جریان الکتریکی – فیزیک یازدهم (۲)

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با مبحث جریان الکتریکی از کتاب فیزیک یازدهم (۲) آشنا شویم. مبحث جریان الکتریکی موضوعی مشترک برای هر دو رشته ریاضی و تجربی است. همچنین دانش‌آموزان دوره اول متوسطه به خصوص پایه هشتم (برای درس علوم تجربی‌) نیز می‌توانند از این مقاله بهره ببرند.

جریان الکتریکی

آیا تا به حال به مشخصات پشت یک اداپتور (adapter) یا مبدل ولتاژ تلفن همراه خود دقت کرده‌اید ؟ در بین این مشخصات عددی به همراه نماد A یا آمپر به چشم می‌خورد که بیان می‌کند جریان الکتریکی خروجی این قطعه به طور مثال ۲A است. به نظر شما منظور از جریان الکتریکی چیست؟!

جریان الکتریکی چیزی نیست جز شارش بارهای الکتریکی (بارهای الکتریکی متحرک)؛ البته برای آنکه بتوانیم عبارت جریان الکتریکی را به مجموعه‌ای از بارهای الکتریکی اختصاص دهیم، نیاز به شرط خاصی است که در ادامه عنوان می‌کنیم.

مثال‌های زیادی از جربان الکتریکی وجود دارد. به طور مثال نمایشگر تلفن همراه شما، نیاز به انرژی دارد که این انرژی توسط باتری فراهم می‌شود. اما این انرژی به واسطه بارهای الکتریکی متحرک (جریان الکتریکی) در مسیرهای رسانایی به نمایشگر می‌رسد.

شکل (۱) : انرژی الکتریکی به واسطه باتری از طریق بارهای الکتریکی متحرک درون سیم رسانا به صفحه نمایش منتقل می‌شوند.

شرط داشتن جریان الکتریکی

برای آنکه بتوانیم عنوان جریان الکتریکی را به مجموعه‌ای از بارهای متحرک اطلاق کنیم، نیاز است تا یک انتقال خالص بار از یک سطح مقطع معینی همانند شکل زیر رخ دهد.

شکل (۲) : جریان الکتریکی (شارش بار الکتریکی خالص در یک جهت از سطح مقطع معین)

برای اینکه انتقال خالص عبوری از یک سطح مقطع معین در یک جهت داشته باشیم نیاز به ابزاری نظیر باتری است تا با ایجاد میدان الکتریکی و البته اعمال اختلاف پتانسیل، بارهای الکتریکی در یک جهت به حرکت درآیند.

با توجه به جمله فوق، همه‌ی بارهای متحرک، جریان الکتریکی ایجاد نمی‌کنند. پس شارش خالص بار از یک سطح مقطع معین شرط وجود جریان الکتریکی است.

به طور مثال یک سیم رسانا را در نظر بگیرید. این سیم الکتریکی به هیچ مداری متصل نیست. الکترون‌های آزاد (بار الکتریکی) در طول این سیم با سرعتی در حدود  حرکت می‌کنند. اما از آنجایی که حرکت این الکترون‌های آزاد به صورت کاتوره‌ای (تصادفی) در همه جهت‌ها است، نمی‌توان گفت که شارش بار الکتریکی خالصی از یک سطح مقطع معین (در اینجا سطع مقطع سیم) داریم.

شکل (۳) : در نبود اختلاف پتانسیل، هیچ شارش بار الکتریکی خالصی از مقطع معینی نظیر A نداریم. در نتیجه جریان الکتریکی وجود ندارد.

حال اگر این سیم را در یک مدار الکتریکی ساده شامل باتری و لامپ قرار دهیم، می‌توانیم عنوان جریان الکتریکی را برای الکترون‌های آزادی که در طول سیم حرکت می‌کنند، به کار ببریم. در واقع وجود باتری به منزله اعمال اختلاف پتانسیل در دو سر سیم بوده که در نتیجه میدان الکتریکی درون آن ایجاد می‌شود. از آنجایی که قطب‌های باتری مشخص است، میدان الکتریکی نیز جهت مشخصی داشته و باعث به حرکت در آمدن الکترون‌های آزاد در یک جهت می‌شود.

شکل (۴) : شماتیکی از مدار الکتریکی ساده شامل باتری سیم لامپ و کلید

لازم به ذکر است که وقتی میدان الکتریکی به اعمال می‌شود، الکترون‌های آزاد حرکت کمی از حرکت کاتوره‌ای خود را تغییر داده و با سرعتی موسوم به سرعت سوق یا دریفت (Drift) که سرعت زیادی نیز نیست، حرکت یا به اصطلاح سوق پیدا می‌کنند. همان‌طور که می‌دانید الکترون‌های آزاد (بار الکتریکی منقی) در خلاف جهت خطوط میدان الکتریکی حرکت می‌کنند.

لازم به ذکر است که اندازه سرعت سوق الکترون‌ها در یک رسانای فلزی در مرتبه  بوده که سرعت بسیار کمی است.

در شکل زیر نیز شماتیکی از حرکت زیگزاگی یک الکترون آزاد در رسانای فلزی در حصور میدان الکتریکی نشان داده شده است. مشاهده می‌فرمایید که حرکت کلی الکترون آزاد در یک جهت (خلاف جهت خطوط میدان الکتریکی) است. این الکترون آزاد با سرعت سوق حرکت می‌کند.

شکل (۵) : مسیر زیگزاگ یک الکترون آزاد در یک رسانای فلزی که در حضور میدان الکتریکی، این مسیر زیگزاگ در خلاف جهت میدان (بار منفی)، سوق یافته است.

توجه داشته باشید که در شکل فوق، مسیر حرکت الکترون آزاد در حقیقیت منحنی بوده که برای سادگی نمایش به شکل خطوط صاف فرض شده اند.

شکل (۶) : با اعمال ولتاژ (اختلاف پتانسیل)، شارش بار الکتریکی خالص از سطح مقطع معین A صفر نبوده و لذا جریان الکتریکی داریم.

فعالیت ۱-۲ کتاب درسی (ریاضی و تجربی)

بیان کردیم که الکترون‌های آزاد (بار الکتریکی) با سرعت بسیار آهسته سوق در مسیرهای رسانا حرکت می‌کنند. حال سوال پیش می‌آید که چرا به طول مثال با زدن کلید یک لامپ، بلافاصله روشن می‌شود؟

جهت پاسخ با این سوال این راهنمایی را در نظر بگیرید:

شیلنگ آبی را در نظر بگیرید. وقتی که شیلنگ پر از آب باشد و آب بلافاصله از سر دیگر شیلنگ جاری می‌شود، ولی اگر لکه‌ای رنگ را از بتدای ورودی وارد آب درون شیلنگ کنیم، این لکه به آهستگی در آب حرکت می‌کند و با تاخیر از سر دیگر شیلنگ خارج می‌شود.

با توجه به جمله فوق، در یک سیم رسانا انبوهی از الکترون‌های آزاد قرار دارند. با زدن کلید برق که به منزله اعمال اختلاف پتانسیل و در نتیجه میدان الکتریکی است، این الکترون‌های آزاد (مشابه با آب درون شیلنگ) بلافاصله به لامپ می‌رسند. در واقع سرعت سوق یک تک الکترون (مثل سرعت لکه رنگ) برابر با سرعت سوق است. فرض کنید که الکترون‌های ازاد به صورت قطاری پشت سر یکدیگر درون سیم قرار گرفته‌اند. وصل کردن کلید و اعمال میدان الکتریکی (اختلاف پتانسیل) الکترون‌های آزاد را حرکت داده و و هر الکترون به الکترون جلوی خود برخورد کرده و آن را به جلو هل می‌دهد. پس الکترونی که در انتهای سیم است خیلی سریع به لامپ می‌رسد.

فرمول جریان الکتریکی

در اینجا تعریفی دقیق‌تر برای جریان الکتریکی در یک رسانا ارائه می‌کنیم. اگر بار خالص  در بازه زمانی  از مقطعی مشخصی از رسانا گذر کند، جریان الکتریکی متوسط به صورت زیر تعریف می‌شود.

\(I = \frac{ \Delta q }{\Delta t}\)

\(\Delta q\) : بار الکتریکی بر حسب کولن (C)

\(\Delta t\) : مدت زمان عبور بارهای الکتریکی بر حسب ثانیه (s)

\(I\) : جریان الکتریکی بر حسب آمپر (A)

در واقع نسبت مقدار بار الکتریکی عبوری از یک سطح مقطع مشخص از رسانا به زمان، جریان الکتریکی است. لازم به ذکر است که اگر جریان الکتریکی با زمان تغییر نکند، مقدار جریان ثابت است که آن را با جریان (Direct Current : DC) می‌شناسیم.

اگر جریان الکتریکی با زمان تغییر کند به آن جریان AC می‌گوییم که جهت مطالعه آن به مقاله (جریان متناوب AC) مراجعه فرمایید.

مثال‌هایی از مقدار جریان‌ الکتریکی متداول در زندگی روزمره:

• ۱A برای روشن کردن لامپ حبابی ۲۰۰W (وات – واحد توان مصرفی)
• ۲۰۰A برای استارت خودرو
• ۳A برای شارژ سریع باتری موبایل
• ۱mA برای تامین انرژی نمایشگر یک تلفن همراه متوسط
• ۱nA برای جریان الکتریکی نورون‌های مغزی
• ۱۰kA برای یک آذرخش (رعد و برق) نوعی
• ۱GA در بادهای خورشیدی

آمپر ساعت

یک بار دیگر رابطه \(I = \frac{ \Delta q }{\Delta t}\) را در نظر بگیرید. اگر این رابطه را به فرم \(\Delta Q = I \Delta t\) بنویسیم که در آن واحد \(I\)، آمپر و واحد \(\Delta t\) ، ساعت باشد، یکای \(\Delta q\) بر حسب آمپر ساعت خواهد بود. مشخصه شاخص عموم باتری‌ها بر حسب واحد آمپر ساعت بیان می‌شود. به طور مثال باتری خودرو بر حسب آمپر ساعت (Ah) و باتری تلفن همراه بر حسب میلی آمپر ساعت (mAh).

از عبارت فوق مشخص است که هر چه آمپر ساعت یک باتری بیشتر باشد، حداکثر باری که باتری می‌تواند از مدار عبور دهد تا به طور ایمن تخلیه شود، بیشتر است.

حال به عنوان مثال، باتری خودرویی را در نظر بگیرید که ظرفیتش ۵۰Ah باشد. اگر این باتری جریان متوسط ۵A را برای قطعات خودرو فراهم کند، محاسبه کنید که چقدر زمان نیاز است تا به طول کامل تخلیه شود؟

\(\Delta Q = I \Delta t \Rightarrow 50\ (Ah) = 5\ (A)\ \times \Delta t\ (h) \rightarrow \Delta t = 10\ h\)

به عنوان مثالی دیگر محاسبه کنید که یک باتری قلمی با مشخصه ۱۰۰۰mAh که جریان متوسط \(۱۰۰ \mu A\) را فراهم می‌کند، جقدر زمان نیاز دارد تا تخلیه شود.

\(\Delta Q = I \Delta t \Rightarrow 1000\ (mAh) = 100\ (\mu A)\ \times \Delta t\ (h)\)

\(\Rightarrow \Delta t\ = \frac{1000 \times 10^{-3} (Ah)}{100 \times 10^{-6} (A)} = 10^{4}\ h\)

امیدواریم تا مقاله جریان الکتریکی برای شما عزیزان مفید واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر سایر مقالات بین جو نیز داشته باشید.

میدان الکتریکی در داخل رسانا – فیزیک یازدهم (۲)

انرژی خازن – فیزیک یازدهم (۲)

قانون کولن – فیزیک یازدهم (۲)

الکتریسیته ساکن – فیزیک یازدهم (۲)

قطب های آهنربا