شدت جریان الکتریکی؛ شمارشگر الکترونهای گذرنده از رسانا
شدت جریان چیست و چگونه اندازهگیری میشود؟
برای درک شدت جریان، بهتر است جریان الکتریکی را به یک رودخانه تشبیه کنیم. مقدار آبی که از یک نقطه از رودخانه در هر ثانیه عبور میکند، شدت جریان آب را نشان میدهد. در مدارهای الکتریکی نیز شدت جریان، تعداد الکترونهایی است که از یک نقطه از سیم در هر ثانیه میگذرند. هر الکترون دارای یک بار الکتریکی بسیار کوچک است. وقتی تعداد زیادی الکترون با هم حرکت کنند، یک جریان الکتریکی ایجاد میشود.
واحد اندازهگیری شدت جریان، آمپر است که با نماد A نمایش داده میشود. یک آمپر یعنی در هر ثانیه، بار الکتریکی معادل ۶/۲۴ × ۱۰¹⁸ الکترون از یک نقطه عبور میکند. برای اندازهگیری شدت جریان در مدار، از دستگاهی به نام آمپرسنج استفاده میشود. این دستگاه را باید به صورت متوالی (یا سری) در مسیر مدار قرار داد، یعنی جریان باید از درون خود آمپرسنج عبور کند. اگر آمپرسنج را به صورت موازی (شاخهای) ببندیم، درست کار نمیکند و ممکن است بسوزد.
در یک مدار ساده که شامل یک باتری و یک لامپ است، شدت جریان را میتوان با تغییر دادن ولتاژ باتری یا تغییر دادن مقاومت مدار تنظیم کرد. هرچه ولتاژ بیشتر باشد، الکترونها با نیروی بیشتری حرکت میکنند و شدت جریان افزایش مییابد. از طرف دیگر، هرچه مقاومت مدار بیشتر باشد، حرکت الکترونها سختتر میشود و شدت جریان کاهش پیدا میکند.
قانون اهم و رابطه بین شدت جریان، ولتاژ و مقاومت
رابطه بین شدت جریان، ولتاژ و مقاومت را قانون اهم بیان میکند. این قانون یکی از مهمترین قوانین در الکتریسیته است و به ما کمک میکند تا رفتار مدارهای الکتریکی را پیشبینی کنیم. طبق این قانون، شدت جریان از تقسیم ولتاژ بر مقاومت به دست میآید. یعنی هرچه ولتاژ بیشتر باشد، جریان بیشتری خواهیم داشت و هرچه مقاومت بیشتر باشد، جریان کمتری خواهیم داشت.
برای مثال، اگر یک باتری ۹ ولتی را به یک لامپ با مقاومت ۳ اهم وصل کنیم، شدت جریان برابر با ۳ آمپر خواهد بود. اما اگر همان باتری را به لامپی با مقاومت ۹ اهم وصل کنیم، شدت جریان به ۱ آمپر کاهش مییابد. این رابطه ریاضی به ما امکان میدهد تا با داشتن دو کمیت، سومین کمیت را محاسبه کنیم.
درک این رابطه برای طراحی مدارهای الکتریکی بسیار مهم است. مثلاً اگر بخواهیم یک لامپ را پرنورتر کنیم، باید شدت جریان را افزایش دهیم. این کار را یا با افزایش ولتاژ باتری انجام میدهیم و یا با کاهش مقاومت مدار (مثلاً با استفاده از سیمهای کوتاهتر یا ضخیمتر). به همین دلیل، در خانهها از ولتاژ ۲۲۰ ولت استفاده میشود؛ اما وسایل برقی مختلف با مقاومتهای متفاوت، جریانهای متفاوتی را از مدار میکشند.
| مدار | ولتاژ (ولت) | مقاومت (اهم) | شدت جریان (آمپر) |
|---|---|---|---|
| لامپ کوچک | ۱/۵ | ۳ | ۰/۵ |
| لامپ متوسط | ۳ | ۶ | ۰/۵ |
| لامپ پرنور | ۶ | ۳ | ۲ |
| موتور کوچک | ۶ | ۱۲ | ۰/۵ |
پرسشهایی که ذهن دانشآموزان را به چالش میکشد
آیا شدت جریان در تمام نقاط یک مدار سری یکسان است؟
بله، در یک مدار سری (متوالی)، شدت جریان در تمام نقاط مدار یکسان است. زیرا الکترونها تنها یک مسیر برای حرکت دارند و هیچ راه دیگری برای عبور وجود ندارد. تعداد الکترونهایی که از یک نقطه عبور میکنند، دقیقاً برابر با تعداد الکترونهایی است که از نقطه دیگر عبور میکنند. البته این موضوع زمانی درست است که مدار هیچ شاخهای نداشته باشد.
آیا شدت جریان با سرعت حرکت الکترونها یکی است؟
خیر، شدت جریان به تعداد الکترونهایی که از یک نقطه عبور میکنند مربوط است، نه به سرعت تکتک آنها. الکترونها در یک سیم با سرعت بسیار کمی (چند میلیمتر در ثانیه) حرکت میکنند، اما تعداد آنقدر زیاد است که جریان قابل توجهی ایجاد میشود. شدت جریان بیشتر به چگالی الکترونها و میدان الکتریکی اعمالشده بستگی دارد تا سرعت حرکت آنها.
چرا آمپرسنج را همیشه به صورت سری میبندیم؟
آمپرسنج باید تعداد الکترونهای عبوری را بشمارد، بنابراین جریان باید از درون آن عبور کند. اگر آمپرسنج را به صورت موازی (شاخهای) ببندیم، جریان اصلی از آن عبور نمیکند و فقط جریان یک شاخه را اندازه میگیرد. همچنین مقاومت آمپرسنج بسیار کم است تا تأثیری روی جریان مدار نگذارد. اگر آن را موازی ببندیم، مقاومت کم آن باعث عبور جریان زیاد و سوختن دستگاه میشود.
در این مقاله آموختیم که شدت جریان الکتریکی، شمارشگر الکترونهای عبوری از رسانا در هر ثانیه است و با نماد I و واحد آمپر نشان داده میشود. برای اندازهگیری آن از آمپرسنج به صورت سری استفاده میکنیم. همچنین فهمیدیم که طبق قانون اهم، شدت جریان با ولتاژ نسبت مستقیم و با مقاومت نسبت عکس دارد. شدت جریان در مدار سری در همه نقاط یکسان است و با سرعت حرکت الکترونها تفاوت دارد. این مفاهیم پایهای برای درک بهتر الکتریسیته و طراحی مدارهای ساده هستند.
