ما هو التيار الكهربائي؟
يُعد التيار الكهربائي (بالإنجليزية: Electric current) جوهر علم الكهرباء، وهو يُمثل أي حركة ناتجة من حاملات الشحنة الكهربائية، وفي الدائرات الكهربائية هو معدل تدفق الشحنات عبر نقطة معينة داخل الدائرة، بحيث تكون هذه الشحنات إمّا إلكترونات ذات الشحنة السالبة، أو البروتونات ذات الشحنة الموجبة، أو الأيونات الموجبة أو الثقوب، وفي السلك الناقل فإنّ التيار الكهربائي عبارة عن مقياس لكمية الشحنات المتدفقة عبر نقطة معينة في السلك لكل وحدة زمنية، وتكون هذه الشحنات عبارة عن إلكترونات.
ويُعرّف التيار الكهربائي بأنّه تدفق الشحنات الكهربائية عبر موصل كهربائي، وتكون الشحنات إمّا إلكترونات أو بروتونات أو أيونات، ويُقاس بوحدة الأمبير، وينقسم التيار الكهربائي إلى نوعين وهما، التيار الكهربائي المستمر الذي يتدفق باتجاه واحد، والتيار الكهربائي المتردد والذي يتدفق باتجاهين.
ومن أهم خصائص التيار الكهربائي التي لا يُمكن أن يتدفق بدونها هي فرق الجهد الكهربائي والمقاومة الكهربائية، والتي من خلالها اشتق قانون أوم لحساب التيار الكهربائي والذي يتمثل بفرق الجهد الكهربائي مقسومًا على المقاومة.
ويُطبق التيار الكهربائي في العديد من التطبيقات الكهربائية، مثل: السخان الكهربائي، والهاتف المحمول، والكمبيوتر، ونظام الشبكة الكهربائية الكبيرة، أو أي عقدة مستشعر عن بُعد يكون التيار الكهربائي هو الأساس في تشغيلها، ويختلف تدفق شحنات الإلكترونات عبر الدائرة الكهربائية باختلاف الجهد، لذا اُشتقت الصيغة الرياضية الخاصة للتيار الكهربائي من قانون أوم الذي يُمثل نسبة التيار الكهربائي مع فرق الجهد والمقاومة خلال الموصل، وهي كالتالي:
التيار الكهربائي = فرق الجهد الكهربائي / المقاومة
ويُمكن تمثيله بالرموز:
ت = جـ / م
I = V / R
حيث أنّ:
- ت (I): التيار الكهربائي ويُقاس بوحدة الأمبير.
- جـ (V): فرق الجهد الكهربائي ويُقاس بوحدة الفولت.
- م (R): المقاومة وتُقاس بوحدة الأوم.
أنواع التيار الكهربائي
هناك نوعان من التيار الكهربائي وهما كالتالي:
التيار الكهربائي المستمر
التيار الكهربائي المستمر أو ما يُعرف بالتيار المباشر (Direct current) ويُرمز له بالرمز (DC) هو التيار الكهربائي الذي يتدفق عبر الموصل باتجاه واحد فقط، ومن الأمثلة التطبيقية عليه البطاريات؛ إذ لا تُشحن البطاريات ولا تنتج إلّا تيارًا مباشرًا، يتحول التيار المباشر الذي شُحنت به البطارية إلى طاقة كيميائية، وعندما تُصبح البطارية قيد الاستخدام تعود لتحول الطاقة الكيميائية إلى تيار مباشر للاستخدام.
التيار الكهربائي المتردد
التيار الكهربائي المتردد (Alternating Current) ويُرمز له بالرمز (AC) وهو التيار الكهربائي الذي يعكس اتجاهه ويُغيره في كل دورة أثناء تدفقه عبر الموصل، بحيث يتولد التيار ويُغير اتجاهه ذهابًا وإيابًا حسب قانون فارادي للحث الكهرومغناطيسي، بحيث قام العالم فارادي بتحريك مغناطيس داخل موصل ولاحظ أنّ التيار يتغير اتجاهه كلما تغير اتجاه المغناطيس، ولذلك يحتاج التيار المتردد إلى مولد حثي ليُنتج، ومن الأمثلة التطبيقية عليه محطات توليد الطاقة.
خصائص التيار الكهربائي
معرفة خصائص التيار الكهربائي أمرًا مهمًا، فهو يُعد عنصرًا مهمًا في الدوائر الكهربائية وإنتاج الكهرباء في حياتنا، وفيما يلي نُبين خصائص التيار الكهربائي:
- الطاقة الكهربائية: يُنتج التيار الكهربائي المتدفق عبر الموصل طاقة كهربائية والتي يُمكنها التحول إلى شكل آخر من أشكال الطاقة مثل الطاقة الحرارية والطاقة الضوئية وغيرها، على سبيل المثال تتحول الطاقة الكهربائية في صندوق حديدي إلى طاقة حرارية، بينما تتحول الطاقة الكهربائية في المصباح إلى طاقة ضوئية.
- اتجاه التيار الكهربائي: يعرف الاتجاه التقليدي للتيار الكهربائي بأنّ تدفق الإلكترونات باتجاه الطرف الموجب للبطارية وبعيدًا عن الطرف السالب.
- فرق الجهد الكهربائي: ليحدث تدفق التيار الكهربائي يجب حدوث فرق جهد كهربائي بين نقطتي سريان التيار، أي أن تكون القوة الناتجة عن مجموعة من الإلكترونات في نقطة ما أكبر من قوة الإلكترونات في النقطة الأخرى، بحيث تدفع القوة الأكبر الإلكترونات بعيدًا عن النقطة الأولى باتجاه النقطة الثانية.
- المقاومة الكهربائية: وليحدث تدفق تيار كهربائي أيضًا يجب توفر المسار الذي يمكن للإلكترونات أن تنتقل عبره، بعض المواد قادرة على توفير هذا المسار والبعض الآخر لا يُمكنه توفيره، بحيث تُسمى المواد التي تسمح بتدفق التيار الكهربائي بالموصلات، أمّا المواد التي تمنع تدفق التيار تُعرف بالعوازل، ولذلك ترتبط الموصلية بعلاقة عكسية مع المقاومة وتُقاس المقاومة بوحدة الأوم.
سرعة تدفق الشحنات الكهربائية
يتسبب المجال الكهربائي في الموصلات الكهربائية بحركة عشوائية للشحنات، بحيث تتدفق الشحنات عشوائيًا بعكس اتجاه المجال الكهربائي، ويُعبر عن علاقة سرعة التيار وسرعة تدفق الشحنات عبر الموصل بالصيغة الرياضية التالية:
التيار الكهربائي = مقدار الشحنة الكهربائية الموجودة في كل جسيم × عدد الشحنات× مساحة المقطع العرضي للموصل × سرعة تدفق الشحنات
ويُمكن تمثيله بالرموز كالتالي:
I = qnAv
حيث أنّ:
- I: التيار الكهربائي في الموصل ويُقاس بوحدة الأمبير (كولوم/ث).
- q: هي الشحنة الموجودة في كل جسيم وتٌقاس 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 موصل كهربائي خلال فترة زمنية معينة، تُقاس شدة التيار الكهربائي بوحدة الأمبير وتساوي 1 كولوم/ثانية، ويُمكن تمثيله بالصيغة الرياضية التالية:
شدة التيار الكهربائي = كمية الشحنة الكهربائية / الزمن أو ت= ش/ ز
ويُمكن تمثيله بالرموز:
- ت: شدة التيار الكهربائي، وتُقاس بوحدة الأمبير.
- ش: كمية الشحنة الكهربائية عبر الموصل وتُقاس بوحدة الكولوم.
- ز: الفترة الزمنية وتُقاس بوحدة الثانية.
ولذلك عندما نقول شدة التيار الكهربائي تساوي 1 أمبير فهذا يعني أنّ كمية شحنة كهربائية مقدارها 1 كولوم عبرت موصل كهربائي خلال فترة زمنية مدتها ثانية واحدة.
الخلاصة
يُمكن تعريف التيار بأنّه كمية تدفق الشحنات عبر موصل كهربائي خلال فترة زمنية وهذا ما يُطلق عليه اسم شدة التيار الكهربائي، وعند تعرض الموصل لمجال كهربائي فإنّه الشحنات داخله تتحرك بحركة عشوائية عكس اتجاه المجال ويُمكن حساب سرعتها باستخدام القانون: I = qnAv.
