التيار الكهربائي

التيار الكهربائي
التيار الكهربائي
	دائرة كهربائية بسيطة ، حيث يمثل التيار بالحرف i . العلاقة بين الجهد (V) والمقاومة (R) والتيار (I) هي V = IR ؛ يُعرف هذا بقانون أوم .
الرموز المشتركة	أنا
وحدة si	أمبير
مشتقات من ; كميات أخرى
البعد

و التيار الكهربائي هو تيار من جسيمات مشحونة ، مثل الإلكترونات أو أيونات ، والانتقال من خلال الموصلات الكهربائية أو الفضاء. يتم قياسه على أنه المعدل الصافي لتدفق الشحنة الكهربائية عبر سطح أو إلى حجم تحكم . ^[1]^{: 2}^[2]^{: 622} تسمى الجسيمات المتحركة حاملات الشحنة ، والتي قد تكون واحدة من عدة أنواع من الجسيمات ، اعتمادًا على الموصل. في الدوائر الكهربائية ، غالبًا ما تكون حاملات الشحنة عبارة عن إلكترونات تتحرك عبر سلك . فيأشباه الموصلات يمكن أن تكون إلكترونات أو ثقوب . في المنحل بالكهرباء ، تكون ناقلات الشحنة أيونات ، بينما في البلازما ، وهي غاز مؤين ، تكون أيونات وإلكترونات. ^[3]

و SI وحدة التيار الكهربائي هو أمبير ، أو أمبير ، وهو تدفق الشحنة الكهربائية عبر سطح بمعدل واحد كولوم في الثانية الواحدة. الأمبير (الرمز: A) هو وحدة قاعدة SI ^[4]^{: 15} يتم قياس التيار الكهربائي باستخدام جهاز يسمى مقياس التيار . ^[2]^{: 788}

التيارات الكهربائية خلق مجالات مغناطيسية ، والتي تستخدم في المحركات والمولدات و الحث ، و المحولات . في الموصلات العادية ، تسبب تسخين جول ، مما ينتج عنه إضاءة في المصابيح المتوهجة . تبعث التيارات المتغيرة بمرور الوقت موجات كهرومغناطيسية ، تُستخدم في الاتصالات لبث المعلومات.

رمز

الرمز التقليدي للتيار هو $I$ ، والذي ينشأ من العبارة الفرنسية كثافة du courant (شدة التيار). ^[5]^[6] غالبًا ما يشار إلى شدة التيار ببساطة بالتيار . ^[7] و $أنا$ استخدمت رمز كتبها أندريه ماري أمبير ، بعد الذي يسمى وحدة التيار الكهربائي، في صياغة قانون القوة أمبير (1820). ^[8] سافر التدوين من فرنسا إلى بريطانيا العظمى ، حيث أصبح معيارًا ، على الرغم من أن مجلة واحدة على الأقل لم تتغير من استخدام $C$ إلى $I$ حتى عام 1896. ^[9]

الاتفاقيات

و الإلكترونات ، و حاملات الشحنة في الدائرة الكهربائية، تتدفق في الاتجاه المعاكس للتيار الكهربائي التقليدي.

و رمز للبطارية في مخطط الرسم البياني .

في مادة موصلة ، تسمى الجسيمات المشحونة المتحركة التي تشكل التيار الكهربائي ناقلات الشحنة . في المعادن ، التي تشكل الأسلاك والموصلات الأخرى في معظم الدوائر الكهربائية ، يتم تثبيت النوى الذرية موجبة الشحنة للذرات في موضع ثابت ، والإلكترونات سالبة الشحنة هي حاملات الشحنة ، وهي حرة الحركة في المعدن. في المواد الأخرى ، ولا سيما أشباه الموصلات ، يمكن أن تكون حاملات الشحنة موجبة أو سالبة ، اعتمادًا على المنشطات المستخدمة. قد تكون حاملات الشحنة الموجبة والسالبة موجودة في نفس الوقت ، كما يحدث في المنحل بالكهرباءفي خلية كهروكيميائية .

يعطي تدفق الشحنات الموجبة نفس التيار الكهربائي ، وله نفس التأثير في الدائرة ، كتدفق متساوٍ من الشحنات السالبة في الاتجاه المعاكس. نظرًا لأن التيار يمكن أن يكون تدفقًا إما لشحنات موجبة أو سالبة ، أو كليهما ، فهناك حاجة إلى اصطلاح لاتجاه التيار المستقل عن نوع ناقلات الشحن . يتم تعريف اتجاه التيار التقليدي بشكل تعسفي على أنه الاتجاه الذي تتدفق فيه الشحنات الإيجابية. وبالتالي ، فإن الموجات الحاملة سالبة الشحنة ، مثل الإلكترونات (حوامل الشحنة في الأسلاك المعدنية والعديد من مكونات الدوائر الإلكترونية الأخرى) ، تتدفق في الاتجاه المعاكس لتدفق التيار التقليدي في الدائرة الكهربائية.

الاتجاه المرجعي

يمكن للتيار في سلك أو عنصر دائرة أن يتدفق في أي من اتجاهين. عند تحديد متغير لتمثيل التيار ، يجب تحديد الاتجاه الذي يمثل التيار الموجب ، عادةً بواسطة سهم على الرسم التخطيطي للدائرة . ^[أ]^:¹³ وهذا يسمى الاتجاه المرجعي للتيار . عند تحليل الدوائر الكهربائية ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle I}$ ، عادةً ما يكون الاتجاه الفعلي للتيار عبر عنصر دائرة معين غير معروف حتى اكتمال التحليل. وبالتالي ، غالبًا ما يتم تعيين الاتجاهات المرجعية للتيارات بشكل تعسفي. عندما يتم حل الدائرة ، تشير القيمة السالبة للتيار إلى أن الاتجاه الفعلي للتيار عبر عنصر الدائرة هذا هو عكس الاتجاه المرجعي المختار. ^[ب]^{: 29}

قانون أوم

ينص قانون أوم على أن التيار من خلال موصل بين نقطتين يتناسب طرديًا مع فرق الجهد عبر النقطتين. تقديم ثابت التناسب ، المقاومة ، ^[11] يصل المرء إلى المعادلة الرياضية المعتادة التي تصف هذه العلاقة: ^[12]

{\ displaystyle I = {\ frac {V} {R}}}

حيث I هو التيار عبر الموصل بوحدات الأمبير ، V هو فرق الجهد المقاس عبر الموصل بوحدات فولت ، و R هي مقاومة الموصل بوحدات أوم . وبشكل أكثر تحديدًا ، ينص قانون أوم على أن R في هذه العلاقة ثابت ومستقل عن التيار. ^[13]

التيار المتردد والمباشر

في التيار المتردد أنظمة (AC)، وحركة الشحنة الكهربائية عكس دوري الاتجاه. التيار المتردد هو شكل الطاقة الكهربائية الذي يتم توصيله بشكل شائع للشركات والمساكن. المعتاد الموجي لل طاقة AC الدائرة هو موجة جيبية ، على الرغم من بعض التطبيقات استخدام الموجات بديلة، مثل الثلاثي أو موجات مربعة . الصوت و الراديو إشارات تقوم على الأسلاك الكهربائية هي أيضا أمثلة على التيار المتردد. هدف مهم في هذه التطبيقات هو استعادة المعلومات المشفرة (أو المعدلة ) على إشارة التيار المتردد.

في المقابل ، يشير التيار المباشر (DC) إلى نظام تكون فيه حركة الشحنة الكهربائية في اتجاه واحد فقط (تسمى أحيانًا التدفق أحادي الاتجاه). ويتم إنتاج التيار المباشر من مصادر مثل البطاريات ، المزدوجات الحرارية ، الخلايا الشمسية ، و العاكس الآلات الكهربائية نوع من دينامو نوع. يمكن أيضًا تحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر من خلال استخدام المعدل . قد يتدفق التيار المباشر في موصل مثل السلك ، ولكن يمكن أيضًا أن يتدفق عبر أشباه الموصلات أو العوازل أو حتى من خلال فراغ كما هو الحال في حزم الإلكترون أو الأيونية. كان الاسم القديم للتيار المباشر هو التيار الكلفاني . ^[14]

حوادث

تشمل الأمثلة الطبيعية التي يمكن ملاحظتها للتيار الكهربائي البرق ، والتفريغ الكهربائي الساكن ، والرياح الشمسية ، مصدر الشفق القطبي .

تشمل حوادث التيار الكهربائي من صنع الإنسان تدفق إلكترونات التوصيل في الأسلاك المعدنية مثل خطوط الطاقة العلوية التي توفر الطاقة الكهربائية عبر مسافات طويلة والأسلاك الأصغر داخل المعدات الكهربائية والإلكترونية. تيارات إيدي هي التيارات الكهربائية التي تحدث في الموصلات المعرضة لتغير المجالات المغناطيسية. وبالمثل ، تحدث تيارات كهربائية ، خاصة في السطح ، من الموصلات المعرضة للموجات الكهرومغناطيسية . عندما تتدفق التيارات الكهربائية المتذبذبة بالجهد الصحيح داخل الهوائيات الراديوية ، تتولد موجات الراديو .

في الإلكترونيات ، تشمل الأشكال الأخرى للتيار الكهربائي تدفق الإلكترونات عبر المقاومات أو من خلال الفراغ الموجود في أنبوب مفرغ ، وتدفق الأيونات داخل بطارية أو خلية عصبية ، وتدفق الثقوب داخل المعادن وأشباه الموصلات .

القياس الحالي

يمكن قياس التيار باستخدام مقياس التيار الكهربائي .

يمكن قياس التيار الكهربائي مباشرة باستخدام الجلفانومتر ، ولكن هذه الطريقة تتضمن كسر الدائرة الكهربائية ، وهو أمر غير مريح في بعض الأحيان.

يمكن أيضًا قياس التيار دون كسر الدائرة عن طريق اكتشاف المجال المغناطيسي المرتبط بالتيار. تستخدم الأجهزة ، على مستوى الدائرة ، تقنيات مختلفة لقياس التيار:

مقاومات تحويلة ^[15]
محولات طاقة استشعار تأثير هول
المحولات (ولكن لا يمكن قياس التيار المباشر)
مستشعرات المجال المغنطيسية ^[16]
لفائف روجوفسكي
المشابك الحالية

مقاومة التسخين

قانون جول، المعروف أيضا باسم التدفئة أومية و التدفئة مقاوم ، هو عملية تبديد الطاقة ^[17]^{: 36} الذي مرور تيار كهربائي خلال موصل يزيد من الطاقة الداخلية للموصل، ^[18]^{: 846} تحويل العمل الحرارية في الحرارة . ^[18]^{: 846 ، الجبهة الوطنية. 5} تمت دراسة هذه الظاهرة لأول مرة بواسطة جيمس بريسكوت جول في عام 1841. غمر جول سلكًا طويلًا في كتلة ثابتة من الماء وقام بقياسارتفاع درجة الحرارة بسبب تيار معروف عبر السلك لمدة 30 دقيقة . من خلال تغيير التيار وطول السلك ، استنتج أن الحرارة الناتجة تتناسب مع مربع التيار مضروبًا في المقاومة الكهربائية للسلك.

{\ displaystyle P \ propto I ^ {2} R}

تُعرف هذه العلاقة باسم قانون جول . ^[17]^{: 36} و SI وحدة من الطاقة كان اسمه في وقت لاحق جول وبالنظر إلى رمز J . ^[4]^{: 20} وحدة الطاقة المعروفة في النظام الدولي للوحدات ، الواط (الرمز: W) ، تعادل جول واحد في الثانية. ^[4]^{: 20}

الكهرومغناطيسية

ينتج المجال المغناطيسي بواسطة تيار كهربائي في ملف لولبي .

في المغناطيس الكهربائي ، يتصرف ملف من الأسلاك مثل المغناطيس عندما يتدفق تيار كهربائي خلاله. عندما يتم إيقاف تشغيل التيار ، يفقد الملف مغناطيسيته على الفور. ينتج التيار الكهربائي مجالًا مغناطيسيًا . يمكن تصور المجال المغناطيسي كنمط من خطوط المجال الدائرية المحيطة بالسلك والتي تستمر طالما كان هناك تيار.

الحث الكهرومغناطيسي

يتدفق التيار الكهربائي المتردد عبر الملف اللولبي ، مما ينتج عنه مجال مغناطيسي متغير. يتسبب هذا المجال في تدفق تيار كهربائي في الحلقة السلكية عن طريق الحث الكهرومغناطيسي .

يمكن أيضًا استخدام المجالات المغناطيسية في صنع التيارات الكهربائية. عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي متغير على موصل ، يتم تحفيز القوة الدافعة الكهربائية (EMF) ، ^[18]^{: 1004} والتي تبدأ تيارًا كهربائيًا ، عندما يكون هناك مسار مناسب.

موجات الراديو

عندما يتدفق تيار كهربائي في موصل ذي شكل مناسب عند ترددات الراديو ، يمكن توليد موجات الراديو . هذه تنتقل بسرعة الضوء ويمكن أن تسبب تيارات كهربائية في الموصلات البعيدة.

آليات التوصيل في مختلف الوسائط

في المواد الصلبة المعدنية ، تتدفق الشحنة الكهربائية عن طريق الإلكترونات من جهد كهربائي منخفض إلى جهد كهربائي أعلى . في الوسائط الأخرى ، قد يشكل أي تيار من الأجسام المشحونة (الأيونات ، على سبيل المثال) تيارًا كهربائيًا. لتوفير تعريف للتيار المستقل عن نوع ناقلات الشحن ، يُعرّف التيار التقليدي بأنه يتحرك في نفس اتجاه تدفق الشحنة الموجبة. لذلك ، في المعادن التي تكون فيها حاملات الشحنة (الإلكترونات) سالبة ، يكون التيار التقليدي في الاتجاه المعاكس لحركة الإلكترون الكلية. في الموصلات التي تكون فيها حاملات الشحنة موجبة ، يكون التيار التقليدي في نفس اتجاه حاملات الشحنة.

في الفراغ ، يمكن تشكيل حزمة من الأيونات أو الإلكترونات. في المواد الموصلة الأخرى ، يرجع التيار الكهربائي إلى تدفق كل من الجسيمات المشحونة إيجابًا وسلبًا في نفس الوقت. في حالات أخرى ، يرجع التيار بالكامل إلى تدفق الشحنة الموجبة . على سبيل المثال ، التيارات الكهربائية في الإلكتروليتات هي تدفقات أيونات موجبة وسالبة الشحنة. في الخلية الكهروكيميائية الشائعة لحمض الرصاص ، تتكون التيارات الكهربائية من أيونات الهيدرونيوم الموجبة التي تتدفق في اتجاه واحد ، وتتدفق أيونات الكبريتات السالبة في الاتجاه الآخر. التيارات الكهربائية في الشرر أو البلازماهي تدفقات الإلكترونات وكذلك الأيونات الموجبة والسالبة. في الجليد وفي بعض الإلكتروليتات الصلبة ، يتكون التيار الكهربائي بالكامل من أيونات متدفقة.

المعادن

في المعدن ، لا ترتبط بعض الإلكترونات الخارجية في كل ذرة بالجزيئات الفردية كما هو الحال في المواد الصلبة الجزيئية ، أو في نطاقات كاملة كما هو الحال في المواد العازلة ، ولكنها حرة الحركة داخل الشبكة المعدنية . يمكن أن تعمل إلكترونات التوصيل هذه كحاملات شحنة تحمل تيارًا. المعادن موصلة بشكل خاص لأن هناك العديد من هذه الإلكترونات الحرة ، عادة واحد لكل ذرة في الشبكة. مع عدم وجود مجال كهربائي خارجي مطبق ، تتحرك هذه الإلكترونات بشكل عشوائي بسبب الطاقة الحرارية ولكن ، في المتوسط ، لا يوجد صافي تيار داخل المعدن. متوسط سرعة هذه الحركات العشوائية في درجة حرارة الغرفة هو 10⁶ أمتار في الثانية. ^[19] بالنظر إلى السطح الذي يمر من خلاله سلك معدني ، تتحرك الإلكترونات في كلا الاتجاهين عبر السطح بمعدل متساوٍ. كما كتب جورج جامو في كتابه الشهير في العلوم ، واحد ، اثنان ، ثلاثة ... إنفينيتي (1947) ، "تختلف المواد المعدنية عن جميع المواد الأخرى بحقيقة أن الأصداف الخارجية لذراتها مرتبطة بشكل غير محكم إلى حد ما ، وغالبًا ما تترك أحد إلكتروناتها حرة. وبالتالي ، يمتلئ الجزء الداخلي من المعدن بقطعة كبيرة عدد الإلكترونات المنفصلة التي تتحرك بلا هدف مثل حشد من الأشخاص المهجرين. عندما يتعرض سلك معدني لقوة كهربائية مطبقة على طرفيه المعاكسين ، فإن هذه الإلكترونات الحرة تندفع في اتجاه القوة ، وبالتالي تشكل ما نسميه التيار الكهربائي. "

عندما يتم توصيل سلك معدني عبر طرفي مصدر جهد تيار مستمر مثل البطارية ، فإن المصدر يضع مجالًا كهربائيًا عبر الموصل. في اللحظة التي يتم فيها الاتصال ، تُجبر الإلكترونات الحرة للموصل على الانجراف نحو الطرف الموجب تحت تأثير هذا المجال. وبالتالي فإن الإلكترونات الحرة هي حاملة الشحنة في موصل صلب نموذجي.

للحصول على تدفق ثابت للشحنة عبر سطح ما ، يمكن حساب التيار I (بالأمبير) بالمعادلة التالية:

{\ displaystyle I = {Q \ over t} \ ،،}

حيث Q هي الشحنة الكهربائية المنقولة عبر السطح خلال فترة زمنية t . إذا تم قياس Q و t بوحدة الكولوم والثواني على التوالي ، فأنا بالأمبير.

بشكل عام ، يمكن تمثيل التيار الكهربائي على أنه المعدل الذي تتدفق به الشحنة عبر سطح معين على النحو التالي:

{\ displaystyle I = {\ frac {\ mathrm {d} Q} {\ mathrm {d} t}} \ ،.}

الشوارد

A موصل بروتون في ثابت الحقل الكهربائي .

التيارات الكهربائية في الإلكتروليتات هي تدفقات من الجسيمات المشحونة كهربائيًا ( أيونات ). على سبيل المثال ، إذا تم وضع مجال كهربائي عبر محلول من Na ⁺ و Cl ^- (وكانت الظروف مناسبة) ، فإن أيونات الصوديوم تتحرك نحو القطب السالب (الكاثود) ، بينما تتحرك أيونات الكلوريد نحو القطب الموجب (الأنود). تحدث التفاعلات على كلا سطح القطبين ، مما يؤدي إلى تحييد كل أيون.

يحتوي الجليد المائي وبعض الإلكتروليتات الصلبة التي تسمى موصلات البروتون على أيونات هيدروجين موجبة (" بروتونات ") متحركة. في هذه المواد ، تتكون التيارات الكهربائية من بروتونات متحركة ، على عكس الإلكترونات المتحركة في المعادن.

في بعض مخاليط الإلكتروليت ، تكون الأيونات ذات الألوان الزاهية هي الشحنات الكهربائية المتحركة. التقدم البطيء للون يجعل التيار مرئيًا. ^[20]

الغازات والبلازما

في الهواء والغازات العادية الأخرى أسفل مجال الانهيار ، يكون المصدر المهيمن للتوصيل الكهربائي عبر عدد قليل نسبيًا من الأيونات المتنقلة التي تنتجها الغازات المشعة أو الضوء فوق البنفسجي أو الأشعة الكونية. نظرًا لأن الموصلية الكهربائية منخفضة ، فإن الغازات هي عوازل أو عوازل . ومع ذلك ، بمجرد أن يقترب المجال الكهربائي المطبق من قيمة الانهيار ، يتم تسريع الإلكترونات الحرة بشكل كافٍ بواسطة المجال الكهربائي لتكوين إلكترونات حرة إضافية عن طريق اصطدام وتأين ذرات أو جزيئات الغاز المحايدة في عملية تسمى انهيار الانهيار الجليدي . تشكل عملية الانهيار البلازمايحتوي على ما يكفي من الإلكترونات المتنقلة والأيونات الموجبة لجعله موصلًا كهربائيًا. في هذه العملية، فإنه يشكل انبعاث مسار موصل للضوء، مثل شرارة ، قوس أو البرق .

البلازما هي حالة المادة حيث يتم تجريد بعض الإلكترونات الموجودة في الغاز أو "تأينها" من جزيئاتها أو ذراتها. يمكن تشكيل البلازما بدرجات حرارة عالية ، أو عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي كهربائي عالي أو بالتناوب كما هو مذكور أعلاه. بسبب كتلتها المنخفضة ، تتسارع الإلكترونات في البلازما بسرعة أكبر استجابةً لمجال كهربائي من الأيونات الموجبة الأثقل ، وبالتالي تحمل الجزء الأكبر من التيار. تتحد الأيونات الحرة لتكوين مركبات كيميائية جديدة (على سبيل المثال ، تحطيم الأكسجين الجوي إلى أكسجين واحد [O ₂ → 2O] ، والذي يعيد الاتحاد بعد ذلك لإنتاج الأوزون [O ₃ ]). ^[21]

مكنسة

نظرًا لأن " الفراغ المثالي " لا يحتوي على جزيئات مشحونة ، فإنه يتصرف عادة كعزل مثالي. ومع ذلك ، يمكن أن تتسبب أسطح الأقطاب المعدنية في جعل منطقة الفراغ موصلة عن طريق حقن الإلكترونات أو الأيونات الحرة من خلال انبعاث الإلكترون الميداني أو الانبعاث الحراري . يحدث الانبعاث الحراري عندما تتجاوز الطاقة الحرارية وظيفة عمل المعدن ، بينما يحدث انبعاث الإلكترون الميداني عندما يكون المجال الكهربائي على سطح المعدن عاليًا بما يكفي لإحداث نفق ، مما يؤدي إلى طرد الإلكترونات الحرة من المعدن إلى الفراغ. غالبًا ما تُستخدم الأقطاب الكهربائية المُسخنة خارجيًا لتوليد سحابة إلكترونيةكما هو الحال في خيوط أو غير مباشر تسخين الكاثود من الأنابيب المفرغة . يمكن للأقطاب الكهربائية الباردة أيضًا أن تنتج تلقائيًا سحبًا إلكترونية عن طريق الانبعاث الحراري عند تكوين مناطق متوهجة صغيرة (تسمى بقع الكاثود أو بقع الأنود ). هذه هي المناطق المتوهجة من سطح القطب التي يتم إنشاؤها بواسطة تيار مرتفع محلي. يمكن أن تبدأ هذه المناطق عن طريق انبعاث الإلكترون الميداني ، ولكن يتم الحفاظ عليها بعد ذلك عن طريق انبعاث حراري موضعي بمجرد تشكل قوس فراغ . يمكن أن تتشكل هذه المناطق الصغيرة التي ينبعث منها الإلكترون بسرعة كبيرة ، حتى بشكل متفجر ، على سطح معدني يخضع لحقل كهربائي عالي. أنابيب مفرغةو sprytrons هي بعض من أجهزة التبديل والتضخيم الإلكترونية القائمة على الموصلية الفراغية.

الموصلية الفائقة

الموصلية الفائقة هي ظاهرة عدم وجود مقاومة كهربائية تمامًا وطرد المجالات المغناطيسية التي تحدث في مواد معينة عند تبريدها تحت درجة حرارة حرجة مميزة . تم اكتشافه من قبل Heike Kamerlingh Onnes في 8 أبريل 1911 في ليدن . مثل فرومنتيسم و الخطوط الطيفية الذرية ، الموصلية الفائقة هي ميكانيكية الكم الظاهرة. يتميز بتأثير مايسنر ، القذف الكامل لخطوط المجال المغناطيسيمن داخل الموصل الفائق أثناء انتقاله إلى حالة التوصيل الفائق. يشير حدوث تأثير مايسنر إلى أن الموصلية الفائقة لا يمكن فهمها ببساطة على أنها مثالية للتوصيل المثالي في الفيزياء الكلاسيكية .

أشباه الموصلات

في أشباه الموصلات ، من المفيد أحيانًا التفكير في التيار على أنه بسبب تدفق " الثقوب " الموجبة (حاملات الشحنة الموجبة المتنقلة التي هي الأماكن التي تفتقد فيها بلورة أشباه الموصلات إلى إلكترون التكافؤ). هذا هو الحال في أشباه الموصلات من النوع p. A أشباه الموصلات لديها التوصيل الكهربائي الحجم في المتوسط بين أن من موصل و عازل . هذا يعني أن الموصلية في حدود 10 ⁻² إلى 10 ⁴ سيمنز لكل سنتيمتر (S⋅cm ⁻¹ ).

في أشباه الموصلات البلورية الكلاسيكية ، يمكن أن تمتلك الإلكترونات طاقات فقط ضمن نطاقات معينة (أي نطاقات مستويات الطاقة). بقوة ، تقع هذه النطاقات بين طاقة الحالة الأرضية ، والحالة التي ترتبط فيها الإلكترونات بإحكام بالنواة الذرية للمادة ، وطاقة الإلكترون الحرة ، وهذه الأخيرة تصف الطاقة المطلوبة للإلكترون للهروب تمامًا من مواد. تتوافق كل نطاقات الطاقة مع العديد من الحالات الكمومية المنفصلة للإلكترونات ، ومعظم الحالات ذات الطاقة المنخفضة (الأقرب إلى النواة) مشغولة ، حتى نطاق معين يسمى نطاق التكافؤ . تتميز أشباه الموصلات والعوازل عن المعادننظرًا لأن نطاق التكافؤ في أي معدن معين ممتلئ تقريبًا بالإلكترونات في ظل ظروف التشغيل المعتادة ، في حين يتوفر عدد قليل جدًا (أشباه الموصلات) أو لا شيء (عازل) في نطاق التوصيل ، وهو النطاق الموجود فوق نطاق التكافؤ مباشرةً.

تعتمد سهولة الإلكترونات المثيرة في أشباه الموصلات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل على فجوة النطاق بين العصابات. يعمل حجم فجوة نطاق الطاقة هذه كخط تقسيم عشوائي (حوالي 4 فولت ) بين أشباه الموصلات والعوازل .

مع الروابط التساهمية ، يتحرك الإلكترون بالقفز إلى رابطة مجاورة. و مبدأ استبعاد باولي يتطلب أن يتم رفع الإلكترون إلى أعلى دولة مضادة للارتباط تلك السندات. بالنسبة للحالات غير المحددة ، على سبيل المثال في أحد الأبعاد - أي في سلك نانوي ، لكل طاقة حالة تتدفق فيها الإلكترونات في اتجاه واحد وحالة أخرى مع تدفق الإلكترونات في الاتجاه الآخر. لكي يتدفق صافي التيار ، يجب شغل المزيد من الحالات لاتجاه واحد أكثر من الاتجاه الآخر. لكي يحدث هذا ، فإن الطاقة مطلوبة ، كما هو الحال في أشباه الموصلات ، تقع الحالات الأعلى التالية فوق فجوة النطاق. غالبًا ما يتم ذكر ذلك على النحو التالي: لا تساهم النطاقات الكاملة في التوصيل الكهربائي . ومع ذلك ، كما ترتفع درجة حرارة أشباه الموصلات أعلاهالصفر المطلق ، هناك المزيد من الطاقة في أشباه الموصلات لإنفاقها على اهتزاز الشبكة وعلى الإلكترونات المثيرة في نطاق التوصيل. تُعرف الإلكترونات الحاملة للتيار في نطاق التوصيل بالإلكترونات الحرة ، على الرغم من أنها غالبًا ما يطلق عليها ببساطة الإلكترونات إذا كان ذلك واضحًا في السياق.

الكثافة الحالية وقانون أوم

كثافة التيار هي المعدل الذي تمر به الشحنة عبر منطقة وحدة مختارة. ^[22]^{: 31} يتم تعريفه على أنه متجه حجمه هو التيار لكل وحدة مساحة مقطع عرضي. ^[2]^{: 749} كما تمت مناقشته في الاتجاه المرجعي ، فإن الاتجاه تعسفي. تقليديًا ، إذا كانت الشحنات المتحركة موجبة ، فإن كثافة التيار لها نفس علامة سرعة الشحنات. بالنسبة للشحنات السالبة ، تكون إشارة كثافة التيار معاكسة لسرعة الشحنات. ^[2]^{: 749} في وحدات النظام الدولي SI ، يتم التعبير عن كثافة التيار (الرمز: j) بوحدات SI الأساسية للأمبيرات لكل متر مربع. ^[4]^:22

في المواد الخطية مثل المعادن ، وتحت الترددات المنخفضة ، تكون كثافة التيار عبر سطح الموصل موحدة. في مثل هذه الظروف ، ينص قانون أوم على أن التيار يتناسب طرديًا مع فرق الجهد بين طرفين (عبر) هذا المعدن (المثالي) المقاوم (أو أي جهاز أوم آخر ):

{\ displaystyle I = {V \ over R} \ ،،}

أين التيار مقاسا بالأمبير ؛ هو فرق الجهد المقاس بالفولت ؛ و هو المقاومة ، ويقاس في أوم . بالنسبة للتيارات المتناوبة ، خاصة عند الترددات العالية ، يتسبب تأثير الجلد في انتشار التيار بشكل غير متساو عبر المقطع العرضي للموصل ، مع كثافة أعلى بالقرب من السطح ، وبالتالي زيادة المقاومة الظاهرة. ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle R}$

سرعة الانجراف

تتحرك الجسيمات المشحونة المتنقلة داخل الموصل باستمرار في اتجاهات عشوائية ، مثل جزيئات الغاز . (بشكل أكثر دقة ، غاز فيرمي .) لإنشاء تدفق صافٍ للشحنة ، يجب أن تتحرك الجسيمات معًا بمعدل انجراف متوسط. الإلكترونات هي حاملات الشحنة في معظم المعادن وتتبع مسارًا غير منتظم ، وترتد من ذرة إلى ذرة ، ولكنها تنجرف عمومًا في الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي. يمكن حساب السرعة التي ينجرفون بها من المعادلة:

{\ displaystyle I = nAvQ \ ،،}

أين

{\ displaystyle I}

هو التيار الكهربائي

{\ displaystyle n}

هو عدد الجسيمات المشحونة لكل وحدة حجم (أو كثافة حامل الشحنة)

{\ displaystyle A}

هي منطقة المقطع العرضي للموصل

{\ displaystyle v}

هي سرعة الانجراف و

{\ displaystyle Q}

هي الشحنة على كل جسيم.

عادة ، تتدفق الشحنات الكهربائية في المواد الصلبة ببطء. على سبيل المثال ، في سلك نحاسي مقطع عرضي 0.5 مم ² ، يحمل تيارًا قدره 5 أ ، تكون سرعة انجراف الإلكترونات في حدود مليمتر في الثانية. لنأخذ مثالًا مختلفًا ، في الفراغ القريب داخل أنبوب أشعة الكاثود ، تنتقل الإلكترونات في خطوط شبه مستقيمة عند عُشر سرعة الضوء تقريبًا .

أي شحنة كهربائية متسارعة ، وبالتالي أي تيار كهربائي متغير ، يؤدي إلى ظهور موجة كهرومغناطيسية تنتشر بسرعة عالية جدًا خارج سطح الموصل. عادةً ما تكون هذه السرعة جزءًا مهمًا من سرعة الضوء ، كما يمكن استنتاجها من معادلات ماكسويل ، وبالتالي فهي أسرع بعدة مرات من سرعة انجراف الإلكترونات. على سبيل المثال ، في خطوط طاقة التيار المتردد ، تنتشر موجات الطاقة الكهرومغناطيسية عبر الفراغ بين الأسلاك ، وتتحرك من مصدر إلى حمولة بعيدة ، على الرغم من أن الإلكترونات في الأسلاك تتحرك فقط ذهابًا وإيابًا على مسافة صغيرة.

نسبة سرعة الموجة الكهرومغناطيسية إلى سرعة الضوء في الفضاء الحر تسمى عامل السرعة ، وتعتمد على الخواص الكهرومغناطيسية للموصل والمواد العازلة المحيطة به وعلى شكلها وحجمها.

يمكن توضيح مقادير (وليس الطبيعة) لهذه السرعات الثلاث من خلال تشابهها مع السرعات الثلاث المتشابهة المرتبطة بالغازات. (انظر أيضًا القياس الهيدروليكي ).

سرعة الانجراف المنخفضة لحاملات الشحن مماثلة لحركة الهواء ؛ بعبارة أخرى ، الرياح.
السرعة العالية للموجات الكهرومغناطيسية مماثلة تقريبًا لسرعة الصوت في الغاز (تتحرك الموجات الصوتية عبر الهواء أسرع بكثير من الحركات واسعة النطاق مثل الحمل الحراري )
تشبه الحركة العشوائية للشحنات الحرارة - السرعة الحرارية لجزيئات الغاز التي تهتز عشوائيًا.

أنظر أيضا

كثافة التيار
صدمة كهربائية
القياسات الكهربائية
تاريخ الهندسة الكهربائية
النظام الدولي للكميات
وحدات الكهرومغناطيسية SI
الطاقة الكهربائية أحادية الطور
ثلاث مراحل للطاقة الكهربائية
طاقة كهربائية على مرحلتين

ملاحظات

^ السهم جزء أساسي من تعريف التيار. ^[10]
^ خطوتنا الأولى في التحليل هي افتراض الاتجاهات المرجعية للتيارات غير المعروفة. ^[10]

مراجع

^ هورويتز ، بول ؛ هيل ، وينفيلد (2015). فن الإلكترونيات (الطبعة الثالثة). مطبعة جامعة كامبريدج . رقم ISBN 978-0-521-80926-9.
^ أ ب ج د ووكر ، جيرل ؛ هاليداي ، ديفيد ؛ ريسنيك ، روبرت (2014). أساسيات الفيزياء (الطبعة العاشرة). هوبوكين ، نيوجيرسي: وايلي. رقم ISBN 978-1118230732. OCLC 950235056 .
^ أنتوني سي فيشر كريبس (2004). رفيق الإلكترونيات . اضغط CRC. ص. 13. ISBN 978-0-7503-1012-3.
^ أ ب ج د المكتب الدولي للأوزان والمقاييس (2019-05-20) ، كتيب SI: النظام الدولي للوحدات (SI) (PDF) (الطبعة التاسعة) ، ISBN 978-92-822-2272-0
^ TL Lowe ، John Rounce ، حسابات فيزياء المستوى A ، ص. 2 ، نيلسون ثورنس ، 2002 ISBN 0-7487-6748-7 .
^ هوارد م.برلين ، فرانك سي. جيتز ، مبادئ الأجهزة الإلكترونية والقياس ، ص. 37 ، حانة ميريل. ، 1988 ISBN 0-675-20449-6 .
^ KS Suresh Kumar ، تحليل الدائرة الكهربائية ، Pearson Education India ، 2013 ، ISBN 9332514100 ، القسم 1.2.3 "عادةً ما يشار إلى" الكثافة الحالية "باسم" التيار "نفسه."
^ صباحا أمبير ، Recueil d'Observations Électro-dynamiques ، p. 56 ، باريس: Chez Crochard Libraire 1822 (بالفرنسية).
^ الطاقة الكهربائية ، المجلد. 6 ، ص. 411 ، 1894.
^ أ ب هايت ، وليم (1989). الكهرومغناطيسية الهندسية (الطبعة الخامسة). ماكجرو هيل. رقم ISBN 0070274061.
^ Consoliver ، Earl L. ؛ ميتشل ، جروفر الأول (1920). أنظمة إشعال السيارات . ماكجرو هيل. ص. 4 . مقاومة الجهد النسبي الحالية لقانون أوم.
^ روبرت أ.ميليكان وإس بيشوب (1917). عناصر الكهرباء . الجمعية الفنية الأمريكية. ص. 54 . قانون أوم الحالي متناسب طرديا.
^ أوليفر هيفيسايد (1894). أوراق كهربائية . 1 . ماكميلان وشركاه ص. 283. ISBN 978-0-8218-2840-3.
^ أندرو جيه روبنسون. لين سنايدر ماكلر (2007). الفيزيولوجيا الكهربية السريرية: العلاج الكهربائي واختبار الفيزيولوجيا الكهربية (الطبعة الثالثة). ليبينكوت ويليامز وويلكينز. ص. 10. ISBN 978-0-7817-4484-3.
^ ما هو جهاز الاستشعار الحالي وكيف يتم استخدامه؟ . Focus.ti.com. استرجع في 2011-12-22.
^ أندرياس ب.فريدريش ، هيلموث ليمي مستشعر التيار العالمي . Sensorsmag.com (2000-05-01). استرجع في 2011-12-22.
^ أ ب جافي ، روبرت إل. تايلور ، واشنطن (2018). فيزياء الطاقة . صحافة جامعة كامبرج.
^ أ ب ج سيرواي ، ريموند أ. جيويت ، جون و. (2004). الفيزياء للعلماء والمهندسين (الطبعة السادسة). طومسون بروكس / كول. رقم ISBN 0-534-40842-7.
^ "آلية التوصيل في المعادن" أرشفة 2012-10-25 في آلة Wayback. ، فكر في كويست.
^ رودولف هولز ، الكيمياء الكهربائية التجريبية: كتاب مختبر ، الصفحة 44 ، John Wiley & Sons ، 2009 ISBN 3527310983 .
^ "مذكرة المختبر رقم 106 الأثر البيئي لقمع القوس الكهربائي " . تقنيات قمع القوس. أبريل 2011 . تم الاسترجاع 15 مارس ، 2012 .
^ زانجويل ، أندرو (2013). الديناميكا الكهربائية الحديثة . صحافة جامعة كامبرج. رقم ISBN 978-0-521-89697-9.

[11] السهم جزء أساسي من تعريف التيار. ^[10]

[12] خطوتنا الأولى في التحليل هي افتراض الاتجاهات المرجعية للتيارات غير المعروفة. ^[10]

[horowitz-1] هورويتز ، بول ؛ هيل ، وينفيلد (2015). فن الإلكترونيات (الطبعة الثالثة). مطبعة جامعة كامبريدج . رقم ISBN 978-0-521-80926-9.

[Walker-2] أ ب ج د ووكر ، جيرل ؛ هاليداي ، ديفيد ؛ ريسنيك ، روبرت (2014). أساسيات الفيزياء (الطبعة العاشرة). هوبوكين ، نيوجيرسي: وايلي. رقم ISBN 978-1118230732. OCLC 950235056 .

[3] أنتوني سي فيشر كريبس (2004). رفيق الإلكترونيات . اضغط CRC. ص. 13. ISBN 978-0-7503-1012-3.

[SI-4] أ ب ج د المكتب الدولي للأوزان والمقاييس (2019-05-20) ، كتيب SI: النظام الدولي للوحدات (SI) (PDF) (الطبعة التاسعة) ، ISBN 978-92-822-2272-0

[5] TL Lowe ، John Rounce ، حسابات فيزياء المستوى A ، ص. 2 ، نيلسون ثورنس ، 2002 ISBN 0-7487-6748-7 .

[6] هوارد م.برلين ، فرانك سي. جيتز ، مبادئ الأجهزة الإلكترونية والقياس ، ص. 37 ، حانة ميريل. ، 1988 ISBN 0-675-20449-6 .

[7] KS Suresh Kumar ، تحليل الدائرة الكهربائية ، Pearson Education India ، 2013 ، ISBN 9332514100 ، القسم 1.2.3 "عادةً ما يشار إلى" الكثافة الحالية "باسم" التيار "نفسه."

[8] صباحا أمبير ، Recueil d'Observations Électro-dynamiques ، p. 56 ، باريس: Chez Crochard Libraire 1822 (بالفرنسية).

[9] الطاقة الكهربائية ، المجلد. 6 ، ص. 411 ، 1894.

[Hayt5-10] أ ب هايت ، وليم (1989). الكهرومغناطيسية الهندسية (الطبعة الخامسة). ماكجرو هيل. رقم ISBN 0070274061.

[13] Consoliver ، Earl L. ؛ ميتشل ، جروفر الأول (1920). أنظمة إشعال السيارات . ماكجرو هيل. ص. 4 . مقاومة الجهد النسبي الحالية لقانون أوم.

[Millikan-14] روبرت أ.ميليكان وإس بيشوب (1917). عناصر الكهرباء . الجمعية الفنية الأمريكية. ص. 54 . قانون أوم الحالي متناسب طرديا.

[15] أوليفر هيفيسايد (1894). أوراق كهربائية . 1 . ماكميلان وشركاه ص. 283. ISBN 978-0-8218-2840-3.

[16] أندرو جيه روبنسون. لين سنايدر ماكلر (2007). الفيزيولوجيا الكهربية السريرية: العلاج الكهربائي واختبار الفيزيولوجيا الكهربية (الطبعة الثالثة). ليبينكوت ويليامز وويلكينز. ص. 10. ISBN 978-0-7817-4484-3.

[17] ما هو جهاز الاستشعار الحالي وكيف يتم استخدامه؟ . Focus.ti.com. استرجع في 2011-12-22.

[18] أندرياس ب.فريدريش ، هيلموث ليمي مستشعر التيار العالمي . Sensorsmag.com (2000-05-01). استرجع في 2011-12-22.

[JaffeTaylor-19] أ ب جافي ، روبرت إل. تايلور ، واشنطن (2018). فيزياء الطاقة . صحافة جامعة كامبرج.

[SerwayJewett2004-20] أ ب ج سيرواي ، ريموند أ. جيويت ، جون و. (2004). الفيزياء للعلماء والمهندسين (الطبعة السادسة). طومسون بروكس / كول. رقم ISBN 0-534-40842-7.

[21] "آلية التوصيل في المعادن" أرشفة 2012-10-25 في آلة Wayback. ، فكر في كويست.

[22] رودولف هولز ، الكيمياء الكهربائية التجريبية: كتاب مختبر ، الصفحة 44 ، John Wiley & Sons ، 2009 ISBN 3527310983 .

[23] "مذكرة المختبر رقم 106 الأثر البيئي لقمع القوس الكهربائي " . تقنيات قمع القوس. أبريل 2011 . تم الاسترجاع 15 مارس ، 2012 .

[Zangwill2013-24] زانجويل ، أندرو (2013). الديناميكا الكهربائية الحديثة . صحافة جامعة كامبرج. رقم ISBN 978-0-521-89697-9.

التيار الكهربائي
دائرة كهربائية بسيطة ، حيث يمثل التيار بالحرف i . العلاقة بين الجهد (V) والمقاومة (R) والتيار (I) هي V = IR ؛ يُعرف هذا بقانون أوم .
الرموز المشتركة	أنا
وحدة si	أمبير
مشتقات من كميات أخرى	${\ displaystyle I = {V \ over R} ، I = {Q \ over t}}$
البعد	${\ displaystyle {\ mathsf {I}}}$

الكهرومغناطيسية
مقالات حول

كهرباء المغناطيسية تاريخ كتب مدرسية
الكهرباء الساكنة شحنة كهربائية قانون كولوم موصل كثافة الشحنة السماحية عزم ثنائي القطب الكهربائي الحقل الكهربائي الجهد الكهربائي التدفق الكهربائي / الطاقة الكامنة التفريغ الكهربائي قانون جاوس تعريفي عازل كثافة الاستقطاب كهرباء ساكنة كهرباء الاحتكاك
المغناطيسية قانون أمبير قانون Biot – Savart قانون جاوس للمغناطيسية حقل مغناطيسي الفيض المغناطيسي عزم مغناطيسي ثنائي القطب النفاذية المغناطيسية الإمكانات العددية المغناطيسية مغنطة قوة المغناطيسية إمكانات ناقلات مغناطيسية حكم اليد اليمنى
الديناميكا الكهربائية قانون قوة لورنتز الحث الكهرومغناطيسي قانون فاراداي قانون لينز الإزاحة الجارية معادلات ماكسويل حقل كهرومغناطيسي النبض الكهرومغناطيسي الاشعاع الكهرومغناطيسي موتر ماكسويل ناقلات بوينتينغ إمكانات لينارد - ويتشر معادلات جيفيمنكو الدوامة الحالية معادلات لندن الأوصاف الرياضية للمجال الكهرومغناطيسي
شبكة كهربائية التيار المتناوب السعة التيار المباشر التيار الكهربائي التحليل الكهربائي كثافة التيار تسخين جول القوة الدافعة الكهربائية معاوقة الحث قانون أوم التوصيل بالتوازي مقاومة تجاويف الرنين سلسلة الدائرة الجهد االكهربى موجهات الموجة
صياغة متغيرة موتر كهرومغناطيسي ( موتر الإجهاد - الطاقة ) أربعة تيار أربع جهد كهرومغناطيسي
العلماء أمبير بيوت كولوم ديفي اينشتاين فاراداي فيزو جاوس هيفيسايد هنري هيرتز جول لينز لورنتز ماكسويل Ørsted أوم ريتشي سافارت مغني تسلا فولتا ويبر
الخامس ر ه