جهت قراردادی جریان: یک توافق جهانی و پرکاربرد
جریان الکتریکی واقعی در مقابل جهت قراردادی
برای درک این موضوع، ابتدا باید بدانیم جریان الکتریکی چیست. جریان الکتریکی در حقیقت همان حرکت بارهای الکتریکی است . در وسایلی مانند سیم کشی خانه یا سیمهای داخل یک اسباببازی، این بار الکتریکی توسط ذرات ریزی به نام الکترون حمل میشود که بارشان منفی است. این الکترونها از اتمهای مواد رسانا (مانند مس) جدا شده و میتوانند آزادانه حرکت کنند .
حالا یک باتری ساده را تصور کنید. قطب (+) باتری کمبود الکترون (بار مثبت) و قطب (-) آن مازاد الکترون (بار منفی) دارد. وقتی دو سر باتری توسط یک سیم به هم وصل میشوند، الکترونهای آزاد که همدیگر را دفع میکنند، از ناحیه با مازاد الکترون (قطب منفی) به سمت ناحیه با کمبود الکترون (قطب مثبت) جاری میشوند . بنابراین جهت واقعی حرکت بار (الکترون) از قطب منفی به قطب مثبت است.
ریشه تاریخی این قرارداد چیست؟
سالها قبل از آنکه دانشمندان وجود الکترون و بار منفی را کشف کنند، آنها میدانستند که یک «چیزی» در مدار جریان دارد. بنجامین فرانکلین1، دانشمند آمریکایی، در قرن هجدهم میلادی فرض کرد که این «چیزی» باید از نوعی بار مثبت باشد که از ناحیهای با مقدار زیاد به ناحیهای با مقدار کم جریان مییابد . او این مفهوم را بر اساس مشاهداتش مطرح کرد و جهت جریان را از مثبت به منفی تعریف نمود.
بعدها و با پیشرفت علم، مشخص شد که حاملهای اصلی بار در بسیاری از مدارها الکترونهای با بار منفی هستند که در جهت عکس این فرض حرکت میکنند. اما تا آن زمان، این قرارداد (جهت جریان از مثبت به منفی) در همه کتابهای علمی، فرمولها و نقشههای مهندسی جا افتاده بود. تغییر این قرارداد جهانی باعث سردرگمی بزرگ میشد، بنابراین دانشمندان تصمیم گرفتند همان قرارداد قدیمی را حفظ کنند .
چرا این قرارداد هنوز هم مهم و کاربردی است؟
شاید بپرسید اگر جهت واقعی را میدانیم، چرا باز هم از یک جهت فرضی استفاده میکنیم؟ پاسخ در یکسانسازی و سادگی است.
تمام مهندسان و علاقهمندان در سراسر جهان برای تحلیل و طراحی مدار، از یک زبان مشترک استفاده میکنند. این زبان مشترک شامل نقشههای مداری (شماتیک)، فرمولها و قوانین میشود. اگر هر کسی بر اساس جهت حرکت الکترونها (که در برخی مواد دیگر مانند باتریهای قدیمی یا محلولها ممکن است متفاوت باشد) محاسبه کند، نتیجهگیری و ارتباط بسیار دشوار خواهد شد.
| مؤلفه الکتریکی | توضیح بر اساس جهت قراردادی | مثال در زندگی |
|---|---|---|
| دیود2 | مثل یک شیر یکطرفه برق عمل میکند. فقط زمانی جریان میگذرد که جهت قراردادی جریان از سمت آند (مثبت) به سمت کاتد (منفی) آن باشد. | در شارژر موبایل برای تبدیل برق AC به DC استفاده میشود . |
| ترانزیستور3 | برای توصیف نحوه کار و اتصال پایههای آن (امیتر، کلکتور، بیس) همیشه از جهت قراردادی جریان استفاده میشود. | مغز پردازنده رایانه و تقویتکننده صدای بلندگو از میلیونها ترانزیستور تشکیل شده. |
| نمادهای مداری | پیکانهای داخل نماد باتری یا منابع دیگر، همیشه جهت قراردادی جریان (از + به -) را نشان میدهند. | در تمام کتابهای درسی علوم و نقشههای فنی این نمادها یکسان هستند. |
همچنین، تمام قوانین پایه الکتریسیته مانند قانون اهم با این قرارداد تعریف شدهاند. قانون اهم میگوید: «شدت جریان عبوری از یک رسانا با اختلاف پتانسیل دو سر آن نسبت مستقیم و با مقاومت آن نسبت معکوس دارد» . فرمول ریاضی آن به این شکل است:
در این فرمول، $I$ شدت جریان (بر حسب آمپر4)، $V$ ولتاژ (بر حسب ولت) و $R$ مقاومت (بر حسب اهم5) است. این رابطه بر اساس جهت قراردادی جریان نوشته شده و برای همه صادق است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، کاملاً درست است. این یک قرارداد جهانی است، نه یک اشتباه. همه فرمولها، قوانین (مثل قانون اهم) و روشهای تحلیل مدار با فرض این جهت کار میکنند و نتایج کاملاً درست و کاربردی تولید میکنند. مهم این است که بدانیم در واقعیت الکترونها در فلزات برعکس این جهت حرکت میکنند.
پاسخ: خیر، نیازی نیست الکترونهای جدیدی از باتری به لامپ برسند. با بستن مدار، الکترونهای آزادی که از قبل در سراسر سیم و رشته لامپ وجود دارند، به طور همزمان و بسیار آهسته (سرعتی در حد سانتیمتر در ساعت!) شروع به حرکت دستهجمعی میکنند . مثل این است که یک لوله کاملاً پر از آب را در نظر بگیرید؛ به محض باز کردن شیر، آب از شیر بیرون میآید بدون اینکه لازم باشد از ابتدای لوله به انتهای آن سفر کند.
پاسخ: خیر، این یکی دیگر از دلایل مفید بودن جهت قراردادی است. در فلزات، حامل بار الکترون (-) است. اما در برخی مواد دیگر مانند محلولهای الکترولیتی (مثل داخل باتری ماشین) یا پلاسما، هم یونهای مثبت و هم منفی حرکت میکنند . جهت قراردادی جریان (از + به -) همه این موارد را پوشش میدهد و برای همه یک قانون کلی ارائه میکند.
پاورقی
1بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin): دانشمند و سیاستمدار آمریکایی (۱۷۰۶-۱۷۹۰) که آزمایشهای مشهوری در زمینه الکتریسیته انجام داد و مفهوم بارهای مثبت و منفی را رایج کرد.
2دیود (Diode): یک قطعه الکترونیکی نیمههادی که مانند یک شیر یکطرفه، جریان الکتریکی را فقط در یک جهت عبور میدهد.
3ترانزیستور (Transistor): یکی از مهمترین قطعات الکترونیکی که برای تقویت سیگنالها یا قطع و وصل کردن جریانهای الکتریکی به کار میرود. پایههای اصلی آن امیتر (Emitter)، بیس (Base) و کلکتور (Collector) نام دارند.
4آمپر (Ampere): واحد اندازهگیری شدت جریان الکتریکی. یک آمپر برابر است با گذر یک کولن بار الکتریکی در یک ثانیه از یک مقطع .
5اهم (Ohm): واحد اندازهگیری مقاومت الکتریکی. مقاومت، میزان مخالفت یک ماده با عبور جریان الکتریکی است .
