التيار الكهربائي

تعريف التيار الكهربائي

داخل موصل كالنحاس، توجد إلكترونات تتحرك بحرية وعشوائية بسرعات عالية، لكنها لا تفلت من المعدن. تُسمى الإلكترونات التي تتحرك بحرية بالإلكترونات الحرة. ورغم أن الإلكترونات تتحرك بحرية في جميع الاتجاهات، إلا أنه لا يوجد تدفق صافٍ لها في أي اتجاه محدد. تحدث هذه الحالة عندما ينعدم فرق الجهد بين طرفي سلك النحاس.

عند توصيل السلك بمصدر كهربائي، ينشأ فرق جهد بين طرفي السلك النحاسي، مما يُنشئ مجالًا كهربائيًا فيه. يؤدي وجود هذا المجال إلى تعرض الإلكترونات الحرة لقوة كهربائية F = qE = eE، حيث F = القوة الكهربائية، e = شحنة الإلكترون، وE = المجال الكهربائي . تتسبب هذه القوة الكهربائية في تعرض جميع الإلكترونات الحرة لتسارع مشترك في نفس اتجاه القوة الكهربائية.

تتواجد هذه الإلكترونات الحرة، المتحركة معًا، بين الذرات الثابتة في سلك النحاس، مما يؤدي إلى اصطدامها جميعًا بهذه الذرات. تتسبب هذه الاصطدامات في تغيير اتجاه حركة الإلكترونات الحرة. وتخضع جميع هذه الإلكترونات باستمرار لقوة كهربائية، مما يؤدي إلى تسارعها في نفس اتجاه القوة الكهربائية. وبعد مرور لحظة، تصطدم الإلكترونات الحرة مرة أخرى بالذرات في سلك النحاس. ومع ذلك، تظل الإلكترونات الحرة خاضعة دائمًا لقوة كهربائية، مما يؤدي إلى تسارعها مجددًا.

إذن، بالإضافة إلى تحرك الإلكترونات الحرة عشوائيًا في اتجاهات مختلفة، فإنها تتحرك أيضًا معًا ببطء في اتجاه القوة الكهربائية وفي الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي. يتجه المجال الكهربائي من الجهد الكهربائي العالي إلى الجهد الكهربائي المنخفض، بينما تتحرك الإلكترونات من الجهد المنخفض إلى الجهد العالي. تتميز الحركة العشوائية لكل إلكترون حر بسرعة عالية جدًا، بينما تتميز الحركة الجماعية للإلكترونات الحرة في اتجاه القوة الكهربائية بسرعة منخفضة جدًا. تُسمى هذه الحركة الجماعية للإلكترونات الحرة في اتجاه القوة الكهربائية أيضًا بسرعة الانجراف.

يُعرَّف التيار الكهربائي بأنه تدفق الشحنة الكهربائية عبر مقطع عرضي لموصل خلال فترة زمنية محددة. واصطلاحًا، يكون اتجاه التيار الكهربائي هو نفسه اتجاه حركة الشحنات الموجبة. وقد تم التوصل إلى هذا الاتفاق قبل معرفة أن ما يتحرك فعليًا في الموصل هو الإلكترونات الحرة سالبة الشحنة. ويكون اتجاه حركة الإلكترونات في الموصل معاكسًا لاتجاه التيار الكهربائي. لذلك، عند الحديث عن التيار المتدفق في الموصل، يُقصد به تدفق الشحنات الموجبة، والمعروف أيضًا بالتيار الاصطلاحي لأنه ناتج عن هذا الاتفاق.

صيغة التيار الكهربائي

رياضياً، يُعبّر عن التيار الكهربائي بالمعادلة التالية:
I = ΔQ / Δt
وصف الصيغة: I = التيار الكهربائي، ΔQ = كمية الشحنة الكهربائية، Δt = الفترة الزمنية.

وحدة التيار الكهربائي

وحدة الشحنة الكهربائية هي الكولوم، ووحدة الزمن هي الثانية، لذا فإن وحدة التيار الكهربائي هي الكولوم/ثانية. يُطلق على الكولوم/ثانية أيضًا اسم الأمبير ، نسبةً إلى الفيزيائي الفرنسي أندريه ماري أمبير (1775-1836). 1 أمبير = 1 كولوم/ثانية (1 أمبير = 1 كولوم/ثانية). بعبارة أخرى، تيار كهربائي مقداره 1 أمبير يساوي شحنة كهربائية مقدارها 1 كولوم تمر عبر مساحة مقطع عرضي من سلك لمدة ثانية واحدة. إلى جانب الأمبير، يُعبر عن التيار الكهربائي أيضًا بالمللي أمبير (1 مللي أمبير = 10⁻³ ^أمبير )، والميكرو أمبير (1 ميكرو أمبير = 10⁻⁶ ^أمبير )، والنانو أمبير (1 نانو أمبير = 10⁻⁹ ^أمبير )، والبيكو أمبير (1 بيكو أمبير = 10⁻¹² ^أمبير ).

مثال على السؤال 1:

يمر تيار كهربائي شدته 2 أمبير عبر سلك لمدة 8 ثوانٍ. حدد مقدار الشحنة المارة عبر نقطة ما وعدد الإلكترونات الموجودة في تلك الشحنة!
مناقشة
من المعروف أن:
التيار الكهربائي (I) = 1 أمبير
الفاصل الزمني (t) = 2 ثوانٍ
سأل: الشحنة (Q) وعدد الإلكترونات (e)
الجواب:
صيغة التيار الكهربائي:
أنا = س/ت
وصف الصيغة: I = التيار الكهربائي، Q = الشحنة الكهربائية، t = الفترة الزمنية
الشحنة الكهربائية:
Q = I t = (2 أمبير)(8 ثوانٍ) = 16 كولوم.

شحنة الإلكترون الواحد هي 1,6 × 10 ^-19 كولوم، لذا فإن شحنة 16 كولوم تحتوي على نفس عدد الإلكترونات كما في 16 كولوم / 1,6 × 10 ^-19 كولوم = 10 × 10 ¹⁹ إلكترون.

التيار الكهربائي، وسرعة الانجراف، وكثافة التيار

لنفترض وجود شحنة موجبة تتحرك إلى اليمين بسرعة انجراف v في اتجاه مجال كهربائي E في موصل ذي مساحة مقطع عرضي A. تتحرك الشحنة الموجبة مسافة s = vt خلال فترة زمنية t.

إذا كان عدد الجسيمات المشحونة في وحدة الحجم (كثافة الجسيمات المشحونة) هو n، وحجم الموصل هو A_s = A_vt، فإن عدد الجسيمات المشحونة في حجم الموصل هو n_Avt. إذا كانت شحنة كل جسيم مشحون q، فإن مقدار الشحنة التي تمر عبر طرف الموصل خلال الفترة الزمنية t هو Q = nq_Avt. وبالتالي، فإن التيار الكهربائي المار عبر طرف الموصل هو I = Q/t = nq_Av. بينما كثافة التيار، أو التيار لكل وحدة مساحة مقطع عرضي A، هي J = I/A = nq_V. نستنتج من ذلك أن التيار المار في الموصل هو ناتج ضرب كثافة الجسيمات المشحونة (n)، ومقدار شحنة كل جسيم (q)، ومساحة المقطع العرضي للموصل (A)، وسرعة انجراف الجسيمات المشحونة (v).

ادرس مثال المسألة التالي لفهم الفرق بين سرعة كل جسيم مشحون وسرعة انجراف جميع الجسيمات المشحونة.

مثال على السؤال 2:

يسري تيار ثابت مقداره 10 أمبير في سلك نحاسي مساحة مقطعه العرضي 3 × 10^-6 m²تبلغ كثافة الإلكترونات الحرة 8,4 × 10²⁸ إلكترون/م³حدد سرعة انجراف الإلكترونات الحرة!
مناقشة
من المعروف أن:
التيار الكهربائي (I) = 10 أمبير
مساحة المقطع العرضي للسلك (A) = 3 × 10^-6 m²
كثافة الإلكترون الحر (n) = 8,4 × 10²⁸ m^-3
شحنة الإلكترون (q) = 1,6 × 10^-19 C
سأل: سرعة انجراف الإلكترون الحر (v)
الجواب:
يتم حساب سرعة الإلكترونات باستخدام الصيغة المشتقة سابقًا:

الوصف: I = التيار الكهربائي، n = كثافة الجسيمات المشحونة، q = كثافة الإلكترونات الحرة، q = شحنة الإلكترون الواحد، A = مساحة المقطع العرضي للموصل، v = سرعة انجراف الإلكترون

سرعة انجراف الإلكترون هي 0,248 × 10 ^-3 متر/ثانية = 0,248 مليمتر/ثانية.

تتحرك الإلكترونات الحرة معًا في سلك بسرعة 0,248 مليمتر في الثانية. بعبارة أخرى، تتحرك جميع الإلكترونات الحرة مسافة 0,248 مليمتر في الثانية الواحدة. هذه سرعة بطيئة جدًا. إذا كانت حركة الإلكترونات الحرة بطيئة إلى هذا الحد، فلماذا يضيء المصباح الكهربائي فورًا بعد تشغيل المفتاح؟

لفهم ذلك، تخيّل تدفق الإلكترونات في موصل كهربائي كتدفق الماء في خرطوم. إذا كان الخرطوم ممتلئًا بالماء، فعند توصيل أحد طرفيه بصنبور، سيتدفق الماء فورًا من الطرف الآخر. وبالمثل، توجد إلكترونات حرة في سلك النحاس وسلك المصباح الكهربائي. عند تشغيل المفتاح، يتولد مجال كهربائي بسرعة تقارب سرعة الضوء (سرعة الضوء = 3 × 10⁸ ^متر /ثانية)، مما يدفع الإلكترونات الحرة إلى التحرك معًا على الفور. وبما أن سلك المصباح الكهربائي يحتوي بالفعل على إلكترونات حرة، فإن المصباح يضيء فورًا.