ما هو التيار الكهربائي؟ ما هو التيار الكهربائي وما هي شروط وجوده.

2. في أي ظروف يحدث التيار الكهربائي؟

3. لماذا تكون حركة الجسيمات المشحونة في الموصل في غياب مجال كهربائي خارجي فوضوية؟

4. كيف تختلف حركة الجسيمات المشحونة في الموصل في غياب ووجود مجال كهربائي خارجي؟

5. كيف يتم اختيار اتجاه التيار الكهربائي؟ في أي اتجاه تتحرك الإلكترونات في موصل معدني يحمل تيارًا كهربائيًا؟

" اليوم أريد أن أتطرق إلى موضوع مثل كهرباء. ما هذا؟ دعونا نحاول أن نتذكر المنهج المدرسي.

التيار الكهربائي هو الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة في الموصل

إذا كنت تتذكر، لكي تتحرك الجزيئات المشحونة (ينشأ تيار كهربائي)، يجب إنشاء مجال كهربائي. لإنشاء مجال كهربائي، يمكنك إجراء تجارب أساسية مثل فرك مقبض بلاستيكي على الصوف وسيجذب الأجسام الخفيفة لبعض الوقت. تسمى الأجسام القادرة على جذب الأشياء بعد الاحتكاك بالكهرباء. يمكننا القول أن الجسم في هذه الحالة لديه شحنات كهربائية، والأجسام نفسها تسمى مشحونة. نعلم من المناهج الدراسية 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. تتشكل جزيئات الأجسام المعقدة من مجموعات مختلفة من ذرات الأجسام البسيطة. على سبيل المثال، يتكون جزيء الماء من ذرتين بسيطتين: ذرة أكسجين وذرة هيدروجين.

الذرات والنيوترونات والبروتونات والإلكترونات - ما هي؟

بدورها تتكون الذرة من نواة وتدور حولها الإلكترونات. كل إلكترون في الذرة لديه شحنة كهربائية صغيرة. على سبيل المثال، تتكون ذرة الهيدروجين من نواة يدور حولها إلكترون. وتتكون نواة الذرة بدورها من البروتونات والنيوترونات. ونواة الذرة بدورها لها شحنة كهربائية. البروتونات التي تشكل النواة لها نفس الشحنات الكهربائية والإلكترونات. لكن البروتونات، على عكس الإلكترونات، غير نشطة، لكن كتلتها أكبر بعدة مرات من كتلة الإلكترون. أما جسيم النيوترون الذي يشكل جزءًا من الذرة فلا يوجد لديه الشحنة الكهربائية، حيادي. الإلكترونات التي تدور حول نواة الذرة والبروتونات التي تشكل النواة هي حاملات لشحنات كهربائية متساوية الحجم. بين الإلكترون والبروتون هناك دائما قوة جذب متبادل، وبين الإلكترونات نفسها وبين البروتونات هناك قوة تنافر متبادل. ولهذا السبب، يكون للإلكترون شحنة كهربائية سالبة، والبروتون له شحنة موجبة. من هذا يمكننا أن نستنتج أن هناك نوعين من الكهرباء: الإيجابية والسلبية. يؤدي وجود جزيئات مشحونة بالتساوي في الذرة إلى حقيقة أن قوى الجذب المتبادل تعمل بين نواة الذرة المشحونة بشكل إيجابي والإلكترونات التي تدور حولها، مما يجعل الذرة معًا في كل واحد. تختلف الذرات عن بعضها البعض في عدد النيوترونات والبروتونات الموجودة في نواتها، ولهذا السبب فإن الشحنة الموجبة لنواة الذرة ليست واحدة مواد مختلفة. في ذرات المواد المختلفة، يكون عدد الإلكترونات الدوارة مختلفًا ويتم تحديده من خلال حجم الشحنة الموجبة للنواة. ترتبط ذرات بعض المواد بالنواة بقوة، بينما في مواد أخرى قد تكون هذه الرابطة أضعف بكثير. وهذا ما يفسر نقاط القوة المختلفة للأجسام. سلك الفولاذ أقوى بكثير من سلك النحاس، مما يعني أن جزيئات الفولاذ تنجذب لبعضها البعض بقوة أكبر من جزيئات النحاس. يكون التجاذب بين الجزيئات ملحوظًا بشكل خاص عندما تكون قريبة من بعضها البعض. وأبرز مثال على ذلك هو أن قطرتين من الماء تندمجان في قطرة واحدة عند التلامس.

الشحنة الكهربائية

في ذرة في 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. تلغي هذه الشحنات بعضها البعض، وتبقى الذرة محايدة. في الذرة، تشكل الإلكترونات غلافًا إلكترونيًا حول النواة. الغلاف الإلكتروني ونواة الذرة في حركة تذبذبية مستمرة. عند الحركة، تصطدم الذرات ببعضها البعض وينبعث منها إلكترون أو أكثر. تتوقف الذرة عن كونها محايدة وتصبح مشحونة بشكل إيجابي. حيث أن شحنتها الموجبة أصبحت أكبر من شحنتها السالبة (ضعف الاتصال بين الإلكترون والنواة - المعدن والفحم). الأجسام الأخرى (الخشب والزجاج) لها مخالفة قذائف إلكترونيةلا يحدث. بمجرد فصلها عن الذرات، تتحرك الإلكترونات الحرة بشكل عشوائي ويمكن أن تلتقطها ذرات أخرى. إن عملية الظهور والاختفاء في الجسم تحدث بشكل مستمر. ومع زيادة درجة الحرارة، تزداد سرعة الحركة الاهتزازية للذرات، وتصبح الاصطدامات أكثر تكرارا وأقوى، ويزداد عدد الإلكترونات الحرة. ومع ذلك، يظل الجسم محايدًا كهربائيًا، حيث لا يتغير عدد الإلكترونات والبروتونات في الجسم. إذا تمت إزالة كمية معينة من الإلكترونات الحرة من الجسم، تصبح الشحنة الموجبة أكبر من الشحنة الإجمالية. سيتم شحن الجسم بشكل إيجابي والعكس صحيح. إذا حدث نقص في الإلكترونات في الجسم، فسيتم شحنه بشكل إضافي. إذا كان هناك فائض، فهو سلبي. وكلما زاد هذا النقص أو الزيادة، زادت الشحنة الكهربائية. في الحالة الأولى (الجسيمات ذات الشحنة الأكثر إيجابية) تسمى الأجسام بالموصلات (المعادن، محاليل مائيةالأملاح والأحماض)، وفي الثانية (نقص الإلكترونات، جزيئات سالبة الشحنة) مع العوازل أو العوازل (العنبر، الكوارتز، الإيبونيت). لاستمرار وجود التيار الكهربائي، يجب الحفاظ على فرق الجهد بشكل مستمر في الموصل.

حسنًا، لقد انتهت دورة الفيزياء القصيرة. أعتقد أنك بمساعدتي تذكرت المنهج الدراسي للصف السابع، وسننظر في الفرق المحتمل في مقالتي التالية. نراكم مرة أخرى على صفحات الموقع.

بادئ ذي بدء، من المفيد معرفة ما هو التيار الكهربائي. التيار الكهربائي هو الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة في الموصل. لكي تنشأ، يجب أولا إنشاء مجال كهربائي، تحت تأثير الجزيئات المشحونة المذكورة أعلاه ستبدأ في التحرك.

كانت المعرفة الأولى بالكهرباء، منذ عدة قرون، تتعلق بـ "الشحنات" الكهربائية الناتجة عن الاحتكاك. بالفعل في العصور القديمة، عرف الناس أن العنبر، يفرك بالصوف، اكتسب القدرة على جذب الأشياء الخفيفة. ولكن فقط في أواخر السادس عشرفي القرن العشرين، درس الطبيب الإنجليزي جيلبرت هذه الظاهرة بالتفصيل ووجد أن العديد من المواد الأخرى لها نفس الخصائص تمامًا. الأجسام التي، مثل الكهرمان، بعد فركها، يمكن أن تجذب الأجسام الخفيفة، ويطلق عليها اسم المكهربة. هذه الكلمة مشتقة من الإلكترون اليوناني - "العنبر". حاليًا، نقول إن الأجسام في هذه الحالة لها شحنات كهربائية، والأجسام نفسها تسمى "مشحونة".

تنشأ الشحنات الكهربائية دائمًا عندما تتلامس مواد مختلفة بشكل وثيق. إذا كانت الأجسام صلبة، فسيتم منع الاتصال الوثيق بها عن طريق النتوءات المجهرية والمخالفات الموجودة على سطحها. ومن خلال الضغط على هذه الأجسام وفركها ببعضها البعض، فإننا نجمع أسطحها معًا، والتي بدون الضغط لن تتلامس إلا في نقاط قليلة. في بعض الأجسام، يمكن للشحنات الكهربائية أن تتحرك بحرية بين الأجزاء المختلفة، لكن هذا مستحيل في حالات أخرى. في الحالة الأولى، تسمى الهيئات "الموصلات"، وفي الثانية - "العوازل، أو العوازل". الموصلات هي جميع المعادن والمحاليل المائية للأملاح والأحماض وغيرها. ومن أمثلة العوازل العنبر والكوارتز والإيبونيت وجميع الغازات الموجودة في الظروف العادية.

ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن تقسيم الأجسام إلى موصلات وعوازل كهربائية هو أمر تعسفي للغاية. جميع المواد موصلة للكهرباء بدرجة أكبر أو أقل. الشحنات الكهربائية موجبة وسالبة. هذا النوع من التيار لن يستمر طويلا، لأن الجسم المكهرب سوف ينفد من الشحن. لاستمرار وجود تيار كهربائي في الموصل، من الضروري الحفاظ على مجال كهربائي. لهذه الأغراض، يتم استخدام مصادر التيار الكهربائي. إن أبسط حالة لحدوث تيار كهربائي هي عندما يتم توصيل أحد طرفي السلك بجسم مكهرب، والآخر بالأرض.

لم تظهر الدوائر الكهربائية التي تغذي المصابيح والمحركات الكهربائية بالتيار الكهربائي إلا بعد اختراع البطاريات، والذي يعود تاريخه إلى حوالي عام 1800. بعد ذلك، سار تطور عقيدة الكهرباء بسرعة كبيرة لدرجة أنها لم تصبح في أقل من قرن جزءًا من الفيزياء فحسب، بل شكلت الأساس لحضارة كهربائية جديدة.

الكميات الأساسية للتيار الكهربائي

كمية الكهرباء والتيار. يمكن أن تكون تأثيرات التيار الكهربائي قوية أو ضعيفة. تعتمد قوة التيار الكهربائي على كمية الشحنة التي تتدفق عبر الدائرة في وحدة زمنية معينة. كلما زاد عدد الإلكترونات التي تنتقل من أحد قطبي المصدر إلى القطب الآخر، زادت الشحنة الإجمالية التي تنقلها الإلكترونات. تسمى هذه الشحنة الصافية كمية الكهرباء التي تمر عبر الموصل.

على وجه الخصوص، يعتمد التأثير الكيميائي للتيار الكهربائي على كمية الكهرباء، أي أنه كلما زادت الشحنة التي تمر عبر محلول الإلكتروليت، كلما زاد ترسب المادة على الكاثود والأنود. وفي هذا الصدد يمكن حساب كمية الكهرباء عن طريق وزن كتلة المادة المترسبة على القطب ومعرفة كتلة وشحنة أيون واحد من هذه المادة.

القوة الحالية هي كمية تساوي نسبة الشحنة الكهربائية التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل إلى الوقت الذي تتدفق فيه. وحدة الشحنة هي الكولوم (C)، ويقاس الزمن بالثواني (الثواني). في هذه الحالة، يتم التعبير عن وحدة التيار بـ C/s. تسمى هذه الوحدة أمبير (A). من أجل قياس التيار في الدائرة، يتم استخدام جهاز قياس كهربائي يسمى الأميتر. لإدراجه في الدائرة، تم تجهيز مقياس التيار الكهربائي بمحطتين. يتم توصيله على التوالي إلى الدائرة.

الجهد الكهربائي. نحن نعلم بالفعل أن التيار الكهربائي هو الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة - الإلكترونات. يتم إنشاء هذه الحركة باستخدام مجال كهربائي يقوم بقدر معين من العمل. وتسمى هذه الظاهرة عمل التيار الكهربائي. لتحريك كمية أكبر من الشحنات عبر دائرة كهربائية خلال ثانية واحدة، يجب أن يبذل المجال الكهربائي شغلًا أكبر. وبناء على ذلك يتبين أن عمل التيار الكهربائي يجب أن يعتمد على قوة التيار. ولكن هناك قيمة أخرى يعتمد عليها عمل التيار. وتسمى هذه الكمية الجهد.

الجهد هو نسبة الشغل الذي يبذله التيار في قسم معين من الدائرة الكهربائية إلى الشحنة المتدفقة عبر نفس القسم من الدائرة. يتم قياس الشغل الحالي بالجول (J) والشحنة بالكولوم (C). وفي هذا الصدد فإن وحدة قياس الجهد ستصبح 1J/C. وكانت هذه الوحدة تسمى فولت (V).

لكي ينشأ الجهد في الدائرة الكهربائية، هناك حاجة إلى مصدر تيار. عندما تكون الدائرة مفتوحة، يكون الجهد موجودًا فقط عند أطراف المصدر الحالي. إذا تم تضمين هذا المصدر الحالي في الدائرة، فسوف ينشأ الجهد أيضًا في الأقسام الفردية للدائرة. في هذا الصدد، سيظهر تيار في الدائرة. وهذا هو، يمكننا أن نقول باختصار ما يلي: إذا لم يكن هناك جهد في الدائرة، فلا يوجد تيار. لقياس الجهد، يتم استخدام أداة قياس كهربائية تسمى الفولتميتر. له مظهرإنه يشبه الأميتر المذكور سابقًا، مع الاختلاف الوحيد وهو أن الحرف V مكتوب على مقياس الفولتميتر (بدلاً من A على الأميتر). يحتوي الفولتميتر على محطتين يتم من خلالهما توصيله بالتوازي مع الدائرة الكهربائية.

المقاومة الكهربائية. بعد توصيل الموصلات المختلفة والأميتر بالدائرة الكهربائية، يمكنك ملاحظة أنه عند استخدام موصلات مختلفة، يعطي الأميتر قراءات مختلفة، أي في هذه الحالة تكون قوة التيار المتوفرة في الدائرة الكهربائية مختلفة. ويمكن تفسير هذه الظاهرة بحقيقة أن الموصلات المختلفة لها مقاومة كهربائية مختلفة، وهي كمية فيزيائية. وقد سمي باسم أوم تكريما للفيزيائي الألماني. كقاعدة عامة، يتم استخدام وحدات أكبر في الفيزياء: كيلو أوم، ميجا أوم، وما إلى ذلك. عادةً ما يُشار إلى مقاومة الموصل بالحرف R، وطول الموصل بالرمز L، ومساحة المقطع العرضي بالرمز S في هذه الحالة يمكن كتابة المقاومة كصيغة:

ص = ص * ل / ث

حيث يسمى المعامل p المقاومة النوعية. يعبر هذا المعامل عن مقاومة موصل طوله 1 متر ومساحة مقطعه 1 متر مربع. يتم التعبير عن المقاومة المحددة بالأوم × م، وبما أن الأسلاك، كقاعدة عامة، تحتوي على مقطع عرضي صغير إلى حد ما، يتم التعبير عن مناطقها عادة بالمليمتر المربع. في هذه الحالة ستكون وحدة المقاومة هي أوم × مم2/م. في الجدول أدناه. ويبين الشكل 1 مقاوميات بعض المواد.

حسب الجدول. 1 يصبح من الواضح أن النحاس لديه أدنى مقاومة كهربائية، والسبائك المعدنية لديها أعلى. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع العوازل (العوازل) بمقاومة عالية.

القدرة الكهربائية. نحن نعلم بالفعل أن اثنين من الموصلات المعزولة عن بعضها البعض يمكن أن تتراكم الشحنات الكهربائية. وتتميز هذه الظاهرة بكمية فيزيائية تسمى السعة الكهربائية. إن السعة الكهربائية لموصلين ليست أكثر من نسبة شحنة أحدهما إلى فرق الجهد بين هذا الموصل والموصل المجاور. كلما انخفض الجهد الكهربي عندما تتلقى الموصلات شحنة، زادت قدرتها. وحدة السعة الكهربائية هي الفاراد (F). ومن الناحية العملية، يتم استخدام أجزاء من هذه الوحدة: ميكروفاراد (μF) وبيكوفاراد (pF).

إذا أخذت موصلين معزولين عن بعضهما البعض ووضعتهما على مسافة قصيرة من بعضهما البعض، فستحصل على مكثف. تعتمد سعة المكثف على سمك ألواحه وسمك العازل ونفاذيته. عن طريق تقليل سمك العازل بين لوحات المكثف، يمكن زيادة سعة الأخير بشكل كبير. على جميع المكثفات، بالإضافة إلى سعتها، يجب الإشارة إلى الجهد الذي صممت هذه الأجهزة من أجله.

عمل وقوة التيار الكهربائي. مما سبق يتضح أن التيار الكهربائي يقوم ببعض الأعمال. عند توصيل المحركات الكهربائية، يعمل التيار الكهربائي على تشغيل جميع أنواع المعدات، ويحرك القطارات على طول القضبان، ويضيء الشوارع، ويدفئ المنزل، وينتج أيضًا تأثيرًا كيميائيًا، أي يسمح بالتحليل الكهربائي، وما إلى ذلك. يمكننا القول أن العمل المنجز بواسطة التيار في قسم معين من الدائرة يساوي تيار المنتج والجهد والوقت الذي تم خلاله تنفيذ العمل. يتم قياس الشغل بالجول، والجهد بالفولت، والتيار بالأمبير، والوقت بالثواني. في هذا الصدد، 1 J = 1B × 1A × 1S. من هذا يتبين أنه من أجل قياس عمل التيار الكهربائي، يجب استخدام ثلاث أدوات في وقت واحد: مقياس التيار الكهربائي، الفولتميتر والساعة. لكن هذا مرهق وغير فعال. ولذلك عادة يتم قياس عمل التيار الكهربائي بالعدادات الكهربائية. يحتوي هذا الجهاز على جميع الأجهزة المذكورة أعلاه.

قوة التيار الكهربائي تساوي نسبة عمل التيار إلى الوقت الذي تم فيه تنفيذه. يتم تحديد الطاقة بالحرف "P" ويتم التعبير عنها بالواط (W). في الممارسة العملية، يتم استخدام كيلووات، ميجاوات، هيكتوات، إلخ.من أجل قياس قوة الدائرة، عليك أن تأخذ مقياس الواط. يعبر مهندسو الكهرباء عن عمل التيار بالكيلوواط / ساعة (كيلوواط ساعة).

القوانين الأساسية للتيار الكهربائي

قانون أوم. يعتبر الجهد والتيار من أكثر الخصائص المفيدة للدوائر الكهربائية. ومن السمات الرئيسية لاستخدام الكهرباء هو النقل السريع للطاقة من مكان إلى آخر ونقلها إلى المستهلك بالشكل المطلوب. حاصل ضرب فرق الجهد والتيار يعطي القدرة، أي كمية الطاقة المنبعثة في الدائرة لكل وحدة زمنية. كما ذكرنا أعلاه، لقياس القدرة في دائرة كهربائية، ستكون هناك حاجة إلى 3 أجهزة. هل من الممكن القيام بواحدة فقط وحساب القدرة من قراءاتها وبعض خصائص الدائرة، مثل مقاومتها؟ أعجب الكثير من الناس بهذه الفكرة ووجدوها مثمرة.

إذن ما هي مقاومة السلك أو الدائرة ككل؟ هل يمتلك السلك، مثل أنابيب المياه أو أنابيب النظام الفراغي، خاصية دائمة يمكن تسميتها بالمقاومة؟ على سبيل المثال، في الأنابيب، عادة ما تكون نسبة فرق الضغط الذي يخلق التدفق مقسومة على معدل التدفق خاصية ثابتةأنابيب. وبالمثل، فإن تدفق الحرارة في السلك تحكمه علاقة بسيطة تتضمن الفرق في درجة الحرارة، ومساحة مقطع السلك، وطوله. وكان اكتشاف مثل هذه العلاقة للدوائر الكهربائية نتيجة بحث ناجح.

في عشرينيات القرن التاسع عشر، كان المدرس الألماني جورج أوم أول من بدأ البحث عن العلاقة المذكورة أعلاه. بادئ ذي بدء، سعى إلى الشهرة والشهرة، مما سيسمح له بالتدريس في الجامعة. ولهذا السبب اختار مجالًا بحثيًا يعد بمزايا خاصة.

كان أوم ابنًا لميكانيكي، لذلك كان يعرف كيفية سحب الأسلاك المعدنية ذات السماكات المختلفة التي كان يحتاجها لإجراء التجارب. وبما أنه كان من المستحيل شراء سلك مناسب في تلك الأيام، فقد صنعه أوم بنفسه. خلال تجاربه، جرب أطوالًا مختلفة وسمكًا مختلفًا ومعادن مختلفة وحتى درجات حرارة مختلفة. لقد قام بتنويع كل هذه العوامل واحدا تلو الآخر. في زمن أوم، كانت البطاريات لا تزال ضعيفة وتنتج تيارًا غير متناسق. وفي هذا الصدد، استخدم الباحث المزدوجة الحرارية كمولد، حيث تم وضع الوصلة الساخنة الخاصة بها في اللهب. بالإضافة إلى ذلك، استخدم مقياسًا مغناطيسيًا خامًا، وقاس فروق الجهد (أطلق عليها أوم اسم "الفولتية") عن طريق تغيير درجة الحرارة أو عدد الوصلات الحرارية.

بدأت دراسة الدوائر الكهربائية في التطور للتو. بعد اختراع البطاريات حوالي عام 1800، بدأت تتطور بشكل أسرع بكثير. تم تصميم وتصنيع أجهزة مختلفة (في كثير من الأحيان يدويًا)، وتم اكتشاف قوانين جديدة، وظهرت مفاهيم ومصطلحات، وما إلى ذلك. كل هذا أدى إلى فهم أعمق للظواهر والعوامل الكهربائية.

أصبح تحديث المعرفة بالكهرباء، من ناحية، سببًا لظهور مجال جديد في الفيزياء، ومن ناحية أخرى، كان الأساس للتطور السريع في الهندسة الكهربائية، أي البطاريات والمولدات وأنظمة إمداد الطاقة للإضاءة وتم اختراع محرك كهربائي، وأفران كهربائية، ومحركات كهربائية، وما إلى ذلك، وغيرها.

كانت اكتشافات أوم ذات أهمية كبيرة لتطوير دراسة الكهرباء وتطوير الهندسة الكهربائية التطبيقية. لقد جعلوا من الممكن التنبؤ بسهولة بخصائص الدوائر الكهربائية للتيار المباشر، وبالتالي للتيار المتردد. في عام 1826، نشر أوم كتابًا أوجز فيه الاستنتاجات النظرية والنتائج التجريبية. لكن آماله لم تكن مبررة، فقد استقبل الكتاب بالسخرية. حدث هذا لأن أسلوب التجريب الخام بدا غير جذاب في عصر كان فيه الكثيرون مهتمين بالفلسفة.

ولم يكن أمامه خيار سوى ترك منصبه التدريسي. ولم يحصل على تعيين في الجامعة لنفس السبب. لمدة 6 سنوات، عاش العالم في فقر، دون ثقة في المستقبل، ويعاني من شعور بخيبة الأمل المريرة.

لكن أعماله اكتسبت شهرة تدريجيا، أولا خارج ألمانيا. كان أم محترمًا في الخارج واستفاد من أبحاثه. وفي هذا الصدد، اضطر مواطنوه إلى الاعتراف به في وطنه. في عام 1849 حصل على الأستاذية في جامعة ميونيخ.

اكتشف أوم قانونًا بسيطًا يحدد العلاقة بين التيار والجهد لقطعة من السلك (لجزء من الدائرة، للدائرة بأكملها). بالإضافة إلى ذلك، قام بتجميع القواعد التي تسمح لك بتحديد ما سيتغير إذا أخذت سلكًا بحجم مختلف. تمت صياغة قانون أوم على النحو التالي: تتناسب قوة التيار في قسم من الدائرة بشكل مباشر مع الجهد في هذا القسم وتتناسب عكسيًا مع مقاومة القسم.

قانون جول لينز. يقوم التيار الكهربائي في أي جزء من الدائرة ببعض الشغل. على سبيل المثال، لنأخذ أي قسم من الدائرة يوجد بين طرفيه جهد (U). حسب تعريف الجهد الكهربائي، فإن الشغل المبذول عند تحريك وحدة شحن بين نقطتين يساوي U. إذا كان التيار هذه المنطقةالدائرة الكهربائية تساوي i، ثم بمرور الوقت t سوف تمر الشحنة، وبالتالي فإن عمل التيار الكهربائي في هذا القسم سيكون:

أ = أويت

هذا التعبير صالح للتيار المباشر في أي حال، لأي قسم من الدائرة، والذي قد يحتوي على موصلات، ومحركات كهربائية، وما إلى ذلك. إن القدرة الحالية، أي الشغل لكل وحدة زمنية، تساوي:

ف = أ / ر = واجهة المستخدم

تستخدم هذه الصيغة في نظام SI لتحديد وحدة الجهد.

لنفترض أن قسم الدائرة هو موصل ثابت. في هذه الحالة، سيتحول كل العمل إلى حرارة، والتي سيتم إطلاقها في هذا الموصل. إذا كان الموصل متجانسًا ويخضع لقانون أوم (وهذا يشمل جميع المعادن والإلكتروليتات)، فإن:

ش = الأشعة تحت الحمراء

حيث r هي مقاومة الموصل. في هذه الحالة:

أ = rt2i

تم استنتاج هذا القانون تجريبيًا لأول مرة بواسطة E. Lenz وبشكل مستقل عنه بواسطة Joule.

تجدر الإشارة إلى أن موصلات التسخين لها تطبيقات عديدة في مجال التكنولوجيا. الأكثر شيوعا والأكثر أهمية فيما بينها هي مصابيح الإضاءة المتوهجة.

قانون الحث الكهرومغناطيسي. في النصف الأول من القرن التاسع عشر، اكتشف الفيزيائي الإنجليزي م. فاراداي ظاهرة الحث المغناطيسي. هذه الحقيقة، التي أصبحت ملكا للعديد من الباحثين، أعطت زخما قويا لتطوير الهندسة الكهربائية والراديو.

خلال التجارب، اكتشف فاراداي أنه عندما يتغير عدد خطوط الحث المغناطيسي التي تخترق سطحًا محاطًا بحلقة مغلقة، ينشأ تيار كهربائي فيه. ربما يكون هذا هو أساس أهم قانون في الفيزياء - قانون الحث الكهرومغناطيسي. التيار الذي يحدث في الدائرة يسمى الحث. نظرا لحقيقة أن التيار الكهربائي ينشأ في الدائرة فقط عندما تتعرض الشحنات الحرة لقوى خارجية، ثم مع التدفق المغناطيسي المتغير الذي يمر على طول سطح الدائرة المغلقة، تظهر نفس القوى الخارجية فيها. يُطلق على عمل القوى الخارجية في الفيزياء اسم القوة الدافعة الكهربائية أو القوى الدافعة الكهربية المستحثة.

يظهر الحث الكهرومغناطيسي أيضًا في الموصلات المفتوحة. عندما يعبر موصل خطوط القوة المغناطيسية، يظهر الجهد عند طرفيه. سبب ظهور هذا الجهد هو القوى الدافعة الكهربية المستحثة. إذا لم يتغير التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر حلقة مغلقة، فلن يظهر تيار مستحث.

باستخدام مفهوم "الحث الكهرومغناطيسي" يمكننا التحدث عن قانون الحث الكهرومغناطيسي، أي أن الحث الكهرومغناطيسي في حلقة مغلقة يساوي في الحجم معدل تغير التدفق المغناطيسي عبر السطح الذي يحده الحلقة.

حكم لينز. كما نعلم بالفعل، ينشأ تيار مستحث في الموصل. اعتمادًا على ظروف ظهوره، يكون له اتجاه مختلف. وبهذه المناسبة صاغ الفيزيائي الروسي لينز القاعدة التالية: التيار المستحث الناشئ في دائرة مغلقة دائمًا ما يكون له اتجاه بحيث لا يسمح المجال المغناطيسي الذي ينشئه بتغيير التدفق المغناطيسي. كل هذا يسبب ظهور التيار التعريفي.

التيار التعريفي، مثل أي تيار آخر، لديه طاقة. وهذا يعني أنه في حالة وجود تيار تحريضي، تظهر الطاقة الكهربائية. وفقا لقانون حفظ وتحويل الطاقة، فإن الطاقة المذكورة أعلاه لا يمكن أن تنشأ إلا بسبب كمية الطاقة من نوع آخر من الطاقة. وبالتالي، فإن قاعدة لينز تتوافق تماما مع قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها.

بالإضافة إلى الحث، يمكن أن يظهر في الملف ما يسمى بالحث الذاتي. جوهرها هو على النحو التالي. إذا نشأ تيار في الملف أو تغيرت قوته، يظهر مجال مغناطيسي متغير. وإذا تغير التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر الملف، تظهر فيه قوة دافعة كهربائية تسمى emf الحث الذاتي.

وفقا لقاعدة لينز، فإن القوة الدافعة الكهربية الحثية الذاتية عند إغلاق الدائرة تتداخل مع قوة التيار وتمنعها من الزيادة. عندما يتم إيقاف تشغيل الدائرة، فإن القوة الدافعة الكهربية ذاتية الحث تقلل من قوة التيار. في حالة وصول قوة التيار في الملف إلى قيمة معينة، يتوقف المجال المغناطيسي عن التغير ويصبح emf الحث الذاتي صفرًا.

شروط ظهور التيار

وقد خلق العلم الحديث نظريات لتفسيرها العمليات الطبيعية. وتعتمد العديد من العمليات على أحد نماذج التركيب الذري، وهو ما يسمى بالنموذج الكوكبي. ووفقا لهذا النموذج، تتكون الذرة من نواة موجبة الشحنة وسحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة تحيط بالنواة. المواد المختلفة التي تتكون من ذرات تكون في الغالب مستقرة ولا تتغير في خصائصها في ظل ظروف ثابتة. بيئة. لكن في الطبيعة هناك عمليات يمكنها تغيير الحالة المستقرة للمواد وتسبب في هذه المواد ظاهرة تسمى التيار الكهربائي.

مثل هذه العملية الأساسية للطبيعة هي الاحتكاك. يعلم الكثير من الناس أنه إذا قمت بتمشيط شعرك بمشط مصنوع من أنواع معينة من البلاستيك، أو ارتديت ملابس مصنوعة من أنواع معينة من القماش، يحدث تأثير التصاق. ينجذب الشعر ويلتصق بالمشط، ويحدث نفس الشيء مع الملابس. ويفسر هذا التأثير بالاحتكاك الذي يخل بثبات مادة المشط أو القماش. يمكن أن تتحرك السحابة الإلكترونية بالنسبة للنواة أو يتم تدميرها جزئيًا. ونتيجة لذلك، تكتسب المادة شحنة كهربائية، يتم تحديد علامتها من خلال بنية هذه المادة. تسمى الشحنة الكهربائية الناتجة عن الاحتكاك بالكهرباء الساكنة.

والنتيجة هي زوج من المواد المشحونة. كل مادة لديها إمكانات كهربائية معينة. يتأثر الفراغ بين مادتين مشحونتين بمجال كهربائي، في هذه الحالة كهرباء ساكنة. كفاءة المجال الكهروستاتيكييعتمد على القيم المحتملة ويتم تعريفه على أنه فرق الجهد أو الجهد.

• عندما ينشأ الجهد، تظهر حركة موجهة لجزيئات المواد المشحونة في الفضاء بين الإمكانات - تيار كهربائي.

أين يتدفق التيار الكهربائي؟

وفي هذه الحالة، ستنخفض الإمكانات إذا توقف الاحتكاك. وفي النهاية ستختفي الإمكانات، وتستعيد المواد استقرارها.

ولكن إذا استمرت عملية تكوين الجهود والجهد في اتجاه زيادتها، فإن التيار سيزداد أيضًا وفقًا لخصائص المواد التي تملأ الفراغ بين الجهود. معظم مظاهرة واضحةمثل هذه العملية هي البرق. يؤدي احتكاك تدفقات الهواء لأعلى ولأسفل ضد بعضها البعض إلى ظهور توتر هائل. ونتيجة لذلك، يتشكل أحد الإمكانات من خلال التيارات الصاعدة في السماء، والآخر عن طريق التيارات الهابطة في الأرض. وفي النهاية، وبسبب خصائص الهواء، يظهر تيار كهربائي على شكل برق.

• السبب الأول للتيار الكهربائي هو الجهد.
• السبب الثاني لظهور التيار الكهربائي هو المساحة التي يعمل فيها الجهد – حجمه وما يمتلئ به.

التوتر لا يأتي فقط من الاحتكاك. العمليات الفيزيائية والكيميائية الأخرى التي تعطل توازن ذرات المادة تؤدي أيضًا إلى ظهور التوتر. التوتر ينشأ فقط نتيجة التفاعل أو

• مادة مع مادة أخرى.
• مادة أو أكثر ذات مجال أو إشعاع.

يمكن أن يأتي الجهد من:

• تفاعل كيميائي يحدث في مادة ما، كما هو الحال في جميع البطاريات والمراكم، وكذلك في جميع الكائنات الحية؛
• الإشعاع الكهرومغناطيسي، مثل تعمل بالطاقة الشمسيةوالمولدات الكهربائية الحرارية؛
• المجال الكهرومغناطيسي، كما هو الحال في جميع الدينامو.

للتيار الكهربائي طبيعة تتوافق مع المادة التي يتدفق فيها. ولذلك يختلف:

• في المعادن.

• في السوائل والغازات.

• في أشباه الموصلات

في المعادن، يتكون التيار الكهربائي فقط من الإلكترونات، في السوائل والغازات - من الأيونات، في أشباه الموصلات - من الإلكترونات و "الثقوب".

التيار المباشر والمتناوب

الجهد بالنسبة إلى إمكاناته، والذي تظل علاماته دون تغيير، لا يمكن أن يتغير إلا من حيث الحجم.

• في هذه الحالة، يظهر تيار كهربائي ثابت أو نابض.

ويعتمد التيار الكهربائي على مدة هذا التغير وعلى خصائص الفراغ المملوء بالمادة بين الجهود.

• أما إذا تغيرت إشارات الجهد وأدى ذلك إلى تغير اتجاه التيار فإنه يسمى متغيراً، كما هو الحال مع الجهد الذي يحدده.

الحياة والتيار الكهربائي

للكمية و التقييمات النوعيةالتيار الكهربائي في العلم الحديثوالتكنولوجيا، يتم استخدام قوانين وكميات معينة. القوانين الأساسية هي:

• قانون كولوم؛
• قانون أوم.

حدد تشارلز كولومب في الثمانينيات من القرن الثامن عشر ظهور الجهد، وحدد جورج أوم في العشرينات من القرن التاسع عشر ظهور التيار الكهربائي.

في الطبيعة والحضارة الإنسانية، يتم استخدامه بشكل رئيسي كحامل للطاقة والمعلومات، وموضوع دراسته واستخدامه واسع مثل الحياة نفسها. على سبيل المثال، أثبتت الدراسات أن جميع الكائنات الحية تعيش لأن عضلات القلب تنقبض تحت تأثير نبضات التيار الكهربائي المتولدة في الجسم. جميع العضلات الأخرى تعمل بالمثل. عندما تنقسم الخلية، فإنها تستخدم معلومات تعتمد على تيار كهربائي بترددات عالية للغاية. يمكن متابعة قائمة هذه الحقائق مع التوضيحات في جميع أنحاء الكتاب.

لقد تم بالفعل اكتشاف العديد من الاكتشافات المتعلقة بالتيار الكهربائي، وما زال هناك الكثير مما يتعين القيام به. لذلك، مع ظهور أدوات بحث جديدة، تظهر قوانين ومواد جديدة ونتائج أخرى للاستخدام العملي لهذه الظاهرة.

بدأت الاكتشافات الأولى المتعلقة بعمل الكهرباء في القرن السابع قبل الميلاد. فيلسوف اليونان القديمةاكتشف طاليس الميلطي أنه عندما يتم فرك الكهرمان على الصوف، فإنه يصبح قادرًا على جذب الأشياء خفيفة الوزن. تتم ترجمة "الكهرباء" من اليونانية باسم "العنبر". في عام 1820، وضع أندريه ماري أمبير قانون التيار المباشر. بعد ذلك، بدأ يُشار إلى حجم التيار أو ما يُقاس به التيار الكهربائي بالأمبير.

معنى المصطلح

يمكن العثور على مفهوم التيار الكهربائي في أي كتاب مدرسي للفيزياء. التيار الكهربائي- هذه هي الحركة المنتظمة للجسيمات المشحونة كهربائيًا في الاتجاه. لفهم إلى الرجل العاديالذي يمثل التيار الكهربائي، عليك استخدام قاموس الكهربائيين. في هذا المصطلح، يشير المصطلح إلى حركة الإلكترونات عبر موصل أو الأيونات عبر المنحل بالكهرباء.

اعتمادًا على حركة الإلكترونات أو الأيونات داخل الموصل، يتم التمييز بين ما يلي: أنواع التيارات:

• ثابت؛
• عامل؛
• دورية أو نابضة.

كميات القياس الأساسية

قوة التيار الكهربائي- المؤشر الرئيسي الذي يستخدمه الكهربائيون في عملهم. تعتمد قوة التيار الكهربائي على كمية الشحنة التي تتدفق عبر الدائرة الكهربائية خلال فترة زمنية محددة. كلما زاد عدد الإلكترونات المتدفقة من بداية المصدر إلى نهايته، زادت الشحنة المنقولة بواسطة الإلكترونات.

كمية تقاس بنسبة الشحنة الكهربائية المتدفقة عبر المقطع العرضي لجزيئات الموصل إلى زمن مرورها. يتم قياس الشحنة بالكولوم، والوقت بالثواني، ويتم تحديد وحدة واحدة من التدفق الكهربائي بنسبة الشحنة إلى الوقت (كولوم إلى الثانية) أو الأمبير. يتم تحديد التيار الكهربائي (قوته) عن طريق توصيل محطتين في الدائرة الكهربائية بالتتابع.

عندما يعمل تيار كهربائي، فإن حركة الجسيمات المشحونة تتم باستخدام مجال كهربائي وتعتمد على قوة حركة الإلكترون. القيمة التي يعتمد عليها عمل التيار الكهربائي تسمى الجهد وتتحدد بنسبة عمل التيار في جزء معين من الدائرة والشحنة التي تمر عبر نفس الجزء. يتم قياس وحدة قياس الفولت بواسطة الفولتميتر عند توصيل طرفي الجهاز بدائرة على التوازي.

ضخامة المقاومة الكهربائيةيعتمد بشكل مباشر على نوع الموصل المستخدم وطوله ومقطعه العرضي. يتم قياسه بالأوم.

يتم تحديد القدرة من خلال نسبة الشغل المبذول بواسطة حركة التيارات إلى الوقت الذي حدث فيه هذا العمل. يتم قياس الطاقة بالواط.

يتم تحديد الكمية الفيزيائية مثل السعة من خلال نسبة شحنة موصل واحد إلى فرق الجهد بين نفس الموصل والموصل المجاور. كلما انخفض الجهد الكهربي عندما تتلقى الموصلات شحنة كهربائية، زادت قدرتها. ويقاس بالفاراد.

يتم إيجاد مقدار الشغل الذي تقوم به الكهرباء عند فترة زمنية معينة في السلسلة باستخدام حاصل ضرب التيار والجهد والفترة الزمنية التي تم خلالها تنفيذ العمل. يتم قياس الأخير بالجول. يتم تحديد تشغيل التيار الكهربائي باستخدام عداد يربط بين قراءات جميع الكميات وهي الجهد والقوة والزمن.

تقنيات السلامة الكهربائية

معرفة قواعد السلامة الكهربائية سوف تساعد في منع حالة طارئهوحماية صحة الإنسان وحياته. وبما أن الكهرباء تميل إلى تسخين الموصل، فهناك دائمًا احتمال حدوث موقف خطير على الصحة والحياة. لضمان السلامة في المنزل يجب الالتزام بهاالتالية بسيطة ولكن قواعد مهمة:

1. يجب أن يكون عزل الشبكة دائمًا في حالة جيدة لتجنب الأحمال الزائدة أو احتمال حدوث دوائر قصيرة.
2. لا ينبغي أن تصل الرطوبة إلى الأجهزة الكهربائية والأسلاك والألواح وما إلى ذلك. كما أن البيئة الرطبة تثير دوائر كهربائية قصيرة.
3. تأكد من تأريض جميع الأجهزة الكهربائية.
4. تجنب التحميل الزائد على الأسلاك الكهربائية، حيث يوجد خطر اشتعال الأسلاك.

تتضمن احتياطات السلامة عند العمل بالكهرباء استخدام القفازات المطاطية أو القفازات أو الحصائر أو أجهزة التفريغ أو أجهزة التأريض لمناطق العمل أو قواطع الدائرة أو الصمامات ذات الحماية الحرارية والتيار.

كهربائيون ذوو خبرة ، عندما يكون هناك احتمال حدوث صدمة كهربائية ، يعملون بيد واحدة والأخرى في جيوبهم. بهذه الطريقة، يتم مقاطعة دائرة العمل اليدوي في حالة اللمس غير الطوعي للدرع أو أي معدات أخرى مؤرضة. إذا اشتعلت النيران في المعدات المتصلة بالشبكة، قم بإطفاء الحريق حصريًا باستخدام طفايات البودرة أو ثاني أكسيد الكربون.

تطبيق التيار الكهربائي

يتمتع التيار الكهربائي بالعديد من الخصائص التي تسمح باستخدامه في جميع مجالات النشاط البشري تقريبًا. طرق استخدام التيار الكهربائي:

الكهرباء اليوم هي الأكثر صديقة للبيئة نظرة نظيفةطاقة. في الاقتصاد الحديث، يعد تطوير صناعة الطاقة الكهربائية ذا أهمية كوكبية. وفي المستقبل، إذا كان هناك نقص في المواد الخام، فسوف تحتل الكهرباء مكانة رائدة كمصدر لا ينضب للطاقة.