ما التيار الكهربائي؟
التيار الكهربائي هو معدل مرور الشحنة الكهربائية خلال مقطع من موصل. إذا تخيلنا سلكًا وقطعنا منه مقطعًا وهميًا، فالتيار يخبرنا: كم مقدار الشحنة التي تعبر هذا المقطع في كل ثانية؟
العلاقة الأساسية هي:
\( I = \\frac{\\Delta Q}{\\Delta t} \)
حيث:
- \( I \): التيار الكهربائي بالأمبير.
- \( \\Delta Q \): مقدار الشحنة بالكولوم.
- \( \\Delta t \): الزمن بالثانية.
وحدة الأمبير تعني كولومًا واحدًا في الثانية:
\( 1 \\; A = 1 \\; C/s \)
الشحنة بوصفها دالة في الزمن
أحيانًا لا تعطى الشحنة كرقم ثابت، بل كدالة في الزمن مثل:
\( Q(t) = 3t^2 + 2t \)
في هذه الحالة يكون التيار اللحظي هو مشتقة الشحنة بالنسبة إلى الزمن:
\( I(t) = \\frac{dQ}{dt} \)
أي إن التيار يخبرنا بمعدل تغير الشحنة في تلك اللحظة، لا فقط خلال فترة زمنية طويلة.
التيار المتوسط والتيار اللحظي
- التيار المتوسط: يحسب خلال فترة زمنية محددة باستخدام \( I = \\frac{\\Delta Q}{\\Delta t} \).
- التيار اللحظي: يحسب عند لحظة معينة باستخدام المشتقة \( I = \\frac{dQ}{dt} \).
إذا كانت الشحنة تزيد بمعدل ثابت، يكون التيار ثابتًا. أما إذا كانت الشحنة تزيد بسرعة متغيرة، فإن التيار يتغير مع الزمن.
مثال محلول: تيار متوسط
مرت شحنة مقدارها \( 24 \\; C \) خلال سلك في زمن قدره \( 6 \\; s \). احسب التيار.
\( I = \\frac{Q}{t} = \\frac{24}{6} = 4 \\; A \)
إذن التيار يساوي \( 4 \\; A \).
مثال محلول: تيار من دالة الشحنة
إذا كانت الشحنة المعبرة عن مقطع من سلك تعطى بالعلاقة:
\( Q(t)=5t^2+3t \)
فإن التيار اللحظي:
\( I(t)=\\frac{dQ}{dt}=10t+3 \)
عند \( t=2 \\; s \):
\( I(2)=10(2)+3=23 \\; A \)
اتجاه التيار التقليدي واتجاه الإلكترونات
الاتجاه التقليدي للتيار يكون من القطب الموجب إلى القطب السالب خارج مصدر الجهد. أما الإلكترونات في الموصلات المعدنية فتتحرك فعليًا في الاتجاه المعاكس؛ لأنها سالبة الشحنة. هذا ليس تناقضًا، بل اصطلاح تاريخي استمر استخدامه في تحليل الدوائر.
أخطاء شائعة
- اعتبار التيار كمية شحنة فقط، بينما هو معدل مرور الشحنة مع الزمن.
- نسيان وحدة الزمن بالثانية عند حساب الأمبير.
- الخلط بين \( Q \) و \( I \): الشحنة بالكولوم، والتيار بالكولوم لكل ثانية.
- نسيان استخدام المشتقة عندما تكون الشحنة دالة في الزمن.
خلاصة
التيار الكهربائي هو معدل تدفق الشحنة. يحسب التيار المتوسط من \( I=\\frac{\\Delta Q}{\\Delta t} \)، أما التيار اللحظي فيحسب من \( I=\\frac{dQ}{dt} \). وفهم العلاقة بين الشحنة والزمن هو أساس دراسة الدوائر الكهربائية.