جریان الکتریکی: حرکت منظم بارهای الکتریکی در یک رسانا
بار الکتریکی و مواد رسانا و نارسانا
همه چیز از اتم شروع میشود. اتم از ذرات کوچکتری مانند پروتون (با بار مثبت)، نوترون (بدون بار) و الکترون (با بار منفی) تشکیل شده است. در مواد جامد، برخی از الکترونها میتوانند آزادانه در بین اتمها حرکت کنند و به آنها الکترونهای آزاد میگویند. همین الکترونهای آزاد، حاملان بار الکتریکی در یک رسانا هستند.
| نوع ماده | تعریف و ویژگی | مثالهای آشنا |
|---|---|---|
| رسانا | موادی که الکترونهای آزاد زیادی دارند و به راحتی اجازهٔ عبور بار الکتریکی را میدهند. | فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، طلا، سیمهای برق، بدن انسان |
| نارسانا (عایق) | موادی که الکترونهای آزاد بسیار کمی دارند و جریان الکتریکی از آنها عبور نمیکند. | پلاستیک، چوب خشک، شیشه، لاستیک، هوا |
| نیمهرسانا | موادی که رسانایی آنها بین رسانا و نارسانا است و با تغییر دما یا افزودن ناخالصی تغییر میکند. | سیلیسیم، ژرمانیوم (پایهٔ ساخت تراشههای رایانهای) |
برای درک بهتر، یک سیم مسی را در نظر بگیرید. اتمهای مس الکترونهای آزاد زیادی دارند. اگر این سیم را به یک باتری وصل کنیم، این الکترونها به حرکت منظم و جهتدار وادار میشوند و جریان الکتریکی ایجاد میکنند.
ولتاژ، شدت جریان و مقاومت: سه رکن اصلی
برای توصیف کمی جریان الکتریکی، به سه مفهوم کلیدی نیاز داریم که با یک مثال ساده آنها را توضیح میدهیم: مخزن آب، شلنگ و شیر آب.
حالا این مفاهیم را دقیقتر تعریف میکنیم:
ولتاژ (V): به زبان ساده، نیروی محرکهٔ الکتریکی یا فشار الکتریکی است که باعث به حرکت درآمدن بارهای الکتریکی در مدار میشود. واحد آن ولت (V) است. باتری قلمی معمولی حدود 1.5 V ولتاژ دارد.
شدت جریان (I): میزان باری (معمولاً الکترون) است که در یک نقطه از رسانا در واحد زمان عبور میکند. واحد آن آمپر (A) است. یک لامپ کوچک LED ممکن است حدود 0.02 A (20 mA) جریان بکشد.
مقاومت الکتریکی (R): مشخص میکند که یک ماده چقدر در مقابل عبور جریان الکتریکی مقاومت میکند. واحد آن اهم (Ω) است. مقاومت یک سیم مسی کوتاه و ضخیم بسیار کم، اما مقاومت یک رشتهفیلامتن لامپ قدیمی بسیار زیاد است.
قانون اهم: رابطهٔ ریاضی بین سه رکن
این سه کمیت به صورت جادویی با یکدیگر ارتباط دارند. قانون اهم[5] این رابطه را به سادگی بیان میکند:
توضیح: ولتاژ (V) برابر است با حاصلضرب شدت جریان (I) در مقاومت (R). از این رابطه میتوان دو شکل دیگر نیز استخراج کرد: $I = \frac{V}{R}$ و $R = \frac{V}{I}$.
مثال کاربردی: فرض کنید یک مقاومت 100 Ω دارید و آن را به یک باتری 9 V وصل میکنید. شدت جریان عبوری از مقاومت چقدر است؟
طبق قانون اهم: $I = \frac{V}{R} = \frac{9}{100} = 0.09 A$ یا 90 mA.
از نظریه تا عمل: ساخت یک مدار ساده و اندازهگیری
بیایید با یک مثال عینی، مفاهیم یادشده را ببینیم. یک مدار الکتریکی ساده متشکل از یک باتری، یک لامپ، سیمهای رابط و یک کلید است. وقتی کلید بسته میشود، مسیر بستهای (مدار) برای حرکت الکترونها فراهم میشود و لامپ روشن میشود.
در این مدار، باتری نقش منبع ولتاژ را دارد. رشتهفیلامتن داخل لامپ، یک مقاومت است که انرژی الکتریکی را به انرژی نور و گرمایی تبدیل میکند. سیمها رساناهای کممقاومت هستند. برای اندازهگیری ولتاژ دو سر لامپ از ولتسنج و برای اندازهگیری جریان عبوری از لامپ از آمپرسنج استفاده میکنیم. نکتهٔ مهم اینجاست که ولتسنج به صورت موازی با المان مورد نظر (مثل لامپ) و آمپرسنج به صورت سری در مدار قرار میگیرد.
| نوع اتصال | ویژگیهای جریان و ولتاژ | مثال |
|---|---|---|
| سری | اجزا پشت سر هم وصل میشوند. جریان یکسان از همه میگذرد. ولتاژ کل بین اجزا تقسیم میشود. | چراغهای قدیمی گاریهای عید (اگر یکی بسوزد، بقیه خاموش میشوند) |
| موازی | اجزا در شاخههای جداگانه بین دو نقطه مشترک وصل میشوند. ولتاژ یکسان روی همه است. جریان کل بین شاخهها تقسیم میشود. | پریزهای برق خانه (میتوانید تلویزیون و چراغ را همزمان روشن کنید) |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1] جریان الکتریکی (Electric Current)
[2] ولتاژ (Voltage) یا اختلاف پتانسیل الکتریکی (Electric Potential Difference)
[3] شدت جریان (Current Intensity)
[4] مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance)
[5] قانون اهم (Ohm's Law): بیان رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت در بسیاری از مواد (رساناهای اهمی).
[6] سرعت رانش (Drift Velocity): سرعت متوسط خالص حرکت حاملان بار در اثر اعمال میدان الکتریکی.
