صفحات

جریان الکتریکی چیست؟ (فرمول، واحدها، AC در مقابل DC)

جریان الکتریکی چیست؟ (فرمول، واحدها، AC در مقابل DC)

 

نکات کلیدی:

 
تعریف جریان الکتریکی: جریان الکتریکی به عنوان جریان ذرات باردار - مانند الکترون‌ها یا یون‌ها - از طریق یک رسانا یا فضا تعریف می‌شود.
 
فرمول جریان الکتریکی: سرعت جریان بار الکتریکی با تقسیم تغییر بار بر تغییر زمان محاسبه می‌شود.
واحدهای جریان الکتریکی: واحد SI برای جریان، آمپر (A) است که نشان دهنده 1 کولن بار عبوری از یک نقطه در 1 ثانیه است.
 
جریان AC در مقابل جریان DC: جریان متناوب (AC) به صورت دوره‌ای جهت خود را معکوس می‌کند، در حالی که جریان مستقیم (DC) در یک جهت جریان می‌یابد.
اندازه‌گیری جریان: جریان با استفاده از دستگاه‌هایی مانند آمپرمتر و گالوانومتر اندازه‌گیری می‌شود.
 
جریان الکتریکی چیست؟
جریان الکتریکی به عنوان جریانی از ذرات باردار - مانند الکترون‌ها یا یون‌ها - که در یک رسانا یا فضا حرکت می‌کنند، تعریف می‌شود. این جریان، سرعت جریان بار الکتریکی را در طول زمان در یک محیط اندازه‌گیری می‌کند. نماد جریان الکتریکی در فرمول‌ها "I" یا "i" است. واحد جریان، آمپر (A) است.

از نظر ریاضی، نرخ جریان بار نسبت به زمان را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

 
به عبارت دیگر، جریانی از ذرات باردار که از یک رسانای الکتریکی یا فضا عبور می‌کنند، به عنوان جریان الکتریکی شناخته می‌شود. ذرات باردار متحرک، حامل‌های بار نامیده می‌شوند که ممکن است الکترون، حفره، یون و غیره باشند.
 
جریان جریان به محیط رسانا بستگی دارد. به عنوان مثال:
 
  • در رسانا، جریان الکتریکی ناشی از الکترون‌ها است.
  • در نیمه‌رساناها، جریان الکتریکی ناشی از الکترون‌ها یا حفره‌ها است.
  • در الکترولیت، جریان الکتریکی ناشی از یون‌ها است.
  • در پلاسما - یک گاز یونیزه شده - جریان الکتریکی ناشی از یون‌ها و الکترون‌ها است.

 

وقتی اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک محیط رسانا اعمال می‌شود، جریان الکتریکی از پتانسیل بالاتر به پتانسیل پایین‌تر شروع به شارش می‌کند. هرچه ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بیشتر باشد، جریان بین دو نقطه بیشتر می‌شود.

 

اگر دو نقطه در یک مدار پتانسیل یکسانی داشته باشند، جریان نمی‌تواند جاری شود. بزرگی جریان به ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو نقطه بستگی دارد. از این رو، می‌توانیم بگوییم که جریان اثر ولتاژ است.

 
جریان الکتریکی می‌تواند میدان‌های الکترومغناطیسی تولید کند که در سلف‌ها، ترانسفورماتورها، ژنراتورها و موتورها استفاده می‌شوند. در رساناهای الکتریکی، جریان باعث گرمایش مقاومتی یا گرمایش ژول می‌شود که در لامپ رشته‌ای باعث ایجاد نور می‌شود.
 
جریان الکتریکی متغیر با زمان، امواج الکترومغناطیسی تولید می‌کند که در مخابرات برای پخش داده‌ها استفاده می‌شوند.
 
جریان AC در مقابل جریان DC
 
بر اساس جریان بار، جریان الکتریکی به دو نوع تقسیم می‌شود، یعنی جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC).
 
جریان AC
 
جریان بار الکتریکی در جهت معکوس و به صورت دوره‌ای، جریان متناوب (AC) نامیده می‌شود. به جریان متناوب، «جریان AC» نیز گفته می‌شود. اگرچه از نظر فنی، این دو بار یک چیز را می‌گویند: «جریان AC».

 

جریان متناوب جهت خود را در فواصل زمانی متناوب تغییر می‌دهد.

 

جریان متناوب از صفر شروع می‌شود، تا حداکثر افزایش می‌یابد، تا صفر کاهش می‌یابد، در جهت مخالف به حداکثر برمی‌گردد و سپس این چرخه را به طور مداوم تکرار می‌کند.
 
 
نوع شکل موج جریان متناوب ممکن است سینوسی، مثلثی، مربعی، دندانه اره‌ای و غیره باشد.
 
 
ویژگی شکل موج مهم نیست - تا زمانی که یک شکل موج تکرارشونده باشد.
 
 
با این اوصاف، در اکثر مدارهای الکتریکی، شکل موج معمول جریان متناوب، موج سینوسی است. یک شکل موج سینوسی معمول که ممکن است به عنوان جریان متناوب ببینید، در تصویر زیر نشان داده شده است.
 
 
 
یک آلترناتور می‌تواند جریان متناوب تولید کند. آلترناتور نوع خاصی از ژنراتور الکتریکی است که برای تولید جریان متناوب طراحی شده است.
 
 
برق AC به طور گسترده در کاربردهای صنعتی و مسکونی استفاده می‌شود.
 
 
جریان DC
 
جریان بار الکتریکی تنها در یک جهت به عنوان جریان مستقیم (DC) شناخته می‌شود. DC همچنین به عنوان "جریان DC" شناخته می‌شود. اگرچه از نظر فنی این دو بار یک چیز را می‌گویند "جریان جریان مستقیم".
 
 
از آنجایی که DC فقط در یک جهت جریان دارد؛ از این رو به آن جریان یک طرفه نیز گفته می‌شود. شکل موج جریان مستقیم در تصویر زیر نشان داده شده است.
 
 
 
جریان مستقیم (DC) می‌تواند توسط باتری‌ها، سلول‌های خورشیدی، پیل‌های سوختی، ترموکوپل‌ها، ژنراتورهای الکتریکی از نوع کموتاتور و غیره تولید شود. جریان متناوب را می‌توان با استفاده از یکسوساز به جریان مستقیم تبدیل کرد.
 
 
برق DC معمولاً در کاربردهای ولتاژ پایین استفاده می‌شود. اکثر مدارهای الکترونیکی به منبع تغذیه DC نیاز دارند.

 

جریان الکتریکی با چه واحدی اندازه‌گیری می‌شود (واحد جریان)؟

 

واحد جریان در سیستم SI، آمپر یا آمپر است. این واحد با A نمایش داده می‌شود. آمپر یا آمپر واحد پایه جریان الکتریکی در سیستم SI است. واحد آمپر به افتخار فیزیکدان بزرگ اندرو ماری آمپر نامگذاری شده است.

 
در سیستم SI، ۱ آمپر جریان بار الکتریکی بین دو نقطه با سرعت یک کولن در ثانیه است. بنابراین،
 
 
 
از این رو جریان نیز بر حسب کولن بر ثانیه یا C/S اندازه‌گیری می‌شود.
 
فرمول جریان الکتریکی
 
فرمول‌های اساسی برای جریان عبارتند از:
 
  1. رابطه بین جریان، ولتاژ و مقاومت (قانون اهم)
  2. رابطه بین جریان، توان و ولتاژ
  3. رابطه بین جریان، توان و مقاومت

این روابط در تصویر زیر خلاصه شده‌اند.

مثلث فرمول جریان الکتریکی

 

فرمول ۱ جریان الکتریکی (قانون اهم)
 
طبق قانون اهم،
 
 
بنابراین
 
 
 
 
 
جریان الکتریکی در قانون اهم
 
 
مثال
 
همانطور که در مدار زیر نشان داده شده است، ولتاژ تغذیه 24 ولت به مقاومت 12 اهم اعمال می‌شود. جریان عبوری از مقاومت را تعیین کنید.

 

داده های داده شده:  V=24,,V ,,, R=12,,Omega

طبق قانون اهم

begin{align*} & I = frac{V}{R} & = frac{24}{12} & I = 2,,A end{align*}

 

بنابراین، با استفاده از معادله، جریان عبوری از مقاومت را برابر با 2A بدست می‌آوریم.

 

فرمول ۲ جریان الکتریکی  (توان و ولتاژ)

 

توان منتقل شده حاصلضرب ولتاژ منبع تغذیه و جریان الکتریکی است.

 

 

بنابراین، جریان برابر است با توان تقسیم بر ولتاژ. از نظر ریاضی،

 

 

که در آن A مخفف آمپر amperes یا amps (واحدهای جریان الکتریکی) است.

 

مثال
 
همانطور که در مدار زیر نشان داده شده است، ولتاژ تغذیه 24 ولت به یک لامپ 48 وات اعمال می‌شود. جریان مصرفی لامپ 48 وات را تعیین کنید.
 
 
راه حل
 
داده های داده شده: V=24,,V ,,, P=48,,W
 
 
 
 
 
بنابراین، با استفاده از معادله بالا، جریان مصرفی توسط لامپ ۴۸ وات برابر با ۲ آمپر است.
 
 
فرمول ۳ جریان الکتریکی  (توان و مقاومت، تلفات اهمی، گرمایش مقاومتی)
 
ما می‌دانیم که  
 
اکنون با جایگذاری قانون اهم  V = I * R در معادله بالا، خواهیم داشت:
 
 
بنابراین، جریان برابر با جذر نسبت توان به مقاومت است. از نظر ریاضی، فرمول این رابطه برابر است با:
 
 
 
مثال
همانطور که در مدار زیر نشان داده شده است، جریان مصرفی توسط لامپ ۱۰۰ وات، ۲۰ اهم را تعیین کنید.
 
راه حل:
 
داده های داده شده:  P=100,,W ,,, R=20,,Omega
 
طبق رابطه بین جریان، توان و مقاومت که در بالا نشان داده شده است:
 
 
 
 
بنابراین، با استفاده از معادله، جریان مصرفی توسط لامپ ۱۰۰ وات، ۲۰ اهم را ۲.۲۴ آمپر بدست می‌آوریم.
 
ابعاد جریان
 
ابعاد جریان بر حسب جرم (M)، طول (L)، زمان (T) و آمپر (A) با رابطه M0L0T-1Q داده شده است.
 
جریان (I) نمایانگر کولن بر ثانیه است. بنابراین،
 
 
جریان متعارف در مقابل جریان الکترونی
 
یک تصور غلط کوچک در مورد جریان الکتریکی متعارف و جریان الکترون وجود دارد. بیایید سعی کنیم تفاوت بین این دو را درک کنیم.
 
ذراتی که بار الکتریکی را از طریق رساناها حمل می‌کنند، الکترون‌های متحرک یا آزاد هستند. جهت میدان الکتریکی در یک مدار، طبق تعریف، قانونی است که بارهای مثبت آزمون رانده می‌شوند. بنابراین، این ذرات بار منفی، یعنی الکترون‌ها، در جهت مخالف میدان الکتریکی جریان می‌یابند.
 
طبق نظریه الکترون، هنگامی که ولتاژ یا اختلاف پتانسیل در دو سر رسانا اعمال می‌شود، ذرات باردار از مدار عبور می‌کنند که جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهد.
 
این ذرات باردار از پتانسیل بالاتر به پتانسیل پایین‌تر، یعنی از یک ترمینال مثبت به ترمینال منفی باتری از طریق یک مدار خارجی جریان می‌یابند.
 
اما، در یک رسانای فلزی، ذرات باردار مثبت در یک موقعیت ثابت نگه داشته می‌شوند و ذرات باردار منفی، یعنی الکترون‌ها، آزاد هستند که حرکت کنند. در نیمه‌هادی‌ها، جریان ذرات باردار می‌تواند مثبت یا منفی باشد.
 
جریان حامل‌های بار مثبت و حامل‌های بار منفی در جهت مخالف، تأثیر یکسانی در مدار الکتریکی دارد. از آنجایی که جریان ناشی از بارهای مثبت یا منفی یا هر دو است، قراردادی برای جهت جریان لازم است که مستقل از انواع حامل‌های بار باشد.
 
جهت جریان قراردادی، جهتی در نظر گرفته می‌شود که حامل‌های بار مثبت در آن جریان می‌یابند، یعنی از پتانسیل بالاتر به پتانسیل پایین‌تر. بنابراین، حامل‌های بار منفی، یعنی الکترون‌ها، در جهت مخالف جریان قراردادی، یعنی از پتانسیل پایین‌تر به پتانسیل بالاتر، جریان می‌یابند. از این رو، جریان قراردادی و جریان الکترون در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند که در تصویر زیر نشان داده شده است.
 
 

جهت جریان قراردادی و شارش الکترون

 

بنابراین

جریان قراردادی: جریان حامل‌های بار مثبت از ترمینال مثبت به ترمینال منفی باتری، جریان قراردادی نامیده می‌شود.
 
جریان الکترون: جریان الکترون‌ها، جریان الکترون نامیده می‌شود. جریان حامل‌های بار منفی - یعنی الکترون‌ها - از ترمینال منفی به ترمینال مثبت باتری، جریان الکترون نامیده می‌شود. جریان الکترون برعکس جریان قراردادی است.
 
جهت جریان قراردادی و جریان الکترون در تصویر زیر نشان داده شده است.
 
 
شارش جریان متعارف و شارش الکترون
 
جریان همرفت در مقابل جریان رسانایی
 
جریان همرفتی
 
جریان همرفتی به عبور جریان از یک محیط عایق مانند مایع، گاز یا خلاء اشاره دارد.
 
جریان همرفتی نیازی به جریان رساناها ندارد؛ از این رو قانون اهم را برآورده نمی‌کند. نمونه‌ای از جریان همرفتی، لامپ خلاء است که در آن الکترون‌های ساطع شده توسط کاتد در خلاء به سمت آند جریان می‌یابند.
 
جریان رسانایی
 
جریانی که از هر رسانا عبور می‌کند، جریان رسانایی نامیده می‌شود. جریان رسانایی نیاز به عبور رسانا دارد؛ از این رو قانون اهم را برآورده می‌کند.
 
جریان جابجایی
 
یک مقاومت و خازن را در نظر بگیرید که به صورت موازی با منبع ولتاژ V متصل شده‌اند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. ماهیت جریان عبوری از خازن با جریان عبوری از مقاومت متفاوت است.
 
ولتاژ یا اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت، جریان پیوسته‌ای ایجاد می‌کند که با معادله‌ی زیر بدست می‌آید:
 
 
 
این جریان، «جریان رسانایی» نامیده می‌شود.
 
حال، جریان تنها زمانی از خازن عبور می‌کند که ولتاژ دو سر خازن تغییر کند، که این تغییر با معادله‌ی زیر بیان می‌شود:
 
 
 
این جریان، «جریان جابجایی» نامیده می‌شود.
از نظر فیزیکی، جریان جابجایی یک جریان نیست، زیرا هیچ جریانی از یک کمیت فیزیکی مانند جریان بارها وجود ندارد.
 
چگونه جریان را اندازه گیری کنیم
 
در یک مدار الکتریکی و الکترونیکی، اندازه‌گیری جریان یک پارامتر ضروری است که باید اندازه‌گیری شود.
 
وسیله ای که می‌تواند جریان الکتریکی را اندازه‌گیری کند، آمپرمتر نامیده می‌شود. برای اندازه‌گیری جریان، آمپرمتر باید به صورت سری با مداری که جریان آن قرار است اندازه‌گیری شود، متصل شود.
 
اندازه‌گیری جریان عبوری از مقاومت با استفاده از آمپرمتر در شکل زیر نشان داده شده است.

اندازه‌گیری جریان توسط آمپرمتر

 

جریان الکتریکی را می‌توان با استفاده از گالوانومتر نیز اندازه‌گیری کرد. گالوانومتر هم جهت و هم بزرگی جریان الکتریکی را نشان می‌دهد.
 
جریان را می‌توان با تشخیص میدان مغناطیسی مرتبط با جریان، بدون قطع مدار، اندازه‌گیری کرد. ابزارهای مختلفی برای اندازه‌گیری جریان بدون قطع مدار وجود دارد.
 
  • مبدل‌های حسگر جریان اثر هال
  • ترانسفورماتور جریان (CT) (فقط جریان متناوب را اندازه‌گیری می‌کند)
  • کلمپ متر
  • مقاومت‌های شنت
  • سنسورهای میدان مغناطیسی-مقاومتی

 

سوالات متداول در مورد جریان

بیایید چند سوال رایج مربوط به جریان الکتریکی را بررسی کنیم.

 

چه چیزی از آهنربای الکتریکی برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی استفاده می‌کند؟

 

گالوانومتر یک ابزار اندازه‌گیری است که از یک آهنربای الکتریکی برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی استفاده می‌کند.

 
گالوانومتر یک ابزار مطلق است؛ جریان الکتریکی را بر حسب تانژانت زاویه انحراف اندازه‌گیری می‌کند.
 
گالوانومتر می‌تواند جریان الکتریکی را مستقیماً اندازه‌گیری کند، اما این کار مستلزم قطع مدار است؛ از این رو گاهی اوقات، ناخوشایند است.
 

چگونه جریان الکتریکی نیروی مغناطیسی تولید می‌کند؟

 

یک هادی حامل جریان که در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی را تجربه خواهد کرد، زیرا جریان چیزی جز جریان بارها نیست.

 
یک هادی حامل جریان را در نظر بگیرید که جریان از آن عبور می‌کند، همانطور که در شکل زیر (الف) نشان داده شده است. طبق قانون دست راست فلمینگ؛ این جریان یک میدان مغناطیسی در جهت عقربه‌های ساعت تولید می‌کند.
 
 
نیروی مغناطیسی تولید شده توسط جریان الکتریکی
 
 
نتیجه میدان مغناطیسی هادی (رسانا) این است که میدان مغناطیسی را به بالای هادی (رسانا) اعمال کرده و آن را در پایین بیدار می‌کند.
 
خطوط میدان مانند نوارهای لاستیکی کشیده شده هستند؛ از این رو هادی (رسانا) را در جهت رو به پایین هل می‌دهند، یعنی نیرو به سمت پایین است، همانطور که در شکل (ب) نشان داده شده است.
 
این مثال می‌گوید که هادی (رسانا) حامل جریان در یک میدان مغناطیسی نیرویی را تجربه می‌کند. معادله زیر بزرگی نیروی مغناطیسی وارد بر یک هادی حامل جریان را تعیین می‌کند.
 
 
 
برای ایجاد جریان الکتریکی، لازم است که
 
برای ایجاد جریان الکتریکی، موارد زیر ضروری است:
 
  • اختلاف پتانسیل بین دو نقطه. اگر دو نقطه در یک مدار، پتانسیل یکسانی داشته باشند، جریان نمی‌تواند جاری شود.
  • یک منبع ولتاژ یا منبع جریان، مانند باتری یا سلول که الکترون‌های آزاد را به هم متصل می‌کند و جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهد.
  • یک هادی یا سیم که بارهای الکتریکی را حمل می‌کند.
  • یک مدار باید بسته یا کامل باشد. اگر مدارها باز باشند، جریان نمی‌تواند جاری شود.

 

اینها شرایطی هستند که برای ایجاد جریان الکتریکی لازم هستند. تصویر زیر عبور جریان در یک مدار بسته را نشان می‌دهد.

 

 

جریان جاری در مدار بسته

 

کدام یک به بهترین شکل تفاوت بین جریان الکتریکی و الکتریسیته ساکن را توصیف می‌کند؟

تفاوت اصلی بین جریان الکتریکی و الکتریسیته ساکن این است که الکترون‌ها یا بارها در جریان الکتریکی از طریق رسانا جریان می‌یابند.
 
در حالی که در الکتریسیته ساکن، بارها ساکن هستند و روی سطح ماده جمع می‌شوند.
 
جریان الکتریکی ناشی از جریان الکترون‌ها است، در حالی که الکتریسیته ساکن ناشی از بارهای منفی از یک جسم به جسم دیگر است.
 
جریان الکتریکی فقط در رسانا تولید می‌شود، در حالی که الکتریسیته ساکن هم در رسانا و هم در عایق تولید می‌شود.
 
 
جریان الکتریکی چگونه بر قطب مغناطیسی تأثیر می‌گذارد؟
 
ما می‌دانیم که وقتی جریان الکتریکی جریان دارد، یعنی بار الکتریکی در حرکت است، یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند. اگر آهنربا را در یک میدان مغناطیسی نگه داریم، به آن نیرو وارد می‌شود.
 
برای بارهای الکتریکی، یعنی جریان الکتریکی، قطب‌های مغناطیسی مانند هم جذب و قطب‌های مغناطیسی مخالف هم دفع می‌کنند. بنابراین، می‌توانیم بگوییم که جریان الکتریکی از طریق میدان مغناطیسی بر قطب مغناطیسی تأثیر می‌گذارد.
 
 
چه وسیله ای برای اندازه گیری جریان الکتریکی استفاده می شود؟
 
ابزاری که می‌تواند جریان الکتریکی را اندازه‌گیری کند، آمپرمتر نامیده می‌شود. آمپرمتر باید به صورت سری با مداری که جریان آن قرار است اندازه‌گیری شود، متصل شود.
 
ابزارهای مختلف دیگری نیز برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی استفاده می‌شوند.
 
مبدل‌های حسگر جریان
ترانسفورماتور جریان (CT) (فقط جریان متناوب را اندازه‌گیری می‌کند)
مترهای Clamp-on
مقاومت‌های شنت
سنسورهای میدان مغناطیسی مقاومتی