كهرباء

ما هو التيار الكهربائي

الكهرباء - حركة موجهة للجسيمات المشحونة كهربائيًا تحت التأثير الحقل الكهربائي... يمكن أن تكون هذه الجسيمات: في الموصلات - الإلكترونات ، في الإلكتروليت - الأيونات (الكاتيونات والأنيونات) ، في أشباه الموصلات - الإلكترونات وما يسمى ب "الثقوب" ("موصلية ثقوب الإلكترون"). يوجد أيضًا "تيار متحيز" ، يرجع تدفقه إلى عملية شحن السعة ، أي من تغيير فرق الجهد بين اللوحين. لا تحدث حركة جسيمية بين الألواح ، لكن التيار يتدفق عبر المكثف.

في نظرية الدوائر الكهربائية ، يعتبر التيار هو الحركة الموجهة لحاملات الشحنة في وسط موصل تحت تأثير مجال كهربائي.

تيار التوصيل (التيار فقط) في نظرية الدوائر الكهربائية هو مقدار الكهرباء المتدفقة لكل وحدة زمنية عبر المقطع العرضي للسلك: i = q / T ، حيث i - التيار. أ؛ q = 1.6 · 109 - شحنة إلكترون ، С ؛ ر - الوقت ، ق.

هذا التعبير صالح لدارات التيار المستمر. بالنسبة لدوائر التيار المتردد ، فإن ما يسمى ب القيمة الحالية اللحظية تساوي معدل تغير الشحنة بمرور الوقت: i (t) = dq / dt.

الشرط الأول لوجود تيار كهربائي من النوع المدروس على المدى الطويل هو وجود مصدر أو مولد يحافظ على فرق الجهد بين ناقلات الشحن. الشرط الثاني هو إغلاق الطريق. على وجه الخصوص ، من أجل وجود تيار مباشر ، من الضروري أن يكون لديك مسار مغلق يمكن أن تتحرك فيه الشحنات في الدائرة دون تغيير قيمتها.

كما تعلم ، وفقًا لقانون حفظ الشحنات الكهربائية ، لا يمكن إنشاؤها أو إتلافها. لذلك ، إذا كان أي حجم من الفضاء حيث تتدفق التيارات الكهربائية محاطًا بسطح مغلق ، فيجب أن يكون التيار المتدفق في هذا الحجم مساويًا للتيار المتدفق منه.

المزيد عن هذا: شروط وجود التيار الكهربائي

يُطلق على المسار المغلق الذي يتدفق من خلاله تيار كهربائي دائرة كهربائية أو دائرة كهربائية. الدائرة الكهربائية - مقسمة إلى قسمين: الجزء الداخلي ، حيث تتحرك الجسيمات المشحونة كهربائيًا عكس اتجاه القوى الكهروستاتيكية ، والجزء الخارجي ، حيث تتحرك هذه الجسيمات في اتجاه القوى الكهروستاتيكية. نهايات الأقطاب الكهربائية التي تتصل بها الدائرة الخارجية تسمى المشابك.

لذلك ، يحدث التيار الكهربائي عندما يظهر مجال كهربائي على جزء من دائرة كهربائية ، أو فرق جهد بين نقطتين على سلك. الفرق المحتمل بين نقطتين دائرة كهربائية تسمى انخفاض الجهد أو الجهد في هذا الجزء من الدائرة.

بدلاً من مصطلح "الحالية" ("الكمية الحالية") ، غالبًا ما يتم استخدام مصطلح "القوة الحالية".ومع ذلك ، لا يمكن اعتبار الأخير ناجحًا ، نظرًا لأن القوة الحالية ليست أي قوة بالمعنى الحرفي للكلمة ، ولكن فقط شدة حركة الشحنات الكهربائية في الموصل ، وكمية الكهرباء التي تمر لكل وحدة زمنية عبر التقاطع- المنطقة المقطعية للموصل.
التيار يتميز التيار، والتي يتم قياسها في نظام SI بالأمبير (A) ، وكثافة التيار ، والتي يتم قياسها في نظام SI بالأمبير لكل متر مربع.

يتوافق أمبير واحد مع الحركة عبر المقطع العرضي للسلك في ثانية واحدة (ثوانٍ) لشحنة كهربائية بمقدار كولوم واحد (C):

1A = 1C / s.

في الحالة العامة ، مع الإشارة إلى التيار بالحرف i والشحنة q ، نحصل على:

أنا = دق / دينارا.

وحدة التيار تسمى الأمبير (A).

أمبير (أ) - قوة التيار المباشر التي ، عند المرور عبر موصلين مستقيمين متوازيين بطول لانهائي ومقطع عرضي مهمل ، يقعان في فراغ على مسافة 1 متر من بعضهما البعض ، يخلق بين هذين الموصلات 2 · 10 -7 ح لكل متر أطوال.

التيار في السلك هو 1 أ إذا مرت شحنة كهربائية تساوي 1 كولوم عبر المقطع العرضي للسلك خلال 1 ثانية.

أرز. 1. الحركة الاتجاهية للإلكترونات في الموصل

إذا كان الجهد يعمل على السلك ، فعندئذ ينشأ مجال كهربائي داخل السلك. مع شدة المجال E ، تؤثر القوة f = Ee على إلكترونات الشحنة e. الكميات e و E هي كميات متجهة. أثناء المسار الحر ، تكتسب الإلكترونات حركة موجهة إلى جانب حركة فوضوية. كل إلكترون له شحنة سالبة ويتلقى مكون السرعة المقابل للمتجه E (الشكل 1). تحدد الحركة المرتبة ، التي تتميز بمتوسط ​​سرعة معين للإلكترونات vcp ، تدفق التيار الكهربائي.

يمكن أن توجه الإلكترونات الحركة في الغازات المتخلخلة. في الإلكتروليتات والغازات المتأينة ، يرجع التيار بشكل أساسي إلى حركة الأيونات. تمشيا مع حقيقة أن الأيونات المشحونة إيجابيا تتحرك من القطب الموجب إلى القطب السالب في الإلكتروليتات ، تاريخيا تم افتراض أن اتجاه التيار عكس اتجاه تدفق الإلكترون.

يتم أخذ اتجاه التيار باعتباره الاتجاه الذي تتحرك فيه الجسيمات المشحونة إيجابياً ، أي الاتجاه المعاكس لحركة الإلكترون.
في نظرية الدوائر الكهربائية ، يتم أخذ اتجاه التيار في دائرة سلبية (خارج مصادر الطاقة) على أنه اتجاه حركة الجسيمات المشحونة إيجابياً من جهد أعلى إلى منخفض. تم أخذ هذا الاتجاه في بداية تطور الهندسة الكهربائية ويتعارض مع الاتجاه الحقيقي لحركة ناقلات الشحنة - الإلكترونات التي تتحرك في الوسائط الموصلة من سالب إلى زائد.

اتجاه التيار الكهربائي في المنحل بالكهرباء والإلكترونات الحرة في الموصل

الكمية المساوية لنسبة التيار إلى منطقة المقطع العرضي S تسمى الكثافة الحالية: I / S

في هذه الحالة ، يُفترض أن التيار موزع بشكل موحد على المقطع العرضي للسلك. تُقاس كثافة التيار في الأسلاك عادةً بوحدة A / mm2.

وفقًا لنوع ناقلات الشحنات الكهربائية ووسيط حركتها ، يتم تقسيمها إلى تيارات موصلة وتيارات إزاحة ... تنقسم الموصلية إلى إلكترونية وأيونية. بالنسبة للأوضاع الثابتة ، يتم تمييز نوعين من التيارات: المباشرة والمتناوبة.

يسمى انتقال الصدمة الكهربائية بظاهرة نقل الشحنات الكهربائية من الجسيمات المشحونة أو الأجسام المتحركة في الفضاء الحر.النوع الرئيسي لنقل التيار الكهربائي هو الحركة في تجويف الجسيمات الأولية المشحونة (حركة الإلكترونات الحرة في أنابيب الإلكترون) ، حركة الأيونات الحرة في أجهزة تفريغ الغاز.

يسمى تيار الإزاحة (تيار الاستقطاب) بالحركة المنظمة للحوامل المرتبطة بالشحنات الكهربائية. يمكن ملاحظة هذا النوع من التيار في المواد العازلة.

إجمالي التيار الكهربائي - قيمة قياسية تساوي مجموع تيار التوصيل الكهربائي ، وتيار التحويل الكهربائي ، وتيار الإزاحة الكهربائية عبر السطح قيد الدراسة.

يسمى الثابت بالتيار الذي يمكن أن يتغير في الحجم ، لكنه لا يغير علامته لفترة طويلة بشكل تعسفي. قراءة المزيد عنها هنا: العاصمة

تيار ممغنط - تيار مجهري ثابت (أمبير) ، وهو سبب وجود مجال مغناطيسي جوهري للمواد الممغنطة.

تسمى المتغيرات التيار الذي يتغير بشكل دوري من حيث الحجم والإشارة. الكمية التي تميز التيار المتردد هي التردد (في نظام SI يقاس بالهرتز) ، في حالة تغير قوته بشكل دوري.

يتم إزاحة تيار متناوب عالي التردد فوق سطح السلك. تُستخدم التيارات عالية التردد في الهندسة الميكانيكية للمعالجة الحرارية لأسطح الأجزاء واللحام ، وفي علم المعادن لصهر المعادن. تنقسم التيارات المتناوبة إلى جيبية وغير جيبية ... التيار الجيبي هو تيار يتغير وفقًا لقانون توافقي:

أنا = الخطيئة بالوزن ،

أين أنا، - الذروة (الأعلى) القيمة الحالية، آه،

يتميز معدل تغير التيار المتردد به تكرار، يُعرَّف بأنه عدد التذبذبات المتكررة الكاملة لكل وحدة زمنية.يُشار إلى التردد بالحرف f ويقاس بالهرتز (هرتز). لذا فإن تردد التيار الرئيسي البالغ 50 هرتز يتوافق مع 50 ذبذبة كاملة في الثانية. التردد الزاوي w هو معدل تغير التيار بالراديان في الثانية ويرتبط بالتردد بعلاقة بسيطة:

ث = 2 نقطة في البوصة و

تعني القيم الثابتة (الثابتة) للتيارات المباشرة والمتناوبة بالحرف الكبير I قيم غير ثابتة (لحظية) - بالحرف i. عادة ما يكون الاتجاه الإيجابي للتيار هو اتجاه حركة الشحنات الموجبة.

التيار المتناوب إنه تيار يتغير وفقًا لقانون الجيب مع مرور الوقت.

التيار المتردد يعني أيضًا التيار في الشبكات التقليدية أحادية الطور وثلاثية الطور. في هذه الحالة ، تتغير معلمات التيار المتردد وفقًا للقانون التوافقي.

نظرًا لأن تيار التيار المتردد يتغير بمرور الوقت ، فإن الحلول البسيطة المناسبة لدارات التيار المستمر لا تنطبق بشكل مباشر هنا. عند الترددات العالية جدًا ، يمكن أن تتأرجح الشحنات - تتدفق من مكان في الدائرة إلى مكان آخر وتعود مرة أخرى. في هذه الحالة ، على عكس دوائر التيار المستمر ، يمكن أن تكون التيارات في الأسلاك المتصلة بالسلسلة غير متساوية.

السعات الموجودة في دوائر التيار المتردد تعزز هذا التأثير. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يتغير التيار ، يتم الشعور بتأثيرات الحث الذاتي ، والتي تصبح مهمة حتى عند الترددات المنخفضة إذا تم استخدام ملفات الحث العالي.

عند الترددات المنخفضة نسبيًا ، لا يزال من الممكن حساب دائرة التيار المتردد باستخدام قواعد كيرشوفالتي ، مع ذلك ، يجب تعديلها وفقًا لذلك.

يمكن اعتبار الدائرة التي تحتوي على مقاومات ومحثات ومكثفات مختلفة على أنها مقاومة معممة ومكثف ومحث متصل في سلسلة.

ضع في اعتبارك خصائص هذه الدائرة المتصلة بمولد التيار المتردد الجيبي. لصياغة قواعد حساب الدوائر المتناوبة ، تحتاج إلى إيجاد العلاقة بين انخفاض الجهد والتيار لكل من مكونات هذه الدائرة.

مكثف يلعب أدوارًا مختلفة تمامًا في دوائر التيار المتردد والتيار المستمر. على سبيل المثال ، إذا كانت خلية كهروكيميائية متصلة بالدائرة ، إذن سيبدأ المكثف بالشحنحتى يصبح الجهد فيه مساويًا لـ emf للعنصر. ثم سيتوقف الشحن وينخفض ​​التيار إلى الصفر.

إذا كانت الدائرة موصولة بمولد ، ففي نصف دورة واحدة ، ستتدفق الإلكترونات من اللوحة اليسرى للمكثف وتتراكم على اليمين ، وفي الأخرى - العكس.

تشكل هذه الإلكترونات المتحركة تيارًا متناوبًا تكون قوته متساوية على جانبي المكثف. طالما أن تردد التيار المتردد ليس مرتفعًا جدًا ، فإن التيار عبر المقاوم والمحث يظلان أيضًا متماثلين.

في الأجهزة التي تستهلك التيار المتردد ، غالبًا ما يتم تصحيح التيار المتردد مقومات للحصول على تيار مباشر.

موصلات للتيار الكهربائي

يعتبر التيار الكهربائي بجميع أشكاله ظاهرة حركية مماثلة لتدفق السوائل في الأنظمة الهيدروليكية المغلقة. بالقياس ، فإن عملية الحركة الحالية تسمى «التدفق» (التدفقات الحالية).

المادة التي يتم فيها استدعاء التدفق الحالي موصل... تدخل بعض المواد في الموصلية الفائقة في درجات حرارة منخفضة. في هذه الحالة ، لا يظهرون أي مقاومة تقريبًا للتيار ، وتميل مقاومتهم إلى الصفر.

في جميع الحالات الأخرى ، يقاوم الموصل تدفق التيار ، ونتيجة لذلك ، يتم تحويل جزء من طاقة الجسيمات الكهربائية إلى حرارة.يمكن حساب التيار بواسطة قانون أوم للمقطع العرضي للدائرة وقانون أوم للدائرة بأكملها.

تعتمد سرعة حركة الجسيمات في الأسلاك على مادة السلك ، وكتلة الجسيم وشحنه ، ودرجة حرارة البيئة ، وفرق الجهد المطبق ، وهي أصغر بكثير من سرعة الضوء. ومع ذلك ، فإن سرعة انتشار التيار الكهربائي نفسه تساوي سرعة الضوء في وسط معين ، أي سرعة انتشار مقدمة الموجة الكهرومغناطيسية.

كيف تؤثر الكهرباء على جسم الإنسان

يمكن أن يتسبب التيار المار عبر جسم الإنسان أو الحيوان في حروق كهربائية أو رجفان أو موت. من ناحية أخرى ، يستخدم التيار الكهربائي في العناية المركزة ، لعلاج الأمراض العقلية ، وخاصة الاكتئاب ، والتحفيز الكهربائي لمناطق معينة من الدماغ يستخدم لعلاج أمراض مثل مرض باركنسون والصرع ، وهو منظم ضربات القلب الذي يحفز عضلة القلب بالنبض. يستخدم التيار لبطء القلب. في البشر والحيوانات ، يستخدم التيار لنقل النبضات العصبية.

لأسباب تتعلق بالسلامة ، فإن الحد الأدنى للتيار المستقبلي للشخص هو 1 مللي أمبير. يصبح التيار خطيرًا على حياة الشخص بدءًا من شدة تبلغ حوالي 0.01 أ. يصبح التيار قاتلًا للشخص بدءًا من شدة تبلغ حوالي 0.1 أ. يعتبر الجهد أقل من 42 فولت آمنًا.