جریان الکتریکی: چیست؟

Electrical4u

فیلد: مقدماتی برق

China

جریان الکتریکی چیست؟

جریان الکتریکی به عنوان جریان ذرات باردار مانند الکترون‌ها یا یون‌ها که از طریق یک رسانا الکتریکی یا فضا حرکت می‌کنند، تعریف می‌شود. این جریان نرخ جریان بار الکتریکی در یک محیط 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.

جریان بستگی به محیط رسانا دارد. به عنوان مثال:

در رسانا، جریان به دلیل الکترون‌ها است.
در نیمه‌رساناهای، جریان به دلیل الکترون‌ها یا حفره‌ها است.
در الکترولیت، جریان به دلیل یون‌ها است و
در پلاسما—گاز یونی شده، جریان به دلیل یون‌ها و الکترون‌ها است.

وقتی که یک اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک محیط رسانا اعمال می‌شود، جریان الکتریکی از پتانسیل بالاتر به پتانسیل پایین‌تر شروع به جریان می‌کند. هرچه 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. مقدار جریان بستگی به ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو نقطه دارد. بنابراین می‌توان گفت جریان اثر ولتاژ است.

جریان الکتریکی می‌تواند میدان‌های الکترومغناطیسی ایجاد کند که در سازهای القایی، ترانسفورماتورها، ژنراتورها و موتورها استفاده می‌شوند. در رساناهای الکتریکی، جریان باعث گرم شدن مقاومتی یا گرم شدن الکتریکی یا گرم شدن جول می‌شود که نور را در یک لامپ خاموش ایجاد می‌کند.

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

جریان AC در برابر جریان DC

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

جریان AC

جریان بار در جهت متناوب به آن جریان متناوب (AC) گفته می‌شود. جریان AC همچنین به عنوان "جریان AC" نیز شناخته می‌شود. اگرچه این به طور فنی یک بار تکرار است "جریان AC جریان".

جریان متناوب در فواصل منظم جهتش 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 شرطی که یک موج تکراری باشد.

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

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

برق متناوب در کاربردهای صنعتی و مسکونی به طور گسترده استفاده می‌شود.

جریان مستقیم

پخش بار الکتریکی فقط در یک جهت به نام جریان مستقیم (DC) شناخته می‌شود. DC همچنین به عنوان "جریان مستقیم" نامیده می‌شود. اگرچه این اصطلاح فنی به معنای دوباره گفتن همان چیز "جریان مستقیم جریان" است.

از آنجا که جریان مستقیم فقط در یک جهت حرکت می‌کند؛ بنابراین به عنوان جریان یکسویه نیز شناخته می‌شود. موج جریان مستقیم در تصویر زیر نشان داده شده است.

جریان مستقیم می‌تواند با استفاده از باتری‌ها، سلول‌های خورشیدی، سلول‌های سوختی، حرارت‌کوپل‌ها، ژنراتورهای الکتریکی با کاموتاتور و غیره تولید شود. جریان متناوب می‌تواند با استفاده از رکتیفایر به جریان مستقیم تبدیل شود.

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

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

واحد SI برای جریان آمپر یا آمپ است. این واحد با A نشان 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 به طور نیز با 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 برابر است با $2\,\,A$ .

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 توان تقسیم بر ولتاژ است. ریاضیاً،

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

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

مثال

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

داده‌های موجود: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

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، افت 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 ریشه دوم نسبت توان و مقاومت است. ریاضیاً، فرمول برای این عبارت است:

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

مثال

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

حل:

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 برابر است با $2.24\,\,A$ .

بعد فیزیکی جریان الکتریکی

بعد فیزیکی جریان بر حسب 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 کمی سوء تفاهم وجود دارد. بیایید تفاوت بین این دو را فهمیده‌ایم.

ذراتی که بار الکتریکی را از طریق هادی‌ها منتقل می‌کنند، الکترون‌های آزاد یا متحرک هستند. جهت یک میدان الکتریکی در یک مدار، به تعریف، قانونی است که بارهای آزمایشی مثبت را می‌سوزاند. بنابراین، این ذرات بار منفی، یعنی الکترون‌ها، در جهت مخالف میدان الکتریکی حرکت می‌کنند.

بر اساس نظریه الکترون، وقتی ولتاژ یا اختلاف پتانسیل به هادی اعمال می‌شود، ذرات باردار از طریق مدار جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهند.

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

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 عکس جریان متعارف است.

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

جریان متعارف در مقایسه با جریان هدایت

جریان کانوکشن

جریان کانوکشن به جریانی گفته می‌شود که از طریق ماده‌ای عایق مانند مایع، گاز یا خلاء می‌گذرد.

جریان کانوکشن نیاز به هادی برای جریان ندارد؛ بنابراین قانون اهم را برآورده نمی‌کند. مثالی از جریان کانوکشن، لوله خلاء است که در آن الکترون‌هایی که توسط کاتد منتشر می‌شوند به آنود در خلاء می‌روند.

جریان هدایت

جریانی که از طریق هر هادی می‌گذرد را جریان هدایت می‌نامند. جریان هدایت نیاز به هادی برای جریان دارد؛ بنابراین قانون اهم را برآورده می‌کند.

جریان جابجایی

فرض کنید یک مقاومت و خازن به صورت موازی با منبع ولتاژ V به شکل زیر متصل شده‌اند. ماهیت جریانی که از طریق خازن می‌گذرد متفاوت از جریانی است که از طریق مقاومت می‌گذرد.

ولتاژ یا اختلاف پتانسیل روی مقاومت جریان مداومی را تولید می‌کند که توسط معادله زیر تعیین می‌شود،

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

این جریان به نام «جریان هدایت» شناخته می‌شود.

حالا جریان تنها زمانی از طریق خازن می‌گذرد که ولتاژ روی خازن تغییر کند، که توسط معادله زیر داده 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 جریان فیزیکی مانند جریان بار 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 آن آمپرمتر گفته می‌شود. برای اندازه‌گیری جریان، آمپرمتر باید در سری با مداری که جریان آن می‌خواهد 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 نشان می‌دهد.

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

سنسرهای جریان هال
ترانسفورماتور جریان (CT) (فقط اندازه‌گیری جریان متناوب)
مترهای کلیپ
مقاومت‌های شانت
سنسورهای مغناطیسی مقاومتی

سوالات رایج درباره جریان الکتریکی

بیایید برخی از سوالات رایج مربوط به جریان الکتریکی را بررسی 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 وسیله اندازه‌گیری مطلق است؛ آن جریان الکتریکی را به صورت تانژانت زاویه انحراف اندازه‌گیری می‌کند.

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

چگونه یک جریان الکتریکی نیروی مغناطیسی تولید می‌کند؟

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

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

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

نیروی مغناطیسی تولید شده توسط یک جریان الکتریکی

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

خط‌های میدان مانند لاستیک‌های کشیده شده هستند؛ بنابراین آنها سانسور را به سمت پایین می‌رانند، یعنی نیرو به سمت پایین است، مانند شکل (b).

این مثال نشان می‌دهد که هادی حامل جریان در یک میدان مغناطیسی تحت تأثیر نیرو قرار می‌گیرد. معادله زیر اندازه نیروی مغناطیسی وارد بر هادی حامل جریان 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:

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه. اگر دو نقطه در مدار در یک پتانسیل باشند، جریان نمی‌تواند جریان یابد.
منبع ولتاژ یا منبع جریان، مانند باتری یا سلولی که الکترون‌های آزاد را که جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهند، مجبور می‌کند.
هادی یا سیمی که بارهای الکتریکی را منتقل می‌کند.
مدار باید بسته یا کامل باشد. اگر مدارها باز باشند، جریان نمی‌تواند جریان یابد.

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

چه کدام بهترین توصیف فرق بین جریان الکتریکی و برق ساکن است

تفاوت اصلی بین جریان الکتریکی و برق ساکن این است که الکترون‌ها یا بارها در یک جریان الکتریکی از طریق هادی حرکت می‌کنند.

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

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

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

جریان الکتریکی چگونه بر قطب مغناطیسی تأثیر می‌گذارد؟

ما می‌دانیم که وقتی جریان الکتریکی جریان یابد، یعنی بار الکتریکی در حرکت باشد، میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. اگر ما مغناطیس را در یک میدان مغناطیسی قرار دهیم، آن مغناطیس تحت تأثیر نیرو قرار می‌گیرد.

برای شارهای الکتریکی، یعنی جریان الکتریکی، قطب‌های مغناطیسی مشابه به هم جذب و قطب‌های مغناطیسی مخالف از هم دفع می‌شوند. بنابراین می‌توان گفت که جریان الکتریکی از طریق میدان مغناطیسی بر قطب‌های مغناطیسی تأثیر می‌گذارد.

چه سازوکاری برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی استفاده می‌شود

سازوکاری که می‌تواند جریان الکتریکی را اندازه‌گیری کند آمپرمتر نامیده می‌شود. آمپرمتر باید در سری با مداری که جریان آن قرار است اندازه‌گیری شود، متصل شود.

سازوکارهای مختلف دیگری نیز برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی استفاده می‌شوند.