ما هو التيار الكهربائي

ما هو مفهوم التيار الكهربائي؟

يعرف بأنه أي حركة لحاملات الشحنة الكهربائية، وذلك مثل الجسيمات المشحونة دون الذرية (على سبيل المثال، الإلكترونات ذات الشحنة السالبة، والبروتونات ذات الشحنة الموجبة)، والأيونات (الذرات التي فقدت أو اكتسبت إلكترونًا واحدًا أو أكثر)، أو الثقوب (عيوب الإلكترون التي قد يمكن اعتبارها جسيمات إيجابية).

التيار الكهربائي في السلك، حيث تكون حاملات الشحنة عبارة عن إلكترونات، وهو مقياس لكمية الشحنة التي تمر بأي نقطة من السلك لكل وحدة زمنية، وفي التيار المتردد تنعكس حركة الشحنات الكهربائية بشكل دوري؛ أما في التيار المباشر ليس كذلك.

وفي العديد من السياقات يتم أخذ اتجاه التيار في الدوائر الكهربائية على أنه اتجاه تدفق الشحنة الموجبة، وهو الاتجاه المعاكس لانجراف الإلكترون الفعلي، وعندما يتم تحديد ذلك يسمى التيار بالتيار التقليدي.

عادةً ما يُشار إلى التيار بالرمز الأول، يربط قانون أوم التيار المتدفق عبر الموصل بالجهد V والمقاومة R؛ وهذا هو، V = IR، وبيان بديل لقانون أوم هو I = V / R.

يتكون التيار في الغازات والسوائل بشكل عام من تدفق الأيونات الموجبة في اتجاه واحد مع تدفق الأيونات السالبة في الاتجاه المعاكس، ولمعالجة التأثير الكلي للتيار، عادة ما يؤخذ اتجاهه على أنه اتجاه حامل الشحنة الموجبة.

إن تيار الشحنة السالبة التي تتحرك في الاتجاه المعاكس يعادل شحنة موجبة بنفس المقدار تتحرك في الاتجاه التقليدي ويجب إدراجه كمساهمة في إجمالي التيار، ويتكون التيار في أشباه الموصلات من حركة الثقوب في الاتجاه التقليدي والإلكترونات في الاتجاه المعاكس.

يولد التيار الكهربائي مجالًا مغناطيسيًا مصاحبًا، كما هو الحال في المغناطيسات الكهربائية، عندما يتدفق تيار كهربائي في مجال مغناطيسي خارجي، فإنه يواجه قوة مغناطيسية، كما هو الحال في المحركات الكهربائية، ويتناسب فقدان الحرارة، أو الطاقة المشتتة، بسبب التيار الكهربائي في الموصل مع مربع التيار.

وحدة قياس التيار الكهربائي:

وحدة شائعة للتيار الكهربائي هي الأمبير، والتي تُعرَّف على أنها تدفق واحد كولوم من الشحنة في الثانية، أو 6.2 × 1018 إلكترونًا في الثانية، وحدات السنتيمتر – جرام – ثانية من التيار هي وحدة الشحن الكهروستاتيكية (esu) في الثانية، أمبير واحد يساوي 3 × 109 esu في الثانية.

توفر خطوط الطاقة التجارية حوالي 100 أمبير لمنزل نموذجي؛ يسحب مصباح بقدرة 60 وات حوالي 0.5 أمبير من التيار ومكيف هواء بغرفة واحدة حوالي 15 أمبير.

أصغر جزء من كمية الشحنة التي يمكن أن يمتلكها الجسيم هو شحنة بروتون واحد، +1.602 × 10−¹⁹كولوم، والإلكترون له شحنة من نفس الحجم ولكن إشارة معاكسة، أي .1.602 × 10−¹⁹ كولوم، قد توفر بطارية المصباح العادي تيارًا يوفر تدفقًا إجماليًا للشحن يبلغ حوالي 5000 كولوم، والذي يتوافق مع أكثر من 1022 إلكترونًا، قبل نفادها.

التيار الكهربائي هو مقياس لتدفق الشحنة، على سبيل المثال الشحنة المتدفقة عبر سلك، يقاس حجم التيار بالأمبير ويرمز له بـ i، ويمثل أمبير التيار مرور كولوم شحنة واحدة في الثانية، أو 6.2 مليار إلكترون (6.2 × 1018 إلكترون) في الثانية، حيث يكون التيار موجبًا عندما يكون في اتجاه تدفق الشحنات الموجبة؛ واتجاهه هو عكس تدفق الشحنات السالبة.

المجال الكهربائي:

إن قوانين القوة والحفظ ليست سوى جانبين من جوانب الكهرومغناطيسية، وتحدث القوى الكهربائية والمغناطيسية بسبب المجالات الكهرومغناطيسية، ويشير مصطلح الحقل إلى خاصية الفضاء، بحيث يكون لكمية الحقل قيمة عددية في كل نقطة من الفراغ، قد تختلف هذه القيم أيضًا مع مرور الوقت.

قيمة المجال الكهربائي أو المغناطيسي هي متجه؛ أي كمية لها حجم واتجاه، وقيمة المجال الكهربائي عند نقطة في الفضاء، على سبيل المثال تساوي القوة التي سيتم بذلها على شحنة الوحدة في ذلك الموضع في الفضاء.

ينشئ كل جسم مشحون مجالًا كهربائيًا في الفضاء المحيط، الشحنة الثانية “تشعر” بوجود هذا المجال، الشحنة الثانية إما تنجذب نحو الشحنة الأولية أو تنفر منها، اعتمادًا على علامات الشحنات بالطبع، نظرًا لأن الشحنة الثانية لها أيضًا مجال كهربائي، فإن الشحنة الأولى تشعر بوجودها وتنجذب أو تنفر من الشحنة الثانية أيضًا.

يتم توجيه المجال الكهربي من الشحنة بعيدًا عن الشحنة عندما تكون الشحنة موجبة وباتجاه الشحنة عندما تكون سالبة، يظهر المجال الكهربائي من شحنة في حالة سكون لمواقع مختلفة في الفضاء، تشير الأسهم إلى اتجاه المجال الكهربائي، ويشير طول الأسهم إلى قوة المجال عند نقطة منتصف الأسهم.

إذا تم وضع شحنة موجبة في المجال الكهربائي، فسنشعر بقوة في اتجاه المجال، كما ستشعر الشحنة السالبة بوجود قوة في الاتجاه المعاكس لاتجاه المجال.

في الحسابات، غالبًا ما يكون التعامل مباشرة مع المجال الكهربائي أكثر ملائمة من التعامل مع الشحنات، في كثير من الأحيان، يُعرف المزيد عن المجال أكثر مما يُعرف عن توزيع الشحنات في الفضاء.

على سبيل المثال، توزيع الشحنات في الموصلات غير معروف عمومًا لأن الشحنات تتحرك بحرية داخل الموصل ومع ذلك، في المواقف الثابتة يكون للحقل الكهربائي في الموصل في حالة توازن قيمة محددة صفر؛ لأن أي قوة على الشحنات داخل الموصل تعيد توزيعها حتى يختفي المجال، حيث يعبَّر عن وحدة المجال الكهربائي بنيوتن لكل كولوم، أو فولت لكل متر.

أنواع التيار الكهربائي:

التيار الثابت (المباشر):

تيار مباشر، واختصاره DC، هو تدفق شحنة كهربائية لا يغير الاتجاه، كما يتم إنتاج التيار المباشر عن طريق البطاريات وخلايا الوقود والمعدلات والمولدات ذات المبدلات، كما تم استبدال التيار المباشر بالتيار المتردد (AC) للقوة التجارية المشتركة في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر لأنه كان من غير الاقتصادي في ذلك الوقت تحويله إلى الفولتية العالية اللازمة للنقل لمسافات طويلة.

تغلبت التقنيات التي تم تطويرها في الستينيات على هذه العقبة، وينتقل التيار المباشر الآن عبر مسافات طويلة جدًا، على الرغم من أنه يجب عادةً تحويله إلى تيار متناوب للتوزيع النهائي، وبالنسبة لبعض الاستخدامات، مثل الطلاء الكهربائي، فإن التيار المباشر ضروري.

التيار المتردد (المتناوب):

الاختصار AC، إن تدفق الشحنة الكهربائية التي تنعكس بشكل دوري يبدأ على سبيل المثال من الصفر، وينمو إلى الحد الأقصى وينخفض ​​إلى الصفر وينعكس، ويصل إلى الحد الأقصى في الاتجاه المعاكس، ويعود مرة أخرى إلى القيمة الأصلية، ويكرر هذه الدورة إلى أجل غير مسمى.

الفترة الزمنية بين تحقيق قيمة محددة في دورتين متتاليتين تسمى الفترة، وعدد الدورات أو الفترات في الثانية هو التردد، والقيمة القصوى في أي اتجاه هي سعة التيار المتردد، كما تُستخدم الترددات المنخفضة، مثل 50 و 60 دورة في الثانية (هيرتز)، للطاقة المحلية والتجارية، ولكن تُستخدم تيارات متناوبة من الترددات حول 100،000،000 دورة في الثانية (100 ميغا هرتز) في التلفزيون وتلك التي تبلغ عدة آلاف ميغا هرتز في الرادار أو اتصالات الميكروويف، كما تعمل الهواتف الخلوية بترددات تبلغ حوالي 1000 ميغا هرتز (1 جيجاهيرتز).