التيار الكهربائي: ما هو؟

Electrical4u

حقل: الكهرباء الأساسية

China

ما هو التيار الكهربائي؟

التيار الكهربائي يُعرَّف بأنه تدفق من الجسيمات المشحونة—مثل الإلكترونات أو الأيونات—عبر موصل كهربائي أو عبر الفضاء. وهو معدل تدفق الشحنة الكهربائية خلال وسط موصل بالنسبة للزمن. ويُعبَّر عن التيار الكهربائي رياضياً (مثلاً في المعادلات) بالرمز "I" أو "i". ووحدة القياس للتيار هي الأمبير أو الأمبير، ويُرمز لها بـ A.

رياضياً، يمكن التعبير عن معدل تدفق الشحنة بالنسبة للزمن كما يلي:

$\begin{align*} I = \frac {dQ} {dt} \end{align*}$

بعبارة أخرى، يُعرف تدفق الجسيمات المشحونة عبر موصل كهربائي أو عبر الفضاء باسم التيار الكهربائي. وتُسمى الجسيمات المشحونة المتحركة حاملات الشحنة، والتي قد تكون إلكترونات أو ثقوباً أو أيونات، إلخ.

يعتمد تدفق التيار على الوسط الموصل. على سبيل المثال:

في الموصل، يكون تدفق التيار نتيجة للإلكترونات.
في أشباه الموصلات، يكون تدفق التيار نتيجة للإلكترونات أو الثقوب.
في المحاليل الإلكتروليتية، يكون تدفق التيار نتيجة للأيونات و
في البلازما—وهي غاز مؤين—يكون تدفق التيار نتيجة للأيونات والإلكترونات.

عند تطبيق فرق جهد كهربائي بين نقطتين في وسط موصل، يبدأ التيار الكهربائي بالتدفق من النقطة ذات الجهد الأعلى إلى النقطة ذات الجهد الأدنى. وكلما زاد الجهد أو فرق الجهد، زاد تدفق التيار بين النقطتين.

إذا كانت نقطتان في الدائرة عند نفس الجهد، فلا يمكن أن يتدفق تيار كهربائي. ويعتمد مقدار التيار على الجهد أو فرق الجهد بين النقطتين. وبالتالي، يمكننا القول إن التيار هو نتيجة للفoltage.

يمكن للتيار الكهربائي أن ينتج حقولاً كهرومغناطيسية، والتي تستخدم في الملفات الحثية والمحولات والمولدات والأجهزة المحركة. في الموصلات الكهربائية، يسبب التيار مقاومة تسخين أو تسخين جول الذي ينتج الضوء في المصباح المتوهج.

يُنتج التيار الكهربائي المتغير مع الزمن موجات كهرومغناطيسية، والتي تُستخدم في الاتصالات لبث البيانات.

التيار المتردد مقابل التيار المستمر

بناءً على تدفق الشحنة، يتم تصنيف التيار الكهربائي إلى نوعين، وهما التيار المتردد (AC) والتيار المستمر (DC).

التيار المتردد

يعتبر تدفق الشحنة الكهربائية في اتجاه عكسي بشكل دوري هو التيار المتردد (AC). غالبًا ما يشار إلى التيار المتردد باسم "AC Current"، رغم أن هذا يعني تقنيًا قول نفس الشيء مرتين "AC Current Current".

يتغير التيار المتردد في اتجاهه بفترات زمنية دورية.

يبدأ التيار المتردد من الصفر، ويصل إلى الحد الأقصى، ثم ينخفض إلى الصفر، ثم يعكس ويصل إلى الحد الأقصى في الاتجاه المعاكس، ثم يعود مرة أخرى إلى القيمة الأصلية ويكرر هذا الدورة بشكل لا نهائي.

قد يكون شكل موجة التيار المتردد الجيبية، أو المثلثية، أو المربعة، أو المنشاري، وغيرها.

لا يهم خصوصية شكل الموجة طالما أنه موجة متكررة.

ومع ذلك، في معظم الدوائر الكهربائية، يكون شكل موجة التيار المتردد هو موجة الجيب. يمكن رؤية مثال على موجة الجيب كتيار متردد في الصورة أدناه.

يمكن لـ المولد الكهربائي أن ينتج تيارًا مترددًا. المولد الكهربائي هو نوع خاص من المولدات الكهربائية المصممة لإنتاج التيار المتردد.

يُستخدم التيار الكهربائي المتردد على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية والسكنية.

التيار المستمر

يُعرف تدفق الشحنة الكهربائية في اتجاه واحد فقط باسم التيار المستمر (DC). يمكن أيضًا الإشارة إلى التيار المستمر بـ "تيار DC". رغم أن هذا يعني تقنيًا تكرار نفس الشيء "تيار التيار المستمر".

بما أن التيار المستمر يتدفق في اتجاه واحد فقط؛ فإنه يُشار إليه أيضًا باسم التيار أحادي الاتجاه. يظهر شكل موجة التيار المستمر في الصورة أدناه.

يمكن إنتاج التيار المستمر بواسطة البطاريات، خلايا الطاقة الشمسية، خلايا الوقود، الزوج الحراري، المولدات الكهربائية ذات القاطع، وغيرها. يمكن تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر باستخدام مصحح.

يُستخدم التيار الكهربائي المستمر عادةً في التطبيقات ذات الجهد المنخفض. معظم الدوائر الإلكترونية تحتاج إلى مصدر طاقة كهربائية مستمرة.

ما هي وحدات قياس التيار الكهربائي؟

وحدة النظام الدولي للتيار هي الأمبير أو الأمبير. يتم تمثيلها بالرمز A. الأمبير هو الوحدة الأساسية للتيار الكهربائي في النظام الدولي. سميت الوحدة بالأمبير تكريماً للفيزيائي العظيم أندريه ماري أمبير.

في النظام الدولي، الأمبير الواحد هو تدفق الشحنة الكهربائية بين نقطتين بمعدل كولوم واحد لكل ثانية. وبالتالي،

$\begin{align*} 1 \,\, Ampere = \frac {1\,\,Coulomb} {1\,\,Second} = \frac {C} {S} \end{align*}$

وبالتالي، يتم قياس التيار الكهربائي أيضًا بقلمبر لكل ثانية أو C/S.

صيغة التيار الكهربائي

الصيغ الأساسية للتيار هي:

العلاقة بين التيار والجهد والمقاومة (قانون أوم)
العلاقة بين التيار والطاقة والجهد
العلاقة بين التيار والطاقة والمقاومة

تتم ملخص هذه العلاقات في الصورة أدناه.

صيغة التيار 1 (قانون أوم)

وفقاً لقانون أوم،

$\begin{align*} V = I*R \end{align*}$

وبالتالي،

$\begin{align*} I = \frac{V}{R}\,\,A \end{align*}$

مثال

كما هو موضح في الدائرة أدناه، تم تطبيق جهد إمداد بقيمة $24\,\,V$ عبر المقاومة بقيمة المقاومة بقيمة $12\,\,\Omega$ . حدد التيار المار عبر المقاومة.

الحل:

البيانات المعطاة: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

وفقاً لقانون أوم،

$\begin{align*} & I = \frac{V}{R} \\ & = \frac{24}{12} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

وبالتالي، باستخدام المعادلة، نحصل على التيار المار عبر المقاوم هو $2\,\,A$ .

صيغة التيار 2 (القوة والجهد)

الطاقة المنقولة هي حاصل ضرب الجهد الكهربائي والتيار الكهربائي.

$\begin{align*} P = V*I \end{align*}$

وبالتالي، نحصل على أن التيار يساوي القوة مقسومة على الجهد. رياضياً،

$\begin{align*} I = \frac{P}{V}\,\,A \end{align*}$

حيث $A$ تعني الأمبير أو الأمبير (وحدات التيار الكهربائي).

مثال

كما هو موضح في الدائرة أدناه، يتم تطبيق جهد إمداد قدره $24\,\,V$ على سراج بقوة $48\,\,W$ . حدد التيار المستهلك بواسطة السراج $48\,\,W$ .الحل:

البيانات المعطاة: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

وفقاً للمعادلة،

$\begin{align*} & I = \frac{P}{V} \\ & = \frac{48}{24} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

وبالتالي، باستخدام المعادلة أعلاه نحصل على التيار المستهلك بواسطة السراج $48\,\,W$ وهو يساوي $2\,\,A$ .

صيغة التيار 3 (القوة والمقاومة، فقدان الأومي، التسخين المقاوم)

نعلم أن، $P = V * I$

الآن بتعويض قانون أوم $V = I * R$ في المعادلة أعلاه نحصل على،

$\begin{align*} P = I^2*R \end{align*}$

وبالتالي، فإن التيار هو الجذر التربيعي لنسبة القوة والمقاومة. رياضياً، فإن الصيغة لهذا تساوي:

$\begin{align*} I = \sqrt{\frac{P}{R}}\,\,A \end{align*}$

مثال

كما هو موضح في الدائرة أدناه، حدد التيار المستهلك بواسطة $100\,\,W$ ، $20\,\,\Omega$ لمبة

الحل:

البيانات المعطاة: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

وفقاً للعلاقة بين التيار والقوة والمقاومة الموضحة أعلاه:

$\begin{align*} & I = \sqrt{\frac{P}{R}} \\ & = \sqrt{\frac{100}{20}} \\ & = \sqrt{5} \\ & I = 2.24\,\,A \end{align*}$

وبالتالي، باستخدام المعادلة، نحصل على التيار الذي يمر عبر $100\,\,W$ ، $20\,\,\Omega$ وهو $2.24\,\,A$ .

أبعاد التيار

أبعاد التيار من حيث الكتلة (M)، الطول (L)، الزمن (T)، والأمبير (A) تعطى بواسطة $M^0L^0T^-^1Q$ .

التيار (I) هو تمثيل لكولوم في الثانية. وبالتالي،

$\begin{align*} I = \frac{Q}{t} = \frac{[Q]}{[T]} = QT^-^1 = M^0L^0T^-^1Q \end{align*}$

التيار الكهربائي التقليدي مقابل تدفق الإلكترونات

هناك سوء فهم بسيط حول تدفق التيار الكهربائي التقليدي وتدفق الإلكترونات. دعنا نحاول فهم الفرق بينهما.

الجسيمات التي تحمل الشحنة الكهربائية عبر الموصلات هي الإلكترونات الحرة أو المتحركة. اتجاه المجال الكهربائي داخل الدائرة، حسب التعريف، هو القانون الذي يدفع الشحنات الاختبارية الموجبة. وهكذا، فإن هذه الجسيمات ذات الشحنة السالبة، أي الإلكترونات، تتدفق في الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي.

وفقاً لنظرية الإلكترونات، عندما يتم تطبيق الجهد أو الفرق الكهربائي عبر الموصل، تتدفق الجسيمات المشحونة عبر الدائرة مما يشكل تياراً كهربائياً.

تتدفق هذه الجسيمات المشحونة من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض، أي من المحطة الموجبة للبطارية إلى المحطة السالبة للبطارية عبر الدائرة الخارجية.

ولكن في الموصلات المعدنية، تكون الجسيمات المشحونة موجباً ثابتة في مكانها، بينما تكون الجسيمات المشحونة سالباً، أي الإلكترونات، حرة في الحركة. وفي المواد شبه الموصلة، يمكن أن يكون تدفق الجسيمات المشحونة إيجابياً أو سالباً.

تدفق حاملات الشحنة الموجبة وحاملات الشحنة السالبة في الاتجاه المعاكس له نفس التأثير في الدائرة الكهربائية. بما أن تدفق التيار ناتج عن الشحنات الموجبة أو السالبة، أو كلاهما، فإنه يتطلب اتفاقاً لتوجيه التيار مستقلاً عن أنواع حاملات الشحنة.

يعتبر اتجاه التيار التقليدي هو اتجاه تدفق حاملات الشحنة الموجبة، أي من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض. وبالتالي، تتدفق حاملات الشحنة السالبة، أي الإلكترونات، في الاتجاه المعاكس لتدفق التيار التقليدي، أي من الجهد المنخفض إلى الجهد العالي. لذا، يذهب التيار التقليدي وتدفق الإلكترونات في اتجاهين متعاكسين كما هو موضح في الصورة أدناه.

direction of coventional current and electron flow — اتجاه التيار التقليدي وتدفق الإلكترونات

التيار التقليدي: يُعرف تدفق حاملات الشحنة الموجبة من الطرف الموجب إلى الطرف السالب للبطارية بالتيار التقليدي.
تدفق الإلكترونات: يُطلق على تدفق الإلكترونات تيار الإلكترونات. يُعرف تدفق حاملات الشحنة السالبة - أي الإلكترونات - من الطرف السالب إلى الطرف الموجب للبطارية بتدفق الإلكترونات. تدفق الإلكترونات هو العكس تمامًا لتدفق التيار التقليدي.

يتم عرض اتجاه التيار التقليدي وتدفق الإلكترونات في الصورة أدناه.

التيار التقليدي مقابل تدفق التوصيل

التيار المحدب

يشير التيار المحدب إلى تدفق التيار عبر وسيط عازل مثل السائل أو الغاز أو الفراغ.

لا يتطلب التيار المحدب موصلات لتتدفق؛ وبالتالي لا يتوافق مع قانون أوم. مثال على التيار المحدب هو أنبوب فراغ حيث تتدفق الإلكترونات المنبعثة من الكاثود إلى الأنود في الفراغ.

تيار التوصيل

يُعرف التيار الذي يتدفق عبر أي موصل بتيار التوصيل. يتطلب تيار التوصيل الموصل لتتدفق؛ وبالتالي فهو يتوافق مع قانون أوم.

تيار الإزاحة

افترض أن مقاومة وملف تخزين متصلان بشكل متوازي مع مصدر الجهد V كما هو موضح في الشكل أدناه. طبيعة تدفق التيار عبر المكثف تختلف عن تدفق التيار عبر المقاومة.

الجهد أو الفرق الكهربائي عبر المقاومة ينتج تدفقًا مستمرًا للتيار والذي يتم إعطاؤه بواسطة المعادلة،

$\begin{align*} I_1 = \frac{V}{R} \end{align*}$

يُطلق على هذا التيار اسم "التيار الناقل".

يتدفق التيار عبر المكثف فقط عندما تتغير الجهد عبر المكثف، وهذا ما يُعطى بالمعادلة،

$\begin{align*} I_2 = \frac{dQ}{dt} = C \frac{dV}{dt} \end{align*}$

يُطلق على هذا التيار اسم "التيار الإزاحة".

من الناحية الفيزيائية، التيار الإزاحة ليس تيارًا حقيقيًا حيث لا يوجد تدفق لكمية مادية مثل تدفق الشحنات.

كيفية قياس التيار الكهربائي

في الدوائر الكهربائية والإلكترونية، يعتبر قياس التيار الكهربائي أحد المعلمات الأساسية التي يجب قياسها.

يعتبر الأميتر هو الجهاز الذي يمكنه قياس التيار الكهربائي. لقياس التيار، يجب ربط الأميتر في سلسلة مع الدائرة التي سيتم قياس تيارها.

يظهر في الشكل أدناه قياس التيار عبر المقاومة باستخدام الأميتر.

يمكن أيضًا قياس التيار الكهربائي باستخدام جلفانومتر. يوفر الجلفانومتر كل من الاتجاه والقيمة المطلقة للتيار الكهربائي.

يمكن قياس التيار عن طريق اكتشاف المجال المغناطيسي المرتبط بالتيار دون فصل الدائرة. هناك العديد من الأجهزة المستخدمة لقياس التيار دون فصل الدائرة.

محولات حساسات تأثير هول
محول التيار (CT) (يقيس فقط التيار المتردد)
متر الفم
المقاومات المتوازية
حساسات المجال المغناطيسي مقاومة

أسئلة شائعة حول التيار الكهربائي

دعونا ندرس بعض الأسئلة الشائعة المتعلقة بالتيار الكهربائي.

ما الذي يستخدم electromagnet لقياس التيار الكهربائي؟

جلفانوميتر هو جهاز قياس يستخدم electromagnet لقياس التيار الكهربائي.

الجلفانوميتر هو جهاز مطلق؛ فهو يقيس التيار الكهربائي من حيث ظل الزاوية المائلة.

يمكن للجلفانوميتر قياس التيار الكهربائي مباشرة، ولكن هذا يتضمن فصل الدائرة؛ وبالتالي، يكون أحياناً غير مريح.

كيف ينتج التيار الكهربائي قوة مغناطيسية؟

عند وضع موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي، سيعاني من قوة لأن التيار ليس إلا تدفق الشحنات.

لنفترض وجود موصل يحمل تيارًا كما هو موضح في الشكل (أ) أدناه. وفقًا لقاعدة يد فليمن اليمنى؛ سيقوم هذا التيار بإنتاج مجال مغناطيسي في اتجاه عقارب الساعة.

企业微信截图_17098660781451.png 企业微信截图_17098660847078.png

القوة المغناطيسية المنتجة بواسطة التيار الكهربائي

نتيجة للمجال المغناطيسي للموصل هو أنه سيدفع المجال المغناطيسي فوق الموصل ويضعفه تحته.

خطوط المجال كأنها أشرطة مطاطية ممتدة؛ لذلك ستدفع الموصل في الاتجاه الهابط، أي أن القوة هي هابطة، كما هو موضح في الشكل (ب).

يوضح هذا المثال أن الموصل الحامل للتيار في مجال مغناطيسي يتعرض لقوة. تحدد المعادلة التالية قوة المجال المغناطيسي على الموصل الحامل للتيار.

$\begin{align*} F_B = BIL\,\,Sin\theta \end{align*}$

لجعل التيار الكهربائي يتدفق، يجب توفر الشروط التالية

لجعل التيار الكهربائي يتدفق، يجب توفر الشروط التالية:

فرق جهد بين نقطتين. إذا كانت النقطتان في الدائرة عند نفس الجهد، لا يمكن للتيار أن يتدفق.
مصدر جهد أو مصدر تيار، مثل بطارية أو خلية تجبر الإلكترونات الحرة التي تشكل التيار الكهربائي.
موصل أو سلك يحمل الشحنات الكهربائية.
يجب أن تكون الدائرة مغلقة أو كاملة. إذا كانت الدوائر مفتوحة، لا يمكن للتيار أن يتدفق.

هذه هي الشروط اللازمة لجعل التيار الكهربائي يتدفق. الصورة أدناه تظهر تيارًا يمر في دائرة مغلقة.

ما هو الفرق الأفضل الذي يصف الاختلاف بين التيار الكهربائي والكهرباء الساكنة

الفرق الرئيسي بين التيار الكهربائي والكهرباء الساكنة هو أن الإلكترونات أو الشحنات تتدفق عبر الموصل في التيار الكهربائي.

بينما في الكهرباء الساكنة، تكون الشحنات في حالة راحة وتتراكم على سطح المادة.

يكون التيار الكهربائي بسبب تدفق الإلكترونات، بينما تكون الكهرباء الساكنة بسبب الشحنات السالبة من جسم إلى آخر.

يُولد التيار الكهربائي فقط في الموصل، بينما تُولَّد الكهرباء الساكنة في كل من الموصل والعازل.

كيف يؤثر التيار الكهربائي على القطب المغناطيسي؟

نعلم أنه عندما يتدفق التيار الكهربائي، أي عندما يكون الشحنة الكهربائية في حركة، فإنه ينتج مجالًا مغناطيسيًا. إذا وضعنا المغناطيس في مجال مغناطيسي، فإنه يخضع لقوة.

بالنسبة للشحنات الكهربائية، أي التيار الكهربائي، فإن القطب المغناطيسي المتشابه يجذب والقطب المغناطيسي المعاكس يطرد. لذا، يمكننا القول أن التيار الكهربائي يؤثر في القطب المغناطيسي عبر المجال المغناطيسي.