هنگامی که با وسایل برقی کار می کنیم می بایست اصول اولیه برق را بدانیم. جریان الکتریکی ، جریانی از ذرات باردار است که در یک جسم هادی حرکت می‌کنند. عامل حرکت ذرات باردار و در نتیجه ایجاد جریان، وجود میدان الکتریکی و نیروی ناشی از آن است که باعث می‌شود تمام ذرات در یک جهت حرکت کرده و برآیند آنها یک جریان کلی پایدار باشد. در صورت عدم وجود یک میدان الکتریکی، ذرات در جهت‌های گوناگون حرکت کرده و اثر همدیگر را خنثی می‌کنند. در این حالت برآیند آنها صفر شده و جریان کلی پایداری نخواهیم داشت.
ذرات باردار متحرکی که جریان را تشکیل می‌دهند، حامل بار نامیده می‌شوند که بسته به نوع جسم هادی ممکن است یکی از چندین نوع ذرات باشند. در مدارهای الکتریکی حامل بار، اغلب الکترون‌هایی هستند که در یک سیم حرکت می‌کنند. در نیمه‌هادیها این حاملهای بار، الکترونها و حفره‌ها در محلولهای الکترولیت، یونها و در پلاسما، گاز یونیزه شده، یونها و الکترونها هستند که جریان را ایجاد می‌کنند. واحد اندازه‌گیری جریان در سازمان SI، آمپر(A) است. جریان هر المان را می‌توان با سری کردن آمپرمتر با آن اندازه‌گیری کرد. دقت شود که آمپرمتر با المان مورد نظر موازی نشود که در این صورت آن المان اتصال کوتاه می‌شود.
انواع جریان الکتریکی
1- جریان متناوب(AC): جریانی در سیم برق است که جهت آن به طور متناوب معکوس شده و مقدار آن نسبت به زمان متغیر است. جریان متناوب شکلی از انرژی الکتریکی است که به کارخانه‌ها و منازل مسکونی تحویل داده می‌شود و مصرف‌کنندگان معمولاً هنگام وصل کردن وسایل آشپزخانه، تلویزیون، فن‌ها و لامپ‌های برقی به پریز دیواری از آن استفاده می کنند. شکل موج معمول جریان متناوب در اکثر مدارهای قدرت الکتریکی یک موج سینوسی است که شکل آن در زیر آورده شده است.
در برخی از کاربردهای خاص، مانند تقویت کننده‌های گیتار، از شکل موج های مختلفی مانند امواج مثلثی یا امواج مربعی استفاده می شود. سیگنال‌های صوتی و رادیویی حمل شده بر روی سیم‌های الکتریکی نیز نمونه‌هایی از جریان متناوب هستند. جریان متناوب، اطلاعاتی مانند صدا(صوتی) یا تصاویر(ویدئو) را هم می‌تواند حمل کند.
2-جریان مستقیم(DC): همان طور که در شکل بالا نشان داده شد، جریان مستقیم به سیستمی اطلاق می‌شود که در آن حرکت ذرات حامل بار، فقط در یک جهت باشد. جریان متناوب را می‌توان با استفاده از یکسوکننده‌ها به جریان مستقیم و جریان مستقیم را می‌توان با استفاده از اینورتر(inverter) به جریان متناوب تبدیل کرد. جریان مستقیم کاربردهای زیادی دارد از شارژ باتری‌ها گرفته تا منابع تغذیه بزرگ برای سیستم‌های الکترونیکی موتورهای قدرت از موارد استفاده آن هستند.
قانون اهم
این قانون بیان می‌کند که جریان عبوری از بین دو نقطه در یک جسم هادی مثل سیم و کابل با اختلاف پتانسیل آن دو نقطه ارتباط مستقیم دارد. با معرفی ثابت تناسب مقاومت(R)، به معادله ریاضی معمولی می‌رسیم که به صورت زیر تعریف می‌شود:
- v/I=R
- R: مقاومت الکتریکی بین دو نقطه بر حسب اهم.
- V: اختلاف پتانسیل بین دو نقطه بر حسب ولت.
- I: شدت جریان الکتریکی بین دو نقطه بر حسب آمپر.
قانون اهم یک رابطه تجربی است که به طور دقیق رسانایی اکثریت قریب به اتفاق مواد رسانای الکتریکی را توصیف می‌کند. به طور خاص، این قانون بیان می‌کند که R در این رابطه، مستقل از مقدار جریان و ولتاژ بوده و مقدار ثابتی است. اگر مقاومت مقداری ثابت نباشد به معادله بالا قانون اهم نمی‌توان گفت.
در فیزیک، اصطلاح قانون اهم، تعمیم‌های مختلفی دارد. به عنوان مثال شکل برداری قانون اهم مورد استفاده در علم الکترومغناطیسی و علم مواد به صورت زیر است:
- J=σE
- J چگالی شدت جریان در یک جسم یا مکان معین.
- E میدان الکتریکی اعمال شده به جسم یا مکان معین.
- σ یک پارامتر وابسته به ماده به نام رسانایی.
معادله قبل تناسب میان جریان الکتریکی یک جسم با شدت میدان الکتریکی اعمال شده به آن را نشان می‌دهد که توسط ثابت تناسب σ به یک تساوی تبدیل شده است.
جریان در اجسام فلزی
هنگامی که یک سیم فلزی به دو پایانه یک منبع ولتاژ DC مانند باتری متصل می‌شود، منبع یک میدان الکتریکی را در سراسر جسم فلزی بوجود می‌آورد. لحظه‌ای که اتصال برقرار می‌شود، الکترون‌های آزاد رسانا تحت تأثیر این میدان مجبور می‌شوند به سمت قطب مثبت منبع رانش یابند. بنابراین الکترون‌های آزاد، حامل بار در یک جسم فلزی معمولی به شمار می‌آیند. برای یک جریان ثابت بار در یک سطح، فرمول جریان الکتریکی به صورت زیر است:
- I=q/t
- q بار الکتریکی بر حسب کولن است که در طول یک زمان t از طریق سطح منتقل می‌شود.
- t مدت زمان شارش بار بر حسب ثانیه.
- I جریان عبوری از جسم بر حسب آمپر.
به تعریفی دیگر، جریان الکتریکی را می‌توان آهنگ شارش حاملهای بار در واحد زمان نیز نامید. معادله جریان گفته شده برای اجسام فلزی را می‌توان به هر جسم و محیط دیگری نیز تعمیم داد. ذرات باردار متحرک درون یک جسم به طور مداوم در جهت‌های تصادفی حرکت می‌کنند، مانند ذرات یک گاز. برای ایجاد یک جریان خالص بار پایدار، ذرات نیز باید با یک نرخ رانش متوسط با هم حرکت کنند. الکترونها، حامل بار در بیشتر فلزات هستند و مسیری نامنظم را دنبال می‌کنند و از اتمی به اتم دیگر می‌چرخند، اما عموماً تحت تاثیر یک میدان الکتریکی در یک جهت حرکت می‌کنند. سرعت حرکت آنها را می توان از معادله محاسبه کرد:
- I شدت جریان الکتریکی.
- n تعداد ذرات باردار در واحد حجم.
- A سطح مقطع جسم هادی.
- v سرعت حرکت الکترونها یا ذرات حامل بار.
- Q بار الکتریکی موجود روی هر ذره حامل بار.
از رابطه بالا مشخص شد که هر چقدر سطح مقطع جسم رسانا بزرگ باشد و تعداد حاملهای بار بیشتر باشد و سرعت حرکت ذرات که تابعی از میدان الکتریکی اعمال شده است، بالاتر باشد، جریان بیشتری عبور خواهد کرد و تلفات کمتری خواهیم داشت.
سرعت حرکت ذرات حامل بار در یک جسم رابطه مستقیمی با میدان الکتریکی اعمال شده دارد و هر چقدر این میدان بزرگتر باشد ذرات بیشتری در یک جهت با سرعت زیاد حرکت خواهند کرد.
شکل بالا نحوه حرکت بارهای مثبت و منفی تحت میدان الکتریکی را نشان می‌دهد
در پیشرفت‌های امروزی انسان، جریان الکتریکی نقش بسزایی دارد. از روشنایی یک اتاق گرفته تا انتقال اطلاعات در مخابرات و راه‌اندازی موتورهای کارخانه‌ها و هزاران مورد دیگر، جریان الکتریکی نقش و کاربرد اساسی دارد.
