جریان الکتریکی چیست؟
برق رفت؛ برق اومد؛ برق گرفتش؛ این جملهها را بارها شنیدهایم یا حتی خودمان گفتهایم. اما تا حالا فکر کردهایم برق دقیقاً چیست؟ چطور میآید و میرود؟ و چرا ممکن است کسی را برق بگیرد؟ برای من، دانستن پاسخ این پرسشها همواره کنجکاویِ شیرینی بوده که اکنون میخواهم همراه شما در این مقاله به دنبال پاسخ آنها بگردم. اول بهتر است نگاهی به گذشته برق بیندازیم.
نگاهی کوتاه به تاریخچة برق و جریان
شاید باورش سخت باشد؛ اما انسان بیش از دو هزار سال پیش با پدیدههایی از جنس برق آشنا شده بود. گفته میشود تالس، فیلسوف یونانی، وقتی کهربا را با پارچه مالش داد؛ دید که میتواند چیزهای سبک مثل پر یا برگ خشک را جذب کند. او نمیدانست با «بار الکتریکی» سروکار دارد، ولی این نخستین نشانهها از چیزی بود که بعدها اسمش را «الکتریسیته» گذاشتند.
قرنها بعد، در یکی از طوفانیترین شبها، بنجامین فرانکلین، سیاستمدار و دانشمند آمریکایی، تصمیم گرفت فرضیهاش را دربارهی شباهت بین الکتریسیتهی تولیدشده در آزمایشگاه و آذرخش در طبیعت آزمایش کند.
او یک بادبادک کاغذی ساخت؛ در بالای آن یک میله فلزی قرار داد و نخ آن را با نخی از جنس کنف و نخ ابریشم (برای عایقکاری) ترکیب کرد. سپس در میان طوفان، این بادبادک را به آسمان فرستاد.
در انتهای نخ، یک کلید فلزی آویزان بود. فرانکلین مشاهده کرد که با نزدیک شدن ابرهای طوفانی، کلید شروع به جرقهزدن کرد و فرانکلین حتی توانست با آن بار الکتریکی را در یک خازن ذخیره کند.
این آزمایش نشان داد که آذرخش هم نوعی تخلیه الکتریکی است؛ درست مانند برقی که در آزمایشگاهها تولید میشود. البته این آزمایش بسیار خطرناک بود؛ بعدها کسانی که آن را تقلید کردند؛ حتی جانشان را از دست دادند. اما نتیجهاش یک جهش بزرگ در درک الکتریسیته بود.
اما تحول واقعی، زمانی رخ داد که انسان توانست جریان برق تولید و کنترل کند. اینجا پای چند نام بزرگ در میان است.
آلساندرو ولتا؛ دانشمند ایتالیایی، در سال ۱۸۰۰ اولین باتری را ساخت. او نشان داد که بدون مالش، میتوان یک منبع پایدار برق ایجاد کرد. به افتخار او، واحد «ولتاژ» را «ولت» نامگذاری کردند.
آندره-ماری آمپر؛ کسی بود که رفتار جریان را بررسی کرد و مبانی ریاضی آن را بنیان گذاشت. واحد جریان یعنی «آمپر» از نام او گرفته شده است. و شاید مهمترینشان، مایکل فارادی؛ کسی که کشف کرد اگر میدان مغناطیسی را تغییر دهیم؛ میتوانیم برق تولید کنیم. همین کشف، پایهی ساخت ژنراتورها، موتورهای الکتریکی و دنیای مدرن ما شد.
سالها بعد، در اواخر قرن نوزدهم، توماس ادیسون وارد صحنه شد؛ کسی که بیش از آنکه چیزی را کشف کند، برق را به زندگی روزمره آورد. او با ساخت یک لامپ رشتهای بادوام و طراحی اولین سیستم توزیع برق شهری، قدم بزرگی برداشت.
در سال ۱۸۸۲، ادیسون نخستین نیروگاه برق عمومی را در نیویورک راهاندازی کرد؛ نیروگاهی که جریان مستقیم (DC) تولید میکرد و چند خانه و مغازه را روشن کرد. گرچه بعدها بر سر نوع جریان برق (مستقیم یا متناوب) با نیکولا تسلا، وارد رقابت شد. اما شکی نیست که ادیسون با تلاشهایش، برق را از آزمایشگاههای علمی به خیابانها، خانهها و کارخانهها آورد.
جریان الکتریکی چیست؟
تصور کنید رودخانهای پرآب را که در مسیر خود به سوی دریا جاری است. آب رودخانه مانند بارهای الکتریکی است که در داخل سیم حرکت میکنند. اما چه چیزی باعث میشود این آب در یک جهت خاص حرکت کند و رودخانه جاری شود؟ پاسخ در اختلاف سطح آب در دو نقطه از مسیر است؛ یعنی جایی که آب از ارتفاع بالاتر به ارتفاع پایینتر سرازیر میشود.
در دنیای الکتریسیته، بارهای الکتریکی مانند همان آبها هستند و سیمها مانند مسیر رودخانه. آنچه حرکت بارها را در یک جهت مشخص ممکن میکند؛ اختلاف پتانسیل یا ولتاژ است؛ نیروی محرکهای که بارها را وادار میکند از نقطهای با پتانسیل بیشتر به نقطهای با پتانسیل کمتر حرکت کنند.
این حرکت منظم بارهای الکتریکی در یک مسیر بسته، همان چیزی است که به آن «جریان الکتریکی» میگوییم. در مدارهای الکتریکی، این اختلاف پتانسیل یا ولتاژ توسط منابعی مثل باتری یا ژنراتور ایجاد میشود. این منابع مثل پمپی هستند که بارهای الکتریکی را در مسیر سیمها هل میدهند تا جریان برقرار شود.
وقتی رسانایی مثل سیم فلزی را در مدار قرار میدهیم و بین دو سر آن اختلاف پتانسیل ایجاد میشود؛ میدانی الکتریکی درون سیم به وجود میآید. این میدان، الکترونهای آزاد موجود در فلز را تحت تأثیر قرار میدهد و باعث میشود مسیر حرکت کاتورهای (تصادفی) آنها کمی تغییر کند.
نتیجه؟ مجموعهای از الکترونها بهآرامی و بهطور منظم در خلاف جهت میدان با سرعتی موسوم به سرعت سوق شروع به حرکت میکنند. این سرعت بسیار ناچیز است، به همین خاطر است که گاهی آن را با سرعت حرکت یک حلزون مقایسه میکنند.
شاید بپرسید: اگر الکترونها اینقدر آهسته حرکت میکنند؛ پس چرا وقتی کلید برق را میزنیم؛ چراغ فوری روشن میشود؟
برای پاسخ، لولهای را تصور کنید که در تمام طول خود پر از مولکولهای آب است. وقتی شیر آب را باز میکنید، آب بلافاصله از خروجی لوله جاری میشود. این اتفاق نه بهخاطر حرکت سریع یک قطره از ابتدا تا انتها، بلکه به این دلیل است که مولکولهای آب در تماس با یکدیگرند و فشاری که به یکی وارد میشود؛ تقریباً بهسرعت به دیگران منتقل میشود. در نتیجه، با وجود حرکت کند هر مولکول، جریان آب بهطور کلی سریع به نظر میرسد.
در مدار الکتریکی هم وضعیتی مشابه وجود دارد. رسانا از پیش دارای الکترونهای آزاد است؛ یعنی پر از بارالکتریکی است. وقتی کلید زده میشود؛ میدان الکتریکی تقریباً بهصورت آنی در سراسر رسانا برقرار میشود و تمام الکترونها تقریباً همزمان تحت تأثیر میدان قرار میگیرند و این باعث میشود که اثر جریان (مانند روشنشدن لامپ) بلافاصله دیده شود.
تعریف کمی جریان الکتریکی
جریان الکتریکی را معمولاً با نماد 𝐼 نشان میدهیم و واحد آن آمپر است که بیانگر میزان بار الکتریکی عبوری در واحد زمان است. اگر بخواهیم دقیقتر بگوییم، جریان الکتریکی برابر است با میزان بار الکتریکی (𝑞) که در زمان (𝑡) از مقطع یک رسانا عبور میکند.
جهت جریان الکتریکی
در واقعیت، این الکترونها هستند که در سیم حرکت میکنند؛ آنهم از قطب منفی باتری به قطب مثبت، چون بار منفی دارند. اما در فیزیک، جهت جریان الکتریکی را بهصورت قراردادی از سر مثبت به منفی در نظر میگیریم.
این قرارداد از قرن هجدهم به جا مانده، زمانی که دانشمندان هنوز چیزی درباره الکترونها نمیدانستند. وقتی بعدها کشف شد که واقعاً بارها از منفی به مثبت میروند، جهت جریان را تغییر ندادند، چون بسیاری از فرمولها و قراردادهای فنی بر همان مبنای قبلی بنا شده بودند. این قرارداد هنوز هم در تمام کتابهای درسی و ابزارهای مهندسی حفظ شده است.
حالا که با جریان الکتریکی آشنا شدیم؛ شاید بپرسید:
چرا بعضی سیمها داغ میشوند و بعضی نه؟ یا چرا در وسایل مختلف، میزان برق عبوری متفاوت است؟ پاسخ این پرسشها در مفهومی نهفته است که مقاومت مسیر را مشخص میکند که در مقاله مقاومت الکتریکی به آن خواهم پرداخت.
برق، چیزی فراتر از یک کلید و یک لامپ است. از جرقهی کهربای تالس تا آزمایش جسورانهی فرانکلین و اختراعات ادیسون، قرنها تلاش شده تا انسان بتواند جریان الکتریکی را بشناسد؛ کنترل کند و در خدمت زندگی بگیرد.
در این مسیر فهمیدیم که جریان الکتریکی چیزی جز حرکت منظم بارهای الکتریکی در یک مسیر بسته نیست؛ حرکتی که با ایجاد اختلاف پتانسیل آغاز میشود و با میدان الکتریکی هدایت میشود.
هرچند الکترونها آرام حرکت میکنند، اما هماهنگی میان آنها باعث میشود اثر جریان را بلافاصله ببینیم. درک این پدیدهی ساده اما بنیادی، کلید فهم بسیاری از ابزارها و فناوریهای اطراف ماست.
دیدگاهتان را بنویسید