זרם חשמלי: מה זה?

Electrical4u

שדה: אלקטרוניקה בסיסית

China

מהי זרם חשמלי?

זרם חשמלי מוגדר כזרם של חלקיקים טעונים - כגון אלקטרונים או אינונים - שזורמים דרך מוליך חשמלי או מרחב. זהו קצב הזרימה של מטען חשמלי דרך מוליך מוליך לפי הזמן. זרם חשמלי מתואר מתמטית (לדוגמה, בנוסחאות) באמצעות הסימן "I" או "i". היחידות לזרם הן אמפר או אמפ. זה מיוצג על ידי A.

מתמטית, קצב הזרימה של המטען לפי הזמן יכול לבוא לידי ביטוי כך,

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

במילים אחרות, זרם של חלקיקים טעונים הזורמים דרך מוליך חשמלי או מרחב ידוע כזרם חשמלי. החלקיקים הטעונים הנעים מכונים נושאי מטען ויכולים להיות אלקטרונים, חורים, אינונים וכדומה.

הזרימה של הזרם תלויה במוליך מוליך. למשל:

במוליך, זרימת הזרם היא בעקבות אלקטרונים.
במוליכים למחצה, זרימת הזרם היא בעקבות אלקטרונים או חורים.
באלקטרוליט, זרימת הזרם היא בעקבות אינונים ו
בפלזמה - גז מיונן, זרימת הזרם היא בעקבות אינונים ואלקטרונים.

כאשר ישנה הפרש פוטנציאלים חשמלי בין שתי נקודות במוליך מוליך, זרם חשמלי מתחיל לזרום מהפוטנציאל הגבוה יותר לפוטנציאל הנמוך יותר. ככל שהמתח או הפרש פוטנציאלים גבוה יותר, כך גדל הזרם הזורם בין שתי הנקודות.

אם שתי נקודות במעגל נמצאות באותו פוטנציאל, אז הזרם אינו יכול לזרום. הגודל של הזרם תלוי במתח או בהפרש הפוטנציאלים בין שתי הנקודות. לכן, ניתן לומר שהזרם הוא תוצאה של מתח.

זרם חשמלי יכול ליצור שדות אלקטרומגנטיים, המשמשים במתגים, טרנספורמרים, גנרטורים ומנועים. במנועי חשמל, הזרם גורם לחימום תנגדותי או חימום חשמלי או חוק ז'ול המפיק אור במנורה פלואורסצנטית.

זרם חשמלי משתנה בזמן מפיק גלים אלקטרומגנטיים, המשמשים בהתקנים להעברת מידע.

זרם חילופין מול זרם ישר

בהתאם לזרימת המטען החשמלי, ניתן למיין את הזרם החשמלי לשני סוגים, כלומר, זרם חילופין (AC) וזרם ישר (DC).

זרם חילופין

זרימת המטען החשמלי באופן מחזורי בכיוון הפוך מכונה זרם חילופין (AC). זרם חילופין מכונה גם "AC Current". למרות שהביטוי הזה אומר את אותו הדבר פעמיים "AC Current Current".

זרם חילופין משנה את כיוונו במרווחים מחזוריים.

הזרם החילופין מתחיל מאפס, עולה למקסימום, יורד לאפס, ואז מתהפך ומגיע למקסימום בכיוון ההפוך, ואז שוב חוזר לערך המקורי ומחזור זה נמשך אינסוף פעמים.

הצורה של גל הזרם החילופין יכולה להיות סינוסואידלית, משולשת, מרובעת, מצולע, וכו'.

הפרטיות של צורת הגל אינה חשובה כל עוד מדובר בגל חוזר.

עם זאת, בעגלים חשמליים טיפוסיים, הצורה הטיפוסית של זרם חילופין היא גל סינוסואידלי. צורת גל סינוסואידלי טיפוסית שתוכלו לראות כזרם חילופין מוצגת בתמונה שלהלן.

מַזְמֵןאלטרנטור יכול לייצר זרם חילופין. האלטרנטור הוא סוג מיוחד של מפנק חשמלי שתוכנן לייצר זרם חילופין.

חשמל בזרם חילופין משמש secara luas dalam aplikasi industri dan perumahan.

זרם ישר

זרימת המטען החשמלי בכיוון אחד בלבד מכונה זרם ישר (DC). זרם ישר מכונה גם "DC Current". למרות שזה טכנית אומר את אותו הדבר פעמיים "Direct Current Current".

כאשר זרם ישר זורם רק בכיוון אחד, הוא מכונה גם זרם חד כיווני. צורת הגל של זרם ישר מוצגת בתמונה להלן.

זרם ישר יכול להיווצר על ידי בטריות, תאים סולריים, תאים דלק, זוגות תרמיים, גנרטורים חשמליים מסוג קומוטטור, וכדומה. ניתן להמיר זרם חילופין לזרם ישר באמצעות מלבין.

חשמל בזרם ישר משמש בדרך כלל באפליקציות נמוכות מתח. רוב מעגלי האלקטרוניקה דורשים אספקת מתח ישר.

באיזה יחידות מודד זרם חשמלי?

היחידות הבינלאומיות (SI) לזרם הן אמפר או אמפר. זה מסומן באות A. אמפר הוא היחידה הבסיסית של SI עבור זרם חשמלי. היחידה אמפר נקראת לכבודו של הפיזיקאי הגדול אנדרה מריה אמפר.

במערכת SI, 1 אמפר הוא זרימת מטען חשמלי בין שתי נקודות במהירות של קולון אחד לשנייה. לכן,

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

לכן המרחק נמדד גם בקולון לשנייה או C/S.

נוסחת זרם חשמלי

הנוסחאות הבסיסיות לזרם הן:

היחס בין זרם, מתח והתנגדות (חוק אוהם)
היחס בין זרם, עוצמה ומתח
היחס בין זרם, עוצמה והנגד

היחסים הללו מתוארים בתמונה שלהלן.

נוסחת זרם 1 (חוק אוהם)

לפי חוק אוהם,

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

לכן,

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

דוגמה

כפי שמוצג במעגל להלן, מתח של $24\,\,V$ מופעל על נגד של $12\,\,\Omega$ . קבע את הזרם הזורם בנגד.

פתרון:

נתונים: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

לפי חוק אוהם,

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

לכן, באמצעות המשוואה, אנו מקבלים שהזרם הזורם דרך המנגד הוא $2\,\,A$ .

נוסחת זרם 2 (עוצמה ומתח)

העוצמה המועברת היא מכפלת מתח האספקה והזרם החשמלי.

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

לפיכך, נקבל שהזרם שווה לעוצמה חלקי מתח. מתמטית,

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

כאשר $A$ מייצג אמפר או אמפרים (יחידות של זרם חשמלי).

דוגמה

כפי שמוצג במעגל להלן, מתח אספקה של $24\,\,V$ מופעל על נורה של $48\,\,W$ . קבע את הזרם שנלקח על ידי הנורה של $48\,\,W$ .פתרון:

נתונים: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

לפי הנוסחה,

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

לכן, באמצעות המשוואה לעיל אנו מקבלים כי הזרם שנלקח על ידי הנורה של $48\,\,W$ שווה ל $2\,\,A$ .

נוסחת זרם 3 (עוצמה ונגד, אובדן אוהמי, חימום נגדי)

אנחנו יודעים ש- $P = V * I$

עכשיו, על ידי החלפת חוק אוהם $V = I * R$ בנוסחה שלמעלה, נקבל,

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

לכן, הזרם הוא השורש הריבועי של המנה בין העוצמה וההתנגדות. מתמטית, הנוסחה לזה היא:

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

דוגמה

כפי שמוצג במעגל שלהלן, קבע את הזרם הנלקח על ידי $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ מנורה

פתרון:

נתונים: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

לפי היחס בין זרם, כוח ונגד המוצג למעלה:

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

לכן, באמצעות המשוואה, אנו מקבלים את הזרם שמשתמש ב- $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ הוא $2.24\,\,A$ .

ממדים של זרם

ממדים של זרם במונחים של מסה (M), אורך (L), זמן (T) ואמפר (A) נתון על ידי $M^0L^0T^-^1Q$ .

זרם (I) הוא ייצוג של קולון לשנייה. לכן,

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

זרם טיפוסי לעומת זרם אלקטרונים

יש מושג שגוי מסוים לגבי זרם טיפוסי וזרם אלקטרונים. בואו ננסה להבין את ההבדל בין השניים.

החלקיקים הנושאים מטען חשמלי דרך מוליכים הם אלקטרונים חופשיים או ניידים. כיוון של שדה חשמלי בתוך מעגל הוא, על פי הגדרה, החוק שאומר שהמטענים החיוביים נדחפים. לכן, חלקיקי המטען השליליים, כלומר האלקטרונים, זורמים בכיוון הפוך לשדה החשמלי.

לפי תורת האלקטרונים, כאשר מפעילים מתח או הפרש פוטנציאל על מוליך, חלקיקים מוכרים זורמים דרך המעגל, מה שמגדיר זרם חשמלי.

החלקיקים המוכרים זורמים מפוטנציאל גבוה לפוטנציאל נמוך, כלומר מהטرمינל החיובי לטרמינל השלילי של הסוללה דרך מעגל חיצוני.

אבל, במוליכים מתכתיים, החלקיקים המוכרים חיובית נמצאים במקום קבוע, והאלקטרונים, שהם חלקיקים מוכרים שלילית, חופשיים לנוע. בסמי מוליכים, זרימת החלקיקים המוכרים יכולה להיות חיובית או שלילית.

זרימה של נשאי מטען חיוביים ושליליים בכיוונים מנוגדים יש לה השפעה זהה במעגל החשמלי. מכיוון שזרימת הזרם היא עקב מטענים חיוביים או שליליים, או שניהם, נדרש הסכם לכיוון הזרם שאינו תלוי בדרכים של נשאי המטען.

כיוון הזרם הטיפוסי נחשב לכיוון בו זורמים נשאי המטען החיוביים, כלומר מהפוטנציאל הגבוה לפוטנציאל הנמוך. לכן, נשאי המטען השליליים, כלומר האלקטרונים, זורמים בכיוון הפוך לזרם הטיפוסי, כלומר מהפוטנציאל הנמוך לפוטנציאל הגבוה. לכן, הזרם הטיפוסי והזרם של האלקטרונים זורמים בכיוונים מנוגדים, כפי שמוצג בתמונה שלהלן.

direction of coventional current and electron flow — כיוון הזרם הטיפוסי והזרם של האלקטרונים

זרם קונבנציונלי: הזרם של נושאי מטען חיובי מהטמינה החיובית לטמינה השלילית של הסוללה מכונה זרם קונבנציונלי.
זרם אלקטרונים: הזרם של אלקטרונים מכונה זרם אלקטרונים. הזרם של נושאי מטען שלילי – כלומר, אלקטרונים – מהטמינה השלילית לטמינה החיובית של הסוללה מכונה זרם אלקטרונים. זרם אלקטרונים הוא הפוך לכיוון הזרם הקונבנציונלי.

הכיוון של הזרם הקונבנציונלי וזרם האלקטרונים מוצג בתמונה להלן.

זרם קונבנציונלי לעומת זרם מוליכות

זרם קונבקציה

זרם קונבקציה מתאר זרימה דרך מדייה מבודדת כגון נוזל, גז או הרחקה.

זרם קונבקציה אינו דורש מוליכים כדי לזרום; לכן הוא אינו מקיים את חוק אוהם. דוגמה לזרם קונבקציה היא צינור ריק שבו אלקטרונים שמשוחררים מהקתוד זורמים לאנוד בריק.

זרם מוליכות

הזרם הזורם דרך כל מוליך מכונה זרם מוליכות. זרם מוליכות דורש מוליכים כדי לזרום; לכן הוא כן מקיים את חוק אוהם.

זרם תזוזה

בהינתן מחנגד וקונדנסטור מחוברים במקביל עם מקור מתח V כפי שמוצג בתמונה שלהלן. אופי הזרם הזורם דרך הקונדנסטור שונה מאופי הזרם הזורם דרך המחנגד.

המתח או ההבדל הפוטנציאלי על פני המחנגד יוצר זרימת זרם מתמדת שמתוארת על ידי המשוואה,

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

הזרם הזה נקרא "זרם הולכה".

עכשיו הזרם זורם דרך הקונדנסטור רק כאשר המתח על הקונדנסטור משתנה, כפי שמתואר במשוואה הבאה,

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

הזרם הזה נקרא "זרם מזוזה".

בצורה פיזית, זרם המזוזה אינו זרם כי אין זרימת כמות פיזית כמו זרימת טעמים.

איך למדוד זרם

במעגל חשמלי ואלקטרוני, מדידת הזרם היא פרמטר חיוני שצריך למדוד.

מכשיר שיכול למדוד זרם חשמלי נקרא אמפרומטר. כדי למדוד זרם, האמפרומטר צריך להתחבר בסדרה עם המעגל שזרמו יש למדוד.

המדידה של הזרם דרך הנגד באמצעות אמפרומטר מוצגת בתמונה שלהלן.

הזרם החשמלי ניתן גם למדוד באמצעות גלוונומטר. הגלוונומטר נותן הן את הכיוון והן את הגודל של הזרם החשמלי.

הזרם ניתן למדוד על ידי גילוי השדה המגנטי המשויך לזרם מבלי לשבור את המעגל. ישנם מכשירים שונים המשמשים למדידת הזרם מבלי לשבור את המעגל.

שאלה נפוצה על זרם

בואו נחקר כמה שאלות נפוצות הקשורות לזרם חשמלי.

מה משתמש באלקטרומגנט כדי למדוד זרם חשמלי?

גלבנומטר הוא מכשיר מדידה המשתמש באלקטרומגנט כדי למדוד זרם חשמלי.

גלבנומטר הוא מכשיר אבסולוטי; הוא מדוד את הזרם החשמלי במונחים של טנגנס הזווית של סיבוב.

גלבנומטר יכול למדוד את הזרם החשמלי ישירות, אך זה דורש ניתוק המעגל; לכן לפעמים זה לא נוח.

איך זרם חשמלי יוצר כוח מגנטי?

מנוע נושא זרם הממוקם בשדה מגנטי יתמודד עם כוח מכיוון שהזרם הוא פשוט זרימת מטענים.

שקלו נושא זרם עם זרם מתגלגל דרכו, כפי שמוצג בתמונה להלן (א). לפי כלל יד ימין של פלמינג; הזרם הזה יצור שדה מגנטי בכיוון השעון.

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

כוח מגנטי שנוצר על ידי זרם חשמלי

התוצאה של שדה המגנטי של הנושא היא שהיא תדחוף את השדה המגנטי מעל הנושא ותחליש אותו מתחת לו.

הקווי השדה הם כמו רצועות גומי מתוחות; לכן הם ידחפו את הנושא לכיוון מטה, כלומר הכוח הוא למטה, כפי שמוצג בתמונה (ב).

דוגמה זו אומרת כי מוליך חשמלי שמתעב במגנט יש הנעח על ידי כוח. המשוואה הבאה קובעת את הגודל של הכוח המגנטי על מוליך חשמלי.

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

כדי להפוך זרם חשמלי, יש צורך ב

כדי להפוך זרם חשמלי, יש צורך בהתקנים הבאים:

הבדל פוטנציאל שנמצא בין שתי נקודות. אם שתי הנקודות בעגלון הן באותה מתח, הזרם לא יכול לזרום.
מקור מתח או מקור זרם, כגון סוללה או תאים שמאלצים אלקטרונים חופשיים המרכיבים זרם חשמלי.
מוליך או חוט העובר טעונים חשמליים.
המעגל חייב להיות סגור או מלא. אם המעגל פתוח, הזרם לא יכול לזרום.

אלה הם התנאים הנדרשים כדי להפוך זרם חשמלי. התמונה שלהלן מראה זרם עובר במעגל סגור.

מה מתאר בצורה הטובה ביותר את ההבדל בין זרם חשמלי לחשמל סטטי

ההבדל העיקרי בין זרם חשמלי לחשמל סטטי הוא שהאלקטרונים או הטעונים זורמים דרך המוליך בזרם חשמלי.

בניגוד לזה, בחשמל סטטי, הטעונים נמצאים במנוחה ומתרבים על פני השטח של החומר.

הזרם החשמלי נגרם עקב זרימת אלקטרונים, בעוד שחשמל סטטי נגרם עקב טעונים שליליים מעובייקט אחד לאחר.

הזרם החשמלי נוצר רק במוליכים, בעוד שחשמל סטטי נוצר גם במוליכים וגם בבודדים.

איך זרם חשמלי משפיע על קטב מגנטי?

אנחנו יודעים שכשזרם חשמלי זורם, כלומר מטען חשמלי בתנועה, הוא יוצר שדה מגנטי. אם נשים מגנט בשדה מגנטי, הוא חווה כוח.

במגנטים, קטבים מגנטיים דומים מושכים זה את זה וקטבים מגנטיים מנוגדים דוחים זה את זה. לכן, ניתן לומר שהזרם החשמלי משפיע על הקטבים המגנטיים דרך השדה המגנטי.