جریان الکتریکی چیست؟ تعریف، جهت، سرعت سوق و انواع جریان

جریان الکتریکی یکی از بنیادی ترین مفاهیم فیزیک و الکترونیک است و بدون آن، دنیای برق و الکترونیک وجود نداشت. هر بار که چراغی را روشن می کنید یا گوشی خود را شارژ می کنید، جریان الکتریکی در حال انجام کار است.

وقتی در یک مدار الکتریکی شرایط لازم فراهم باشد، بار الکتریکی در مدار به حرکت درمی آید. به این حرکت منظم بارهای الکتریکی، جریان الکتریکی گفته می شود.

در این مقاله با تعریف جریان الکتریکی، واحد آن، جهت جریان، سرعت حرکت الکترون ها و انواع جریان الکتریکی آشنا می شوید.

جریان الکتریکی چیست؟

جریان الکتریکی یک کمیت فیزیکی قابل اندازه گیری است و برابر با آهنگ عبور بار الکتریکی از یک مقطع رسانا است. اگر مقدار بار Q در مدت زمان t از سطح مقطع یک سیم عبور کند، جریان الکتریکی از این رابطه به دست می آید:

I = Q / t

• I: جریان الکتریکی بر حسب آمپر

• Q: بار الکتریکی بر حسب کولن

• t: زمان بر حسب ثانیه

جریان، یک کمیت آهنگی است

جریان الکتریکی مانند بسیاری از کمیت های فیزیکی دیگر، یک کمیت آهنگی است؛ یعنی نشان می دهد یک کمیت با چه سرعتی نسبت به زمان تغییر می کند. نمونه های دیگر کمیت های آهنگی عبارت اند از:

• سرعت: آهنگ تغییر مکان نسبت به زمان

• شتاب: آهنگ تغییر سرعت نسبت به زمان

• توان: آهنگ انجام کار نسبت به زمان

جریان الکتریکی نیز آهنگ عبور بار نسبت به زمان است.

واحد جریان الکتریکی

یکای جریان الکتریکی در دستگاه SI، آمپر (Ampere) با نماد A است. جریان یک آمپر یعنی در هر ثانیه، یک کولن بار از مقطع سیم عبور می کند. برای جریان های کوچک از میلی آمپر (mA) و میکروآمپر (µA) استفاده می شود.

• وقتی جریان زیاد است، مانند جریان یک یخچال یا بخاری برقی، مقدار زیادی بار در مدت کوتاهی از سیم عبور می کند.

• وقتی جریان کم است، مانند جریان یک ماشین حساب، مقدار کمی بار در واحد زمان از مدار عبور می کند.

رابطه جریان، ولتاژ و مقاومت

جریان الکتریکی در یک مدار به ولتاژ منبع و مقاومت مدار بستگی دارد. طبق قانون اهم:

I = V / R

یعنی با افزایش ولتاژ، جریان افزایش و با افزایش مقاومت، جریان کاهش می یابد.

جهت جریان الکتریکی

برای اینکه جریان از یک وسیله مانند لامپ عبور کند، باید یک مسیر بسته و کامل از پایانه مثبت باتری تا پایانه منفی آن وجود داشته باشد. یعنی بار الکتریکی باید بتواند از یک پایانه باتری خارج شود، از قطعات و سیم ها عبور کند و به پایانه دیگر برگردد.

جریان قراردادی

طبق قرارداد، جهت جریان الکتریکی همیشه در جهتی در نظر گرفته می شود که بار مثبت حرکت می کند؛ یعنی از پایانه مثبت به پایانه منفی در مدار خارجی. به این جهت، جریان قراردادی گفته می شود.

چرا جهت جریان از مثبت به منفی است؟

این قرارداد به بنجامین فرانکلین، دانشمند و سیاستمدار آمریکایی قرن هجدهم، برمی گردد. فرانکلین از ساختار اتم و وجود الکترون اطلاعی نداشت. او تصور می کرد الکتریسیته نوعی «سیال الکتریکی» است که از ماده ای با سیال بیشتر به ماده ای با سیال کمتر جریان می یابد. او ماده دارای سیال بیشتر را مثبت و ماده دارای سیال کمتر را منفی نامید و فرض کرد جریان از مثبت به منفی است.

امروزه می دانیم که در سیم های فلزی، جریان در واقع توسط الکترون ها که بار منفی دارند حمل می شود و الکترون ها از پایانه منفی به سمت پایانه مثبت حرکت می کنند. اما به دلایل تاریخی، همچنان از قرارداد فرانکلین استفاده می شود. نکته مهم این است که از نظر اثرات الکتریکی، حرکت بار مثبت در یک جهت با حرکت بار منفی در جهت مخالف معادل است.

حامل های بار در مواد مختلف

• فلزات: حامل های بار، الکترون های آزاد هستند.

• نیمه رساناها: هم الکترون ها و هم حفره ها (جاهای خالی با بار مثبت) در خلاف جهت هم حرکت می کنند.

• گازهای یونیزه: مانند لامپ های فلورسنت و لامپ های بخار سدیم خیابانی، که در آنها الکترون ها و یون های مثبت حرکت می کنند.

• محلول های یونی: مانند آب نمک و همچنین در سلول های عصبی، که در آنها یون های مثبت و منفی در جهت مخالف هم حرکت می کنند.

در همه این موارد، اگرچه بارهای مثبت و منفی در خلاف جهت هم حرکت می کنند، اما هر دو در یک جهت به جریان کل کمک می کنند.

نقش میدان الکتریکی

عامل حرکت بارها، میدان الکتریکی درون رسانا است. یک منبع خارجی مانند باتری، با ایجاد اختلاف پتانسیل بین دو سر مدار، این میدان را ایجاد می کند و مانع رسیدن بارها به حالت تعادل می شود. انرژی لازم برای جابه جایی بارها نیز توسط باتری تامین می شود.

جریان الکتریکی و سرعت سوق

جریان الکتریکی اغلب با سرعت سوق (Drift Velocity) الکترون ها اشتباه گرفته می شود. جریان نشان می دهد چه مقدار بار در هر ثانیه از یک نقطه عبور می کند، اما سرعت سوق نشان می دهد هر الکترون به طور میانگین با چه سرعتی در طول سیم جابه جا می شود.

حرکت الکترون در سیم

مسیر یک الکترون در سیم، یک مسیر زیگزاگی و نامنظم است. الکترون ها دائما با اتم های شبکه فلز برخورد می کنند و در هر برخورد تغییر جهت می دهند. می توان گفت به ازای هر سه قدم به جلو، دو قدم به عقب برمی دارند. با این حال، میدان الکتریکی باعث می شود الکترون ها در مجموع به آرامی به سمت پایانه مثبت جابه جا شوند.

نتیجه این برخوردهای بی شمار این است که سرعت سوق بسیار کم است؛ معمولا کسری از میلی متر در ثانیه یا در حد چند ده سانتی متر تا حدود یک متر در ساعت.

چرا با سرعت سوق کم، جریان زیاد داریم؟

اگر الکترون ها اینقدر آهسته حرکت می کنند، چطور جریان یک یا چند آمپری در مدار برقرار می شود؟ پاسخ این است که تعداد حامل های بار در فلز فوق العاده زیاد است و همه آنها همزمان در کل مدار حرکت می کنند. جریان به این بستگی ندارد که هر بار چه مسافتی را در یک ثانیه طی می کند، بلکه به تعداد بارهایی بستگی دارد که در هر ثانیه از مقطع سیم عبور می کنند.

رابطه جریان با سرعت سوق به این صورت است:

I = n × q × v × A

که در آن n تعداد حامل های بار در واحد حجم، q بار هر حامل، v سرعت سوق و A سطح مقطع سیم است.

مثال: تراکم حامل های بار در سیم مسی

یک برش بسیار نازک به ضخامت ۰.۰۱ سانتی متر از یک سیم مسی معمولی سیم کشی خانه را در نظر بگیرید. در این برش کوچک، حدود 3.51×10²⁰ اتم مس وجود دارد. اگر فرض کنیم هر اتم مس فقط یک الکترون آزاد داشته باشد، در همین برش نازک حدود ۵۶ کولن بار متحرک وجود دارد. با چنین تراکمی از بار، حتی یک سرعت سوق بسیار کم هم می تواند جریان زیادی ایجاد کند.

چرا چراغ فورا روشن می شود؟

اگر الکترون ها اینقدر آهسته حرکت می کنند، چرا با زدن کلید، لامپ بلافاصله روشن می شود؟ دلیل آن این است که سیم از ابتدا پر از الکترون است و با بستن کلید، میدان الکتریکی با سرعتی نزدیک به سرعت نور در کل مدار برقرار می شود و همه الکترون ها تقریبا همزمان شروع به حرکت می کنند؛ درست مانند لوله ای که از قبل پر از آب است و با باز کردن شیر، آب بلافاصله از سر دیگر خارج می شود.

انواع جریان الکتریکی

دو نوع اصلی جریان الکتریکی وجود دارد: جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC).

جریان مستقیم (DC)

در جریان مستقیم، بارها همیشه در یک جهت حرکت می کنند. به همین دلیل قطبیت منبع ثابت است: یک پایانه همیشه مثبت و دیگری همیشه منفی است و فرکانس جریان صفر است. باتری ها، سلول های خورشیدی و آداپتورهای برق، جریان مستقیم تولید می کنند.

• جریان مستقیم ثابت: جریانی که هم جهت و هم مقدار آن ثابت است؛ مانند جریان یک باتری که تقریبا ثابت است.

• جریان مستقیم متغیر (ضربانی): جریانی که جهت آن ثابت است، اما مقدار آن با زمان تغییر می کند؛ مانند جریان خروجی یک یکسوساز پیش از صاف شدن.

کاربردهای جریان مستقیم

• تغذیه دستگاه های الکترونیکی مانند گوشی، لپ تاپ، چراغ قوه و مدارهای دیجیتال

• خودروهای برقی و شارژ باتری ها

• موتورهای DC و سیستم های مخابراتی

• انتقال برق با ولتاژ بالا (HVDC): برای انتقال برق در فواصل بسیار طولانی و کابل های زیردریایی، چون در این شرایط تلفات کمتری از انتقال AC دارد و امکان اتصال شبکه های برق با فرکانس های متفاوت را فراهم می کند.

جریان متناوب (AC)

در جریان متناوب، جهت و مقدار جریان به طور مداوم و تناوبی تغییر می کند. جریان در یک جهت از صفر به بیشینه می رسد، دوباره به صفر برمی گردد، سپس در جهت مخالف به بیشینه می رسد و دوباره به صفر برمی گردد. نمودار این جریان معمولا به شکل یک موج سینوسی است که می توان آن را با اسیلوسکوپ مشاهده کرد.

فرکانس جریان متناوب تعداد این چرخه ها در هر ثانیه است. فرکانس برق شهری در ایران و بسیاری از کشورها ۵۰ هرتز و در برخی کشورها مانند آمریکا ۶۰ هرتز است.

ولتاژ موثر

ولتاژ برق خانگی در ایران ۲۲۰ ولت است. این عدد ولتاژ موثر (RMS) است؛ یعنی مقداری که همان اثر گرمایی یک ولتاژ DC برابر را دارد. بیشینه ولتاژ برق شهری در واقع حدود ۳۱۱ ولت است.

تولید جریان متناوب

جریان متناوب در ژنراتورهای AC یا آلترناتورها بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی تولید می شود. ژنراتور دو بخش اصلی دارد:

• روتور: بخش چرخان که میدان مغناطیسی ایجاد می کند و توسط توربین بخار، آبی، بادی یا موتور به حرکت درمی آید.

• استاتور: بخش ثابت که سیم پیچ های آن در اطراف روتور قرار دارند.

با چرخش روتور، میدان مغناطیسی آن نیز می چرخد و با عبور از سیم پیچ های استاتور، در آنها جریان متناوب القا می کند. در این فرایند، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. در نیروگاه ها معمولا از ژنراتورهای سه فاز استفاده می شود.

کاربردهای جریان متناوب

جریان متناوب پرکاربردترین نوع جریان در شبکه برق خانگی و صنعتی است. مهم ترین مزیت آن این است که ولتاژ آن را می توان به راحتی با ترانسفورماتور افزایش یا کاهش داد. برق در نیروگاه ها تولید، با ترانسفورماتور به ولتاژ بسیار بالا افزایش داده و با تلفات کم منتقل می شود، و سپس در نزدیکی مصرف کننده به ولتاژ ۲۲۰ ولت کاهش می یابد.

جنگ جریان ها

در اواخر قرن نوزدهم، رقابت معروفی به نام جنگ جریان ها بین طرفداران جریان مستقیم، به رهبری توماس ادیسون، و طرفداران جریان متناوب، به رهبری جرج وستینگهاوس و نیکولا تسلا، شکل گرفت. در نهایت جریان متناوب به دلیل امکان تغییر آسان ولتاژ با ترانسفورماتور و انتقال کارآمدتر در فواصل طولانی، به استاندارد شبکه های برق جهان تبدیل شد.

اندازه گیری جریان الکتریکی

جریان الکتریکی با آمپرمتر اندازه گیری می شود که باید به صورت سری در مدار قرار گیرد. امروزه معمولا از مولتی متر یا آمپرمتر انبری استفاده می شود. آمپرمتر انبری بدون نیاز به قطع کردن مدار، با سنجش میدان مغناطیسی اطراف سیم، جریان را اندازه می گیرد.

جریان الکتریکی، حتی در مقادیر کم، می تواند برای بدن انسان خطرناک باشد. برای آشنایی با این خطرات، مقاله برق گرفتگی را بخوانید.

سوالات متداول درباره جریان الکتریکی

جریان الکتریکی چیست؟

آهنگ عبور بار الکتریکی از مقطع یک رسانا که از رابطه I = Q / t به دست می آید.

واحد جریان الکتریکی چیست؟

آمپر (A)؛ یک آمپر یعنی عبور یک کولن بار در هر ثانیه.

چرا جهت جریان از مثبت به منفی در نظر گرفته می شود؟

به دلیل قرارداد تاریخی بنجامین فرانکلین، هرچند در فلزات الکترون ها در واقع از منفی به مثبت حرکت می کنند.

تفاوت جریان مستقیم و متناوب چیست؟

در جریان مستقیم جهت جریان ثابت است، اما در جریان متناوب جهت و مقدار جریان به طور تناوبی تغییر می کند.

سرعت حرکت الکترون ها در سیم چقدر است؟

سرعت سوق الکترون ها بسیار کم و معمولا کسری از میلی متر در ثانیه است، اما میدان الکتریکی تقریبا با سرعت نور در مدار برقرار می شود.

جمع بندی

جریان الکتریکی آهنگ عبور بار الکتریکی از مقطع یک رسانا است و با یکای آمپر اندازه گیری می شود. جهت جریان قراردادی از پایانه مثبت به منفی است، هرچند در فلزات الکترون ها در جهت مخالف حرکت می کنند. سرعت سوق الکترون ها بسیار کم است، اما به دلیل تعداد بسیار زیاد حامل های بار، جریان های بزرگ به راحتی برقرار می شوند.

دو نوع اصلی جریان الکتریکی، جریان مستقیم و جریان متناوب هستند. جریان مستقیم در دستگاه های الکترونیکی، باتری ها و انتقال HVDC کاربرد دارد و جریان متناوب به دلیل امکان تغییر آسان ولتاژ با ترانسفورماتور، اساس شبکه های برق خانگی و صنعتی است.