جریان الکتریکی
جریان الکتریکی دقیقاً چیست؟
همه ما با روشن و خاموش کردن کلید چراغ آشنا هستیم. اما چه اتفاقی در سیمهای پشت کلید میافتد که ناگهان نور تولید میشود؟ پاسخ در مفهوم جریان الکتریکی نهفته است. در سطح اتمی، مواد از اتمها تشکیل شدهاند. برخی مواد مانند فلزات (مس، آلومینیوم) دارای الکترونهای آزاد هستند؛ یعنی برخی از الکترونهای آخرین لایهٔ اتم میتوانند به راحتی از اتمی به اتم دیگر حرکت کنند. وقتی این حرکت الکترونها منظم و در یک جهت خاص باشد، جریان الکتریکی ایجاد میشود. به زبان ساده: جریان الکتریکی همان «بارهای در حرکت» است.
برای درک بهتر، یک لوله پر از آب را در نظر بگیرید. اگر آب در لوله ساکن باشد، جریانی وجود ندارد. اما اگر یک پمپ در مسیر لوله قرار دهیم، آب به حرکت درمیآید و جریان آب ایجاد میشود. در این تشبیه:
- الکترونهای آزاد مانند مولکولهای آب هستند.
- سیم مسی نقش لوله را دارد.
- باتری یا پریز برق مانند پمپ عمل میکند و نیروی لازم برای حرکت منظّم الکترونها را فراهم میآورد.
جهت قراردادی جریان، برخلاف جهت حرکت الکترونها، از قطب مثبت به قطب منفی منبع است.1 این یک قرارداد تاریخی است که هنوز هم در نقشههای مداری استفاده میشود.
- Q مقدار بار الکتریکی کل گذرنده از مقطع سیم است که واحد آن کولن3 است.
- t مدت زمان گذر این بارها بر حسب ثانیه است.
- واحد شدت جریان، آمپر4 (A) است. یک آمپر یعنی یک کولن بار در هر ثانیه از مقطع سیم عبور کند.
چه عواملی جریان را کنترل میکنند؟ مقاومت و قانون اهم
الکترونها در هنگام حرکت درون رسانا، دائماً با اتمهای ثابت برخورد میکنند. این برخوردها مانع حرکت آزادانهٔ آنها میشود. میزان این ممانعت را با کمیتی به نام مقاومت الکتریکی5 نشان میدهند. واحد مقاومت اهم6 ($ \Omega $) است. مقاومت یک رسانا به جنس، طول، سطح مقطع و دمای آن بستگی دارد.
رابطه میان سه کمیت مهمِ ولتاژ7 (نیروی محرکهٔ الکتریکی)، جریان و مقاومت توسط قانون اهم8 بیان میشود. این قانون میگوید:
در این رابطه:
V اختلاف پتانسیل (ولتاژ) دو سر رسانا بر حسب ولت9 (V).
I شدت جریان گذرنده از رسانا بر حسب آمپر (A).
R مقاومت رسانا بر حسب اهم ($ \Omega $).
مثال ساده: یک لامپ کوچک با مقاومت 12 اهم را به یک باتری 6 ولتی وصل میکنیم. شدت جریان گذرنده از لامپ چقدر است؟
طبق قانون اهم: $ I = \frac{V}{R} = \frac{6}{12} = 0.5 A $
یعنی نیم آمپر جریان از لامپ عبور میکند و آن را روشن مینماید.
| نوع ماده | مثال | میزان رسانایی الکتریکی | کاربرد عمده |
|---|---|---|---|
| رسانا10 | مس، طلا، آلومینیوم | بسیار بالا | سیمکشی، مدارهای الکتریکی |
| نیمهرسانا11 | سیلیسیم، ژرمانیم | متغیر (قابل کنترل) | تراشههای رایانهای، ترانزیستور، دیود |
| نارسانا یا عایق12 | پلاستیک، شیشه، چوب خشک | بسیار پایین (نزدیک به صفر) | روکش سیمها، دسته ابزار، پایه کلید |
انواع جریان الکتریکی: مستقیم و متناوب
جریان الکتریکی به دو شکل اصلی در زندگی ما حضور دارد:
۱. جریان مستقیم13 (DC): در این نوع جریان، جهت حرکت بارها (الکترونها) همواره ثابت است و بزرگی آن معمولاً کمتغییر است. منبع کلاسیک جریان مستقیم، باتری است. باتری موبایل، پاوربانک، باتری ماشین یا باطری قلمی همگی جریان مستقیم تولید میکنند. در این وسایل، قطب مثبت و منفی همواره ثابت است و جریان در یک مسیر جاری میشود.
۲. جریان متناوب14 (AC): در این نوع جریان، جهت حرکت بارها به طور متناوب و با فرکانس مشخصی تغییر میکند. یعنی قطب مثبت و منفی در دو سر سیم، مرتباً جا به جا میشوند. برق شهری که از پریزهای خانه میآید، جریان متناوب با فرکانس 50 هرتز است. یعنی جهت جریان در هر ثانیه 50 بار تغییر میکند. دلیل اصلی استفاده از جریان متناوب، قابلیت انتقال آن به فواصل دور با تلفات انرژی کمتر است.
جریان در عمل: از کلاس درس تا خانه شما
بیایید چند مثال ملموس از نقش جریان الکتریکی را مرور کنیم:
- شارژر موبایل: شارژر، جریان متناوب 220 ولت پریز را به جریان مستقیم حدود 5 ولت تبدیل میکند. این جریان مستقیم وارد باتری موبایل میشود و با ایجاد یک واکنش شیمیایی معکوس، انرژی را در باتری ذخیره میکند.
- سخنرانی با میکروفون: وقتی صحبت میکنید، امواج صوتی به دیافراگم میکروفون برخورد میکند و آن را میلرزاند. این لرزش باعث تغییر مقاومت یک قطعه در میکروفون میشود. در نتیجه، جریان الکتریکی متناوبی تولید میشود که شکل موج آن دقیقاً مشابه موج صدای شماست. این جریان بعداً در بلندگو به صدا تبدیل میشود.
- لامپ رشتهای: وقتی کلید را میزنید، جریان از رشته نازک تنگستن داخل لامپ عبور میکند. مقاومت زیاد این رشته، باعث گرم شدن شدید آن (حدود 2500 درجه سانتیگراد) و در نهایت گسیل نور میشود. هرچه جریان بیشتر باشد، نور لامپ درخشانتر است.
- فیوز محافظ: فیوز یک قطعه ایمنی مهم است. اگر به دلیل اتصال کوتاه، جریان مدار ناگهان بسیار زیاد شود (مثلاً از 10 آمپر به 100 آمپر برسد)، رشته نازک داخل فیوز ذوب میشود و مسیر جریان را قطع میکند. این کار از گرم شدن و آتشسوزی سیمها جلوگیری مینماید.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. سرعت رانش الکترونها در یک سیم مسی حامل جریان، بسیار کم و در حد میلیمتر بر ثانیه است! اما سیگنال یا اثر میدان الکتریکی با سرعتی نزدیک به سرعت نور در مدار منتشر میشود. مانند قطاری که با سرعت کم حرکت میکند، اما موج فشردهشدن واگنها (سیگنال) با سرعت بالا از ابتدا به انتها میرسد.
پاسخ: نه، این یک تصور غلط رایج است. باتری الکترون تولید نمیکند. باتری با استفاده از واکنشهای شیمیایی، تنها انرژی لازم برای به حرکت درآوردن الکترونهای از قبل موجود در سیمها و مدار را فراهم میکند. مانند پمپ آب که آب جدیدی تولید نمیکند، بلکه آب موجود را به جریان میاندازد.
پاسخ: خیر. وقتی کلید لامپ باز (خاموش) است، مدار الکتریکی ناکامل است. در این حالت، مسیر بستهای برای حرکت منظّم الکترونها وجود ندارد، بنابراین جریان الکتریکی صفر است. الکترونها در سیم منتظر بسته شدن کلید (کامل شدن مدار) هستند.
پاورقی
1 جهت قراردادی جریان (Conventional Current Direction)
2 شدت جریان (Current Intensity)
3 کولن (Coulomb) - واحد بار الکتریکی.
4 آمپر (Ampere) - واحد شدت جریان الکتریکی.
5 مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance)
6 اهم (Ohm)
7 ولتاژ یا اختلاف پتانسیل (Voltage / Electric Potential Difference)
8 قانون اهم (Ohm's Law)
9 ولت (Volt) - واحد ولتاژ.
10 رسانا (Conductor)
11 نیمهرسانا (Semiconductor)
12 نارسانا یا عایق (Insulator)
13 جریان مستقیم (Direct Current - DC)
14 جریان متناوب (Alternating Current - AC)
