جريان الكتريكي

جريان الكتريكي در واقع همان حركت بارهاي الكتريكي است.

انرژي الكتريكي نسبت به ساير انرژي هاي ديگر مزاياي دارد:

1- اين انرژي به آساني به انرژي هاي ديگر مانند گرما، انرژي مكانيكي، صوت و نور تبديل مي شود.

2- انرژي الكتريكي را به سهولت مي توان قطع يا برقرار كرد.

انواع جريان الكتريسيته:

در وسايل برقي دو نوع جريان الكتريسيته مورد استفاده قرار مي گيرد.

1- جريان مستقيم (D.C):

جريان مستقيم هميشه در يك جهت حركت مي كند.

2-جريان متناوب(A.C):

جهت جريان متناوب در هر ثانيه بارها تغيير مي كند.

براي آنكه جريان الكتريكي برقرار بماند، باربه يك مسير بسته نياز دارد، تا در آن شارش كند. مسيري كه بارها در آن حركت مي كنند. «مدار الكتريكي» ناميده مي شود.

توجه: براي نمايش قطعه هاي متداولي كه در مدارهاي الكتريكي به كار مي روند، از نمادهاي ويژه اي استفاده مي شود.

هر مدار الكتريكي ساده، شامل يك مولد،لامپ، كليد و سيم هاي رابط است. هرگاه در مدار كليد بسته شود جريان الكتريكي برقرار مي شود و لامپ روشن مي شود.

سيم هاي مخصوص سيم پيچي از دو قسمت درست شده اند. يك قسمت، رشته هاي باريكي هستند كه در داخل قرار دارند و قسمت ديگر روكش آن است قسمت مركزي از يك نوع فلز(معمولا مس) تشكيل شده است و قسمت خارجي آن پلاستيكي است.

به موادي كه جريان برق را از خود عبور مي دهند رسانا مي گويند. تمام فلزات از جمله مس رسانا هستند.

در مواد رسانا تعداد بي شماري الكترون آزاد وجود دارد. اين الكترونها با جابه جا شدن در داخل رسانا، باعث جابه جايي بارالكتريكي از داخل رسانا مي شوند.

به موادي كه جريان برق را از خود عبور نمي دهند، نارسانا مي گويند. روكش پلاستيكي سيم وبيش تر غير فلزات نارسانا هستند، در اجسام نارسانا به تعدادي كافي الكترون آزاد براي جابه جايي وجود ندارد، در نتيجه وقتي به يك جسم نارسانا الكترون اضافه يا كاسته مي شود جسم داراي بارالكتريكي مي شود و بارالكتريكي در همان محل، ساكن باقي مي ماند و جابه جا نمي شود.

اختلاف پتانسيل الكتريكي:

در يك مدار الكتريكي، در صورتي كه مدار به درستي بسته شده باشد؛ جريان الكتريكي به وجود مي آيد و لامپ روشن مي شود. براي به وجود آمدن جريان الكتريكي وجود قوه يا باتري ضروري است.

به قوه و باتري مولد جريان الكتريكي گفته مي شود. در يك مولد صورتي از انرژي به انرژی الكتريكي تبديل مي شود. مولدها انواع متفاوتي دارند:

1- پيل شيميايي:

در پيل هاي شيميايي، انرژي حاصل از يك واكنش شيميايي به انرژي الكتريكي تبديل مي شود. هر پيل ساده از دو ميله غير هم جنس رسانا تشكيل يافته كه در محدوده اي از اسيد يا باز يا نمك كه به آن الكتروليت مي گويند فرو برده شده است.

يك پيل ساده از دو تيغه رسانا (الكترودهاي) متفاوت مس و روي ساخته شده است كه در درون آن محلول رقيق سولفوريك اسيد قرار دارد. وقتي دو تيغه بايك رشته سيم به هم متصل شوند روي در اسيد حل مي شود و جريان الكترون ها در سيم از روي به طرف سيم برقرار مي شود.

تيغه ي روي را كه داراي بار منفي است قطب منفي يا الكترود منفي و تيغه مس را كه بارالكتريكي مثبت است قطب مثبت يا الكترود مثبت مي نامند.

2- پيل خشك:

پيل هايي كه در چراغ قوه مورد استفاده قرار مي گيرند، پيل خشك مي نامند.

ظرف محتوي الكتروليت از روي ساخته شده است كه خود قطب منفي پيل را تشكيل مي دهد. قطب مثبت آن ميله اي از جنس كربن است. الكتروليت آن خميري از آمونيوم كلريد (نشادر) و يك ماده ژلاتيني است. براي جلوگيري از خشك شدن خمير قسمت بالاي پيل را با يك ورقه فيبر توسط قير كاملا مسدود مي كنند.

هر مولد جریان الكتريكي داراي يك مشخصه به نام ولتاژ يا اختلاف پتانسيل الكتريي است.

اختلاف پتانسيل الكتريكي، عامل ايجاد جريان الكتريكي در مدار است. يعني براي ايجاد جريان در يك مدار، بايد توسط يك مولد، بين دو سر مدار، اختلاف پتانسيل برقرار كنيم، جريان الكتريكي همواره از جسمي كه پتانسيل الكتريكي بيش تري دارد به جسمي كه پتانسيل كمتري دارد مي باشد.

اختلاف پتانسيل الكتريكي را با علامت V نشان مي دهند و واحد آن ولت (V) است.

اختلاف پتانسيل الكتريكي بين دو نقطه را با وسيله اي به نام "ولت سنج" اندازه مي گيريم.

ولت سنج همواره در مدار به شكل موازي با بقيه اجزاي مدار قرار مي گيرد.

نكته: اختلاف پتانسيل بين پايانه هاي قوه ي معمولی برابر 5/1 ولت, باتري ماشين هاي معمولي 12 ولت و كاميون ها 24 ولت يا بيش تر است.

شدت جريان الكتريكي:

در شكل مقابل سيم رسانايي نشان داده شده است. در قسمت "الف" وقتي در دو سر رسانا اختلاف پتانسيل وجود ندارد الكترونهاي آزادي كه در مدت زمان مشخصی از مقطع AA' از راست  به چپ در حركت اند با الكترونهاي آزادي كه در همان زمان از همان مقطع از چپ به راست در حركت اند برابرند يعني به طور متوسط بار خالصي كه از مقطع AA' يا هر مقطع عرضي ديگر رسانا مي گذرد، در يك مدت زمان مشخص برابر صفر است.

هنگامي كه دوسر رسانا را به باتري وصل مي كنيم، بين دو سر آن اختلاف پتانسيل الكتريكي اعمال مي شود، مولد با صرف انرژي الكترونهاي آزاد را وادار به حركت مي كند و مي گوييم جريان الكتريكي برقرار است. (شكل ب)

  (الف)

    (ب)

توجه: در مايعات و گازها يونهاي مثبت و منفي و الكترونها اما در رساناهاي فلزي تنها الكترونهاي آزاد    مي توانند شارش كنند.

نكته: نسبت بار الكتريكي شارش شده از هر مقطع مدار به زمان شارش بار، يعني آهنگ شارش بارالكتريكي را شدت جريان الكتريكي مي گويند.

شدت جريان الكتريكي را با نماد I نشان مي دهند و يكاي آن آمپر است.

 q= مقدار بار الكتريكي عبوري از مدار بر حسب كولن (C)

t = مدت زمان شارش بار الكتريكي برحسب ثانيه (S)

= I شدت جريان برحسب آمپر

توجه: تجربه نشان مي دهد كه اگر ولتاژ مولد جريان الكتريكي در يك مدار افزايش يابد، مقدار جريان الكتريكي در مدار به همان نسبت افزايش مي يابد.

نكته1: شدت جريان هر مدار با وسيله اي به نام آمپرسنج بر حسب يكاي آمپر اندازه گيري مي شود.

نكته2: آمپر سنج هميشه در مدار به شكل سري (متوالي) با بقيه اجزاي مدار قرار مي گيرد.

مقاومت الكتريكي:

وقتي جريان الكتريكي از يك رسانا – مانند رشته ي درون لامپ – مي گذرد، مقداري از انرژي الكتريكي به انرژي گرمايي تبديل شده و باعث گرم شدن لامپ مي شود.

وقتي در يك رسانا را به مولد وصل مي كنيم، اختلاف پتانسيل الكتريكي مولد، باعث مي شود كه الكترونهاي آزاد، در مدار حركت مي كنند. در واقع مولد به الكترونهاي آزاد موجود در رسانا انرژي مي دهد. با تبديل انرژي پتانسيل به انرژي جنبشي (حركتي) الكترونها در رسانا به حركت در مي آيند الكترونها ضمن حركت در رسانا با ذره هاي سازنده ي آن برخورد كرده و در نتيجه رسانا گرم مي شود. اين عمل مرتبا تكرار مي شود يعني مولد به الكترونها انرژي مي دهد و انرژي الكترونها در برخورد با ذره هاي مرتعش رسانا به گرما تبديل مي شود.

به همين دليل بعد از مدتي كه از مولد استفاده مي شود، انرژي آن تمام خواهد شد.

مقاومت رسانا در مقابل حركت الكترونها را "مقاومت الكتريكي" رسانا مي گويند.

عوامل موثر در مقاومت الكتريكي رساناهاي فلزي:

مقاومت يك رساناي فلزي در دماي ثابت به عوامل زير بستگي دارد:

1- طول رسانا:

هر چه طول سيم بلند تر باشد مقاومت الكتريكي آن بيش تر است. به عبارت ديگر مقاومت الكتريكي باطول سيم رابطه مستقيم دارد. طول سيم را با L نمايش مي دهند و يكاي اندازه گيري آن متر است.

2- سطح مقطع رسانا:

مقاومت الكتريكي سيم هاي نازك بيش تر از سيم هاي كلفت است. به عبارت ديگر مقاومت الكتريكي با سطح مقطع سيم رابطه عكس دارد. سطح مقطع سيم را با A نمايش مي دهند و يكاي اندازه گيري آن مترمربع (m²) است.

3- جنس رسانا (مقاومت ويژه):

مقاومت ويژه ي پاره اي از رساناها مانند نقره و مس كم و پاره اي ديگر مانند تنگستن و آهن نسبتا زياد است.

مقاومت ويژه را با ρ نمايش مي دهند و يكاي اندازه گيري آن اهم متر (W.m)است.

با توجه به مطالب گفته شده، مقاومت يك رسانا از رابطه ي زير به دست مي آيد.

R مقاومت الكتريكي است و برحسب "اهم" اندازه گيري مي شود.

واحد مقاومت به افتخار خدمات علمي (گئورك زيمون اهم) نامگذاري شده است و نماد آن W (امگا) مي باشد.

مقاومت الكتريكي رسانا را با وسيله اي به نام "اهم متر" اندازه مي گيرند.

اگر اين وسيله، همراه با ولت سنج و آمپر سنج يك دستگاه را تشكيل دهند آوومتر "AVO metre" ناميده مي شود. (A براي اندازه گيري آمپر، V براي ولت و o براي اهم است)

قانون اهم:

آزمايش ها نشان مي دهد كه هر چه مقدار مقاومت الكتريكي يك مدار بيش تر باشد، شدت جريان الكتريكي در آن مدار كم تر است. از اين رو مي توان نتيجه گرفت كه در يك مدار الكتريكي بين شدت جريان مدار، ولتاژ و مقاومت الكتريكي رابطه ي زير وجود دارد.

مثلث اهم:

قانون اهم را مي توان در مثلث مقابل قرار دارد. بنابر اين دست خود را بر روي كميت مورد نظر قرار        مي دهيم و عمليات رياضي باقيمانده را انجام مي دهیم.

توجه: مقاومت الكتريكي يك رسانا با تغيير دما تغيير مي كند. در رساناهاي فلزي افزايش دما سبب افزايش مقاومت ويژه در نتيجه افزايش مقاومت رسانا مي شود.

مثال: به دو سر يك لامپ اختلاف پتانسيل 220 ولت وصل است. اگر شدت جريان در لامپ برابر 5/0 آمپر باشد مقاومت الكتريكي لامپ چند اهم است؟

اتصال پيل ها:

1- اتصال سري همسو:

اگر قطب مثبت هر پيل به قطب منفي مجاورش متصل شود اتصال را سري همسو مي نامند و جهت جريان هايي كه پیل ها به مدار می فرستند همسو است.

مثال: اگر در يك مدار به جاي يك فوه 5/1 ولتی از دو قوه 5/1 ولتی كه به طور سري به هم وصل شده اند استفاده كنيم، در مجموع اختلاف پتانسيل قوه ها برابر 3 ولت مي شود.

مجموع نيروي محركه بيل هاي متصل به هم=نيروي محركه پيل معادل

توجه: در صورتيكه يك يا چند پیل در خلاف جهت ساير پيل ها قرار داشته باشند، نيروي محركه آن هارا از بقيه كم مي كنيم.

2-اتصال موازي همسو: در اين اتصال قطب هاي همنام پيل ها دوبه دو به هم وصل شده اند و ولتاژ دو سر همه پيل ها مساوي است.

نيروي محركه يكي از پيل ها= نيروي محركه بيل معادل اتصال موازي همسو

به هم بستن مقاومت ها:

1- مقاومت هاي متوالي:

اگر چند مقاومت مانند R_1و R_2و R₃يكي به دنبال ديگري بسته شود به طوريكه از همه آن ها شدت جريان I بگذرد، مي گوييم كه مقاومت ها به طور متوالي به هم بسته شده اند، در اين صورت مقاومت معادل از مجموع اين مقاومت ها به دست مي آيد.

R=R₁+R₂+R₃

در مقاوت هاي سري شدت جريان در طول مسير يكسان است. پس I₁=I₂=I₃

اما ولتاژ معادل برابر است با: V=V₁+V₂+V₃

2- مقاومت هاي موازي:

مقاومت ها را در صورتي موازي مي گويند كه هر يك از آنها بين دو نقطه از يك مدار بسته شود.

اختلاف پتانسيل دو سر همه مقاومت هاي موازي يكي است ولي جريان كل مدار بين آنها تقسيم مي شود.

مقاومت معادل از رابطه ي زير به دست مي آيد:

اختلاف پتانسيل دو سر همه مقاومت هاي موازي يكسان است پس V₁=V₂=V₃

در مقاومت هاي موازي جريان بين مقاومت ها تقسيم مي شود پس I=I₁+I₂+I₃ 

مثال: در شكل مقابل، قسمتي از يك مدار نشان داده شده است. مقاومت معادل آن چند اهم است؟

پاسخ: مقاومت هاي 6و4 اهمي به طور سري به يكديگر متصل شده اند پس مقاومت معادل آن ها برابر است با:

R'=R_۱+R_۲=۶+۴=۱۰Ω

مقاومت Wر10('R) و مقاومت 40 اهمي به طور موازي با يكديگر بسته شده اند بنابراين مقاومت معادل آنها برابر است با: