الشحنة الكهربائية: ما هو التفاعل التلقائي الذي تنتجه هذه العبارة عند قراءتها؟ إحساس بوخز ، ربما ، أو صورة صاعقة ضوئية تقسم السماء؟ العرض الملون للأضواء الساطعة في مدينة مثل باريس أو لاس فيغاس؟ ربما حتى حشرة تضيء بطريقة ما في الظلام وهي تشق طريقها عبر موقع المعسكر الخاص بك؟
حتى القرون الأخيرة ، لم يكن لدى العلماء طريقة لقياس سرعة الضوء فحسب ، بل لم يكن لديهم أي فكرة عن الظواهر الفيزيائية التي تكمن وراء ما يعرف الآن باسم "الكهرباء" في المقام الأول. في القرن التاسع عشر ، اكتسب الفيزيائيون لأول مرة فهمًا للجسيمات الدقيقة المتضمنة في تدفق التيار (الإلكترونات الحرة) وكذلك طبيعة القوى التي تجبرهم على الحركة. كان من الواضح أن الكهرباء يمكن أن تحقق فائدة كبيرة إذا كان من الممكن "تصنيعها" أو "أسرها" بأمان واستخدام الطاقة الكهربائية للقيام بالعمل.
يحدث تدفق الشحنة الكهربائية بسهولة في المواد المصنفة على أنهامواد موصلة، بينما يتم إعاقته في من يعرف باسمعوازل. في الأسلاك المعدنية مثل الأسلاك النحاسية ، على سبيل المثال ، من الممكن إنشاء ملفالتباينات المحتملةعبر طرفي السلك ، مما يتسبب في تدفق الشحن وخلق تيار.
تعريف التيار الكهربائي
التيار الكهربائيهو متوسط معدل تدفق الشحنة الكهربائية (أي الشحنة لكل وحدة زمنية) بعد نقطة في الفضاء. تحمل هذه التهمةالإلكتروناتتتحرك عبر سلك في دائرة كهربائية. كلما زاد عدد الإلكترونات التي تتجاوز هذه النقطة في الثانية ، زاد مقدار التيار.
وحدة SI للتيار هي الأمبير (A) ، وغالبًا ما تسمى بشكل غير رسمي "أمبير". تقاس الشحنة الكهربائية نفسها بوحدة الكولوم (C).
- شحنة الإلكترون الواحد هي -1.60 × 10-19 C ، في حين أن ذلك علىبروتونتساوي في الحجم ولكنإيجابيتسجيل الدخول. هذا الرقم يعتبرشحنة أساسية ه. وبالتالي فإن الوحدة الأساسية للأمبير هي كولوم في الثانية (C / s).
بالإقناع،يتدفق التيار الكهربائي في الاتجاه المعاكس لتدفق الإلكترونات. هذا لأن اتجاه التيار قد تم وصفه قبل أن يعرف العلماء أي حاملات الشحنة كانت تلك التي كانت تتحرك تحت تأثير المجال الكهربائي. لجميع الأغراض العملية ، تقدم الشحنات الموجبة التي تتحرك في الاتجاه الإيجابي نفس الشيء المادي (حسابية) نتيجة تحرك الشحنات السالبة في الاتجاه السالب عندما يتعلق الأمر بالكهرباء تيار.
تتحرك الإلكترونات نحو طرف موجب في دائرة كهربائية. وبالتالي ، فإن تدفق الإلكترون ، أو الشحنة المتحركة ، يكون بعيدًا عن الطرف السالب. تولد حركة الإلكترونات في سلك نحاسي أو مادة موصلة أخرى أيضًاحقل مغناطيسيالتي لها اتجاه وحجم يحددهما اتجاه التيار الكهربائي وبالتالي حركة الإلكترونات ؛ هذا هو المبدأ الذي بناء عليهالكهرومغناطيسيةمبني.
صيغة التيار الكهربائي
بالنسبة لسيناريو التيار التقليدي الأساسي لشحنة تتحرك عبر سلك ، يتم إعطاء صيغة التيار من خلال:
أنا = neAv_d
أيننهو عدد الشحنات لكل متر مكعب (م3), ههي الشحنة الأساسية ،أهي منطقة المقطع العرضي للسلك ، والخامسدهلسرعة الانجراف.
على الرغم من أن التيار له مقدار واتجاه ، إلا أنه كمية قياسية ، وليست كمية متجهة ، لأنه لا يخضع لقوانين إضافة المتجه.
صيغة قانون أوم
قانون أوميعطي صيغة لتحديد التيار الذي يتدفق عبر الموصل:
أنا- \ فارك {V} {R}
أينالخامسهلالجهد االكهربى، أوفرق الجهد الكهربائي، تقاس بالفولت ، ورهو الكهربائيمقاومةلتدفق التيار ، مقاسة بـأوم (Ω).
فكر في الجهد على أنه "قوة سحب" (على الرغم من أن هذه "القوة الدافعة الكهربائية" ليست حرفياً قوة) خاصة بالشحنات الكهربائية. عندما يتم فصل الشحنات المعاكسة ، فإنها تنجذب إلى بعضها البعض بطريقة تتضاءل مع زيادة المسافة بينهما. إنه مشابه بشكل فضفاض لطاقة وضع الجاذبية في الميكانيكا الكلاسيكية ؛ الجاذبية "تريد" أن تسقط الأشياء العالية على الأرض ، والجهد "يريد" أن تنفصل الشحنات (المعاكسة) معًا.
شرح الجهد
الفولتات تعادل جول لكل كولوم ، أو J / C. وبالتالي لديهم وحدات طاقة لكل وحدة شحنة. يعطي الجهد أوقات التيار وحدات (C / s) (J / C) = (J / s) ، والتي تُترجم إلى وحدات (في هذه الحالة كهربائية) الطاقة:
P = IV
يؤدي دمج هذا مع قانون أوم إلى ظهور علاقات رياضية مفيدة أخرى تتضمن تدفق التيار: P = I2R و P = V.2/R. تُظهر هذه ، من بين أشياء أخرى ، أنه عند مستوى ثابت للتيار ، تتناسب الطاقة مع المقاومة ، بينما إذا كان الجهد ثابتًا ، تكون الطاقةعكسيايتناسب مع المقاومة.
بينما تحفز الرسوم المتحركة (التيار) مجالًا مغناطيسيًا ، يمكن للحقل المغناطيسي نفسه أن يحفز الجهد في السلك.
أنواع التيار
- التيار المباشر (DC):يحدث هذا عندما تتدفق جميع الإلكترونات باستمرار في نفس الاتجاه. هذا هو نوع التيار في دائرة متصلة ببطارية قياسية. لا يمكن للبطاريات ، بالطبع ، أن تزود سوى كمية صغيرة متلاشية من الطاقة اللازمة لتشغيل الإنسان الحضارة ، على الرغم من أن التكنولوجيا المتطورة باستمرار في مجال الخلايا الشمسية تقدم وعدًا بإمكانيات أفضل تخزين الطاقة.
- التيار المتردد (AC):هنا ، تتأرجح الإلكترونات ذهابًا وإيابًا ("تذبذب" بمعنى ما) بسرعة كبيرة. غالبًا ما يكون توليد هذا النوع من التيار أسهل في محطة توليد الطاقة ، كما أنه ينتج عنه فقد أقل للطاقة على مسافة كبيرة ، وهذا هو السبب في أنه المعيار المستخدم اليوم. يتم تشغيل كل مصباح كهربائي وأي جهاز كهربائي آخر في منزل قياسي من أوائل القرن الحادي والعشرين بواسطة التيار المتردد.
مع التيار المتناوب ، يتغير الجهد بطريقة جيبية ، ويعطى في أي وقتربالتعبير V = V0الخطيئة (2πft) ، أينالخامس0هو الجهد الأولي وFهو التردد أو عدد الدورات الكاملة للجهد (من الحد الأقصى إلى الحد الأدنى إلى القيمة القصوى) في كل ثانية.
قياس التيار
مقياس التيار الكهربائي هو جهاز يستخدم لقياس التيار عن طريق توصيله في سلسلة - وليس بالتوازي أبدًا - في دائرة كهربائية. (تحتوي الدائرة المتوازية على أسلاك متعددة بين الوصلات - بمعنى آخر ، عند مصدر الطاقة والمكثفات والمقاومات - في الدائرة.) وهي تعمل على مبدأ أن التيار هو نفسه من خلال جميع أجزاء السلك بين اثنين التقاطعات.
مقياس التيار الكهربائي له مقاومة جوهرية منخفضة ومعروفة ويتم إعداده لإعطاء aانحراف كامل النطاق(FSD) عند مستوى حالي معين ، غالبًا 0.015 أمبير أو 15 مللي أمبير. إذا كنت تعرف الجهد وتتلاعب بالمقاومة باستخدام وظيفة مقاومة تحويل مقياس التيار الكهربائي ، يمكنك تحديد التيار ؛ تعرف ما هي قيمة التدفق الحاليينبغياستخدام قانون أوم.
أمثلة على التيار الكهربائي
1. احسب سرعة انجراف الإلكترونات في سلك نحاسي أسطواني نصف قطره 1 مم ، أو 0.001 م) يحمل تيار 15-A ، بالنظر إلى أن النحاس ، n = 8.342 × 1028 ه / م3.
I = neAv_d \ implies v_d = \ frac {I} {neA}
المنطقةأالمقطع العرضي للسلك هو πr2أو π (0.001)2 = 3.14 10-6 م2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8.342 \ times 10 ^ {28} \ times -1.60 \ times 10 ^ {- 19} \ times 3.14 \ times 10 ^ {- 6}} = -3.6 \ مرات 10 ^ {- 4} \ نص {م / ث}
- تشير العلامة السالبة إلى أن الاتجاه عكس اتجاه تدفق التيار ، كما هو متوقع للإلكترونات.
2. أوجد التيار I في دائرة 120-V بها مقاومات 2-و 4-و 6-على التوالي.
المقاومات المتسلسلة هي ببساطة مضافة (في الدوائر المتوازية ، يكون مجموع المقاومة الإجمالية هو مجموع مقلوبات قيم المقاومة الفردية). هكذا:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ text {A}
3. دائرة مقاومة إجمالية تبلغ 15 Ω وتدفق تيار 20 أ. ما هي القوة والجهد في هذه الدائرة؟
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ times 15 = 6،000 \ text {W} \ text {and} V = IR = 20 \ times 15 = 300 \ text {V}