چرخه الکتریکی: چیست؟

Electrical4u

ميدان: Electrical Basics

China

چهارم الکتریکی چیست؟

جریان الکتریکی به عنوان جریان ذرات باردار مانند الکترون‌ها یا یون‌ها که از طریق یک رسانا رسانا الکتریکی یا فضا حرکت می‌کنند، تعریف می‌شود. این جریان نرخ جریان بار الکتریکی در یک ماده رسانا با توجه به زمان است. جریان الکتریکی از نظر ریاضی (مثلاً در فرمول‌ها) با نماد "I" یا "i" نشان داده می‌شود. واحد جریان آمپر یا آمپ است که با A نمایش داده می‌شود.

از نظر ریاضی، نرخ جریان بار با توجه به زمان می‌تواند به صورت زیر بیان شود،

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

به عبارت دیگر، جریان ذرات باردار که از طریق یک رسانا الکتریکی یا فضا حرکت می‌کنند، جریان الکتریکی نامیده می‌شود. ذرات باردار متحرک که می‌توانند الکترون‌ها، حفره‌ها، یون‌ها و غیره باشند، حاملان بار نامیده می‌شوند.

جریان بستگی به محیط رسانا دارد. به عنوان مثال:

در رسانا، جریان بخاطر الکترون‌ها است.
در نیمه‌رساناهای، جریان بخاطر الکترون‌ها یا حفره‌ها است.
در الکترولیت، جریان بخاطر یون‌ها است و
در پلاسما—یک گاز یونی، جریان بخاطر یون‌ها و الکترون‌ها است.

وقتی یک اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک محیط رسانا اعمال می‌شود، جریان الکتریکی از نقطه با پتانسیل بالاتر به نقطه با پتانسیل پایین‌تر شروع می‌شود. هر چه ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بیشتر باشد، جریان بین دو نقطه بیشتر خواهد بود.

اگر دو نقطه در یک مدار دارای پتانسیل یکسان باشند، جریان نمی‌تواند جریان یابد. اندازه جریان بستگی به ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو نقطه دارد. بنابراین می‌توانیم بگوییم که جریان اثر ولتاژ است.

جریان الکتریکی می‌تواند میدان‌های الکترومغناطیسی ایجاد کند که در سیم‌پیچ‌ها، ترانسفورماتورها، ژنراتورها و موتورها استفاده می‌شود. در رساناهای الکتریکی، جریان باعث گرم شدن مقاومتی یا گرمایش الکتریکی یا قانون جول می‌شود که نور را در یک لامپ روشن‌کننده تولید می‌کند.

جریان الکتریکی متغیر با زمان موج‌های الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند که در مخابرات برای پخش داده‌ها استفاده می‌شوند.

جریان AC در برابر DC

بر اساس جریان بار، جریان الکتریکی به دو نوع تقسیم می‌شود: جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC).

جریان AC

جریان بار الکتریکی که به صورت دوره‌ای جهت خود را عوض می‌کند به عنوان جریان متناوب (AC) شناخته می‌شود. جریان متناوب همچنین به عنوان "جریان AC" نامیده می‌شود. اگرچه این اصطلاح فنی‌ترین تعریف "جریان AC" است.

جریان متناوب در فواصل دوره‌ای جهت خود را تغییر می‌دهد.

جریان متناوب از صفر شروع می‌شود، به حداکثر می‌رسد، به صفر می‌رسد، سپس معکوس می‌شود و به حداکثر در جهت مخالف می‌رسد، سپس دوباره به مقدار اولیه بازمی‌گردد و این چرخه را به طور نامحدود تکرار می‌کند.

نوع موج جریان متناوب می‌تواند سینوسی، مثلثی، مربعی، دندانه‌ای و غیره باشد.

خصوصیات موج مهم نیست—به شرط آنکه موج تکراری باشد.

با این حال در بیشتر مدارهای الکتریکی، موج معمولی جریان متناوب یک موج سینوسی است. یک موج سینوسی معمولی که ممکن است به عنوان جریان متناوب مشاهده شود در تصویر زیر نشان داده شده است.

یک ژنراتور همزمان می‌تواند جریان متناوب تولید کند. ژنراتور همزمان نوع خاصی از ژنراتور الکتریکی است که برای تولید جریان متناوب طراحی شده است.

برق متناوب در کاربردهای صنعتی و مسکونی به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جریان مستقیم

جریان بار الکتریکی فقط در یک جهت شناخته شده به عنوان جریان مستقیم (DC) است. جریان مستقیم نیز به عنوان "جریان مستقیم" شناخته می‌شود. اگرچه این اصطلاح فنی به معنای دوباره گفتن چیزی است که "جریان مستقیم جریان" می‌باشد.

چون جریان مستقیم فقط در یک جهت جریان دارد؛ بنابراین به آن جریان یک‌جهته نیز گفته می‌شود. نمودار جریان مستقیم در تصویر زیر نشان داده شده است.

جریان مستقیم می‌تواند توسط باتری‌ها، سلول‌های خورشیدی، سلول‌های سوختی، حرارت‌زوج‌ها، ژنراتورهای الکتریکی با کاموتاتور و غیره تولید شود. یک جریان متناوب می‌تواند با استفاده از ریکتیفایر به جریان مستقیم تبدیل شود.

برق مستقیم معمولاً در کاربردهای با ولتاژ پایین استفاده می‌شود. بیشتر مدارهای الکترونیکی به یک منبع تغذیه مستقیم نیاز دارند.

جریان الکتریکی با چه واحدی اندازه‌گیری می‌شود (واحدهای جریان)?

واحد SI برای جریان آمپر است. این واحد با A نمایش داده می‌شود. آمپر واحد پایه SI برای جریان الکتریکی است. واحد آمپر به افتخار فیزیکدان بزرگ آندره ماری آمپر نامگذاری شده است.

در سیستم SI، یک آمپر جریان بار الکتریکی بین دو نقطه با نرخ یک کولوم در ثانیه است. بنابراین،

$\begin{align*} ۱ \,\, آمپر = \frac {۱\,\,کولن} {۱\,\,ثانیه} = \frac {C} {S} \end{align*}$

بنابراین جریان همچنین به کولن بر ثانیه یا C/S اندازه‌گیری می‌شود.

فرمول جریان الکتریکی

فرمول‌های اصلی جریان عبارتند از:

رابطه بین جریان، ولتاژ و مقاومت (قانون اهم)
رابطه بین جریان، توان و ولتاژ
رابطه بین جریان، توان و مقاومت

این روابط در تصویر زیر خلاصه شده‌اند.

فرمول جریان ۱ (قانون اهم)

بر اساس قانون اهم،

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

بنابراین،

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

مثال

مانند مدار زیر، ولتاژ تغذیه $24\,\,V$ به مقاومت مقاومت $12\,\,\Omega$ اعمال شده است. جریان عبوری از مقاومت را تعیین کنید.

حل:

داده‌های داده شده: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

بر اساس قانون اهم،

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

بنابراین، با استفاده از معادله، جریان عبوری از مقاومت $2\,\,A$ است.

فرمول جریان ۲ (توان و ولتاژ)

توان منتقل شده حاصل ضرب ولتاژ تغذیه و جریان الکتریکی است.

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

بنابراین، جریان برابر با تقسیم توان بر ولتاژ است. ریاضیاً،

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

که در آن $A$ نشان‌دهنده آمپر (واحد جریان الکتریکی) است.

مثال

مانند مدار زیر نشان داده شده، ولتاژ تغذیه $24\,\,V$ به یک لامپ $48\,\,W$ اعمال می‌شود. جریان مصرف شده توسط لامپ $48\,\,W$ را تعیین کنید.حل:

داده‌های داده شده: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

بر اساس فرمول،

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

بنابراین، با استفاده از معادله بالا، جریان مصرف شده توسط لامپ $48\,\,W$ برابر با $2\,\,A$ است.

فرمول جریان ۳ (توان و مقاومت، ضرر اهمی، گرمایش مقاومتی)

می‌دانیم که، $P = V * I$

اکنون با جایگزینی قانون اهم $V = I * R$ در معادله بالا به دست می‌آوریم،

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

بنابراین، جریان برابر است با ریشه دوم نسبت توان و مقاومت. ریاضیاً، فرمول برای این عبارت است:

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

مثال

مانند مدار زیر، جریان مصرف شده توسط $100\,\,W$ ، $20\,\,\Omega$ لامپ را تعیین کنید

حل:

داده‌های داده شده: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

بر اساس رابطه بین جریان، توان و مقاومت که در بالا نشان داده شده است:

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

بنابراین، با استفاده از معادله، جریان مصرفی توسط $100\,\,W$ ، $20\,\,\Omega$ لامپ $2.24\,\,A$ است.

ابعاد جریان

ابعاد جریان به صورت جرم (M)، طول (L)، زمان (T) و آمپر (A) به صورت $M^0L^0T^-^1Q$ است.

جریان (I) نمایانگر کولون بر ثانیه است. بنابراین،

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

جریان متعارف در مقابل جریان الکترونی

در مورد جریان متعارف و جریان الکترونی تصور ناقصی وجود دارد. بیایید تفاوت بین این دو را درک کنیم.

ذرات حامل بار الکتریکی در هادی‌ها الکترون‌های آزاد هستند. جهت یک میدان الکتریکی در یک مدار، به تعریف، قانونی است که ذرات آزمون مثبت را فشار می‌دهد. بنابراین، این ذرات بار منفی، یعنی الکترون‌ها، در جهت مخالف میدان الکتریکی حرکت می‌کنند.

بر اساس نظریه الکترون، زمانی که ولتاژ یا اختلاف پتانسیل به هادی اعمال می‌شود، ذرات باردار از طریق مدار حرکت می‌کنند که تشکیل دهنده یک جریان الکتریکی می‌باشد.

این ذرات باردار از پتانسیل بالاتر به پتانسیل پایین‌تر، یعنی از ترمینال مثبت به ترمینال منفی باتری از طریق مدار خارجی حرکت می‌کنند.

اما در هادی‌های فلزی، ذرات باردار مثبت در موقعیت ثابت باقی می‌مانند و ذرات باردار منفی، یعنی الکترون‌ها، آزاد برای حرکت هستند. در نیمه‌رساناها، جریان ذرات باردار می‌تواند مثبت یا منفی باشد.

جریان ذرات باردار مثبت و منفی در جهت مخالف در مدار الکتریکی اثر یکسانی دارد. از آنجا که جریان الکتریکی به دلیل ذرات باردار مثبت یا منفی یا هر دو، یک قرارداد برای جهت جریان لازم است که مستقل از نوع ذرات باردار باشد.

جهت جریان متعارف به عنوان جهت حرکت ذرات باردار مثبت، یعنی از پتانسیل بالاتر به پتانسیل پایین‌تر در نظر گرفته می‌شود. بنابراین، ذرات باردار منفی، یعنی الکترون‌ها، در جهت مخالف جریان متعارف، یعنی از پتانسیل پایین‌تر به پتانسیل بالاتر حرکت می‌کنند. بنابراین، جریان متعارف و جریان الکترونی در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند که در تصویر زیر نشان داده شده است.

direction of coventional current and electron flow — جهت جریان متعارف و جریان الکترونی

جریان متعارف: جریان حامل‌های بار مثبت از ترمینال مثبت به ترمینال منفی باتری را جریان متعارف می‌نامند.
جریان الکترونی: جریان الکترون‌ها به عنوان جریان الکترونی شناخته می‌شود. جریان حامل‌های بار منفی - یعنی الکترون‌ها - از ترمینال منفی به ترمینال مثبت باتری را جریان الکترونی می‌نامند. جریان الکترونی برخلاف جریان متعارف است.

جهت جریان متعارف و جریان الکترونی در تصویر زیر نشان داده شده است.

جریان متعارف در مقایسه با جریان هدایتی

جریان متعارف

جریان متعارف به جریانی گفته می‌شود که از طریق محیط عایقی مانند مایع، گاز یا خلأ جریان می‌یابد.

جریان متعارف نیازی به هادی‌ها برای جریان ندارد؛ بنابراین قانون اهم را برآورده نمی‌کند. مثالی از جریان متعارف یک لوله خلأ است که در آن الکترون‌های توسط کاتد به آنود در یک خلأ جریان می‌یابند.

جریان هدایتی

جریانی که از طریق هر هادی جریان می‌یابد به عنوان جریان هدایتی شناخته می‌شود. جریان هدایتی نیاز به هادی برای جریان دارد؛ بنابراین قانون اهم را برآورده می‌کند.

جریان جابجایی

در نظر بگیرید که یک مقاومت و خازن به صورت موازی با یک منبع ولتاژ V متصل شده‌اند. ماهیت جریان از طریق خازن با جریان از طریق مقاومت متفاوت است.

تفاوت پتانسیل یا ولتاژ در اطراف مقاومت یک جریان مداوم را تولید می‌کند که توسط معادله زیر مشخص می‌شود،

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

این جریان به نام "جریان رسانش" شناخته می‌شود.

حالا، جریان فقط زمانی از طریق خازنه عبور می‌کند که ولتاژ روی آن تغییر کند، که با معادله زیر بیان می‌شود،

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

این جریان به نام "جریان جابجایی" شناخته می‌شود.

به طور فیزیکی، جریان جابجایی یک جریان واقعی نیست زیرا هیچ توانایی فیزیکی مثل جریان بارها وجود ندارد.

چگونه جریان را اندازه‌گیری کنیم

در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، اندازه‌گیری جریان یک پارامتر ضروری است که باید اندازه‌گیری شود.

وسیله‌ای که می‌تواند جریان الکتریکی را اندازه‌گیری کند به نام آمپرمتر شناخته می‌شود. برای اندازه‌گیری جریان، آمپرمتر باید به صورت سری در مداری که جریان آن قرار است اندازه‌گیری شود، متصل شود.

اندازه‌گیری جریان از طریق مقاومت با استفاده از آمپرمتر در شکل زیر نشان داده شده است.

جریان الکتریکی می‌تواند با استفاده از گالوانومتر نیز اندازه‌گیری شود. گالوانومتر هم جهت و هم مقدار جریان الکتریکی را مشخص می‌کند.

جریان می‌تواند با تشخیص میدان مغناطیسی مرتبط با جریان بدون قطع مدار اندازه‌گیری شود. ابزارهای مختلفی برای اندازه‌گیری جریان بدون قطع مدار وجود دارد.

سنسورهای جریان هال
تبدیل‌کننده جریان (CT) (فقط اندازه‌گیری AC)
مترهای کلمپ
مقاومت‌های شانت
سنسورهای مغناطیسی مقاومتی

سوالات رایج درباره جریان الکتریکی

بیایید برخی از سوالات رایج مربوط به جریان الکتریکی را مطالعه کنیم.

چه چیزی از الکترومغناطیس برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی استفاده می‌کند؟

گالوانومتر یک دستگاه اندازه‌گیری است که از الکترومغناطیس برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی استفاده می‌کند.

گالوانومتر یک دستگاه مطلق است؛ به این معنی که جریان الکتریکی را بر حسب تانژانت زاویه انحراف اندازه‌گیری می‌کند.

گالوانومتر می‌تواند جریان الکتریکی را مستقیماً اندازه‌گیری کند، اما این کار شامل قطع مدار می‌شود؛ بنابراین گاهی اوقات این کار نامناسب است.

چگونه یک جریان الکتریکی یک نیروی مغناطیسی ایجاد می‌کند؟

یک رسانه‌گر حامل جریان که در یک میدان مغناطیسی قرار گرفته است، نیرویی را تجربه خواهد کرد، زیرا جریان همان جریان بارها است.

در نظر بگیرید یک رسانه‌گر حامل جریان با جریان عبوری از آن، مانند شکل (a) زیر. طبق قاعده دست راست فلیمینگ؛ این جریان میدان مغناطیسی در جهت ساعتگرد ایجاد می‌کند.

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

نیروی مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان الکتریکی

نتیجه میدان مغناطیسی رسانه‌گر این است که آن میدان مغناطیسی را بالای رسانه‌گر تقویت و پایین آن را ضعیف می‌کند.

خطوط میدان مانند لاستیک‌های کشیده شده عمل می‌کنند؛ بنابراین آن‌ها رسانه‌گر را در جهت پایین می‌فرستند، یعنی نیرو به سمت پایین است، مانند شکل (b).

این مثال نشان می‌دهد که هادی برق‌رسان در یک میدان مغناطیسی به یک نیرو تعریف می‌شود. معادله زیر اندازه نیروی مغناطیسی وارد بر یک هادی برق‌رسان را تعیین می‌کند.

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

برای جریان دادن به جریان الکتریکی، لازم است دارای شرایط زیر باشد

برای جریان دادن به جریان الکتریکی، لازم است دارای شرایط زیر باشد:

تفاوت پتانسیل که بین دو نقطه وجود دارد. اگر دو نقطه در یک مدار در سطح پتانسیل یکسان قرار داشته باشند، جریان نمی‌تواند جریان یابد.
منبع ولتاژ یا منبع جریان، مانند یک باتری یا سلول که الکترون‌های آزاد را که تشکیل دهنده جریان الکتریکی هستند مجبور می‌کند.
هادی یا سیمی که بارهای الکتریکی را حمل می‌کند.
مدار باید بسته یا کامل باشد. اگر مدارها باز باشند، جریان نمی‌تواند جریان یابد.

این شرایط ضروری برای جریان دادن به جریان الکتریکی هستند. تصویر زیر یک جریان در یک مدار بسته را نشان می‌دهد.

چه کدام بهترین تفاوت بین جریان الکتریکی و برق استاتیکی را توصیف می‌کند

تفاوت اصلی بین جریان الکتریکی و برق استاتیکی این است که الکترون‌ها یا بارها در یک جریان الکتریکی از طریق هادی جریان می‌یابند.

در حالی که در برق استاتیکی، بارها در حالت استراحت هستند و روی سطح ماده تجمع می‌یابند.

جریان الکتریکی به دلیل جریان الکترون‌ها ایجاد می‌شود، در حالی که برق استاتیکی به دلیل بارهای منفی از یک شیء به شیء دیگر منتقل می‌شود.

جریان الکتریکی فقط در هادی ایجاد می‌شود، در حالی که برق استاتیکی هم در هادی و هم در عایق ایجاد می‌شود.

جریان الکتریکی چگونه بر قطب مغناطیسی تأثیر می‌گذارد؟

ما می‌دانیم که وقتی جریان الکتریکی جریان می‌یابد، یعنی بار الکتریکی در حرکت است، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. اگر ما مغناطیس را در یک میدان مغناطیسی قرار دهیم، آن به یک نیرو تعریف می‌شود.

برای شارهای الکتریکی، یعنی جریان الکتریکی، قطب‌های مغناطیسی مشابه جذب و قطب‌های مغناطیسی مخالف دفع می‌کنند. بنابراین می‌توانیم بگوییم که جریان الکتریکی از طریق میدان مغناطیسی بر قطب مغناطیسی تأثیر می‌گذارد.

چه سازه‌ای برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی استفاده می‌شود

سازه‌ای که می‌تواند جریان الکتریکی را اندازه‌گیری کند به نام آمپرمتر شناخته می‌شود. آمپرمتر باید در سری با مداری که جریان آن اندازه‌گیری می‌شود، متصل شود.

سازه‌های مختلف دیگری نیز برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی استفاده می‌شوند.

حسگرهای ترانزدیوتر جریان اثر هال
تبدیل‌کننده جریان (CT) (فقط اندازه‌گیری AC)
مترهای ضربه‌ای
مقاومت‌های شانت
حسگرهای مغناطیس مقاومتی

منبع: Electrical4u

بیانیه: احترام به اصل، مقالات خوبی که شایسته به اشتراک گذاشته شدن هستند، اگر نقض حق تکثیر وجود داشته باشد لطفاً تماس بگیرید تا حذف شود.