التيار الكهربائي من أهم أساسيات الكهرباء والإلكترونيات فهو جوهر علم الكهرباء. ولا يمكن عادةً رؤية التيار الكهربائي، على الرغم من أنه يمكن رؤية آثاره والإحساس بها، ونتيجة لذلك يصعب أحيانًا الحصول على معرفة واضحة لمفهوم وحقيقة التيار، وفي هذا المقال ستجد شرح للتيار الكهربائي وطبيعته بشكل مبسط وسهل.
تعريف التيار الكهربائي
التيار الكهربائي هو معدل تدفق الشحنات في الدائرة الكهربائية، يمكن أن تكون الشحنة عبارة عن إلكترونات سالبة الشحنة أو شحنة موجبة بما في ذلك البروتونات أو الأيونات الموجبة أو الفجوات.
لفهم طبيعة التيار لابد من الإلمام ببعض المفاهيم الفيزيائية المتعلقة بالذرات وتكوينها (قد لا يروق لك المواضيع الفيزيائية لما فيها من تعقيدات، ولكن لا تقلق فقط سأستعرض بعض المفاهيم الأساسية السهلة).
تتكون ذرات المواد من جزئيات صغيرة جدًا هي البروتونات والإلكترونات والنيوترونات، الإلكترونات جسيمات سالبة الشحنة تتحرك في مدار حول النواة، بينما البروتونات (موجبة الشحنة)، والنيوترونات (عديمة الشحنة) وتوجد في نواة الذرة. في الحالة الطبيعية يكون عدد الإلكترونات مساوي لعدد البروتونات، وبما أن الشحنات المختلفة تتجاذب تحدث قوى جذب بين الالكترونات والنيوترونات المتساوية وتبقيها في أماكنها، مما يجعل الذرة مستقرة ويصعب إنفصال الإلكترونات عن الذرة.
يسمى المدار الخارجي للذرة بمدار التكافؤ، في المواد العازلة مثل الخشب يكون المدار الخارجي مكتمل وممتلئ بالإلكترونات وهذا يعمل على تقوية روابط الذرات ويصعب انفصال أي الكترون عنها، بينما في المواد الموصلة يوجد عدد قليل من الإلكترونات في المدار الخارجي ويمكنها التحرك بحرية، أيضًا في المواد الموصلة تكون الإلكترونات في المدار الخارجي بعيدة عن النواة وكلما كانت المسافة بين الإلكترونات والنواة أبعد، قل الانجذاب، وهذا يعني سهولة تحررها عن النواة.
تحتوي الإلكترونات ذات الشحنات السالبة على طاقة كامنة تجعلها تتحرك بصورة دائمة وعشوائية في جميع الاتجاهات داخل الموصلات كما هو موضح في الصورة.
ولكن عند وضع فـرق جهد كهربائي بين أطراف الموصل، بحيث يكون أحد الأطراف موجباً والآخر سالباً، فإن الإلكترونات تبدأ في التحرك باتجاه القطب الموجب وذلك لخاصية انجذاب الشحنات المختلفة كما هو في الصورة.
حركة الإلكترونات الحرة من القطب السالب إلى القطب الموجب تسمى بالتيار الكهربي ويرمز له بالرمز (I) ويقاس بوحدة تسمى الأمبير. ويكون التيار المار في موصل هو معدل سريان الشحنات بالنسبة إلى الزمن:
I=Q/t
حيث Q: مقدار الشحنة بالكولوم، t مقدار الزمن بالثانية.
واحد كولوم يساوي (1018*6.242) إلكترون.
يمكن مقارنة التيار بتدفق الماء في أنبوب، عندما يتم تطبيق قوة ضغط على أحد طرفي الانبوب، يعمل هذا على إجبار الماء بالتدفق في الانبوب، ويتناسب مقدار التدفق مع قيمة الضغط المبذول في طرف الأنبوب، الضغط هذا يمثل القوة الدافعة الكهربائية (الجهد).
للحصول على فكرة عن مقدار تدفق الإلكترونات، يتطلب تدفق 6.24 مليار مليار إلكترون في الثانية للحصول على تيار مقداره واحد أمبير.
مثال
يعبر 30 كولوم من الشحنات خلال نقطة معينة في موصل خلال 6 ثواني. ما هو مقدار التيار بالأمبير؟
الحل:
I=Q/t = 30/6= 5 A
ولكي يتحقق مرور التيار في موصل يجب أن تتوفر الشروط التالية :
1. أن تكون هناك دائرة مغلقة تتحرك فيها الإلكترونات لأنه إذا لم تستطع الإلكترونات العودة إلى نقطة بدايتها فإن مرور التيار يتوقف.
٢. وجود مؤثر يحرك الإلكترونات ويجعل مرور التيار مستمراً ويمثل هذا المؤثر مصدر الطاقة الكهربية.
ما هو رمز التيار الكهربائي؟
يرمز للتيار الكهربائي بالحرف الإنجليزي (I) وتم اختيار هذا الحرف من كلمة (Intensité) الفرنسية والتي تعني تيار.
ما هي وحدة قياس التيار الكهربائي؟
يقاس التيار الكهربائي بوحدة أمبير (ampere (A)) نسبة للعالم الفرنسي أمبير تقديرًا لمساهماته في الكهرباء. وعلـى هذا فإن أمبير واخد يساوي معدل سريان التيار عندما يمر عدد من الإلكترونات تححل شحنة كولوم واحد خلال نقطة معينة في الموصل في ثانية واحدة.
لماذا اتجاه حركة الإلكترونات عكس اتجاه التيار؟
غالبًا ما يكون هناك الكثير من سوء الفهم حول تدفق التيار والذي نقول أنه يتحرك من الموجب إلى السالب، بينما تدفق الإلكترونات يكون من السالب إلى الموجب. وقد يكون هذا محيرًا بعض الشيء.
الجسيمات الحاملة للشحنة عبر الأسلاك هي إلكترونات، تتحرك هذه الإلكترونات سالبة الشحنة من السالب إلى الموجب. ولكن في حين أن الإلكترونات هي حاملة الشحنة في الأسلاك المعدنية، فإن حاملات الشحنة في الدوائر الأخرى يمكن أن تكون شحنة موجبة أو سالبة أو كليهما. في الواقع، فإن ناقلات الشحنة في أشباه الموصلات هي في نفس الوقت حاملات شحنة موجبة (الفجوات)، وحاملات شحنة سالبة (الإلكترونات) تنتقل في اتجاهين متعاكسين.
السبب في ذلك لأن التجارب الأولية في التيارات الكهربائية الساكنة والديناميكية استندت إلى ما نسميه الآن حاملات الشحنة الموجبة. هذا يعني أنه تم تحديد اتجاه التيار الكهربائي في القرون الماضية على أنه الاتجاه الذي تتحرك فيه الشحنات الموجبة. وبالتالي تم تعريف اتجاه التيار في الدائرة أنه من الطرف الموجب إلى الطرف السالب للبطارية. في الواقع، تتحرك الإلكترونات عبر الأسلاك في الاتجاه المعاكس. ولكن ظل هذا الافتراض سائدًا وما يزال يستخدم حتى اليوم.
تأثير التيار الكهربائي
عندما يتدفق تيار كهربائي عبر موصل ، هناك عدد من العلامات التي تدل على تدفق التيار.
تبدد الحرارة: مرور التيار في موصل ما يصاحبه توليد للحرارة. إذا كان التيار صغيرًا تكون كمية الحرارة المتولدة صغيرة جدًا وقد لا يتم ملاحظتها. وإذا كان التيار أكبر يتم توليد كمية أكبر من الحرارة. لا يتم التحكم في المقدار الفعلي للحرارة من خلال التيار فحسب، بل يتم أيضًا التحكم فيها عبر الجهد ومقاومة الموصل.
التأثير المغناطيسي: هناك تأثير آخر يمكن ملاحظته وهو أن مرور تيار في موصل يعمل على توليد مجالًا مغناطيسيًا حول الموصل. يتم استخدام المجال المغناطيسي الناتج عن التيار بشكل واسع في عدد من المجالات.
أنواع التيار الكهربائي
للتيار الكهربائي أنواع مختلفة تختلف باختلاف المصدر وينقسم إلى تيار مستمر (Direct Current) وهو عبارة عن تيار ثابت الاتجاه والمقدار، وتيار متردد (Alternating Current) وهو تيار متغير الاتجاه والقيمة مع الزمن.
التيار المستمر أو المباشر هو تيار كهربائي يتدفق في اتجاه واحد فقط. تعتبر البطاريات من المصادر الشائعة للتيار المستمر. يتم شحن البطارية أولاً باستخدام تيار مستمر يتحول بعد ذلك إلى طاقة كيميائية. عندما تكون البطارية قيد الاستخدام، فإنها تحول الطاقة الكيميائية إلى كهرباء في شكل تيار مستمر.
التيار المتردد Alternating Current
التيار المتردد هو تيار كهربائي يغير من اتجاهه وقيمته دوريًا. تحتاج إلى مولد كهربائي لإنتاج التيار المتردد. اكتشف الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي الحث الكهرومغناطيسي، وطور نيكولا تيسلا، بالتعاون مع شركة (Westinghouse)، المولدات الكهربائية الكبيرة التي تستخدم في انحاء العالم اليوم. نظرًا لأن المولد يحتوي على عمود دوران، فإن الكهرباء التي ينتجها تغير اتجاهها مرة تلو الأخرى مع كل دورة. وتكون عدد الدورات في الثانية الواحدة إما 50 أو 60 بحسب التردد.
كيفية قياس التيار الكهربائي؟
نظرًا لأن التيار الكهربائي عامل رئيسي في الدوائر الكهربائية والإلكترونية، فإن معرفة مقدار التيار المتدفق أمر مهم للغاية. هناك العديد من الطرق المختلفة لقياس التيار. ومنها جهاز الأميتر (Ammeter)، أو الملتيمتر (Multimeter) بتوصيل اطراف جهاز القياس على التوالي مع الدائرة المراد قياس التيار فيها. وهناك جهاز آخر يستخدم لقياس التيار ويسمى كلامب ميتر (Clamp meer).
