تيار كهربائي
| English | العربية |
|---|---|
| current/ˈkʌrənt/ | التيار |
| charge carriers/tʃɑːdʒ ˈkærɪəz/ | ناقلات الشحنة |
| conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ | تيار تقليدي |
| quantised/ˈkwɒntaɪzd/ | كمّية |
| elementary charge/ˌelɪˈmentəri tʃɑːdʒ/ | شحنة أولية |
| coulomb/ˈkuːlɒm/ | كولوم |
| drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ | سرعة الانجراف |
| number density/ˈnʌmbə ˈdensɪti/ | الكثافة العددية |
| semiconductor/ˌsemɪkənˈdʌktə/ | نصف موصل |
أبطأ من الخنازير
- غيّر مفتاحاً ويضيء الضوء فوراً.
- ومع ذلك، فإن الإلكترونات نفسها تنزلق داخل السلك ببطء أقل من الخنازير.
- الدفع (المجال الكهربائي) ينتقل بسرعة؛ الشحنات تزحف ببطء.
ما هو التيار الكهربائي
- التيار الكهربائي هو تدفق لـ حاملات الشحنة (إلكترونات في المعدن، أيونات في السائل).
- التيار التقليدي يشير إلى الاتجاه الذي سيไหล فيه الشحنة الموجبة — عكس اتجاه الإلكترونات.
حاملات الشحنة تنزلق داخل موصل
التيار والجهد والمقاومة
التيار هو معدل تدفق الشحنة. إذا زاد الجهد يزيد التيار؛ وإذا زادت المقاومة ينخفض — I = V / R.
يشير التيار التقليدي في الاتجاه الذي:
التيار التقليدي هو تدفق الشحنة الموجبة — عكس انجراف الإلكترونات في سلك معدني.
الشحنة تأتي على شكل كتل
- الشحنة كمّية: أصغر وحدة حرة هي الشحنة الأولية $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
- كل شحنة حرة هي مضاعف صحيح للـ $e$. وحدة الشحنة: الكولوم (C).
أصغر وحدة حرة للشحنة هي شحنة ____، $e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
جميع الشحنات الحرة هي مضاعفات صحيحة للشحنة الأساسية $e$.
التيار = الشحنة لكل ثانية
- $I = \dfrac{Q}{t}$، إذن $Q = It$. الوحدة: الأمبير ($1\ \text{A} = 1\ \dfrac{\text{C}}{\text{s}}$).
- للتيار المتغير، تكون الشحنة هي المساحة تحت منحنى $I$–$t$.
- يجب أن تكون الوحدة بالـ ثواني — السؤال الذي يقول "دقائق" يختبر هذه النقطة تحديداً.
يتدفق تيار مقدار $2.0\ \text{A}$ لمدة $5.0\ \text{s}$. كم مقدار الشحنة التي تمر؟
$Q = It = 2.0 \times 5.0 = 10\ \text{C}$.
الشحنة التي تدفقت تساوي المساحة تحت بيانه $I$–$t$.
نعم — التيار هو معدل تدفق الشحنة، لذا تعطي المساحة (التيار × الوقت) إجمالي الشحنة.
مثال محلول: كم عدد الإلكترونات؟
يتدفق تيار مقداره $0.25\ \text{A}$ في سلك لمدة $4.0$ دقائق. كم مقدار الشحنة المارة، وكم عدد الإلكترونات هذا؟
- الثواني أولاً: $t = 4.0 \times 60 = 240\ \text{s}$.
- الشحنة: $Q = It = 0.25 \times 240 = 60\ \text{C}$.
- الإلكترونات: $N = \dfrac{Q}{e} = \dfrac{60}{1.60 \times 10^{-19}} = 3.8 \times 10^{20}$.
- التحقق: رقم هائل من تيار صغير — وهذا طبيعي، لأن كل إلكترون يحمل القليل من الشحنة.
يتدفق تيار مقدار $0.50\ \text{A}$ لمدة $2.0$ دقائق. كم عدد الإلكترونات التي تمر نقطة في السلك؟ أجب عن سؤالك كضرب في $10^{20}$.
$Q = It = 0.50 \times 120 = 60\ \text{C}$، وبالتالي $N = \dfrac{60}{1.60 \times 10^{-19}} = 3.75 \times 10^{20}$. يجب تحويل الدقائق إلى ثوانٍ أولاً.
سرعة الانزلاق
- $I = Anvq$ — مساحة $A$، كثافة عدد حاملات الشحنة $n$، سرعة الانزلاق $v$، شحنة $q$ لكل منها.
- نفس التيار في سلك أرفع → انزلاق أسرع؛ شبه الموصل (كثافة $n$ صغيرة) → انزلاق أسرع بكثير.
أي معادلة تعطي التيار بدلالة سرعة الانجراف؟
التيار = (المساحة)(كثافة العدد)(سرعة الانجراف)(شحنة الحامل) $= Anvq$.
في سلك أدق يحمل نفس التيار، تنجر الإلكترونات بسرعة أكبر.
من $I = Anvq$، تحتاج مساحة أصغر $A$ عند نفس $I$ إلى سرعة انجراف أكبر $v$.
طابق كل كمية في $I = Anvq$ مع وحدتها SI.
اضرب الوحدات: $\text{m}^{2} \times \text{m}^{-3} \times \dfrac{\text{m}}{\text{s}} \times \text{C} = \dfrac{\text{C}}{\text{s}} = \text{A}$، وهو التحقق من أن المعادلة منطقية.
откуда comes $n$
- في المعدن، يمنح كل ذرة تقريباً إلكتروناً حراً واحداً، لذا $n$ هي ببساطة عدد الذرات في المتر المكعب.
- ذرات في $\text{m}^{3}$ = $\dfrac{\text{density} \times N_{\text{A}}}{\text{molar mass}}$. للنحاس: $n = \dfrac{(8.9 \times 10^{3})(6.02 \times 10^{23})}{0.0635} = 8.4 \times 10^{28}\ \text{m}^{-3}$.
- المعادن تقع حول $10^{28}$–$10^{29}\ \text{m}^{-3}$؛ أشباه الموصلات أقل بمقدار عدة قوى عشرة.
مثال محلول: سرعة الانزلاق في سلك نحاسي
سلك نحاسي قطره $1.3\ \text{mm}$ يمر به تيار $2.0\ \text{A}$. باستخدام $n = 8.4 \times 10^{28}\ \text{m}^{-3}$، أوجد سرعة الانزلاق. ثم يضيق السلك ليصبح قطره نصف القطر الأصلي.
- المساحة: $A = \pi r^{2} = \pi (0.65 \times 10^{-3})^{2} = 1.3 \times 10^{-6}\ \text{m}^{2}$.
- سرعة الانزلاق: $v = \dfrac{I}{nAe} = \dfrac{2.0}{(8.4 \times 10^{28})(1.3 \times 10^{-6})(1.60 \times 10^{-19})} = 1.1 \times 10^{-4}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$ — حوالي جزء من عشرة من المليمتر في الثانية.
- القسم الضيق: التيار هو نفسه في كل مكان على طول السلك، لذا $v \propto \dfrac{1}{A} \propto \dfrac{1}{r^{2}}$. نصف القطر → ربع المساحة → أربع مرات سرعة الانزلاق.
- التحقق: تتسارع الإلكترونات في الجزء الضيق لنفس السبب الذي يتسارع به الماء في أنبوب ضيق — نفس التدفق يجب أن يمر عبر فتحة أصغر.
سلك مقطعه العرضي $2.0 \times 10^{-6}\ \text{m}^{2}$ يمر به تيار $3.2\ \text{A}$. كثافة الإلكترونات الحرة هي $1.0 \times 10^{29}\ \text{m}^{-3}$. ما هي سرعة الانجراف، بوحدة مم/ثانية؟
$v = \dfrac{I}{nAe} = \dfrac{3.2}{(1.0 \times 10^{29})(2.0 \times 10^{-6})(1.60 \times 10^{-19})} = 1.0 \times 10^{-4}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}} = 0.10\ \dfrac{\text{mm}}{\text{s}}$.
ثلاثة أخطاء ستخسر درجات هنا. يجب أن يكون $A$ بوحدة $\text{m}^{2}$: قطر بالملم يعطي مساحة بوحدة $\text{mm}^{2}$، و$1\ \text{mm}^{2} = 10^{-6}\ \text{m}^{2}$. استخدم نصف القطر بوحدة $\pi r^{2}$، وليس القطر. وقسم أضيق من سلك لا يحمل تياراً أقل — التيار هو نفسه على طول مسار متسلسل؛ ما يتغير هو سرعة الانزلاق.
لقد فهمت الأمر
- التيار هو تدفق للشحنة؛ التيار التقليدي = اتجاه التدفق الموجب
- $I = \dfrac{Q}{t}$ (ثوانٍ!)، والشحنة هي المساحة تحت منحنى $I$–$t$؛ الإلكترونات $= \dfrac{Q}{e}$
- الانزلاق: $I = Anvq$؛ $n \approx 10^{29}\ \text{m}^{-3}$ للمعدن؛ نفس التيار، مساحة أصغر → انزلاق أسرع