تعريف التيار الكهربائي. ما هو التيار الكهربائي؟ طبيعة الكهرباء

". اليوم أريد أن أتطرق إلى موضوع مثل التيار الكهربائي. ما هذا؟ دعونا نحاول تذكر المناهج الدراسية.

التيار الكهربائي هو الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة في الموصل.

إذا كنت تتذكر ، لكي تتحرك الجسيمات المشحونة (ينشأ تيار كهربائي) ، فأنت بحاجة إلى إنشاء مجال كهربائي. لإنشاء مجال كهربائي ، يمكنك إجراء تجارب أولية مثل فرك المقبض البلاستيكي على الصوف ولفترة من الوقت ستجذب الأشياء الخفيفة. تسمى الأجسام القادرة على جذب الأشياء بعد الاحتكاك بالكهرباء. يمكننا القول أن الجسم في هذه الحالة به شحنات كهربائية ، والأجسام نفسها تسمى مشحونة. من المناهج الدراسية ، نعلم أن جميع الأجسام تتكون من جزيئات صغيرة (جزيئات). الجزيء هو جسيم من مادة يمكن فصله عن الجسم وسيكون له جميع الخصائص الكامنة في هذا الجسم. تتكون جزيئات الأجسام المعقدة من مجموعات مختلفة من ذرات الأجسام البسيطة. على سبيل المثال ، يتكون جزيء الماء من جزئين بسيطين: ذرة أكسجين وذرة هيدروجين.

الذرات والنيوترونات والبروتونات والإلكترونات - ما هي؟

وتتكون الذرة بدورها من نواة تدور حولها الإلكترونات. كل إلكترون في ذرة له شحنة كهربائية صغيرة. على سبيل المثال ، تتكون ذرة الهيدروجين من نواة إلكترون تدور حولها. تتكون نواة الذرة ، بدورها ، من البروتونات والنيوترونات. نواة الذرة بدورها لها شحنة كهربائية. تحتوي البروتونات التي تتكون منها النواة على نفس الشحنات الكهربائية والإلكترونات. لكن البروتونات ، على عكس الإلكترونات ، غير نشطة ، لكن كتلتها أكبر بعدة مرات من كتلة الإلكترون. نيوترون الجسيم ، الذي هو جزء من الذرة ، ليس له شحنة كهربائية ، فهو متعادل. الإلكترونات التي تدور حول نواة الذرة والبروتونات التي تشكل النواة هي حاملة لشحنات كهربائية متساوية. بين الإلكترون والبروتون هناك دائمًا قوة جذب متبادل ، وبين الإلكترونات نفسها وبين البروتونات ، قوة التنافر المتبادل. وبسبب هذا ، فإن الإلكترون له شحنة كهربائية سالبة ، والبروتون موجب. من هذا يمكننا أن نستنتج أن هناك نوعين من الكهرباء: الإيجابية والسلبية. يؤدي وجود جسيمات مشحونة بشكل متساوٍ في الذرة إلى حقيقة أنه بين النواة الموجبة الشحنة للذرة والإلكترونات التي تدور حولها ، هناك قوى جذب متبادل تحافظ على الذرة معًا. تختلف الذرات عن بعضها البعض في عدد النيوترونات والبروتونات في النوى ، وهذا هو السبب في أن الشحنة الموجبة لنواة ذرات المواد المختلفة ليست متماثلة. في ذرات المواد المختلفة ، لا يكون عدد الإلكترونات الدوارة هو نفسه ويتم تحديده بواسطة الشحنة الموجبة للنواة. ترتبط ذرات بعض المواد ارتباطًا وثيقًا بالنواة ، بينما في مواد أخرى يمكن أن تكون هذه الرابطة أضعف بكثير. هذا ما يفسر القوة المختلفة للأجسام. الأسلاك الفولاذية أقوى بكثير من الأسلاك النحاسية ، مما يعني أن جزيئات الصلب تنجذب بقوة أكبر لبعضها البعض من جزيئات النحاس. يكون التجاذب بين الجزيئات ملحوظًا بشكل خاص عندما تكون قريبة من بعضها البعض. ولعل أبرز مثال على ذلك هو أن قطرتين من الماء تندمجان في قطرة واحدة عند التلامس.

الشحنة الكهربائية

في الذرة من أي مادة ، فإن عدد الإلكترونات التي تدور حول النواة يساوي عدد البروتونات الموجودة في النواة. الشحنة الكهربائية للإلكترون والبروتون متساوية في الحجم ، مما يعني أن الشحنة السالبة للإلكترونات تساوي الشحنة الموجبة للنواة. تتوازن هذه الشحنات مع بعضها البعض ، وتبقى الذرة محايدة. في الذرة ، تشكل الإلكترونات غلافًا إلكترونيًا حول النواة. إن غلاف الإلكترون ونواة الذرة في حركة تذبذبية مستمرة. عندما تتحرك الذرات ، فإنها تتصادم مع بعضها البعض ويخرج منها إلكترون واحد أو أكثر. تتوقف الذرة عن أن تكون محايدة وتصبح موجبة الشحنة. منذ أن أصبحت شحنتها الموجبة أكثر سالبة (اتصال ضعيف بين الإلكترون والنواة - المعدن والفحم). في الأجسام الأخرى (الخشب والزجاج) ، لا يتم كسر الأغطية الإلكترونية. بعد الانفصال عن الذرات ، تتحرك الإلكترونات الحرة بشكل عشوائي ويمكن التقاطها بواسطة ذرات أخرى. عملية الظهور والاختفاء في الجسد مستمرة. مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد سرعة حركة الذرات الاهتزازية ، وتصبح الاصطدامات أكثر تواتراً ، وتصبح أقوى ، ويزداد عدد الإلكترونات الحرة. ومع ذلك ، يظل الجسم محايدًا كهربائيًا ، لأن عدد الإلكترونات والبروتونات في الجسم لا يتغير. إذا تمت إزالة كمية معينة من الإلكترونات الحرة من الجسم ، فإن الشحنة الموجبة تصبح أكبر من إجمالي الشحنة. سيكون الجسم موجب الشحنة والعكس صحيح. إذا تم إنشاء نقص في الإلكترونات في الجسم ، فسيتم شحنه بشكل إضافي. إذا كان الفائض سالبًا. وكلما زاد هذا النقص أو الزيادة ، زادت الشحنة الكهربائية. في الحالة الأولى (الجسيمات المشحونة بشكل إيجابي أكثر) ، تسمى الأجسام الموصلات (المعادن ، المحاليل المائية للأملاح والأحماض) ، وفي الحالة الثانية (نقص الإلكترونات ، الجسيمات المشحونة سالبًا) ، العوازل أو العوازل (العنبر ، الكوارتز ، الإيبونيت). من أجل استمرار وجود تيار كهربائي ، من الضروري الحفاظ باستمرار على فرق الجهد في الموصل.

حسنًا ، لقد انتهت دورة الفيزياء الصغيرة. أعتقد أنك ، بمساعدتي ، تذكرت المناهج المدرسية للصف السابع ، وسنقوم بتحليل الاختلاف المحتمل في مقالتي التالية. حتى نلتقي مرة أخرى على صفحات الموقع.

الشوارد من المعتاد استدعاء وسائط موصلة يكون فيها تدفق التيار الكهربائي مصحوبًا بنقل المادة. ناقلات الشحنات المجانية في الإلكتروليتات هي أيونات موجبة وسالبة الشحنة.

الممثلون الرئيسيون للكهارل المستخدمة على نطاق واسع في التكنولوجيا هم المحاليل المائية للأحماض غير العضوية والأملاح والقواعد. يترافق مرور التيار الكهربائي عبر الإلكتروليت مع إطلاق مواد على الأقطاب الكهربائية. تم تسمية هذه الظاهرة التحليل الكهربائي (الشكل 9.10) .

التيار الكهربائي في الإلكتروليتات هو حركة أيونات كلتا العلامتين في اتجاهين متعاكسين. تتحرك الأيونات الموجبة نحو القطب السالب ( الكاثود) ، الأيونات السالبة - إلى القطب الموجب ( الأنود). تظهر أيونات كلتا العلامتين في المحاليل المائية للأملاح والأحماض والقلويات نتيجة انقسام بعض الجزيئات المحايدة. هذه الظاهرة تسمى التفكك الالكتروليتي .

تم وضع قانون التحليل الكهربائي بشكل تجريبي من قبل الفيزيائي الإنجليزي M. Faraday في عام 1833.

قانون فاراداي الأول تحدد كمية المنتجات الأولية التي يتم إطلاقها على الأقطاب الكهربائية أثناء التحليل الكهربائي: تتناسب الكتلة m من المادة المنبعثة على القطب بشكل مباشر مع الشحنة q التي مرت عبر الإلكتروليت:

م = كق = kitit,

أين ك – المكافئ الكهروكيميائي لمادة:

F = enأ = 96485 ج / مول. - ثابت فاراداي.

قانون فاراداي الثانيتشمل المعادلات الكهروكيميائية للمواد المختلفة معادلاتها الكيميائية :

قانون فاراداي الموحدللتحليل الكهربائي:

تصنف عمليات التحليل الكهربائي على النحو التالي:

الحصول على مواد غير عضوية (هيدروجين ، أكسجين ، كلور ، قلويات ، إلخ) ؛

الحصول على المعادن (الليثيوم ، والصوديوم ، والبوتاسيوم ، والبريليوم ، والمغنيسيوم ، والزنك ، والألمنيوم ، والنحاس ، إلخ) ؛

تنظيف المعادن (النحاس والفضة ...) ؛

الحصول على سبائك معدنية

الحصول على طلاءات كلفانية

معالجة الأسطح المعدنية (النيترة ، التجويف ، التلميع الكهربائي ، التنظيف) ؛

الحصول على المواد العضوية

الديلزة الكهربائية وتحلية المياه.

ترسيب الفيلم بالرحلان الكهربي.

التطبيق العملي للتحليل الكهربائي

تُستخدم العمليات الكهروكيميائية على نطاق واسع في مختلف مجالات التكنولوجيا الحديثة ، في الكيمياء التحليلية ، والكيمياء الحيوية ، وما إلى ذلك. في الصناعة الكيميائية ، يتم الحصول على الكلور والفلور والقلويات والكلورات والبيركلورات وحمض الكبريتيك والبركبريتات والهيدروجين والأكسجين النقيين كيميائياً. عن طريق التحليل الكهربائي: في هذه الحالة ، يتم الحصول على بعض المواد عن طريق الاختزال عند الكاثود (الألدهيدات ، بارا-أمينوفينول ، إلخ) ، والبعض الآخر عن طريق الأكسدة الكهربائية في القطب الموجب (كلورات ، بيركلورات ، برمنجنات البوتاسيوم ، إلخ).

يعد التحليل الكهربائي في علم المعادن بالمياه إحدى مراحل معالجة المواد الخام المحتوية على معادن ، مما يضمن إنتاج معادن قابلة للتسويق. يمكن إجراء التحليل الكهربائي باستخدام الأنودات القابلة للذوبان - عملية التكرير الكهربائي أو باستخدام الأنودات غير القابلة للذوبان - عملية الاستخراج الكهربائي. تتمثل المهمة الرئيسية في التكرير الكهربائي للمعادن في ضمان النقاء المطلوب لمعدن الكاثود بتكاليف طاقة مقبولة. في علم المعادن غير الحديدية ، يستخدم التحليل الكهربائي لاستخراج المعادن من الخامات وتنقيتها.

يتم الحصول على الألومنيوم ، والمغنيسيوم ، والتيتانيوم ، والزركونيوم ، واليورانيوم ، والبريليوم ، وما إلى ذلك عن طريق التحليل الكهربائي للوسائط المنصهرة. ولتنقية (تنظيف) المعدن بالتحليل الكهربائي ، يتم صب الصفائح منه وتوضع على شكل أنودات 1 في المحلل الكهربائي 3 (الشكل 9.11) ). عند مرور تيار ، يخضع المعدن المراد تنقيته 1 للانحلال الأنودي ، أي أنه ينتقل إلى محلول على شكل كاتيونات. ثم يتم تفريغ هذه الكاتيونات المعدنية عند الكاثود 2 ، مما يؤدي إلى تكوين رواسب مضغوطة من معدن نقي بالفعل. الشوائب في الأنود إما تظل غير قابلة للذوبان 4 أو تنتقل إلى المنحل بالكهرباء وتتم إزالتها.

يوضح الشكل 9.11 رسمًا تخطيطيًا للتنقية الإلكتروليتية للنحاس.

الكهربائي - مجال الكيمياء الكهربائية التطبيقية ، الذي يتعامل مع عمليات طلاء المعادن على أسطح المنتجات المعدنية وغير المعدنية عندما يمر تيار كهربائي مباشر عبر محاليل أملاحها. ينقسم الطلاء الكهربائي إلى الطلاء الكهربائي والتشكيل الكهربائي.

الكهربائي (من الغلاف اليوناني) - هو الترسيب الكهربائي على سطح معدن آخر، وهو مرتبط بإحكام (ملتصق) بالمعدن المطلي (الجسم) ، والذي يعمل ككاثود المحلل الكهربائي (الشكل 9.12).

يمكن استخدام الطلاء الكهربائي لتغطية جزء بطبقة رقيقة من الذهب أو الفضة أو الكروم أو النيكل. بمساعدة التحليل الكهربائي ، من الممكن تطبيق أنحف طلاء معدني على أسطح معدنية مختلفة. باستخدام طريقة الطلاء هذه ، يتم استخدام الجزء ككاثود ، يتم وضعه في محلول ملح من المعدن الذي سيتم الحصول على الطلاء منه. يتم استخدام صفيحة من نفس المعدن كأنود.

	أرز. 9.12	أرز. 9.13

نوصي بمشاهدة العرض التوضيحي للتكوين الكهربائي.

النوع الكهربائي – إنتاج نسخ معدنية دقيقة وسهلة الفصل عن طريق التحليل الكهربائيذات سمك كبير من أجسام غير معدنية ومعدنية مختلفة ، تسمى المصفوفات (الشكل 9.13).

يتم تصنيع التماثيل ، والتماثيل ، وما إلى ذلك باستخدام التشكيل الكهربائي ، ويتم استخدام الطلاء الكهربائي لتطبيق طلاء معدني سميك نسبيًا على معادن أخرى (على سبيل المثال ، تكوين طبقة "متراكبة" من النيكل والفضة والذهب وما إلى ذلك).

ما هو التيار الكهربائي

الحركة الاتجاهية للجسيمات المشحونة كهربائيًا تحت تأثير. يمكن أن تكون هذه الجسيمات: في الموصلات - الإلكترونات ، في الإلكتروليتات - الأيونات (الكاتيونات والأنيونات) ، في أشباه الموصلات - الإلكترونات وما يسمى ب "الثقوب" ("موصلية ثقب الإلكترون"). يوجد أيضًا "تيار متحيز" ، يرجع تدفقه إلى عملية شحن السعة ، أي تغيير في فرق الجهد بين اللوحات. بين الصفائح ، لا تحدث أي حركة للجسيمات ، لكن التيار يتدفق عبر المكثف.

في نظرية الدوائر الكهربائية ، يعتبر التيار هو الحركة الموجهة لحاملات الشحنة في وسط موصل تحت تأثير المجال الكهربائي.

تيار التوصيل (التيار ببساطة) في نظرية الدوائر الكهربائية هو مقدار الكهرباء المتدفقة لكل وحدة زمنية عبر المقطع العرضي للموصل: i \ u003d q / t ، حيث أنا التيار. لكن؛ ف \ u003d 1.6 10 9 - شحنة الإلكترون ، C ؛ ر - الوقت ، ق.

هذا التعبير صالح لدارات التيار المستمر. بالنسبة لدوائر التيار المتناوب ، يتم استخدام ما يسمى بالقيمة الحالية الآنية ، والتي تساوي معدل تغير الشحنة بمرور الوقت: i (t) \ u003d dq / dt.

يحدث التيار الكهربي عندما يظهر مجال كهربائي في قسم من دائرة كهربائية ، أو فرق جهد بين نقطتين في الموصل. فرق الجهد بين نقطتين يسمى الجهد أو انخفاض الجهد في هذا القسم من الدائرة.

بدلاً من المصطلح "الحالي" ("القيمة الحالية") ، غالبًا ما يستخدم مصطلح "القوة الحالية". ومع ذلك ، لا يمكن اعتبار الأخير ناجحًا ، نظرًا لأن القوة الحالية ليست أي قوة بالمعنى الحرفي للكلمة ، ولكن فقط شدة حركة الشحنات الكهربائية في الموصل ، مقدار الكهرباء التي تمر لكل وحدة زمنية عبر التقاطع - المنطقة المقطعية للموصل.
يتميز التيار ، والذي يقاس في نظام SI بالأمبير (A) ، وكثافة التيار ، والتي يتم قياسها في نظام SI بالأمبير لكل متر مربع.
يتوافق أمبير واحد مع الحركة عبر المقطع العرضي للموصل لمدة ثانية واحدة (ثوانٍ) لشحنة كهربائية لقلادة واحدة (C):

1A = 1C / s.

في الحالة العامة ، مع الإشارة إلى التيار بالحرف i والشحنة بـ q ، نحصل على:

أنا = دق / دينارا.

وحدة التيار تسمى الأمبير (A). التيار في الموصل هو 1 أ إذا مرت شحنة كهربائية تساوي 1 قلادة عبر المقطع العرضي للموصل في ثانية واحدة.

إذا كان الجهد يعمل على طول الموصل ، فعندئذ ينشأ مجال كهربائي داخل الموصل. عندما شدة المجال E ، تتأثر الإلكترونات المشحونة e بالقوة f = Ee. القيمتان f و E متجهتان. خلال وقت المسار الحر ، تكتسب الإلكترونات حركة موجهة جنبًا إلى جنب مع حركة فوضوية. كل إلكترون له شحنة سالبة ويتلقى مكون سرعة موجهًا عكس المتجه E (الشكل 1). تحدد الحركة المنظمة ، التي تتميز ببعض متوسط ​​سرعة الإلكترون vcp ، تدفق التيار الكهربائي.

يمكن للإلكترونات أيضًا أن توجه الحركة في الغازات المتخلخلة. في الإلكتروليت والغازات المتأينة ، يرجع تدفق التيار بشكل أساسي إلى حركة الأيونات. وفقًا لحقيقة أن الأيونات الموجبة الشحنة تنتقل من القطب الموجب إلى القطب السالب في الإلكتروليتات ، فقد تم اعتبار اتجاه التيار على أنه عكس اتجاه حركة الإلكترون.

يعتبر الاتجاه الحالي هو الاتجاه الذي تتحرك فيه الجسيمات المشحونة إيجابياً ، أي الاتجاه المعاكس لحركة الإلكترونات.
في نظرية الدوائر الكهربائية ، يُؤخذ اتجاه حركة الجسيمات المشحونة إيجابياً من جهد أعلى إلى احتمال أقل باعتباره اتجاه التيار في دائرة سلبية (مصادر طاقة خارجية). تم أخذ هذا الاتجاه في بداية تطور الهندسة الكهربائية ويتعارض مع الاتجاه الحقيقي لحركة ناقلات الشحنة - الإلكترونات التي تتحرك في الوسائط الموصلة من سالب إلى زائد.

تسمى القيمة المساوية لنسبة التيار إلى منطقة المقطع العرضي S كثافة التيار (المشار إليها δ): δ = هو

من المفترض أن التيار موزع بشكل موحد على المقطع العرضي للموصل. تُقاس كثافة التيار في الأسلاك عادةً بوحدة A / mm2.

يتم تمييزها حسب نوع ناقلات الشحنات الكهربائية ووسيلة حركتها تيارات التوصيلوتيارات الإزاحة. الموصلية تنقسم إلى إلكترونية وأيونية. بالنسبة للأوضاع الثابتة ، يتم تمييز نوعين من التيارات: المباشرة والمتناوبة.

نقل التيار الكهربائيتسمى ظاهرة انتقال الشحنات الكهربائية بواسطة الجسيمات المشحونة أو الأجسام المتحركة في الفضاء الحر. النوع الرئيسي لنقل التيار الكهربائي هو الحركة في الفراغ من الجسيمات الأولية بشحنة (حركة الإلكترونات الحرة في أنابيب الإلكترون) ، حركة الأيونات الحرة في أجهزة تفريغ الغاز.

تيار الإزاحة الكهربائية (تيار الاستقطاب)تسمى الحركة المنظمة للحوامل المقيدة للشحنات الكهربائية. يمكن ملاحظة هذا النوع من التيار في المواد العازلة.
التيار الكهربائي الكاملهي قيمة عددية مساوية لمجموع تيار التوصيل الكهربائي ، وتيار النقل الكهربائي ، وتيار الإزاحة الكهربائية عبر السطح المدروس.

التيار الثابت هو تيار يمكن أن يتغير في المقدار ، لكنه لا يغير علامته لفترة طويلة بشكل تعسفي. اقرأ اكثر عن هذه هنا:

التيار المتردد هو تيار يتغير بشكل دوري من حيث الحجم وعلامة الدخول.الكمية التي تميز التيار المتردد هي التردد (في نظام SI يقاس بالهرتز) ، في حالة تغير قوته بشكل دوري. تيار متردد عالي التردددفعت إلى سطح الموصل. تُستخدم التيارات عالية التردد في الهندسة الميكانيكية للمعالجة الحرارية لأسطح الأجزاء واللحام ، وفي علم المعادن لصهر المعادن.تنقسم التيارات المتناوبة إلى جيبية و غير جيبية. التيار الجيبي هو تيار يتغير وفقًا لقانون توافقي:

أنا = أنا الخطيئة ωt ،

يتميز معدل تغير التيار المتردد به ، ويُعرّف بأنه عدد التذبذبات المتكررة الكاملة لكل وحدة زمنية. يُشار إلى التردد بالحرف f ويقاس بالهرتز (هرتز). لذلك ، فإن تردد التيار في الشبكة 50 هرتز يتوافق مع 50 ذبذبة كاملة في الثانية. التردد الزاوي ω هو معدل تغير التيار بالراديان في الثانية ويرتبط بالتردد بعلاقة بسيطة:

ω = 2πf

قيم ثابتة (ثابتة) للتيارات المباشرة والمتناوبةحدد بحرف كبير I قيم غير ثابتة (لحظية) - بالحرف i. يعتبر الاتجاه الإيجابي المشروط للتيار هو اتجاه حركة الشحنات الموجبة.

هذا تيار يتغير وفقًا لقانون الجيب بمرور الوقت.

التيار المتردد يعني أيضًا التيار في الشبكات التقليدية أحادية وثلاثية الطور. في هذه الحالة ، تتغير معلمات التيار المتردد وفقًا للقانون التوافقي.

نظرًا لأن التيار المتردد يختلف مع الوقت ، فإن طرق حل المشكلات البسيطة المناسبة لدوائر التيار المباشر لا تنطبق هنا بشكل مباشر. عند الترددات العالية جدًا ، يمكن أن تتأرجح الشحنات - تتدفق من مكان في الدائرة إلى مكان آخر والعكس. في هذه الحالة ، على عكس دوائر التيار المستمر ، قد لا تكون التيارات في الموصلات المتصلة بالسلسلة هي نفسها. تعمل السعات الموجودة في دوائر التيار المتردد على تضخيم هذا التأثير. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يتغير التيار ، تدخل تأثيرات الحث الذاتي ، والتي تصبح مهمة حتى عند الترددات المنخفضة ، إذا تم استخدام ملفات ذات محاثات كبيرة. في الترددات المنخفضة نسبيًا ، لا يزال من الممكن حساب دارات التيار المتردد باستخدام ، والتي ، مع ذلك ، يجب تعديلها وفقًا لذلك.

يمكن اعتبار الدائرة التي تحتوي على مقاومات ومحثات ومكثفات مختلفة كما لو كانت تتكون من مقاوم معمم ومكثف ومحث متصل في سلسلة.

ضع في اعتبارك خصائص هذه الدائرة المتصلة بمولد جيبي. من أجل صياغة قواعد تصميم دارات التيار المتناوب ، من الضروري إيجاد العلاقة بين انخفاض الجهد والتيار لكل من مكونات هذه الدائرة.

إنها تلعب أدوارًا مختلفة تمامًا في دوائر التيار المتردد والتيار المستمر. على سبيل المثال ، إذا تم توصيل عنصر كهروكيميائي بالدائرة ، فسيبدأ المكثف في الشحن حتى يصبح الجهد عبره مساويًا لـ EMF للعنصر. ثم سيتوقف الشحن وينخفض ​​التيار إلى الصفر. إذا كانت الدائرة موصولة بمولد تيار متناوب ، فإن الإلكترونات ستتدفق في نصف دورة واحدة من الجانب الأيسر للمكثف وتتراكم على اليمين ، والعكس بالعكس في الأخرى. هذه الإلكترونات المتحركة هي تيار متناوب ، تكون قوته هي نفسها على جانبي المكثف. طالما أن تردد التيار المتردد ليس مرتفعًا جدًا ، فإن التيار عبر المقاوم والمحث هو نفسه أيضًا.

في الأجهزة المستهلكة للتيار المتردد ، غالبًا ما يتم تصحيح التيار المتردد بواسطة مقومات لإنتاج التيار المستمر.

الموصلات الكهربائية

المادة التي يتم فيها استدعاء التدفق الحالي. تصبح بعض المواد فائقة التوصيل في درجات الحرارة المنخفضة. في هذه الحالة ، لا يقدمون أي مقاومة تقريبًا للتيار ، وتميل مقاومتهم إلى الصفر. في جميع الحالات الأخرى ، يقاوم الموصل تدفق التيار ، ونتيجة لذلك ، يتم تحويل جزء من طاقة الجسيمات الكهربائية إلى حرارة. يمكن حساب القوة الحالية باستخدام قسم من الدائرة وقانون أوم لدائرة كاملة.

تعتمد سرعة الجسيمات في الموصلات على مادة الموصل ، وكتلة الجسيم وشحنه ، ودرجة الحرارة المحيطة ، وفرق الجهد المطبق ، وهي أقل بكثير من سرعة الضوء. على الرغم من ذلك ، فإن سرعة انتشار التيار الكهربائي الفعلي تساوي سرعة الضوء في وسط معين ، أي سرعة انتشار مقدمة الموجة الكهرومغناطيسية.

كيف يؤثر التيار على جسم الإنسان

يمكن أن يتسبب التيار المار عبر جسم الإنسان أو الحيوان في حدوث حروق كهربائية أو رجفان أو موت. من ناحية أخرى ، يتم استخدام التيار الكهربائي في العناية المركزة ، لعلاج الأمراض العقلية ، وخاصة الاكتئاب ، ويستخدم التحفيز الكهربائي لمناطق معينة من الدماغ لعلاج أمراض مثل مرض باركنسون والصرع ، وهو منظم ضربات القلب الذي يحفز عضلة القلب. مع تيار نبضي يستخدم لبطء القلب. في البشر والحيوانات ، يستخدم التيار لنقل النبضات العصبية.

وفقًا لاحتياطات السلامة ، فإن الحد الأدنى للتيار الملموس هو 1 مللي أمبير. يصبح التيار خطيرًا على حياة الإنسان بدءًا من شدة تبلغ حوالي 0.01 ألف. ويصبح التيار قاتلًا للشخص بدءًا من قوة تبلغ حوالي 0.1 أ. يعتبر الجهد أقل من 42 فولت آمنًا.

يظهر أي تيار فقط في وجود مصدر به جسيمات مشحونة مجانية. ويرجع ذلك إلى عدم وجود مواد في الفراغ ، بما في ذلك الشحنات الكهربائية. لذلك يعتبر الفراغ هو الأفضل. لكي تصبح ممكنة لمرور تيار كهربائي أ ، من الضروري التأكد من وجود عدد كافٍ من الشحنات المجانية. في هذه المقالة سوف نلقي نظرة على ما يشكل التيار الكهربائي في الفراغ.

كيف يمكن أن يظهر التيار الكهربائي في الفراغ

من أجل إنشاء تيار كهربائي كامل في الفراغ ، من الضروري استخدام ظاهرة فيزيائية مثل الانبعاث الحراري. يقوم على خاصية مادة معينة لإصدار إلكترونات حرة عند تسخينها. تسمى هذه الإلكترونات الخارجة من جسم ساخن بالإلكترونات الحرارية ، ويسمى الجسم بأكمله بالباعث.

يكمن الانبعاث الحراري في عمل الأجهزة المفرغة ، المعروفة باسم الأنابيب المفرغة. أبسط تصميم يحتوي على قطبين. واحد منهم هو الكاثود ، وهو حلزوني ، مادته الموليبدينوم أو التنجستن. هو الذي يسخن بتيار كهربائي أوم. القطب الثاني يسمى الأنود. إنه في حالة باردة ، يؤدي مهمة جمع الإلكترونات الحرارية. كقاعدة عامة ، يصنع الأنود على شكل أسطوانة ، ويوضع كاثود ساخن بداخله.

تطبيق التيار في الفراغ

في القرن الماضي ، لعبت الأنابيب المفرغة دورًا رائدًا في مجال الإلكترونيات. وعلى الرغم من استبدالها بأجهزة أشباه الموصلات منذ فترة طويلة ، إلا أن مبدأ تشغيل هذه الأجهزة يُستخدم في أنابيب أشعة الكاثود. يستخدم هذا المبدأ في أعمال اللحام والصهر في الفراغ وغيرها من المجالات.

وبالتالي ، فإن أحد أنواع التيار a هو تدفق الإلكترون المتدفق في الفراغ. عندما يتم تسخين الكاثود ، يظهر مجال كهربائي بينه وبين الأنود. هذا هو الذي يعطي الإلكترونات اتجاهًا وسرعة معينة. وفقًا لهذا المبدأ ، يعمل المصباح الإلكتروني ذو قطبين (الصمام الثنائي) ، والذي يستخدم على نطاق واسع في هندسة الراديو والإلكترونيات.

الجهاز الحديث عبارة عن أسطوانة مصنوعة من الزجاج أو المعدن تم ضخ الهواء منها مسبقًا. يتم لحام قطبين كهربائيين ، كاثود وأنود ، داخل هذه الأسطوانة. لتعزيز الخصائص التقنية ، يتم تثبيت شبكات إضافية ، والتي يتم من خلالها زيادة تدفق الإلكترون.

التيار والجهد عبارة عن معلمات كمية تستخدم في الدوائر الكهربائية. في أغلب الأحيان ، تتغير هذه القيم بمرور الوقت ، وإلا فلن يكون هناك فائدة من تشغيل الدائرة الكهربائية.

الجهد االكهربى

تقليديا ، يشار إلى الجهد بالحرف يو. الشغل المبذول لتحريك وحدة الشحن من نقطة ذات جهد منخفض إلى نقطة ذات جهد مرتفع هو الجهد بين هاتين النقطتين. بمعنى آخر ، هذه هي الطاقة التي يتم إطلاقها بعد انتقال وحدة الشحن من إمكانات عالية إلى وحدة صغيرة.

يمكن أيضًا تسمية الجهد بفرق الجهد ، وكذلك القوة الدافعة الكهربائية. يتم قياس هذه المعلمة بالفولت. لتحريك 1 كولوم من الشحنة بين نقطتين بجهد 1 فولت ، عليك القيام بـ 1 جول من الشغل. كولوم يقيس الشحنات الكهربائية. قلادة واحدة تساوي شحنة 6 × 10 18 إلكترونًا.

ينقسم الجهد إلى عدة أنواع ، حسب أنواع التيار.

• ضغط مستمر . إنه موجود في الدوائر الكهروستاتيكية ودوائر التيار المستمر.
• AC الجهد . يتوفر هذا النوع من الجهد في الدوائر ذات التيارات الجيبية والمتناوبة. في حالة وجود تيار جيبي ، خصائص الجهد مثل:
  سعة تذبذب الجهدهو أقصى انحراف لها عن المحور السيني ؛
  الجهد الفوري، والتي يتم التعبير عنها في وقت معين ؛
  جهد التشغيل، يتم تحديده من خلال العمل النشط لدورة النصف الأول ؛
  متوسط ​​الجهد المعدل، يحددها معامل الجهد المعدل لفترة واحدة متناسقة.

عند نقل الكهرباء عبر الخطوط الهوائية ، يعتمد ترتيب الدعامات وأبعادها على مقدار الجهد المطبق. يسمى الجهد بين المراحل خط الجهد ، والجهد بين الأرض وكل مرحلة هو جهد الطور . تنطبق هذه القاعدة على جميع أنواع الخطوط الهوائية. في روسيا ، في الشبكات الكهربائية المنزلية ، يكون المعيار هو جهد ثلاثي الطور بجهد خطي 380 فولت ، وقيمة جهد طور 220 فولت.

كهرباء

التيار في الدائرة الكهربائية هو سرعة الإلكترونات عند نقطة معينة ، وتُقاس بالأمبير ، ويُشار إليها بالحرف على المخططات " أنا". تُستخدم الوحدات المشتقة من الأمبير أيضًا مع البادئات المناسبة ميلي ، ميكرو ، نانو ، إلخ. يتم توليد تيار مقداره 1 أمبير عن طريق تحريك وحدة شحن مقدارها 1 كولوم في ثانية واحدة.

تقليديًا ، يُعتبر أن التيار يتدفق في الاتجاه من الإمكانات الإيجابية إلى السلبية. ومع ذلك ، من خلال مسار الفيزياء ، من المعروف أن الإلكترون يتحرك في الاتجاه المعاكس.

عليك أن تعرف أن الجهد يقاس بين نقطتين على الدائرة ، وأن التيار يتدفق عبر نقطة معينة من الدائرة ، أو من خلال عنصرها. لذلك ، إذا استخدم شخص ما تعبير "الجهد في المقاومة" ، فهذا غير صحيح ولا يعرف القراءة والكتابة. لكن غالبًا ما نتحدث عن الجهد عند نقطة معينة في الدائرة. يشير هذا إلى الجهد بين الأرض وهذه النقطة.

يتكون الجهد من التأثير على الشحنات الكهربائية في المولدات والأجهزة الأخرى. يتم توليد التيار عن طريق تطبيق الجهد على نقطتين في الدائرة.

لفهم ما هو التيار والجهد ، سيكون من الأصح استخدامه. يمكنك أن ترى فيه التيار والجهد ، اللذين يغيران قيمهما بمرور الوقت. في الممارسة العملية ، ترتبط عناصر الدائرة الكهربائية بواسطة موصلات. في نقاط معينة ، يكون لعناصر الدائرة قيمة الجهد الخاصة بها.

التيار والجهد يلتزمان بالقواعد:

• مجموع التيارات التي تدخل النقطة يساوي مجموع التيارات التي تغادر النقطة (قاعدة حفظ الشحن). مثل هذه القاعدة هي قانون كيرشوف الحالي. تسمى نقطة دخول وخروج التيار في هذه الحالة العقدة. نتيجة لهذا القانون هي العبارة التالية: في دائرة كهربائية متسلسلة لمجموعة من العناصر ، يكون التيار لجميع النقاط هو نفسه.
• في دائرة متوازية من العناصر ، يكون الجهد في جميع العناصر هو نفسه. بعبارة أخرى ، مجموع انخفاض الجهد في دائرة مغلقة يساوي صفرًا. ينطبق قانون كيرشوف هذا على الضغوط.
• يتم التعبير عن العمل المنجز لكل وحدة زمنية بواسطة الدائرة (الطاقة) على النحو التالي: ف \ u003d يو * أنا. تقاس الطاقة بالواط. 1 جول من العمل المنجز في ثانية واحدة يساوي 1 واط. يتم توزيع الطاقة على شكل حرارة ، وتنفق على الأعمال الميكانيكية (في المحركات الكهربائية) ، وتتحول إلى إشعاع من أنواع مختلفة ، وتتراكم في الخزانات أو البطاريات. عند تصميم أنظمة كهربائية معقدة ، يتمثل أحد التحديات في الحمل الحراري للنظام.

خاصية التيار الكهربائي

تعتبر الدائرة المغلقة أحد المتطلبات الأساسية لوجود تيار في الدائرة الكهربائية. إذا تعطلت الدائرة ، فإن التيار يتوقف.

كل شيء في الهندسة الكهربائية يعمل على هذا المبدأ. يكسرون الدائرة الكهربائية بملامسات ميكانيكية متحركة ، وهذا يوقف تدفق التيار ويوقف تشغيل الجهاز.

في صناعة الطاقة ، يحدث التيار الكهربي داخل موصلات التيار ، والتي تُصنع على شكل إطارات ، وأجزاء أخرى موصلة للتيار.

هناك أيضًا طرق أخرى لإنشاء تيار داخلي في:

• السوائل والغازات الناتجة عن حركة الأيونات المشحونة.
• الفراغ والغاز والهواء باستخدام الانبعاث الحراري.
• بسبب حركة ناقلات الشحن.

شروط حدوث التيار الكهربائي

• موصلات التدفئة (وليس الموصلات الفائقة).
• تطبيق لشحن ناقلات فرق الجهد.
• تفاعل كيميائي مع إطلاق مواد جديدة.
• تأثير المجال المغناطيسي على الموصل.

الأشكال الموجية الحالية

• خط مستقيم.
• موجة جيبية متناسقة متغيرة.
• تعرج يشبه موجة جيبية ، لكن له زوايا حادة (في بعض الأحيان يمكن تنعيم الزوايا).
• شكل نابض لاتجاه واحد بسعة تتأرجح من الصفر إلى أكبر قيمة وفقًا لقانون معين.

أنواع عمل التيار الكهربائي

• الضوء المنبعث من أجهزة الإنارة.
• توليد الحرارة بواسطة عناصر التسخين.
• الأعمال الميكانيكية (دوران المحركات الكهربائية ، عمل الأجهزة الكهربائية الأخرى).
• إحداث إشعاع كهرومغناطيسي.

الظواهر السلبية الناتجة عن التيار الكهربائي

• ارتفاع درجة حرارة جهات الاتصال والأجزاء الحاملة للتيار.
• حدوث تيارات إيدي في نوى الأجهزة الكهربائية.
• الإشعاع الكهرومغناطيسي للبيئة الخارجية.

يجب على مبتكري الأجهزة الكهربائية والدوائر المختلفة عند التصميم مراعاة الخصائص المذكورة أعلاه للتيار الكهربائي في تصميماتهم. على سبيل المثال ، يتم تقليل التأثير الضار للتيارات الدوامة في المحركات الكهربائية والمحولات والمولدات عن طريق مزج النوى المستخدمة لنقل التدفقات المغناطيسية. المزج الأساسي هو تصنيعه ليس من قطعة واحدة من المعدن ، ولكن من مجموعة من الصفائح الرقيقة المنفصلة من الفولاذ الكهربائي الخاص.

ولكن ، من ناحية أخرى ، تُستخدم التيارات الدوامة لتشغيل أفران الميكروويف والأفران التي تعمل على مبدأ الحث المغناطيسي. لذلك ، يمكننا القول أن التيارات الدوامة ليست ضارة فحسب ، بل مفيدة أيضًا.

يمكن أن يختلف التيار المتردد بإشارة على شكل جيب في وتيرة التذبذب لكل وحدة زمنية. في بلدنا ، يعد تردد التيار الصناعي للأجهزة الكهربائية قياسيًا ، ويساوي 50 هرتز. في بعض البلدان ، التردد الحالي هو 60 هرتز.

لأغراض مختلفة في الهندسة الكهربائية وهندسة الراديو ، يتم استخدام قيم تردد أخرى:

• إشارات منخفضة التردد مع تردد تيار أقل.
• إشارات عالية التردد ، وهي أعلى بكثير من التردد الحالي للاستخدام الصناعي.

يُعتقد أن التيار الكهربائي يحدث عندما تتحرك الإلكترونات داخل الموصل ، لذلك يطلق عليه تيار التوصيل. ولكن هناك نوع آخر من التيار الكهربائي يسمى الحمل الحراري. يحدث عندما تتحرك الأجسام الكبيرة المشحونة ، على سبيل المثال ، قطرات المطر.

التيار الكهربائي في المعادن

تُقارن حركة الإلكترونات تحت تأثير قوة ثابتة عليها بالمظلي الذي ينزل إلى الأرض. في هاتين الحالتين ، تحدث حركة موحدة. تؤثر قوة الجاذبية على اللاعب ، وتعارضها قوة مقاومة الهواء. تعمل قوة المجال الكهربائي على حركة الإلكترونات ، وتقاوم أيونات المشابك البلورية هذه الحركة. يصل متوسط ​​سرعة الإلكترونات إلى قيمة ثابتة ، وكذلك سرعة لاعب القفز المظلي.

في الموصل المعدني ، تبلغ سرعة إلكترون واحد 0.1 ملم في الثانية ، وسرعة التيار الكهربائي حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية. هذا لأن التيار الكهربائي يتدفق فقط حيث يتم تطبيق الجهد على الجسيمات المشحونة. لذلك ، يتم تحقيق معدل تدفق تيار مرتفع.

عند تحريك الإلكترونات في شبكة بلورية ، هناك الانتظام التالي. لا تتصادم الإلكترونات مع كل الأيونات القادمة ، ولكن مع كل عُشر منها فقط. يتم تفسير ذلك من خلال قوانين ميكانيكا الكم ، والتي يمكن تبسيطها على النحو التالي.

تعيق حركة الإلكترونات الأيونات الكبيرة المقاومة. هذا ملحوظ بشكل خاص عند تسخين المعادن ، عندما "تتأرجح" الأيونات الثقيلة ، يزداد حجمها ويقلل من التوصيل الكهربائي للشبكات البلورية للموصل. لذلك ، عندما يتم تسخين المعادن ، تزداد مقاومتها دائمًا. مع انخفاض درجة الحرارة ، تزداد الموصلية الكهربائية. عن طريق خفض درجة حرارة المعدن إلى الصفر المطلق ، يمكن تحقيق تأثير الموصلية الفائقة.