بتوصيل التيار الكهربي للمنزل، ولذلك فان المنزل يكون في الأساس مجهزا بالدائرة الكهربية التي سوف تستفيد من التيار الكهربي القادم من المحطة فيتم مد أسلاك كهربية داخل المنزل لتشكل دائرة كهربية.  ولا يمكن الاستفادة من هذه الدائرة إلا إذا وضعنا فرق جهد على طرفي الدائرة وهنا يأتي دور محطة الكهرباء فنقوم بتوصيل التيار الكهربي القادم من المحطة بأحد طرفي الدائرة الكهربية للمنزل والذي نسميه الطرف الموجب والسلك الذي يستقبل هذا التيار يسمى السلك الحي hot wire في حين ان الطرف الثاني من الدائرة الكهربية يسمى الأرضي أو neutral wire لأنه يتم توصيله بالأرض. وبهذا يكون لدينا دائرة كهربية مشابهة للدائرة الكهربية البسيطة الموضحة أعلاه.

وبهذا يكون لدينا فرق جهد كهربي مطبق على طرفي الدائرة الكهربية في المنزل، وعند توصيل أي جهاز كهربي في مقبس الكهرباء فإننا نغلق الدائرة الكهربية ويمر التيار في الجهاز فيعمل حسب طبيعة الجهاز.

ملاحظة: تتكون الدائرة الكهربية الأساسية للمنزل من دوائر كهربية فرعية وكلها تتجمع لتكون الدائرة الكهربية المركزية.

تنتج محطة الكهرباء تيار كهربي متردد. ويكون فرق الجهد له قيمة واحدة هي 240 فولت، وبالتالي فان مقاومة الجهاز هي التي تحدد قيمة التيار الكهربي المار فيه.  فمثلا لو أخذنا المصباح الكهربي فان الفتيلة (سلك التنجستين) لها مقاومة معينة تحدد قيمة التيار المار فيه وبالتالي عند مرور هذا التيار الكهربي في الفتيلة فإنها تسخن وتتوهج وتنتج الضوء.

عند تصميم شبكة الأسلاك في المنزل فانه يتم مراعاة ان لا يوجد أي احتمالية لالتقاء الخط الموجب hot wire مع الخط الأرضي neutral wire مباشرة.  فيتم ضمان مرور التيار الكهربي فقط في الأجهزة والمعدات الكهربية المنزلية التي تعمل كمقاومة كهربية في الدائرة.  وبهذا فان قيمة التيار الكهربي المار في الأسلاك محدد بقيمة معينة لان قيمة فرق الجهد ثابتة وقيمة مقاومة الجهاز ثابتة أيضا.

بهذا نضمن أن تسير الأمور على النحو المطلوب وبأمان وبدون مشاكل، ولكن من المحتمل أن يحدث شيء خطأ فيتصل الخط الموجب مباشرة مع الخط الأرضي، كان يسخن موتور المرحة فتنصهر المادة العازلة على الأسلاك الكهربية فيحدث تلامس بين الأسلاك أو أن يقوم شخص باستخدام المقدح ليحدث ثقب في الجدار دون علم بالشبكة الداخلية لكهرباء المنزل يصيب احد الأسلاك فيحدث الاتصال الكهربي بين الطرف الموجب فينتقل التيار الكهربي إلى الأرض عبر المقدح والشخص الذي سيتعرض لصدمة كهربية في هذه الحالة.  لاحظ هنا انه في هذه الحالات فان المقاومة الكهربية الموجودة بين الطرف الموجب والأرضي تكون صغيرة جدا مما يعني ان تيار كبيرا سوف يمر في هذا الحدث، وإذا استمر مرور التيار الكهربي بهذه الطريقة فان الأسلاك الكهربية سوف ترتفع درجة حرارتها بسرعة وتنصهر المادة العازلة وتحترق ويحدث ما لا يحمد عقباه.

يأتي هنا دور الأمان الكهربي ليقوم بفصل التيار الكهربي قبل ان تحدث كل هذه الكوارث، وفي الجزء التالي سوف نقوم نوضح كيف يعمل الأمان الكهربي ويقوم بالدور المطلوب منه.

ابسط دائرة حماية هي استخدام ما يسمى بالفيوز fuse. وهي عبارة عن سلك رفيع داخل حافظة لها طرفين توصيل ويتم تثبيتها في الدائرة الكهربية بحيث تقوم بالانصهار إذا زادت قيمة التيار الكهربي عن حد معين فتمنع على الفور مرور التيار الكهربي.  ويوجد في اغلب الأجهزة الكهربية هذا الأمان البسيط كخطوة أساسية من اجل حماية الجهاز نفسه من أن تصاب احد مكوناته الأساسية بحرق فيتعطل كامل الجهاز.

وتكمن المشكلة في الفيوز انه يعمل لمرة واحدة فقط فبعد أن يحترق فإنه يجب أن يتم استبداله، ولكن في الأمان الكهربي الذي يقوم بنفس الوظيفة وهي فصل التيار الكهربي إذا زاد عن حد معين إلا أن الأمان الكهربي يمكن استخدامه مرات ومرات.

تتكون الدائرة الكهربية للأمان الكهربي من مفتاح كهربي متصل مع شريحة معدنية أو مع مغناطيس كهربي. 

يتم توصيل الخط الموجب hot wire في احد طرفي المفتاح الكهربي وعند وجود المفتاح الكهربي في وضعية التشغيل فان التيار الكهربي يمر من طرف التوصيل terminal السفلي إلى المغناطيس الكهربي ثم إلى قطعة معدنية متحركة ثم إلى طرف التوصيل  terminal العلوي.

يعمل التيار الكهربي المار على مغنطة المغناطيس الكهربي وكلما زادت التيار الكهربي زادت القوة المغناطيسية له.  وعندما يصبح التيار الكهربي كبير جدا فان المغناطيسي يصبح لديه القوة الكافية لسحب القطعة المعدنية المتحركة فتبتعد عن طرف التوصيل العلوي وينقطع مرور التيار الكهربي عبر الأمان.

أما في الأمان الكهربي المستخدم للشريحة المعدنية bimetallic strip (عبارة عن معدنين متلاصقين يتمدد كلا منهما بطريقة مختلفة مما يجعله ينحني في اتجاه المعدن الأقل تمدداً) بدلا من المغناطيس الكهربي فإن فكرة عمله تعتمد على فصل التيار الكهربي من خلال استخدام التيار الكهربي عندما تزداد قيمته عن القيمة المسموح بها فتفجر مادة قابلة للاحتراق فتدفع مكبس صغير يعمل على إبعاد الشريحة عن نقطة التوصيل فتفصل التيار الكهربي.

الأمان الكهربي المتطور

تم تصنيع أمانات كهربائية أكثر تطورا تستخدم شرائح الكترونية مصنعة من مواد شبه موصلة لمراقبة مستوى التيار الكهربي، وتعد هذه الشرائح الإلكترونية أكثر دقة وتقوم بفصل التيار الكهربي بشكل أسرع.  ولكنها أكثر تكلفة ولهذا السبب فإن أغلب المنازل تستخدم الأمان الكهربي البسيط.

حديثا تم تطوير أجهزة الكترونية لحماية الأشخاص من الإصابة بصدمة كهربية وهذه الأجهزة تعرف باسم ground fault circuit interrupter  وتعرف بالاختصار GFCI وهذه الأجهزة تقوم بمراقبة التيار المار في كلا من السلك الموجب والسلك الأرضي والتي من المفترض أن تكون قيمة التيار في كلا منهما ثابتة طالما الأمور تسير على ما يرام ولكن في حالة أن يقوم شخص بطريق الخطأ لمس الخط الموجب فان التيار الكهربي في الخط الأرضي سوف يتغير فيقوم الـ GFCI بفصل الدائرة الكهربية على الفور.  ويعمل الـ GFCI بسرعة اكبر من استجابة الأمان الكهربي العادي.

نشاهد في هذا العرض كيف نقوم بإعادة تشغيل أمان الكهرباء في حالة حدوث خلل في التيار الكهربي

 إذا الأمان الكهربي جهاز بسيط ولكنه يحمينا من مخاطر قاتلة، ولهذا فان كل بيت وكل مؤسسة تستخدم الكهرباء لا يمكن ان تستغني عن الأمان الكهربي في وحدة تؤسس ضمن شبكة توزيع الكهرباء بحيث تحتوي على مجموعة من الأمانات الكهربية لمختلف الدوائر