تيار كهربائي

عودة للموسوعة
تيار كهربائي
دارة كهربائية بسيطة , حيث حتى التيار يُمثل بالحرف (ت=i) . العلاقة ما بين الجهد الكهربائي (ج=V) , والمقاومة (مق=R) , والتيار (ت=I) تُعطى بالصيغة : ج=مق*ت أوV=IR (قانون أوم)
الرموز الشائعة
I
نظام الوحدات الدولي أمبير
التحليل البعدي I
الاشتقاق من
كميات أخرى
شرارة دارة قصر مكثف.

التيار الكهربائي تدفق من الشحنات الكهربائيةكالإلكترونات أوالأيونات. طبقاً للنظام الدولي للوحدات فإن شدة التيار الكهربي تقاس بالأمبير. بينما يقاس التيار الكهربي بجهاز الأميتر، ويمكن حتى يقاس بأحد أجهزة القياس ذات المحرك.

رمز التيار الكهربائي

يرمز للتيار الكهربائي بالحرف I وليس C، والسبب يرجع لقانون أمبير الذي وضعه العالم الفرنسي أمبير الذي ربط المجال المغناطيسي المتولد حول ملف مغلق بالشحنة الكهربائية التي تتدفق في الملف، وقرر أمبير تسمية معدل تدفق الشحنة بـ "التيار - Current"، وكمية التيار بـ"شدة التيار - current intensity" أوكما هوأصلها بالفرنسية intensité de courant لذلك اتخذ حرف I رمزاً لكثافة التيار، وانتقل الرمز من فرنسا إلى بريطانيا حيث أصبح رمزاً قياسياً. لكن بعد ذلك كان يتم في الخط اختصار "شدة التيار- current intensity" إلى "التيار-Current" على الرغم من حتى بعض الخط القديمة لازالت تخطها كاملة، وذلك ما أدى إلى أرباك وحيرة البعض حتىقد يكون رمز التيار هوI وليس C، وقد طالب البعض في بريطانيا تعديل الرمز إلى C لكن لم يتم ذلك، من الممكن لأنه قد تم التعود على الرمز I أوحتى لا يحدث خلط مع رمز "السعة الكهربائية- capacitance" وهوC والذي كان يستخدم في نفس الوقت.

سريان التيار الكهربائي في سلك فلزي

يحتوي الفلز الصلب الموصِل للكهرباء على مجموعة كبيرة من الإلكترونات المتحركة أوالحرة.وترتبط هذه الإلكترونات بـ شبكة من الأسلاك الفلزية ولكنها لا ترتبط بأية ذرة مفردة. وحتى في حالة انعدام المجال الكهربي الخارجي، تتحرك هذه الإلكترونات بصورة عشوائية لحدٍ ما بعمل الطاقة الحرارية ولكن، في المتوسط،قد يكون صافي قيمة التيار داخل الفلز صفرًا. وإذا افترضنا أنَّ لدينا سطحًا مستويًا يمر السلك من خلاله، فسنجد حتى عدد الإلكترونات التي تتحرك من جانب لآخر في أية فترة زمنية يتساوى في متوسطه مع عدد الإلكترونات التي تمر في الاتجاه المعاكس.

إنَّ أنسب سلك للتوصيل الكهربي هوالسلك النحاسي المجدول

عند توصيل سلك من الفلز بطرفي مصدر جهد كهربي ذي تيار مستمر مثل البطارية، سيعمل المصدر على توليد مجال كهربي عبر الموصِل. وبمجرد توصيل السلك الفلزي، تندفع الإلكترونات الحرة نحوالطرف الموجب في الموصل بعمل هذا المجال الكهربي. وبالتالي، تمثل الإلكترونات الحرة ناقل التيار الكهربي في الموصِل الصلب النموذجي. ففي تيار كهربي شدته 1 أمبير، يندفع 1 كولوم من الشحنة الكهربية (التي تتألف من نحو6.242 إلكترون تقريبًا مضروبًا في 10 18 إلكترون) جميع ثانية عبر أي سطح مستوٍ يمر من خلاله الموصِل.

في أي تدفق ثابت، يمكن حساب التيار I المُقاس بـ الأمبير باستخدام المعادلة التالية:

حيث

وبشكل أكثر تعميمًا، يمكن تعريف التيار الكهربي بأنه المعدَّل الزمني لتغير الشحنة الكهربية، أو

.

التيارات الكهربائية في الوسائط الأخرى

في الفلزات الصلبة، تتدفق الكهرباء بعمل حركة الإلكترونات، من الجهد الكهربائي الأدنى إلى الجهد الكهربي الأعلى (لاحظ حتى التيار الكهربائي معهد عكسيا، أي حتى الإلكترونات تتجه من الأعلى للأدنى ولكن ينظر مهندسوالكهرباء إلى التيار الموجب أنه من الأدنى للأعلى أي حتى التيار في الحقيقة يسير من القطب السالب وهوالأدنى إلى القطب الموجب وهوالأعلي) أما في أي وسط آخر، فإن أي تدفق لأجسامٍ ذات شحنة كهربية يمكن حتى يؤدي إلى توليد تيار كهربي.

في الفراغ، قد تتكون حزمة من الأيونات أوالإلكترونات. أما في المواد الأخرى الموصلة للكهرباء، فيتولد التيار الكهربي نتيجة تدفق جسيمات ذات شحنة سالبة وأخرى ذات شحنة موجبة في آنٍ واحد. وفي المواد الساكنة، يعود التيار الكهربي في مجمله إلى سريان شحنة كهربية موجبة . على سبيل المثال، تكون التيارات الكهربية في الإلكتروليتات تعبير عن تدفقات من ذرات ذات شحنات كهربية (أيونات)، موجبة أوسالبة. وفي أي من الخلايا الكهروكيميائية المعروفة المحتوية على حمض الرصاص، تتكون التيارات الكهربية من أيونات هيدروجينية موجبة (بروتونات) تسري في اتجاه معين، وأيونات سلفات سالبة تسري في الاتجاه الآخر. أما بالنسبة للتيارات الكهربية التي تسري في الشرارات أوالبلازما، فهي تعبير عن تدفقات من الإلكترونات وكذلك من الأيونات الموجبة والسالبة. في الثلج وفي أنواع معينة من الإلكتروليتات الصلبة، يتألف التيار الكهربي في مجمله من أيونات متدفقة. وفي أشباه الموصلات قد يحدث مفيدًا أحيانًا التفكير في التيار الكهربائي على أنه نتاج سريان "فجوات" إلكترونية موجبة (وهي المواضع التي يجب حتى تحتوي على إلكترون لجعل الموصِل متعادلًا). وهذا ما يحدث في شبه الموصل من النوع الموجب.

شدة التيار الكهربائي

كثافة

سرعة تدفق الشحنات الكهربائية

في أي موصل، دائمًا ما تتحرك الجسيمات المتحركة الحاملة لشحنات كهربية في اتجاهات عشوائية كما في جزيئات الغاز. ولكي يتولَّد تدفق صافٍ من الشحنات، يجب حتى تتحرك هذه الجسيمات معًا بمتوسط معدل دَفْق معين. تعتبر الإلكترونات بمثابة العناصر الناقلة للشحنات الكهربية في الفلزات حيث تسلك مسارًا عشوائيًا، بانتنطقها السريع من ذرةٍ إلى أخرى، ولكنها تتدفق عمومًا في نفس اتجاه المجال الكهربائي. ويمكن حساب سرعة انسياق الإلكترونات وفقًا لهذه المعادلة:

حيث

هوالتيار الكهربي
هوعدد الجسيمات المشحونة كهربيًا لكل وحدة حجم
هومساحة المبتر العرضي في الموصل
هي الشحنة الموجودة في جميع جسيم.

عادةً ما تسري التيارات الكهربية في الأجسام الصلبة ببطء شديد.على سبيل المثال، في سلك نحاسي لمبتر عرضي مساحته 0.5 ملم2، وشدة التيار الكهربي المار فيه 5&nbsp أمبير؛ تُحسَب سرعة الانجراف الإلكترونات بالملليمتر في الثانية. وإذا أخذنا مثالًا مختلفًا، ففي الفراغ الموجود داخل أنبوب أشعة الكاثود، تتحرك الإلكترونات في خطوط شبه مستقيمة ("حركةً بالستية") بسرعة تصل إلى عشر سرعة الضوء تقريبًا.

إن أية شحنة كهربية متسارعة، ومن ثمَّ أي تيار كهربي متغير، ينشأ عنها موجة كهرومغناطيسية تنتشر بسرعة كبيرة جدًا خارج سطح الموصل. وعادةً ما تكون هذه السرعة تعبير عن كسر دلالي من سرعة الضوء، كما يمكن حتى نستنتج من معادلات ماكسويل وبالتالي، فإنها تكون أكبر عدة مرات من سرعة انسياق الإلكترونات. على سبيل المثال، في خطوط القدرة ذات التيار المتردد، تنتشر موجات الطاقة الكهرومغناطيسية في الفراغ الموجود بين الأسلاك، فتنتقل من أي مصدر إلى حِمل بعيد، في حين تتحرك الإلكترونات جيئةً وذهابًا فقط عبر مسافة متناهية الصغر.

تُعهد نسبة سرعة الموجة الكهرومغناطيسية إلى سرعة الضوء في الفراغ الحر باسم معامل السرعة، وتعتمد هذه النسبة على الخصائص الكهرومغناطيسية للموصل وعلى المواد العازلة المحيطة به وشكلها وحجمها.

ولكي نتعهد أكثر على طبيعة هذه السرعات الثلاث، يمكننا مقارنتها بالسرعات الثلاث المشابهة لها في الغازات. تتشابه سرعة الانسياق المنخفضة لعناصر حمل الشحنات الكهربية مع حركة الهواء أوحركة الرياح. أما السرعة العالية للموجات الكهرومغناطيسية، فتتشابه مع سرعة الصوت في الغاز، بينما تتشابه السرعة العشوائية للشحنات الكهربية مع السرعة الحرارية لجزيئات الغاز ذات الحركة العشوائية.

قانون أوم

ينص قانون أوم على حتى المقصود بشدة التيار في أي مقاوِم (أوأي جهاز أوميتر آخر) (مثالي) هوقيمة الجهد الكهربي الممَارس مقسومًا على قيمة المقاومة:

حيث

I هوشدة التيار مُقاسًا بـ الأمبير
V هوفرق الجهد الكهربي مُقاسًا بـ الفولت
R هي المقاومة الكهربائية مُقاسة بـ الأوم

التيار الاصطلاحي

ويؤدي سريان الشحنة الكهربية الموجبة إلى توليد التيار الكهربي نفسه الذي يتولَّد عن السريان العكسي للشحنة الكهربية السالبة. إلى غير ذلك، تؤدي التدفقات العكسية للشحنات الكهربية المتقابلة إلى توليد تيار كهربي أحادي. ولهذا السبب، يمكن عادةً تجاهل قطبية الشحنات المتدفقة أثناء عمليات القياس. فمن المفترض حتى تحمل جميع الشحنات المتدفقة قطبية موجبة، ويعهد هذا النوع من التدفق باسم التيار الاصطلاحي. ويمثل التيار الاصطلاحي صافي تأثير مسار التيار، بصرف النظر عن إشارة شحنة الأجسام الناقلة للتيار.

في الفلزات الصلبة مثل الأسلاك، تظل الجسيمات الحاملة للشحنة الكهربية الموجبة ساكنة، وتتحرك فقط الإلكترونات سالبة الشحنة.ولأنَّ الإلكترون يحمل شحنة كهربية سالبة، فٍإن حركة الإلكترون في أي فلز تكون في الاتجاه المعاكس لاتجاه التيار الاصطلاحي ( أوالكهربي).

أمثلة

من الأمثلة الطبيعية لمصادر توليد التيار الكهربي البرق والرياح الشمسية ومصدر الشفق القطبي بنوعيه: الشفق القطبي الشمالي والشفق القطبي الجنوبي. يتمثل الشكل الاصطناعي للتيار الكهربي في سريان إلكترونات التوصيل في أسلاك معدنية، مثلما يحدث في خطوط القدرة الكهربية المعلقة التي تعمل على توصيل الطاقة الكهربية عبر مسافات طويلة وكذلك في الأسلاك الأصغر الموجودة في الأجهزة الكهربية والإلكترونية. وفي الإلكترونيات، توجد أشكال أخرى للتيار الكهربي منها سريان الإلكترونات عبر مقاوِمات)، أوعبر الفراغ في صمام مفرغ، وسريان الأيونات داخل بطارية أوخلية عصبية، وسريان الفجوات عبر شبه موصل.

وفقًا لـ قانون أمبير، يولِّد التيار الكهربي مجالًا مغناطيسيًا.

الكهرومغناطيسية

يولد التيار الكهربي مجالًا مغناطيسيًا. يمكن تصور المجال المغناطيسي كما لوكان نموذجًا من خطوط المجال الدائرية التي تحيط بالسلك.

يمكن قياس التيار الكهربي مباشرةً باستخدام الغلفانومتر ولكن هذه الكيفية تؤدي إلى فتح الدائرة الكهربية، الأمر الذي يتسبب أحيانًا في بعض المشكلات.هذا، ومن الممكن أيضًا قياس التيار الكهربي دون التسبب في فتح الدائرة الكهربية من خلال كشف المجال المغناطيسي المقتَرن بالتيار. ونذكر من الأجهزة المستخدمة في قياس التيار الكهربي أجهزة الاستشعار المتعلقة بقياس تأثير هول وفك التيار، ومحولات التيار الكهربي، وومَلفات روجوسكي.

الاتجاه المرجعي

عند توصيل الدوائر الكهربية، عادةً ماقد يكون الاتجاه العملي للتيار الكهربي عبر أي عنصر من عناصر الدائرة الكهربية غير معروف. وبالتالي، يتم تعيين قيمة تيار كهربي متغيرة لكل عنصر من عناصر الدائرة الكهربية على حدة وباتجاه مرجعي يتم اختياره عشوائيًا.وبمجرد توصيل الدائرة الكهربية، قد تتولَّد شحنات موجبة أوسالبة في التيارات الكهربية السارية في عناصر الدائرة. تعني القيمة السالبة حتى الاتجاه العملي للتيار الكهربي المار عبر هذا العنصر في الدائرةقد يكون عكس الاتجاه المرجعي الذي تم اختياره.

معايير السلامة والأمان ضد مخاطر الكهرباء

رمز للحماية متعارف عليه عالميًا "تحذير، خطر الإصابة بصدمة كهربائية" (ISO 3864),

من أكثر مخاطر الكهرباء وضوحًا الصدمة الكهربية الناتجة عن سريان تيار كهربي عبر أحد أجزاء الجسم. ويتحدد تأثير الصدمة الكهربية وفقًا لمقدار التيار الكهربي الساري عبر الجسم، وهوأمرٌ يعتمد على طبيعة التلامس، وحالة هذا الجزء من الجسم، ومسار التيار الساري عبره، وقيمة الجهد الكهربي لمصدر التيار. ففي الوقت الذي قد يؤدي فيه مقدار صغير جدًا من التيار الكهربي إلى الشعور بوخزة خفيفة، فإنَّ المقدار الكبير جدًا منه قد يسبب حروقًا خطيرة إذا نفذ عبر الجلد أوسكتة قلبية إذا سرت كمية كافية منه خلال القلب. ويختلف تأثير الصدمة الكهربية من فرد لآخر بشكل ملحوظ.

هذا، وقد يحدث التسخين الكهربي غير المقصود خطيرًا أيضًا. فالتحميل الزائد على كابلات الكهرباء يعد سببًا متكررًا في اندلاع الحرائق.وكذلك، إذا تم وضع بطارية صغيرة في حجم خلية AA في جيب به عملات معدنية، فقد يؤدي ذلك إلى تكون دائرة كهربية مصغرة تعمل على تسخين البطارية والعملات المعدنية مما قد يؤدي إلى الإصابة بحروق. أما عن بطاريات النيكل والكادميوم وبطاريات هيدريد النيكل وبطاريات الليثيوم على وجه التحديد، فإنها تمثل خطورةً أيضًا حيث يمكنها توليد تيار كهربي عالٍ جدًا نتيجة لطبيعة المقاومة الداخلية المنخفضة فيها.

انظر أيضًا

  • قائمة بالكميات الفيزيائية
  • التيار المتردد
  • كثافة التيار الكهربي
  • التيار المستمر
  • تيار مداوم
  • التوصيل الكهربي للحصول على مزيد من المعلومات حول الآلية الفيزيائية لسريان التيار الكهربي في المواد
  • الكهرباء

مراجع

  1. Lakatos, John (1998). "Learn Physics Today!". Lima, Peru: Colegio Franklin D. Roosevelt. مؤرشف من الأصل في 21 أكتوبر 2012. اطلع عليه بتاريخعشرة مارس 2009.
  2. ^ "Electricity". Browse info. مؤرشف من الأصل في 2 فبراير 2012. اطلع عليه بتاريخعشرة مارس 2009.
  3. ^ T. L. Lowe, John Rounce, Calculations for A-level Physics, p. 2, Nelson Thornes, 2002 ISBN 0-7487-6748-7
  4. ^ Oliver Heaviside (1894). . 1. Macmillan and Co. صفحة 283. ISBN . مؤرشف من الأصل في 28 يناير 2020.

روابط إضافية

  • مسقط All about circuits - أحد المواقع المفيدة التي تزودك بمعلوماتٍ حول الكهرباء والإلكترونيات
تاريخ النشر: 2020-06-01 21:51:49
التصنيفات: تيار كهربائي, مغناطيسية, الصفحات التي تستخدم وصلات ISBN السحرية, بوابة كهرومغناطيسية/مقالات متعلقة, بوابة إلكترونيات/مقالات متعلقة, بوابة الفيزياء/مقالات متعلقة, بوابة طاقة/مقالات متعلقة, بوابة كهرباء/مقالات متعلقة, جميع المقالات التي تستخدم شريط بوابات, صفحات تستخدم خاصية P244, صفحات تستخدم خاصية P227, صفحات تستخدم خاصية P268

مقالات أخرى من الموسوعة

سحابة الكلمات المفتاحية، مما يبحث عنه الزوار في كشاف:

ما هو كشاف؟