جریان الکتریکی به جاری شدن بار الکتریکی گفته می‌شود و در واقع نشان‌دهنده سرعت عبور بار الکتریکی از یک نقطه مشخص در واحد زمان است . به بیان ساده‌تر، اگر جریان آب در یک رودخانه را در نظر بگیرید، جریان الکتریکی نیز مشابه آن، به معنای حرکت ذرات باردار (عمدتاً الکترون‌ها) در یک رسانای الکتریکی مانند سیم مسی است .
بار الکتریکی و منشأ جریان: هر اتم از ذرات باردار مثبت (پروتون) و منفی (الکترون) تشکیل شده است. در حالت عادی، اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است. زمانی که اتم الکترون از دست بدهد یا به دست آورد، به یک یون مثبت یا منفی تبدیل می‌شود و قابلیت ایجاد جریان را پیدا می‌کند . بار الکتریکی کوانتیده است، یعنی هر جسم باردار، مضرب صحیحی از بار بنیادی (e = ۱٫۶ × ۱۰^-۱۹ کولن) است .
شدت جریان و واحد اندازه‌گیری: شدت جریان الکتریکی با نماد I نشان داده می‌شود و واحد آن در سیستم SI، آمپر (A) است. یک آمپر برابر با عبور یک کولن بار الکتریکی از مقطع یک هادی در مدت یک ثانیه است. رابطه شدت جریان به این صورت تعریف می‌شود:
I = Q / t
که در آن Q بار بر حسب کولن و t زمان بر حسب ثانیه است .
🔬 فیزیک جریان الکتریکی و عوامل مؤثر
شرایط لازم برای برقراری جریان
برای برقراری جریان الکتریکی در یک ماده، سه شرط اساسی لازم است:
وجود ذرات باردار آزاد: ماده باید دارای حامل‌های بار آزاد (مانند الکترون‌های آزاد در فلزات) باشد .
وجود میدان الکتریکی: باید یک نیروی محرکه یا اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال شود تا این ذرات را به حرکت درآورد .
وجود مدار کامل: مسیر بسته‌ای برای حرکت مداوم بارها لازم است .
رساناها و نارساناها
رساناها: موادی هستند که دارای الکترون‌های آزاد بوده و جریان الکتریکی را به راحتی از خود عبور می‌دهند. مثال‌ها: مس، طلا، آلومینیوم .
نارساناها (عایق‌ها): موادی که الکترون‌های آن‌ها به شدت به هسته مقید هستند و جریان را عبور نمی‌دهند. مثال‌ها: چوب، پلاستیک، شیشه .
جهت قراردادی جریان
در علم الکترونیک، جهت قراردادی جریان از قطب مثبت به قطب منفی منبع تغذیه در نظر گرفته می‌شود. این در حالی است که جهت حرکت واقعی الکترون‌ها (حامل‌های بار در فلزات) از قطب منفی به قطب مثبت است. این قرارداد به دوران قبل از کشف الکترون بازمی‌گردد و امروزه نیز به همین شکل استفاده می‌شود .
↔️ انواع جریان الکتریکی
جریان الکتریکی عمدتاً به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود که ویژگی‌ها و کاربردهای کاملاً متفاوتی دارند.
ویژگی
جریان مستقیم (DC)
جریان متناوب (AC)
جهت جریان
ثابت و یک方向
متغیر و دوره‌ای
ولتاژ
ثابت و یکنواخت
متغیر (سینوسی)
منابع تولید
باتری، پنل‌های خورشیدی، آداپتور
نیروگاه‌ها، ژنراتورها
قابلیت انتقال
مناسب برای فواصل کوتاه
مناسب برای فواصل طولانی
ذخیره‌سازی
قابل ذخیره در باتری‌ها
به طور مستقیم قابل ذخیره نیست
کاربردهای اصلی
دستگاه‌های الکترونیکی، خودروهای برقی
شبکه‌ی برق شهری، لوازم خانگی، صنعت
⚡ روش های تولید جریان الکتریکی
جریان الکتریکی به روش‌های مختلفی تولید می‌شود که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:
روش شیمیایی: در این روش که اساس کار باتری‌ها است،یک فرآیند شیمیایی بین مواد و الکترولیت، در دو سر باتری اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود .
روش الکترومغناطیسی: اساس کار بیشتر نیروگاه‌های برق است. در این روش، با چرخاندن یک سیم پیچ در میدان مغناطیسی (یا بالعکس) در داخل ژنراتور، نیروی محرکه الکتریکی القا شده و جریان تولید می‌شود. توربین‌های بادی، آبی، گازی و بخار از این روش استفاده می‌کنند .
روش فتوولتائیک: در پنل‌های خورشیدی، با تابش نور خورشید به مواد نیمه‌هادی، الکترون‌ها تحریک شده و جریان مستقیم تولید می‌کنند .
📏 اندازه گیری جریان الکتریکی
اندازه‌گیری جریان الکتریکی معمولاً با دستگاه‌هایی انجام می‌شود که بر اساس اثرات مغناطیسی یا حرارتی جریان کار می‌کنند .
آمپرمتر: این دستگاه برای اندازه‌گیری جریان باید به صورت سری در مدار قرار گیرد. برای گسترش محدوده اندازه‌گیری از مقاومت شنت استفاده می‌شود .
آمپرمتر کلمپی (چنگکی): این دستگاه بدون نیاز به قطع مدار و با اندازه‌گیری میدان مغناطیسی اطراف سیم، جریان را اندازه می‌گیرد. استفاده از آن بسیار آسان و ایمن است .
ترانسفورماتور جریان (CT): در سیستم‌های صنعتی با جریان بالا، از CT برای نمونه‌برداری ایمن از جریان و تبدیل آن به یک مقدار قابل اندازه‌گیری توسط آمپرمتر استفاده می‌شود .
مولتی‌متر: این دستگاه چندکاره می‌تواند علاوه بر جریان، کمیت‌های دیگری مانند ولتاژ و مقاومت را نیز اندازه‌گیری کند .
🔧 قانون اهم و محاسبه جریان
قانون اهم رابطه اساسی بین سه کمیت ولتاژ (V)، جریان (I) و مقاومت (R) در یک مدار را بیان می‌کند. طبق این قانون، شدت جریان عبوری از یک مقاومت، با ولتاژ دو سر آن نسبت مستقیم و با مقدار مقاومت نسبت معکوس دارد .
I = V / R
I: شدت جریان بر حسب آمپر (A)
V: ولتاژ بر حسب ولت (V)
R: مقاومت الکتریکی بر حسب اهم (Ω)
مقاومت الکتریکی، میزان مخالفت یک ماده با عبور جریان الکتریکی است و به جنس، ابعاد و دمای ماده بستگی دارد .
🏭 کاربردهای جریان الکتریکی
جریان الکتریکی تقریباً در تمام جنبه‌های زندگی مدرن کاربرد دارد :
الکترونیک مصرفی: تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها، تلویزیون و سیستم‌های صوتی.
صنعت و روشنایی: راه‌اندازی موتورهای الکتریکی، سیستم‌های روشنایی، کوره‌های صنعتی.
حمل و نقل: خودروهای الکتریکی، قطارهای برقی، سیستم‌های مترو.
فناوری اطلاعات: سرورها، مراکز داده، تجهیزات شبکه و مخابرات.
پزشکی: دستگاه‌های تصویربرداری (MRI، CT-Scan)، تجهیزات جراحی و مانیتورینگ بیمار.
⚠️ ایمنی و اثرات جریان بر بدن انسان
عبور جریان الکتریکی از بدن انسان می‌تواند اثرات بسیار خطرناکی داشته باشد که به عواملی مانند مدت زمان، بزرگی و فرکانس جریان بستگی دارد .
آستانه تشخیص: حدود ۱ میلی‌آمپر (احساس سوزش خفیف) .
آستانه رهایی: بین ۶ تا ۱۶ میلی‌آمپر (شخص قادر به رها کردن هادی برقدار نیست) .
خطر ایست قلبی و فیبریلاسیون بطنی: جریان‌های بالاتر از ۶۰ تا ۱۰۰ میلی‌آمپر می‌توانند باعث ایست قلبی و مرگ شوند .
نکته ایمنی: جریان‌های با فرکانس ۵۰ تا ۶۰ هرتز (مثل برق شهری) برای بدن انسان به شدت خطرناک هستند، در حالی که بدن در برابر جریان مستقیم (DC) تحمل بیشتری دارد .
💎 نتیجه‌گیری
جریان الکتریکی به عنوان یکی از اساسی‌ترین مفاهیم فیزیک و مهندسی، نقش بی‌بدیلی در فناوری و تمدن مدرن ایفا می‌کند. درک مفاهیم پایه‌ای مانند تعریف جریان، قانون اهم، تفاوت AC و DC، و روش‌های ایمن کار با آن، نه تنها برای مهندسین و تکنسین‌ها، بلکه برای عموم مردم نیز سودمند است. پیشرفت‌های آینده در حوزه‌هایی مانند بهره‌وری انرژی، سیستم‌های ذخیره‌سازی و انتقال برق، همگی بر پایه همین مفاهیم بنیادین استوار خواهند بود.
