علوم پایه

جریان الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

جریان الکتریکی (Electric Current) به عنوان جریانی از ذرات باردار، مانند الکترون یا یون که در یک رسانای الکتریکی یا یک محیط حرکت می کنند، تعریف می شود. تعریف علمی جریان الکتریکی، میزان جریان بار الکتریکی از طریق یک رسانا نسبت به زمان است و با نماد I در فرمول بیان می شود. واحد مناسب برای جریان آمپر است و با A نشان داده می شود.

این جریان می تواند میدان های الکترومغناطیسی را  تولید کند که در سلف ها، ترانسفورماتورها، ژنراتورها و موتورها استفاده می شود. در هادی های الکتریکی، وجود آن باعث ایجاد گرمایش مقاومتی یا گرمایش ماژول می شود که در لامپ رشته ای نور ایجاد می کند.

جریان الکتریکی یکی از اساسی ترین مفاهیمی است که در علم برق و الکترونیک وجود دارد. جریان هسته اصلی علم برق است. مفهوم  این جریان در عملکرد بخاری برقی، سیستم شبکه بزرگ الکتریکی، تلفن همراه، رایانه، سنسورهای از راه دور یا هر چیز دیگری  نقش اساسی دارد. میزان جریان برحسب کولنم بر ثانیه اندازه گیری می شود. شما در مبحث جریان الکتریکی چیست علوم هشتم با این موارد آشنا شده اید، در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

فرمول جریان الکتریکی

از نظر ریاضی، میزان جریان الکتریسیته را با توجه به زمان، می توان به صورت زیر بیان کرد.

 

ذرات باردار متحرک، حامل بار نامیده می شوند که ممکن است الکترون، یون و غیره باشند. میزان جریان به محیط رسانا نیز بستگی دارد. به طور مثال:

  • در رسانا و نیمه رسانا، جریان الکتریکی به دلیل وجود الکترون است.
  • در الکترولیت، جریان به دلیل وجود یون است.
  • در پلاسما ( یک گاز یونیزه شده)، جریان به دلیل وجود یون ها و الکترون ها به طور همزمان است.

هنگامی که اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه از محیط رسانا اعمال می شود، جریان از پتانسیل بالاتر به پتانسیل پایین شروع می شود. هرچه اختلاف ولتاژ یا پتانسیل بیشتر باشد، جریان بین دو نقطه بیشتر می شود. اگر دو نقطه در یک مدار الکترونیکی با پتانسیل یکسان وجود داشته باشد، جریان نمی تواند ایجاد شود. میزان جریان بستگی به ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو نقطه دارد.

عامل ایجاد جریان الکتریکی در مدار چیست

مفهوم اساسی جریان، حرکت الکترون ها در داخل یک ماده است. الکترون ها ذرات زیر اتمی هستند که به عنوان بخشی از ساختار مولکولی مواد وجود دارند. گاهی اوقات الکترون ها در داخل مولکول ها ثابت نگه داشته می شوند و در مواقعی دیگر به صورت سست نگه داشته می شوند و قادرند نسبتا آزادانه در اطراف ساختار حرکت کنند.

یک نکته بسیار مهم در مورد الکترون ها این است که آنها ذرات باردار هستند. آنها بار منفی را حمل می کنند. اگر الکترون ها آزادانه حرکت کنند، مقدار بار حرکت می کند و این جریان نامیده می شود. همچنین لازم به ذکر است که تعداد الکترون هایی که قادر به حرکت هستند بر توانایی یک ماده خاص در هدایت الکتریسیته تاثیر می گذارد. برخی از مواد اجازه می دهند، جریان بهتری از آنها نسبت به مواد دیگر عبور کند.

حرکت الکترون های آزاد در مواد بسیار تصادفی است و ممکن است الکترون ها در جهات مختلف حرکت کنند. در نتیجه هیچ حرکت بار الکتریکی بوجود نمی آید.

جریان الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟
جریان الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

حقایق جالب در مورد جریان الکتریکی

  • جهت جریان جاری اغلب با یک پیکان نشان داده می شود.
  • در بیشتر مدارهای الکترونیکی، جریان به سمت زمین نشان داده می شود.
  • جریان در یک مدار با استفاده از ابزاری به نام آمپرمتر اندازه گیری می شود.
  • گاهی اوقات جریان الکتریکی از طریق سیم را می توان مانند جریان آب از طریق لوله تصور کرد.
  • رسانایی الکتریکی یک ماده، میزان توانایی مواد برای ایجاد جریان است.

الکترونها بطور باورنکردنی به آرامی در مدارهای الکتریکی حرکت می کنند و سرعت متوسط ​​جریان الکترون ۰.۲۵ میلی متر در ثانیه است. آنچه الکتریسیته را سریع می کند، سرعت تعامل میدان های الکتریکی با الکترون ها و سرعتی است که این میدان ها به سمت پایین سیم ها حرکت می کنند. به عنوان مثال، به محض اتمام یک مدار الکتریکی، نیرویی که بر الکترون های مدار وارد می شود تقریبا فوری است و همه الکترون ها تقریبا در همان زمان به دور خود می چرخند.

هنگامی که یک الکترون را از ترمینال منفی باتری خارج می کنیم، یک الکترون دیگر وارد پایانه مثبت در طرف دیگر مدار می شود. بنابراین جریان جاری را می توان آنی تلقی کرد. هنگام بررسی مدارها، دو نوع جریان وجود دارد که جریان الکتریسیته را نشان می دهد.

جریان معمولی و جریان الکترون در جهت مخالف هم حرکت می کنند و جریان معمولی از مثبت به منفی حرکت می کند، در حالی که جریان الکترون، به عنوان بارهای منفی، از منفی به مثبت حرکت می کند.

 

جریان الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟
جریان الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

 

وسیله اندازه گیری شدت جریان الکتریکی

جریان برحسب آمپر اندازه گیری می شود. آمپر زمانی تعریف می شود که یک کولن بار برای یک ثانیه در مدار الکترونیکی جریان یابد. تعریف قدیمی آمپر نیرویی است که بر روی دو سیم با فاصله مشخص اعمال می شود.

اندازه گیری جریان الکتریسیته با استفاده از آمپرسنج انجام می شود و انواع زیادی از این دستگاه در بازار وجود دارد. این دستگاه بیشتر به دو صورت آنالوگ و دیجیتال در دسترس است. دستگاه های آنالوگ از یک سیم پیچ استفاده می کنند که روی جریانی که از آن عبور می کند، منحرف می شود و مقدار انحراف متناسب با جریانی است که از آن عبور می کند. در نسخه دیجیتالی از مقاومت الکتریکی برای تبدیل جریان به ولتاژ کوچک استفاده می شود، سپس این میزان به عدد دیجیتال تبدیل می شود.

شدت جریان الکتریکی متوسط را تعریف کنید

یکی از جنبه های مهم جریان الکتریسیته دانستن میزان جریانی است که ممکن است از  یک رسانا عبور کند. از آنجا که جریان الکتریسیته یک عامل کلیدی در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی است، دانستن اینکه چه جریانی در حال عبور است بسیار مهم است. روش های مختلفی برای اندازه گیری جریان الکتریسیته وجود دارد. یکی از ساده ترین آنها استفاده از مولتی متر است. اگرچه روش های دیگری برای اندازه گیری جریان وجود دارد، اما استفاده از مولتی متر رایج ترین آنها است.

از بین تمام معادلات الکترونیکی، مهمترین معادله V = IR است. این معادله بیشترین استفاده را در محاسبات دارد. این فرمول نشان می دهد که چگونه ولتاژ، جریان و مقاومت  با یکدیگر مرتبط هستند. با این حال، در حالی که این فرمول درست است، اما به درستی به عنوان معادله اصلی نوشته نشده است. معادله اصلی به صورت زیر است:

جریان الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟
جریان الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

 

درک این نکته بسیار مهم است زیرا این معادله به ما می گوید که جریان را با ولتاژ و مقاومت متفاوت می کند. جریان الکتریسیته نتیجه وجود ولتاژ و مقاومت است. ولتاژ و مقاومت ویژگی های یک جسم هستند، در حالی که جریان باید ایجاد شود.

واحد آمپر به افتخار فیزیکدان بزرگ اندرو ماری آمپر نامگذاری شده است که پدر الکترودینامیک محسوب می شود. در سیستم SI ، ۱ آمپر جریان بار الکتریکی بین دو نقطه با سرعت یک کولن در ثانیه است. بنابراین جریان نیز بر حسب کولن بر ثانیه یا C/S اندازه گیری می شود.

 

جریان الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟
جریان الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

ویژگی های جریان الکتریکی

در مدارهای موازی، جریان بطور نسبی بسته به مقاومت در هر مسیر تقسیم می شود. این یک اصل رایج است که جریان الکتریسیته همیشه راه کمترین مقاومت را در پیش می گیرد. در عوض، جریان الکتریسیته کل مسیرها را طی می کند، اما اندازه جریان در هر مسیر با مقاومت کلی تعیین می شود.

این امر ما را به قاعده جریان در مدارهای موازی می رساند  که بیان می کند مجموع جریان های وارد شده به یک گره برابر است با مجموع جریاناتی که از همان گره خارج می شوند. به عنوان مثال، اگر ۳ آمپر جریان وارد یک شبکه مقاومت سه طرفه شود، مجموع جریان های هر شبکه مقاومت ۳ آمپر خواهد بود.

انواع جریان الکتریکی

بر اساس جریان بار به دو نوع، یعنی جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) تقسیم می شود.

جریان الکتریکی متناوب (AC)

جریان متناوب، جریانی است که در آن جریان بار الکتریکی به طور مداوم جهت خود را تغییر می دهد. جریان متناوب امروزه بیشتر برای انتقال نیرو در خطوط برق استفاده می شود. در ایالات متحده فرکانس جریان متناوب ۶۰ هرتز است. برخی کشورهای دیگر از ۵۰ هرتز به عنوان فرکانس استاندارد استفاده می کنند.

یک جریان متناوب جهت خود را در یک بازه دوره ای تغییر می دهد. جریان متناوب از صفر شروع می شود، به حداکثر می رسد و   دوباره به صفر می رسد، سپس معکوس می شود و در جهت مخالف به حداکثر می رسد. سپس دوباره به مقدار اولیه باز می گردد و این چرخه را بی نهایت تکرار می کند. شکل موج جریان متناوب ممکن است سینوسی، مثلثی، مربعی یا اره ای و غیره باشد.

تا زمانی که به شکل موج تکراری باشد، شکل موج اهمیت ندارد. همانطور که در اکثر مدارهای الکتریکی گفته می شود، شکل موج معمولی جریان متناوب سینوسی است.

یک دینام می تواند یک جریان متناوب ایجاد کند. دینام نوع خاصی از ژنراتورهای الکتریکی است که برای تولید جریان متناوب طراحی شده است. برق یا جریان AC به طور گسترده ای در مصارف صنعتی و مسکونی مورد استفاده قرار می گیرد.

جریان الکتریکی مستقیم (DC)

در جریان مستقیم (DC)؛ جریان بار الکتریکی فقط در یک جهت حرکت می کند.  همانطور که جریان مستقیم فقط در یک جهت جریان دارد.  بنابراین از آن به عنوان جریان یک طرفه نیز یاد می شود.

جریان مستقیم می تواند توسط باتری ها، سلول های خورشیدی، سلول های سوختی، ترموکوپل ها، ژنراتورهای الکتریکی نوع کموتاتور و غیره تولید شود. با استفاده از یکسو کننده یا دیوها می توان جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل کرد. از جریان مستقیم DC به طور کلی در برنامه ها و کاربرد های ولتاژ پایین استفاده می شود. اکثر مدارهای الکترونیکی به منبع تغذیه DC نیاز دارند.

برنامه های کاربردی جریان متناوب

جریان متناوب بیشتر در ساختمان های دارای سیم کشی مانند خانه ها و ادارات یافت می شود. به این دلیل که ایجاد و انتقال جریان متناوب در فواصل طولانی نسبتا آسان است. در ولتاژهای بالای ۱۱۰ کیلوولت، انرژی کمتری در انتقال نیرو از بین می رود. در ولتاژهای بالاتر، جریان های الکتریکی کمتری تولید می شود و جریان های کمتر به دلیل سطح پایین مقاومت، گرمای کمتری در خطوط برق تولید می کنند. بنابراین این بدان معناست که انرژی کمتری به عنوان گرما از دست می رود. با استفاده از ترانسفورماتور می توان جریان های متناوب را به آسانی به ولتاژهای بالا تبدیل کرد.

جریان متناوب همچنین برای استفاده در موتورهای الکتریکی عالی است، زیرا موتورها و ژنراتورها در اصل یک نوع دستگاه هستند. تنها تفاوت بین ژنراتور و موتور این است، که موتورها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. این گونه موتورها در انواع لوازم خانگی مانند یخچال، ماشین لباسشویی و ماشین ظرفشویی استفاده می شوند.

اثرات جریان الکتریکی

هنگامی که جریان الکتریکی از یک هادی عبور می کند، تعدادی علائم وجود دارد که نشان می دهد جریان در حال عبور است. این علائم عبارتند از:

گرما تولید می شود

احتمالا واضح ترین علائم وجود یک جریان، تولید گرما است. اگر جریان کوچک باشد، مقدار گرمای تولید شده احتمالا بسیار کم است و ممکن است به آن توجه نشود. اما اگر جریان بزرگتر باشد، ممکن است مقدار قابل توجهی گرما تولید شود. آتش سوزی الکتریکی یک مثال برجسته است که نشان می دهد چگونه جریان باعث ایجاد گرما می شود. مقدار واقعی گرمای ایجاد شده نه تنها توسط جریان، بلکه ولتاژ و مقاومت هادی نیز کنترل می شود.

اثر مغناطیسی

یکی دیگری از علائمی که می توان به آن توجه کرد این است که میدان مغناطیسی در اطراف یک رسانا ایجاد می شود. اگر جریان الکتریکی در یک رسانا در جریان باشد، می توان آن را به قرار دادن یک قطب نما تشخیص داد. با قرار دادن قطب نما نزدیک سیم حامل جریان مستقیم الکتریکی نسبتا زیاد، خواهید دید که سوزن قطب نما منحرف می شود. توجه داشته باشید که این مورد در شبکه اصلی برق کار نمی کند، زیرا میدان خیلی سریع در حال تغییر است.

میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک جریان در تعدادی از مناطق به خوبی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین با پیچاندن یک سیم به سیم پیچ، می توان اثر مغناطیسی را افزایش داد و یک آهنربای الکتریکی ایجاد کرد.

سوالات متداول درباره جریان الکتریکی

 

برای اندازه گیری جریان الکتریکی از چه چیزی استفاده می کند؟

گالوانومتر یک ابزار اندازه گیری است که از الکترومغناطیس برای اندازه گیری جریان الکتریکی استفاده می کند. گالوانومتر یک ابزار مطلق است و جریان الکتریکی را بر حسب مماس زاویه انحراف اندازه گیری می کند. بنابراین انحرافی که در گالوانومتر رخ می دهد، مستقیما با جریانی که در آن مدار وجود دارد متناسب است.

فاکتورهای لازم برای ایجاد جریان الکتریکی در یک مدار چست؟

  • تفاوت پتانسیل بین دو نقطه عامل اصلی ایجاد جریان است. اگر دو نقطه یک مدار الکترونیکی دارای پتانسیل یکسانی باشند، جریان نمی تواند ایجاد شود.
  • وجود یک منبع ولتاژ یا منبع جریان، مانند یک باتری یا سلول که حاوی الکترون آزاد است، به منزله ایجاد یک جریان الکتریکی است.
  • وجود یک هادی یا سیم که بارهای الکتریکی را حمل می کند.
  • وجود یک مدار بسته یا کامل. اگر مدارها باز باشند، جریان نمی تواند ایجاد شود.

این موارد شرایطی هستند که برای ایجاد جریان الکتریکی در یک مدار الکترونیکی ضروری است.

تفاوت بین جریان الکتریکی و الکتریسته ساکن چیست؟

تفاوت اصلی بین جریان الکتریکی و الکتریسیته ساکن، در این است که الکترون ها یا بارها در یک جریان الکتریکی از طریق هادی عبور می کنند. در حالی که در الکتریسیته ساکن، بارها ساکن بوده و روی سطح ماده انباشته می شوند.

جریان الکتریکی ناشی از تحرک الکترون ها است در حالی که الکتریسیته ساکن به دلیل بارهای منفی از یک جسم به جسم دیگر است. جریان الکتریکی فقط در هادی تولید می شود در حالی که الکتریسیته ساکن هم در هادی و هم در عایق تولید می کند.

جریان الکتریکی چگونه بر قطب مغناطیسی تاثیر می گذارد؟

ما می دانیم که وقتی برق تولید می شود و بار الکتریکی در حال حرکت است، یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود. بارهای الکتریکی، مانند قطب های مغناطیسی عمل می کنند و قطب مغناطیسی مخالف را دفع می کنند. بنابراین، می توان گفت که جریان الکتریکی از طریق میدان مغناطیسی بر قطب مغناطیسی تاثیر می گذارد.

سخن آخر

جریان الکتریکی یک ویژگی نیست، بلکه نتیجه خواص فیزیکی مانند ولتاژ و مقاومت است و همیشه در امتداد یک تکه سیم یکسان خواهد بود . اندازه جریانی که از هر مسیر عبور می کند، بستگی به مقاومت مسیر دارد. به یاد داشته باشید که یک منبع جریان ثابت چیزی بیشتر از یک منبع ولتاژ پویا نیست که سعی می کند ولتاژ را تنظیم کند تا زمانی که جریان خروجی از آن برابر باشد.

نوشته های مشابه

یک دیدگاه

  1. بازتاب: کاربرد الکتروشیمی چیست؟

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا