جریان الکتریکی: حرکت منظم بارهای الکتریکی در مدار

جریان الکتریکی: رودخانه‌ای از بارهای ریز

بار الکتریکی و حرکت آن

همه چیز از ذرات ریزی به نام الکترون⁵ و پروتون⁶ شروع می‌شود. این ذرات دارای بار الکتریکی هستند. پروتون بار مثبت $(+)$ و الکترون بار منفی $(-)$ دارد. در شرایط عادی، تعداد این بارها در یک جسم (مانند سیم مسی) برابر است و جسم از نظر الکتریکی خنثی است.

اما اگر به نحوی الکترون‌های اضافی در جایی جمع شوند، آنجا بار منفی پیدا می‌کند و اگر الکترونی کم بیاورد، بار مثبت پیدا می‌کند. این اختلاف بار، می‌تواند باعث حرکت الکترون‌ها شود. جریان الکتریکی در واقع همان حرکت منظم و پیوسته‌ی این بارهای الکتریکی (معمولاً الکترون‌ها) در یک مسیر مشخص است.

مدار الکتریکی، جاده‌ای برای جریان

بارهای الکتریکی برای حرکت نیاز به یک مسیر کامل و بسته دارند، درست مانند ماشینی که برای حرکت به یک جاده‌ی حلقوی نیاز دارد. به این مسیر بسته، مدار الکتریکی می‌گوییم. یک مدار ساده حداقل از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

ولتاژ، جریان و مقاومت: سه مفهوم کلیدی

برای درک بهتر جریان الکتریکی، باید با سه مفهوم مهم آشنا شویم که مانند سه ویژگی یک رودخانه هستند:

ولتاژ (اختلاف پتانسیل)⁷: نیروی محرکه‌ای است که بارها را به حرکت درمی‌آورد. مانند اختلاف ارتفاع بین دو نقطه که باعث جاری شدن آب می‌شود. واحد اندازه‌گیری آن ولت(V) است. باتری یک قلمی معمولی ولتاژی حدود 1.5 ولت دارد.

جریان الکتریکی⁸: خودِ میزان حرکت بارها در یک نقطه از مدار در هر ثانیه. مانند مقدار آبی که در هر ثانیه از یک نقطه از رودخانه می‌گذرد. واحد آن آمپر(A) است. جریان یک لامپ کوچک حدود 0.5 آمپر است.

مقاومت⁹: میزان مخالفت یک ماده با عبور جریان الکتریکی. مانند سنگ‌ها و موانعی که در مسیر رودخانه قرار دارند و از سرعت جریان می‌کاهند. واحد آن اهم(Ω) است. رشته‌ی نازک داخل لامپ (فیلامان) مقاومت زیادی دارد.

جریان در زندگی ما: از اتاق تا خیابان

جریان الکتریکی همه‌جا حاضر است. بیایید چند مثال ساده را بررسی کنیم:

چراغ قوه: وقتی کلید چراغ قوه را فشار می‌دهید، یک مدار بسته بین باتری‌ها، سیم‌ها و لامپ (یا الئیدی) ایجاد می‌شود. جریان از باتری خارج شده، از لامپ عبور کرده و انرژی خود را به صورت نور آزاد می‌کند و دوباره به باتری بازمی‌گردد.

سیم‌کشی منزل: پریزهای برق خانه‌ی شما به یک شبکه‌ی بزرگتر متصل هستند. شرکت برق، ولتاژ (معمولاً 220 ولت) را فراهم می‌کند. وقتی سیم شارژر تلفن همراه را به پریز وصل می‌کنید، مدار بسته می‌شود و جریان از طریق سیم‌ها به آداپتور و سپس به باتری تلفن شما می‌رسد تا آن را شارژ کند.

آذرخش (رعد و برق): یک مثال طبیعی و قدرتمند از جریان الکتریکی! ابرهای طوفانی با مالش باد و ذرات یخ، بار الکتریکی زیادی جمع می‌کنند. وقتی اختلاف ولتاژ بین ابر و زمین یا بین دو ابر خیلی زیاد شود، هوا (که معمولاً عایق است) نمی‌تواند در برابر آن مقاومت کند و یک جریان الکتریکی عظیم و ناگهانی به صورت جرقه (صاعقه) ایجاد می‌شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاسخ: خیر. برای ایجاد و حفظ جریان، به یک منبع ولتاژ مانند باتری یا ژنراتور نیاز است. این منبع است که با ایجاد اختلاف پتانسیل، نیروی لازم برای حرکت مداوم بارها را تأمین می‌کند. سیم فقط یک مسیر است.

پاسخ: در این حالت، مقاومت مدار بسیار کم می‌شود. طبق قانون اهم $(V=IR)$، با ولتاژ ثابت باتری و مقاومت نزدیک به صفر، جریان بسیار زیادی به سرعت از مدار می‌گذرد. این جریان زیاد می‌تواند در کسری از ثانیه سیم را داغ کرده، باتری را خراب کند یا حتی باعث آتش‌سوزی شود. خطرناک است و نباید آن را امتحان کرد.

پاسخ: برای اینکه جریان الکتریکی از بدن موجود زنده بگذرد، باید بین دو نقطه از بدنش اختلاف ولتاژ وجود داشته باشد. وقتی پرنده فقط روی یک سیم می‌نشیند، هر دو پای او تقریباً روی نقطه‌ای با ولتاژ یکسان قرار می‌گیرند. بنابراین اختلاف ولتاژی بین پاهایش نیست و جریانی از بدنش عبور نمی‌کند. اما اگر پرنده‌ای همزمان سیم برقدار و یک جسم زمین‌شده (مثل دکل) را لمس کند، جریان از بدنش می‌گذرد و کشته می‌شود.

پاورقی

¹ جریان الکتریکی (Electric Current)
² مدار الکتریکی (Electric Circuit)
³ منبع ولتاژ (Voltage Source)
⁴ مقاومت (Resistance)
⁵ الکترون (Electron)
⁶ پروتون (Proton)
⁷ ولتاژ یا اختلاف پتانسیل (Voltage / Electric Potential Difference)
⁸ جریان الکتریکی (Electric Current) با نماد $I$
⁹ مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance) با نماد $R$
¹⁰ قانون اهم (Ohm's Law)