جریان برق (Electric current)
جریان برق چیست؟
جریان برق همان حرکت منظم چارجهای برقی در یک هادی (سیم) است. معمولاً این چارجها الکترونها هستند که از یک نقطۀ دارای پوتانشیل برقی بلند به طرف نقطۀ دارای پوتانشیل پایین حرکت میکنند. مثل اینکه آب در یک لوله جریان دارد، آب مثل الکترونها است و فشار آب مثل ولتاژ است. آبیکه در هر ثانیه از یک نقطه عبور میکند مثل جریان برق است که از مقطع یک هادی عبور میکند.
واحد جریان برق به افتخار دانشمند فرانسوی آندره – ماری امپیر (André-Marie Ampère)، امپیر است و به حرف (A) نشان داده میشود.
انواع جریان برق(Types of electric current)
- جریان مستقیم (Direct Current-DC)، جهت حرکت الکترون ها همیشه ثابت است. مانند: ایجاد دوره برقی با استفاده از یک باطری.
- جریان متناوب (Alternating Current-AC) جهت حرکت الکترون ها مرتب تعویض میشود. (مثل برق خانه ها که در هر 50 یا 60 بار در ثانیه جهتش تغییر میکند).
جریان برق توسط رابطه ذیل محاسبه می شود:
- I شدت جریان است که به امپیر(A) اندازه می شود.
- Q مقدار چارج برقی است که به واحد کولمب(C) اندازه می شود.
- t زمان است که به ثانیه(s) اندازه می شود.
به عبارت خلاصه عبور مقدار چارج برقی در یک ثانیه از نقطه هادی، عبارت از برق جاری است.
دوره های برقی(Electrical circuits)
دوره یا مدار برقی مجموعهای از قطعات و مسیرهایی است که به جریان برق اجازه میدهد از منبع انرژی خارج شده و پس از طی مسیر، دوباره به آن بازگردد. در یک مدار بسته، جریان برق برقرار است؛ اما در صورت باز بودن مدار، جریان قطع شده و عبور نمیکند.
اجزای اساسی یک دوره برقی شامل موارد ذیل میشوند:
- منبع انرژی (باطری یا اداپتر)
- سیم هادی
- سویچ (برای باز وبسته کردن دوره برقی)
- مقاومت(لامپ یا هر مصرفکنندهٔ انرژی دیگر)
قانون اوم(Ohm’s Law)
رابطهٔ بین ولتاژ، جریان ومقاومت را توضیح میدهد.
V = I x R
در این رابطه:
- V ولتاژ که به ولت (V) اندازه می شود.
- I جریان که به امپیر(A) اندازه می شود.
- R مقاومت که به اوم (Ω) اندازه می شود.
بر اساس این رابطه هرگاه مقاومت زیاد شود، جریان کم میشود چون در صورت افزایش مقاومت الکترون ها در اثر تصادمات مکرر انرژی خود را از دست داده و باعث گرم شدن هادی گردیده و در نتیجه جریان کند میشود. مثلا: از پیادهرو های پرازدحام نمیشود سریع عبور کرد.
مثال: یک مقاومت 470 اومی را به یک منبع برقی 12 ولتی وصل میکنیم. میخواهیم بدانیم که:
الف- چه جریانی از مقاومت میگذرد؟
ب- اگر جریان 25 میلیامپیر باشد، ولتاژ دو سر مقاومت چقدر است؟
ج- اگر ولتاژ 9 ولت و جریان 15 میلیامپیر باشد، مقاومت چقدر است؟
حل جز «الف»:
V = 12V
R = 470 Ω
I = ?
طبق قانون اوم:
I = V / R = 12 / 470 ≈ 25.5mA = 0.0255A
حل جز «ب»:
I = 25 mA = 0.025 A
R = ?
V = ?
V = I × R = 0.025 × 470 = 11.75V
حل جز «ج»:
V = 9 V
I = 15 mA = 0.015 A
R = ?
R = V / I = 9/ 0.015 = 600 Ω
مقاومت برقی(Electrical Resistance)
مقاومت برقی نشان دهنده این است که یک جسم چقدر در برابر حرکت الکترونها (جریان برق) از خود پایداری یا مقاومت نشان میدهد. هر مادهای دارای این خصوصیت است که بعضی شان بیشتر و بعضی شان کمتر. واحد اندازه گیری مقاومت برقی اوم (Ω) میباشد.
وقتی جریان از داخل یک جسم بگذرد ازینکه هرجسم دارای خاصیت فیزیکی متفاوت میباشد، بعضی از اجسام جریان را از خود به ساده گی عبور میدهد و بعضا هم به سختی و حتا عبور نمیدهد. اجسامی مثل فلزات دارای مقاومت کم میباشد، و مواد مثل چوب یا پلاستیک دارای مقاومت برقی خیلی زیاد اند.
قرار ذیل به توضیح تعدادی از موارد مهم دربارهٔ مقاومت برقی می پردازیم:
1 – رابطهٔ مقاومت با جریان و ولتاژ: بر اساس قانون اوم رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت را قرارذیل داریم.
V = I x R
ولتاژ برابر است با جریان ضرب در مقاومت، اگر مقاومت زیاد شود، جریان کم میشود، اگر مقاومت کم شود، جریان به ساده گی عبور میکند.
2 – مقاومت به عوامل ذیل بستگی دارد:
نوعیت ماده: فلزات راحتتر اجازه میدهند جریان عبورکند چون در فلزات رابطه بین اتوم ها فلزی بوده و رابطه فلزی در اثر حرکت الکترون های آزاد در شبکه فلزی ایجاد می گردد. یک شبکه فلزی در واقع متشکل از الکترون های آزاد وآیون های مثبت فلزات می باشد، طوریکه آیون ها ثابت بوده اما الکترون ها آزادانه حرکت کرده جابجا میشوند. وقتی اختلاف پوتانشیل بوجود می آید الکترون ها آزادانه تحت تاثیر ساحه برقی حرکت جهت دار کرده و جریان ایجاد میکند. ازینکه تعداد الکترون های آزاد زیاد است مانع کمی صورت میگیرد بدین لحاظ فلزات دارای مقاومت کمتری میباشد. اما در غیرفلزات یا عایق ها الکترون ها محکم به اتوم ها متصل اند، رابطه بین اتوم ها کوولانسی (اشتراکی) میباشد و اجازه عبور جریان برق رانمیدهد. مثلا: پلاستیک، چوب خشک وغیره.
طول هادیها: هرقدر اندازه سیم درازتر باشد، جریان آهسته میشود و مقاومت بیشتر است. چون با افزایش طول سیم برخورد الکترون با اتوم ها باعث کاهش انرژی الکترون ها شده و مقاومت بیشتر میگردد.
ضخامت(سطح مقطع): سیم ضخیم جریان را راحت تر عبور میدهد، پس مقاومت کمتر دارد. افزایش ضخامت باعث میشود الکترونها آزادانه حرکت کنند، ومقاومت کم شود. مانند: سرک عریض که اجازه میدهد موترهای بیشتری عبور کند.
حرارت: در بیشتر فلزات اگر حرارت بالا برود، مقاومت زیاد میشود. چون با افزایش حرارت اتوم ها به اهتزاز آمده و باعث ازدیاد تصادمات بین الکترون ها شده که درنتیحه باعث مقاومت بیشتر میشود.
۳ – کاربرد مقاومتها: مقاومت ها در یک دوره برقی بر اساس دلایل ذیل مهم اند:
- تنظیم جریان در یک دوره برقی.
- تقسیم ولتاژ در شاخه ها. مانند: انواع چراغ های نصب شده در یک سالون.
- محافظت از قطعات حساس. مانند: ترانزستورها.
- ایجاد گرما. مانند: بخاریهای برقی.
برای مقاومت برقی نظر به نوعیت هادی و طول هادی رابطه ذیل را داریم:
براساس این رابطه مقاومت(R) با طول(L) و کثافت هادی(ρ) رابطه مستقیم داشته و با سطح مقطع(A) عبور جریان رابطه عکس دارد. یعنی با افزایش طول و یا (مقاومت مخصوص ماده) مقاومت بیشتر میشود و با افزایش سطح مقطح مقاومت کم میشود که با سطح مقطع رابطه عکس دارد.
در رابطه داده شده(ρ) مقاومت مخصوص ماده میباشد. مقاومت مخصوص یک عدد ثابت برای هر ماده است. یعنی نشان میدهد که آن ماده به طور طبیعی چقدر مانع جریان میشود و با افزایش حرارت مقاومت مخصوص نیز افزایش میابد.
با در نظرداشت رابطه فوق، برای محاسبه مقاومت مخصوصه می توانیم رابطه ذیل را بدست آورد.
مثال: مقاومت سیم مسی را محاسبه کنید که دارای طول 10m و قطر 1mm باشد. مقاومت مخصوصه مس به درجه حرارت اطاق قرار ذیل می باشد.
حل: در آغاز شعاع مقطع را با در نظرداشت اندازه قطر محاسبه می کنیم.
شعاع نصف قطر (0.5mm) یا 0.0005m می باشد.
مساحت مقطع از رابطه ذیل محاسبه می شود:
حال قیمت های حاصله را در رابطه ذیل وضع نموده داریم که:
در نتیجه مقاومت سیم مسی 0.214Ω می باشد.
توان برقی(Electrical power)
توان برقی نشان میدهد که یک وسیله چقدر انرژی در یک ثانیه بمصرف میرساند.
واحد اندازه گیری برای توان برقی وات (Watt) است که با حرف W نشان داده میشود.
طبق تعریف:
یعنی اگر روی یک لامپ نوشته شده 60 وات، به این معنی است که این لامپ در هر ثانیه 60 ژول انرژی برقی مصرف میکند.
فرمولهای محاسبه توان: در مدارهای برقی، توان معمولاً از حاصلضرب ولتاژ در شدت جریان به دست میآید:
P = V x I
P توان که به وات (W) اندازه می شود.
V ولتاژ که به ولت (V) اندازه می شود.
I شدت جریان که به امپیر(A) اندازه می شود.
با جایگزینی قانون اوم در رابطه توان برقی داریم که:
و همچنین:
توسط دو رابطه اخیر با دانستن مقاومت می توانیم توان برقی را محاسبه نماییم.
مثال: توان مصرف اُتو را محاسبه کنید که با برق شهری با ولتاژ (220V) و شدت جریان (9A) وصل شده باشد.
حل: با در نظرداشت مقدار های داده شده بر اساس رابطه محاسبه توان داریم که:
P = V x I
P = 220V x 9A = 1980 W
در نتیجه: توان این اُتو 1980 وات(یا تقریباً 2 کیلووات) است. این یعنی اتوی شما در هر یک ثانیه، حدود 1980 ژول انرژی برقی را به انرژی حرارتی تبدیل میکند.