از مفهوم جریان الکتریکی در دنیای الکترونیک و فیزیک بسیار استفاده می شود و بدون این خاصیت فیزیکی، عملاً دنیای الکترونیک اصلاً وجود نداشت. اجازه بدهید با مفهوم آن بیشتر آشنا شویم.

اگر در یک مدار الکتریکی، الزامات لازم برآورده شود، آنگاه بار الکتریکی از طریق مدار خارجی جریان می یابد. بر این اساس، گفته می شود که یک جریان الکتریکی وجود دارد - یعنی یک جریان و شارشی از بارهای الکتریکی در سیم اتفاق افتاده است و بار الکتریکی در حال حرکت است.

تعریف جریان الکتریکی در فیزیک

جریان الکتریکی یک کمیت فیزیکی است که می توان آن را به صورت عددی اندازه گیری و بیان کرد. به عنوان یک کمیت فیزیکی، جریان الکتریکی، سرعتی است که در آن بار از نقطه ای در مدار (یک رسانای الکتریکی) عبور می کند.

همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است، اگر بتوان مقدار بار الکتریکی Q را که از سطح مقطعی از سیم در یک زمان t می‌گذرد اندازه‌ گیری کرد، مقدار جریان الکتریکی در مدار را می‌توان تعیین کرد.

همانند بسیاری از کمیت های فیزیکی دیگر، جریان نیز یک مقدار نرخی است. در فیزیک کمیت های نرخی (یا سرعتی) مختلفی وجود دارد. به عنوان مثال، سرعت یک کمیت نرخی است - سرعتی که یک جسم موقعیت خود را تغییر می دهد و از نظر ریاضی، سرعت تغییر موقعیت نسبت به زمان است.

شتاب یک کمیت نرخی است که یک جسم سرعت خود را تغییر می دهد و در ریاضی، شتاب تغییر سرعت نسبت به زمان است. توان نیز یک کمیت سرعتی است - سرعتی که کار بر روی یک جسم انجام می شود و در ریاضی، توان نسبت کار به زمان تعریف می شود.

در هر مورد از کمیت های نرخی، معادله ریاضی مقداری را نسبت به مدت زمان شامل می شود. بنابراین، جریان الکتریکی (I) به عنوان یک کمیت نرخی به صورت زیر بیان می شود (نسبت مقدار بار و زمان):

I=Q/t

 واحد متریک استاندارد (SI) برای جریان الکتریکی، آمپر (Ampere) است. آمپر اغلب به Amp کوتاه می شود و با نماد واحد A مخفف می شود. جریان الکتریکی 1 آمپر به این معنی است که در هر 1 ثانیه، 1 کولن بار از سطح مقطع سیم عبور می کند.

هنگامی که جریان زیادی وجود دارد، مانند جریانی که برای راه اندازی یخچال استفاده می شود، مقدار زیادی بار در مدت زمان کمی از سیم عبور می کند.

اما اگر جریان کم باشد، مانند جریانی که برای کار با ماشین حساب دستی استفاده می شود، بار کمی در طول مدت زمان طولانی در مدار حرکت می کند.

جهت جریان الکتریکی در یک مدار

برای اینکه بار از طریق یک وسیله مانند لامپ نشان داده شده در شکل زیر جریان یابد، باید یک مسیر (یا مدار) کامل از ترمینال مثبت تا پایانه منفی وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، بار الکتریکی باید بتواند از پایانه مثبت باتری خارج شود، از طریق قطعات و سیم حرکت کند و به پایانه منفی باتری بازگردد.

توجه داشته باشید که جهت جریان از مثبت به منفی است. جهت جریان معمولی همیشه در جهتی نمایش داده می شود که بار مثبت از پایانه مثبت به پایانه منفی جریان یابد. اما بسته به وضعیت واقعی سیستم، بارهای مثبت، بارهای منفی یا هر دو ممکن است حرکت کنند.

این واقعیت که جریان معمولی در جهتی است که بار مثبت جریان داشته باشد، به دانشمند و سیاستمدار آمریکایی بنجامین فرانکلین در دهه 1700 برمی گردد.

فرانکلین از ذرات سازنده اتم (یعنی پروتون، الکترون و نوترون) اطلاعی نداشت و معتقد بود که جریان الکتریکی از ماده‌ ای که «سیال الکتریکی» بیشتری دارد، به ماده‌ای با سیال الکتریکی کمتر می‌رود.

او اصطلاح مثبت را برای موادی که سیال الکتریکی بیشتری داشتند و منفی را برای موادی که فاقد سیال الکتریکی بودند، ابداع کرد. او حدس زد که جریان از ماده با سیال الکتریکی بیشتر - ماده مثبت - به ماده منفی که سیال الکتریکی کمتری دارد، جریان می یابد.

فرانکلین این جهت جریان را جریان مثبت نامید. این یک تفکر بسیار پیشرفته برای مردی بود که چیزی در مورد اتم نمی دانست.

در سیم های فلزی، جریان الکتریکی توسط الکترون ها حمل می شود - یعنی بارهای منفی (الکترون ها) حرکت می کنند. اما به دلایل تاریخی، جریان مثبت را در نظر می گیریم و نشان داده می شود که جریان از قطب مثبت باتری به ترمینال منفی می رسد.

حامل های بار در نیمه هادی ها، لامپ های خیابانی و لامپ های فلورسنت به طور همزمان بارهای مثبت و منفی هستند که در جهت مخالف حرکت می کنند. در محلول های یونی نیز، مانند آب نمک، هر دو بار مثبت و منفی حرکت می کنند که در سلول های عصبی نیز صادق است و بنابراین جریان الکتریکی دو طرفه است.

نگاهی دقیق تر به جریان عبوری از سیم در شکل زیر نشان داده شده است. این شکل حرکت ذرات باردار را نشان می دهد که یک جریان را تشکیل می دهند.

دقت داشته باشید که در رساناها، یک میدان الکتریکی وجود دارد و مسئول تولید جریان الکتریکی است. در مورد یک مدار الکتریکی، یک منبع خارجی پتانسیل الکتریکی، مانند باتری، از رسیدن به تعادل بارهای الکتریکی در سیم رسانا جلوگیری می کنند. در حقیقت، انرژی مورد نیاز برای جابجایی بار، توسط پتانسیل الکتریکی باتری تأمین می شود.

جریان الکتریکی و سرعت دریفت

جریان به تعداد کولن باری مربوط می شود که از نقطه ای در مدار در واحد زمان عبور می کنند. به دلیل تعریف آن، اغلب با سرعت دریفت اشتباه گرفته می شود.

سرعت دریفت به میانگین مسافت طی شده توسط یک حامل بار در واحد زمان اشاره دارد. مانند سرعت هر جسم، سرعت دریفت یک الکترون که در یک سیم حرکت می کند، نسبت فاصله به زمان است.

مسیر یک الکترون معمولی در طول یک سیم را می توان به عنوان یک مسیر نسبتاً آشفته و زیگزاگی توصیف کرد که با برخورد با اتم های دیگر مشخص می شود. هر برخورد منجر به تغییر جهت الکترون می شود.

با این حال، به دلیل برخورد با اتم ها در شبکه جامد رسانای فلزی، به ازای هر سه گام به جلو، دو گام به عقب وجود دارد و با ایجاد پتانسیل الکتریکی در دو سر مدار، الکترون به حرکت به سمت جلو ادامه می دهد که همیشه به سمت ترمینال مثبت پیش می رود.

با این حال، تأثیر کلی برخوردهای بی‌شمار و سرعت‌ های بالای بین برخورد این است که سرعت دریفت کلی یک الکترون در مدار به طور غیر عادی پایین است. سرعت دریفت معمولی ممکن است 1 متر در ساعت باشد که بسیار کند است!

سوالی که پیش می آید این است که اگر سرعت دریفت فقط حدود 1 متر در ساعت باشد، چطور ممکن است که جریانی در حدود 1 یا 2 آمپر در مدار داشته باشیم؟

در پاسخ به این سوال مهم باید بگوییم که تعداد بسیار زیادی حامل بار به طور همزمان در تمام طول مدار حرکت می کنند و جریان الکتریکی سرعت یا نرخی است که در آن بار الکتریکی از نقطه ای در مدار عبور می کند.

جریان الکتریکی بالا نتیجه عبور چندین کولن بار از مقطعی از سیم در مدار است. اگر حامل های بار در سیم متراکم شده باشند، برای داشتن جریان الکتریکی بالا نیازی نیست که سرعت دریفت بالایی وجود داشته باشد.

یعنی حامل های بار مجبور نیستند مسافت طولانی را در یک ثانیه طی کنند، فقط باید تعداد زیادی از آنها از سطح مقطع مشخصی از سیم عبور کنند.

به طور خلاصه، جریان الکتریکی به مصافت طوی شده بارها در یک ثانیه مربوط نمی شود، بلکه به تعداد بارهایی که از یک مقطع سیم در مدار می گذرند، مرتبط است.

برای نشان دادن میزان متراکم بودن حامل های بار، یک سیم معمولی موجود در مدارهای روشنایی خانگی را در نظر بگیرید. در یک برش مقطعی به طول 0.01 سانتی متر (بسیار نازک) از این سیم، در حدود x 10²⁰ 3.51 اتم مس وجود دارد.

هر اتم مس 29 الکترون دارد و بعید است که حتی 11 الکترون ظرفیتی آن به عنوان حامل بار به طور همزمان در حرکت باشند. اگر فرض کنیم که هر اتم مس فقط یک الکترون متحرک دارد، در طول یک سیم نازک 0.01 سانتی متری 56 کولن بار وجود خواهد داشت.

با این مقدار بار متحرک در چنین فضای کوچکی، یک سرعت دریفت کوچک نیز می تواند منجر به جریان بسیار زیادی شود.

انواع جریان الکتریکی

به طور کلی دو نوع جریان الکتریکی در علوم فیزیک و الکترونیک وجود دارد: جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC). جریان AC برای انتقال در مسافت های طولانی خوب است، در حالی که جریان DC برای الکترونیک ها و سیستم های دیجیتال خوب است.

جریان مستقیم

در جریان الکتریکی مستقیم، همانطور که از نام آن هم پیداست، جهت جریان همیشه یکسان است و معمولاً از یک سلول یا باتری DC تولید می شود و به دلیل همین جهت جریان مستقیم، فرکانس آن صفر است.

از آنجایی که جهت جریان مستقیم ثابت می ماند، قطبیت نیز همیشه ثابت می ماند، یعنی یک قطب همیشه منفی و قطب دیگر همیشه مثبت است.

جریان ثابت، نوعی جریان مستقیم است که فقط در یک جهت و با سرعت ثابتی جریان دارد، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است. جریان ارائه شده توسط باتری تقریباً یک جریان مستقیم ثابت است.

جریان الکتریکی که مقدار آن همراه با تغییر زمان، تغییر کند، جریان متغیر نامیده می شود. جهت جریان متغیر تغییر نمی کند، اما مقدار آن در طول زمان تغییر می کند. یک جریان متغیر می تواند توسط یک ژنراتور الکتریکی تولید شود.

کاربردهای جریان DC

جریان الکتریکی DC، به دلیل ویژگی تک جهته بودن آن، کاربردهای گوناگونی در سیستم های الکترونیکی دارد، اما به طور کلی در کاربردهای ولتاژ پایین استفاده می شود.

در طیف گسترده ای از کاربردها مانند دستگاه های الکترونیکی مانند چراغ قوه، لپ تاپ، تلفن همراه و غیره در وسایل نقلیه الکتریکی، موتورها، سیستم های مخابراتی و منابع تغذیه استفاده می شود.

جریان DC همچنین برای انتقال برق با ولتاژ بالا در سیستم های HVDC استفاده می شود. در مقایسه با انتقال AC با ولتاژ بالا، انتقال DC با ولتاژ بالا مزایای بیشتری مانند تنظیم بهتر ولتاژ، تلفات برق کمتر و راندمان بالا دارد.

جریان متناوب

در جریان متناوب یا AC، جهت شارش بارها یا جهت جریان و مقدار آن مدام تغییر می کند. به عبارت دیگر، جریان به طور دوره ای یا متناوب تغییر می کند، یعنی حامل های بار در یک الگوی رفت و برگشتی شارش دارند.

مقدار جریان AC در یک جهت از صفر به حداکثر افزایش می یابد و به صفر می رسد و سپس در جهت مخالف از صفر به حداکثر افزایش می یابد و به صفر باز می گردد و با دستگاه های مختلفی که بیشتر به نام دینام یا ژنراتور شناخته می شوند، تولید می شود.

دینام نوعی ژنراتور الکتریکی است که برای تولید جریان متناوب طراحی شده است و از دو بخش اصلی روتور و استاتور تشکیل شده است. روتور در داخل استاتور می چرخد که توسط یک توربین بادی، توربین بخار، توربین آبی و غیره هدایت می شود.

روتور در حین چرخش میدان مغناطیسی ایجاد می کند که از استاتور عبور می کند. با توجه به چرخش روتور، میدان مغناطیسی آن نیز می چرخد و این میدان مغناطیسی دوار هنگام تقاطع با سیم پیچ استاتور، جریان متناوبی را القا می کند.

با توجه به این افزایش در هر دو جهت، نمودار AC شبیه یک موج سینوسی است. در جریان متناوب مصرفی، 50 سیکل یا موج در یک ثانیه عبور می کنند.

ژنراتور AC تک سیم پیچ، به عنوان رایج ترین تکنیک برای تولید جریان AC استفاده می شود که به طور کلی دارای یک حلقه سیم و آهنرباهای دو قطبی است که شکل منظمی دارند.

اصل القای الکترومغناطیسی فارادی معمولاً در ژنراتور AC رعایت می شود و انرژی مکانیکی در آن به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.

کاربردهای جریان متناوب

جریان متناوب پرکاربردترین نوع جریان در مصارف خانگی و صنعتی است. در سیستم AC، برق را می توان در ولتاژهای بالا تولید کرد و به راحتی در فواصل طولانی منتقل نمود. سطوح ولتاژ در سیستم های AC را می توان به راحتی با استفاده از ترانسفورماتور تغییر داد.

سخن پایانی

برق یکی از الزامات حیاتی است که انقلابی را در زندگی روزمره انسان به ارمغان می آورد. انواع مختلفی از جریان های الکتریکی برای انجام فعالیت های مختلف استفاده می شود.

جریان مستقیم و متناوب یکی از دو نوع اصلی جریان است که بیشترین سود را برای فعالیت های روزمره دارد. این دو گروه از جریان الکتریکی، کاربردها و ساختار مجزایی دارند و برای کار با برق و درک آن ضروری هستند.

منابع

Wikipedia