جریان الکتریکی

بار الکتریکی

دو الکترون با هم یا دو پروتون با هم، بارهای همنام را تشکیل می دهند، بارهای همنام در برابر با هم بودن مقاومت می کنند و از یکدیگر دور می شوند. این حرکت، دافعه نامیده می شود. این، نخستین قانون بارهای الکترواستاتیک است: بارهای همنام یکدیگر را دفع می کنند. بر اساس قانون دوم بارهای الکترواستاتیک بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می کنند. الکترون های منفی به سمت پروتون های مثبت در هسته اتم جذب می شوند. این نیروی کشش با نیروی سانتریفیوژ که توسط دوران الکترون حول هسته ایجاد می شود به تعادل می رسد. در نتیجه الکترون ها در مدار خود باقی می مانند و به سمت هسته کشیده نمی شوند.

مقدار نیروی جاذبه یا دافعه که بین دو بدنه باردار الکتریکی عمل می کند به دو عامل بستگی دارند: بار آنها و فاصله بین آنها.

قوانین اولیه بارهای الکترواستاتیک

تک الکترون ها دارای بار الکتریکی بسیار کوچکی در کاربردهای عملی هستند. واحدی که به اندازه گیری بار اختصاص داده می شود کولن (C) نامیده می شود که برگرفته از نام چارلز کولمب است. بار الکتریکی (Q) که توسط ۶.۲۴۰.۰۰۰.۰۰۰.۰۰۰.۰۰۰.۰۰۰ (^۱۸۱۰*۶.۲۴) الکترون حمل می شود یک کولن نامیده می شود.

الکترون ۱C=6.24*10^۱۸

بارهای الکتریکی توسط جابه جایی الکترون ها ایجاد می شوند. وقتی اضافه الکترون در یک نقطه و کمبود آن در سر دیگر وجود دارد اختلاف پتانسیل بین دو نقطه به وجود می آید. وقتی اختلاف پتانسیل بین دو بدنه باردار وجود دارد و این دو بدنه توسط یک هادی به هم وصل شده اند، الکترون ها در طول هادی جریان می شوند. این شریان الکترون ها، جریان نامیده می شود.

شار جریانی

یک جریان الکتریکی شامل رانش الکترون از نقطه ای با بار منفی به نقطه ای با بار مثبت است. واحد اندازه گیری شار جریانی آمپر (A) است. یک آمپر مقدار جریانی در یک هادی است که با گذر یک کولن بار در یک ثانیه از یک نقطه هادی ایجاد می شود. رابطه بین آمپر و کولن در هر ثانیه I=Q/T بیان می شود.

در رابطه فوق:

I = جریان اندازه گیری شده بر حسب آمپر

Q= مقدار بار الکتریکی بر حسب کولن

T = زمان بر حسب ثانیه

الکترون ها با بار منفی که دارند حامل بار در یک مدار الکتریکی هستند. بنابراین جریان الکتریکی، شار حاصل از بارهای منفی است. دانشمندان و مهندسین در ابتدا تصور می کردند که جریان جاری شده در یک جهت با شار الکترونی مخالفت می کند. ولی تلاشهای بعدی نشان داد که حرکت یک الکترون از یک اتم به اتم دیگر به صورت بار مثبت ظاهر می شود و حفره نامیده می شود. این حفره در جهت عکس حرکت می کند. بنابراین حرکت الکترون و جریان یکسان در نظر گرفته شدند.

با حرکت الکترون ها از یک اتم به اتم دیگر، بار مثبت یا حفره شکل می گیرد.

اگر الکترون ها به یک سر هادی اضافه شوند و شرایط برای گرفتن الکترون از سر دیگر مهیا باشد، جریان الکتریکی در هادی جاری می شود. همچنان که الکترون های آزاد به آرامی در هادی حرکت می کنند با اتمها برخورد می کنند و الکترون های دیگر را آزاد می کنند. این الکترون های آزاد جدید به جهت سر مثبت هادی حرکت می کنند و با اتمهای دیگر تصادف می کنند. الکترون ها از سر منفی به سر مثبت هادی رانده می شوند زیرا بارهای همنام یکدیگر را دفع می کنند. علاوه بر آن، سر مثبت هادی که دچار کمبود الکترون است، الکترون های آزاد را جذب می کند زیرا بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می کنند.

رانش الکترون ها بسیار آرام است (تقریباً یک هشتم اینچ در ثانیه) ولی الکترون هایی که به حالت کمانه از اتم ها جدا می شوند با ضربه زدن به الکترون های دیگر آنها را با سرعت نور (۱۸۶۰۰۰ مایل در ثانیه) آزاد می کنند. به عنوان مثال، یک لوله تو خالی و بلند را که با توپ پینگ پنگ پر شده است در نظر بگیرید. با اضافه شدن یک توپ به یک سر این لوله، یک توپ با فشار از سر دیگر لوله خارج می شود. گر چه طول می کشد تا یک توپ سراسر طول لوله را بپیماید ولی سرعت برخورد آن می تواند بسیار زیاد باشد.

ابزاری که الکترون ها را در یک سر هادی تأمین می کند (پایانه منفی) و آنها را از سر دیگر هادی می گیرد (پایانه مثبت) منبع ولتاژ نامیده می شود. می توان آن را به صورت یک پمپ تصور کرد.

حرکت الکترون در خلاف جهت حرکت حفره رخ می دهد.

الکترون ها در یک هادی مثل توپهای پینگ پنگ در یک لوله تو خالی رفتار می کنند.

هر منبع ولتاژ را می توان به صورت پمپی در نظر گرفت که الکترون ها را به بار تزریق و الکترون های اضافه را بازیابی می کند.

نماد گذاری علمی

در الکترونیک، با عاداد بسیار کوچک یا بسیار بزرگ سرو کار داریم. نماد گذاری علمی روشی است برای استفاده از اعداد تک رقمی به علاوه توانهای ده برای نمایش اعداد کوچک و بزرگ، مثلاً نمایش علمی عدد ۳۰۰، ۱۰^۲×۳ است.

توان تعداد محلهای دهدهی در سمت چپ یا راست ممیز عدد را نشان می دهد. اگر توان مثبت باشد ممیز به سمت راست می رود. به عنوان مثال :

۳×۱۰^۳=۳/۰×۱۰^۳=۳/۰۰۰=۳۰۰۰

۳ مکان

اگر توان منفی است، ممیز اعشار به سمت چپ انتقال پیدا می کند. به عنوان مثال:

۳×۱۰^-۶=۳/۰×۱۰^-۶=۰۰۰۰۰۰۳/=۰/۰۰۰۰۰۳

۶ مکان

شکل زیر، تعدادی از توانهای ده را که به صورت متداول مورد استفاده می گیردنشان می دهد. این جدول توانهای مثبت و منفی و پیشوندها و نمادهای مرتبط با هریک را نیز معرفی می کند. به عنوان مثال، یک آمپر واحد بزرگی برای جریان است که در مدارهای الکترونیکی کم توان، کمتر یافت می شود. واحدهایی که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند میلی آمپر (MA) و میکرو آمپر (µA) هستند. یک میلی آمپر معادل ۱/۱۰۰۰ آمپر یا ۰/۰۰۱A است. به عبارت دیگر ۱۰۰۰ میلی آمپر معادل یک آمپر است. یک میکروآمپر معادل یک میلیونیم آمپر است یا یک میلیون میکرو آمپر، معادل یک آمپر است.