تعريف التيار الكهربائي
يُعتبر التيار الكهربائي (Electric current) هو العنصر الأساسي في علم الكهرباء، حيث يمثل حركة الشحنات الكهربائية. في الدوائر الكهربائية، يُعرف التيار بأنه معدل تدفق الشحنات عبر نقطة معينة. هذه الشحنات قد تكون إلكترونات سالبة أو بروتونات موجبة، أو أيونات موجبة أو ثقوب. بالنسبة للسلك الناقل، يُعتبر التيار الكهربائي مقياسًا لكمية الشحنات المتدفقة عبر نقطة معينة في السلك لكل وحدة زمن.
التعريف المباشر للتيار الكهربائي هو تدفق الشحنات الكهربائية عبر الموصل، والتي يمكن أن تكون إلكترونات أو بروتونات أو أيونات. يُقاس التيار الكهربائي بوحدة الأمبير، وينقسم إلى نوعين: التيار المستمر (DC) والذي يتدفق في اتجاه واحد، والتيار المتردد (AC) الذي يتدفق في اتجاهين.
من الضروري وجود بعض الخصائص الأساسية لتدفق التيار الكهربائي، مثل فرق الجهد الكهربائي والمقاومة الكهربائية. هذه الخصائص تُستخدم في اشتقاق قانون أوم، الذي يُعبر عن العلاقة بين التيار الكهربائي، فرق الجهد، والمقاومة.
تتوفر تطبيقات متعددة للتيار الكهربائي في الحياة اليومية، مثل السخانات الكهربائية، الهواتف المحمولة، أجهزة الكمبيوتر، والشبكات الكهربائية العامة، بالإضافة إلى أي مستشعرات عن بُعد تعتمد على التيار لتعمل. يُشتق التعبير الرياضي للتيار الكهربائي بناءً على قانون أوم، الذي يوضح العلاقة بين تيار الكهرباء وفرق الجهد والمقاومة كما يلي:
التيار الكهربائي = فرق الجهد الكهربائي / المقاومة
يمكن تمثيله بالرموز كالتالي:
ت = جـ / م
I = V / R
حيث أن:
- ت (I): التيار الكهربائي، ويُقاس بوحدة الأمبير.
- جـ (V): فرق الجهد الكهربائي، ويُقاس بوحدة الفولت.
- م (R): المقاومة، وتُقاس بوحدة الأوم.
أنواع التيار الكهربائي
يوجد نوعان رئيسيان من التيار الكهربائي، كما يلي:
التيار الكهربائي المستمر
التيار الكهربائي المستمر، المعروف بالتيار المباشر (Direct current) ويرمز له (DC)، هو نوع من التيار الذي يتدفق في اتجاه واحد فقط. كمثال عليه، البطاريات التي تُنتج تيارًا مباشرًا فقط، حيث تتحول الطاقة الكيميائية المخزنة في البطارية إلى تيار مباشر عند استخدامها.
التيار الكهربائي المتردد
التيار الكهربائي المتردد، المعروف أيضًا باسم (Alternating Current) ويرمز له (AC)، هو نوع من التيار الذي يغير اتجاهه بشكل دوري أثناء تدفقه. يتولد هذا التيار بناءً على قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، حيث يقوم بتحريك مغناطيس داخل موصل لملاحظة تغيير اتجاه التيار. وتحتاج مصادر هذا النوع من التيار إلى مولدات حثية، مثل محطات توليد الطاقة.
خصائص التيار الكهربائي
تعتبر دراسة خصائص التيار الكهربائي أمرًا حيويًا، حيث يعد أحد العناصر الأساسية في الدوائر الكهربائية وتوليد الطاقة. فيما يلي بعض الخصائص الهامة للتيار الكهربائي:
- الطاقة الكهربائية: يُنتج التيار الكهربائي المتدفق طاقة يمكن تحويلها إلى أشكال أخرى، مثل الطاقة الحرارية أو الضوئية. كمثال، تتحول الطاقة الكهربائية في سخان إلى طاقة حرارية، بينما تتحول في المصباح إلى طاقة ضوئية.
- اتجاه التيار: الاتجاه الأصلي للتيار هو تدفق الإلكترونات نحو الطرف الموجب للبطارية وبعيدًا عن الطرف السالب.
- فرق الجهد الكهربائي: يحدث تدفق التيار الكهربائي نتيجة لوجود فرق جهد بين نقطتين، حيث تكون قوة الإلكترونات في نقطة ما أكبر من تلك في نقطة أخرى.
- المقاومة الكهربائية: يجب أن يتوفر مسار مناسب للإلكترونات للتدفق. تُعرف المواد التي تسمح بتدفق التيار بالموصلات، بينما تُعتبر المواد التي تمنع ذلك عوازل، ويترافق مع الموصلية علاقة عكسية مع المقاومة، التي تُقاس بوحدة الأوم.
سرعة تدفق الشحنات الكهربائية
يسبب المجال الكهربائي في الموصلات حركة عشوائية للشحنات، حيث تتدفق الشحنات في الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي. يمكن التعبير عن علاقة سرعة التيار وسرعة تدفق الشحنات عبر المعادلة التالية:
التيار الكهربائي = مقدار الشحنة الكهربائية في كل جسيم × عدد الشحنات × مساحة المقطع العرضي للموصل × سرعة تدفق الشحنات
ويمكن التعبير عنها بالرموز كما يلي:
I = qnAv
حيث أن:
- I: التيار الكهربائي في الموصل، ويُقاس بوحدة الأمبير (كولوم/ث).
- q: الشحنة الموجودة في كل جسيم، وتُقاس بوحدة الكولوم.
- n: عدد الشحنات في الموصل لكل وحدة حجم، وتُقاس بوحدة إلكترون/م³.
- A: مساحة المقطع العرضي للموصل، وتُقاس بوحدة م².
- v: سرعة تدفق الشحنات الكهربائية، وتُقاس بوحدة م/ث.
شدة التيار الكهربائي وقياسه
شدة التيار الكهربائي هي كمية الشحنات التي تعبر موصلًا كهربائيًا خلال فترة زمنية محددة، ويتم قياسها بوحدة الأمبير، حيث تساوي 1 كولوم/ثانية. يمكن التعبير عنها بالصيغة التالية:
شدة التيار الكهربائي = كمية الشحنة الكهربائية / الزمن أو ت = ش / ز
يمكن أيضًا تمثيلها بالرموز:
- ت: شدة التيار الكهربائي، وتُقاس بوحدة الأمبير.
- ش: كمية الشحنة الكهربائية التي تمر عبر الموصل، وتُقاس بوحدة الكولوم.
- ز: الفترة الزمنية، وتُقاس بوحدة الثانية.
وبذلك، حينما نقول إن شدة التيار الكهربائي تساوي 1 أمبير، فهذا يعني أن 1 كولوم من الشحنة الكهربائية قد عبرت موصلًا كهربائيًا خلال ثانية واحدة.
الخلاصة
يمكننا تعريف التيار الكهربائي على أنه تدفق الشحنات عبر موصل كهربائي خلال فترة زمنية، وهذا ما يُسمى بشدة التيار الكهربائي. وعند عرض الموصل لمجال كهربائي، تتحرك الشحنات داخله بشكل عشوائي عكس اتجاه المجال، ويمكن حساب سرعتها بناءً على المعادلة: I = qnAv.