التيار الكهربائي

يمكن أن يسري التيار في سلك أو عنصر دائرة كهربائية في أحد اتجاهين. عند تعريف متغير${\displaystyle I}$لتمثيل التيار، يجب تحديد اتجاه التيار الموجب، وعادةً ما يكون ذلك بواسطة سهم على مخطط الدائرة . ^{[ 12 ] [ 13 ] : 13} يُسمى هذا الاتجاه بالاتجاه المرجعي للتيار${\displaystyle I}$عند تحليل الدوائر الكهربائية ، يكون الاتجاه الفعلي للتيار المار عبر عنصر معين في الدائرة غير معروف عادةً حتى اكتمال التحليل. ونتيجةً لذلك، غالبًا ما تُحدد اتجاهات مرجعية للتيارات بشكل اعتباطي. عند حل الدائرة، تشير القيمة السالبة للتيار إلى أن الاتجاه الفعلي للتيار المار عبر ذلك العنصر في الدائرة يكون معاكسًا للاتجاه المرجعي المُختار. ^{[ أ ] : 29}

في المغناطيس الكهربائي، يتصرف ملف الأسلاك كمغناطيس عند مرور تيار كهربائي فيه. وعند انقطاع التيار، يفقد الملف مغناطيسيته فورًا. يُنتج التيار الكهربائي مجالًا مغناطيسيًا . ويمكن تصور هذا المجال المغناطيسي كنمط من خطوط المجال الدائرية المحيطة بالسلك، والتي تستمر طالما استمر التيار.

يمكن أيضاً استخدام المجالات المغناطيسية لتوليد التيارات الكهربائية. فعند تطبيق مجال مغناطيسي متغير على موصل، تتولد قوة دافعة كهربائية (EMF)، ^{[ 21 ] : 1004،} والتي تبدأ التيار الكهربائي، عند وجود مسار مناسب.

عندما يمر تيار كهربائي في موصل ذي شكل مناسب بترددات الراديو ، يمكن توليد موجات راديوية . تنتقل هذه الموجات بسرعة الضوء ويمكنها أن تسبب تيارات كهربائية في موصلات بعيدة.

في المعادن ، لا ترتبط بعض الإلكترونات الخارجية في كل ذرة بالجزيئات الفردية كما هو الحال في المواد الصلبة الجزيئية ، أو بنطاقات طاقة كاملة كما هو الحال في المواد العازلة، بل تكون حرة الحركة داخل الشبكة البلورية للمعادن . تعمل هذه الإلكترونات الموصلة كناقلات للشحنة ، حيث تتدفق عبر الموصل على شكل تيار كهربائي عند وجود مجال كهربائي. تتميز المعادن بموصلية عالية نظرًا لوجود العديد من هذه الإلكترونات الحرة. في غياب مجال كهربائي خارجي ، تتحرك هذه الإلكترونات عشوائيًا بفعل الطاقة الحرارية ، ولكن في المتوسط، يكون صافي التيار داخل المعدن صفرًا. عند درجة حرارة الغرفة، يبلغ متوسط ​​سرعة هذه الحركات العشوائية 10⁶ ^متر في الثانية. ^{[ 22 ]} عند مرور سلك معدني عبر سطح ما، تتحرك الإلكترونات في كلا الاتجاهين عبر السطح بنفس السرعة. كما كتب جورج غاموف في كتابه العلمي المبسط " واحد، اثنان، ثلاثة... إلى ما لا نهاية" (1947): "تختلف المواد المعدنية عن جميع المواد الأخرى في أن أغلفة ذراتها الخارجية مرتبطة بشكل ضعيف، وغالبًا ما تسمح لأحد إلكتروناتها بالتحرر. وهكذا، يمتلئ باطن المعدن بعدد كبير من الإلكترونات غير المرتبطة التي تتحرك بلا هدف كحشد من الأشخاص المشردين. وعندما يتعرض سلك معدني لقوة كهربائية مطبقة على طرفيه، تندفع هذه الإلكترونات الحرة في اتجاه القوة، مكونة بذلك ما نسميه التيار الكهربائي."

عند توصيل سلك معدني بين طرفي مصدر جهد مستمر ، كالبطارية مثلاً ، يُولّد المصدر مجالاً كهربائياً عبر الموصل. ولحظة التلامس، تُجبر الإلكترونات الحرة في الموصل على الانجراف نحو الطرف الموجب تحت تأثير هذا المجال. ولذلك، تُعدّ الإلكترونات الحرة حاملات الشحنة في الموصلات الصلبة النموذجية.

بالنسبة لتدفق ثابت للشحنة عبر سطح ما، يمكن حساب التيار I (بالأمبير) باستخدام المعادلة التالية: $${\displaystyle I={Q \over t}\,,}$$ حيث Q هي الشحنة الكهربائية المنقولة عبر السطح خلال فترة زمنية t . إذا تم قياس Q و t بالكولوم والثواني على التوالي، فإن I يتم قياسها بالأمبير.

وبشكل أعم، يمكن تمثيل التيار الكهربائي على أنه معدل تدفق الشحنة عبر سطح معين كما يلي:

$${\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}\,.}$$

التيارات الكهربائية في المحاليل الإلكتروليتية هي تدفقات من الجسيمات المشحونة كهربائيًا ( أيونات ). على سبيل المثال، إذا تم تطبيق مجال كهربائي على محلول من أيونات الصوديوم (Na ⁺⁾ والكلوريد (Cl- ⁾ (في ظل ظروف مناسبة)، فإن أيونات الصوديوم تتحرك نحو القطب السالب (الكاثود)، بينما تتحرك أيونات الكلوريد نحو القطب الموجب (الأنود). تحدث تفاعلات على سطحي القطبين، مما يؤدي إلى معادلة كل أيون.

يحتوي جليد الماء وبعض الإلكتروليتات الصلبة التي تُسمى موصلات البروتونات على أيونات هيدروجين موجبة (" بروتونات ") متحركة. في هذه المواد، تتكون التيارات الكهربائية من بروتونات متحركة، على عكس الإلكترونات المتحركة في المعادن.

في بعض مخاليط الإلكتروليت، تمثل الأيونات ذات الألوان الزاهية الشحنات الكهربائية المتحركة. ويجعل التدرج البطيء للون التيار مرئيًا. ^{[ 23 ]}

في الهواء والغازات العادية الأخرى التي تقل شدة مجالها الكهربائي عن حد الانهيار، يكون المصدر الرئيسي للتوصيل الكهربائي هو عدد قليل نسبيًا من الأيونات المتحركة الناتجة عن الغازات المشعة أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة الكونية. ونظرًا لانخفاض الموصلية الكهربائية، تُعتبر الغازات مواد عازلة . مع ذلك، عندما يقترب المجال الكهربائي المطبق من قيمة الانهيار ، تتسارع الإلكترونات الحرة بفعل المجال الكهربائي بشكل كافٍ لتوليد إلكترونات حرة إضافية عن طريق اصطدامها بذرات أو جزيئات الغاز المتعادلة وتأيينها في عملية تُسمى الانهيار الانهياري . تُشكل عملية الانهيار بلازما تحتوي على كمية كافية من الإلكترونات المتحركة والأيونات الموجبة لتجعلها موصلة للكهرباء. وفي هذه العملية، تُشكل مسارًا موصلًا باعثًا للضوء، مثل الشرارة أو القوس الكهربائي أو البرق .

البلازما هي حالة من حالات المادة حيث تُنتزع بعض الإلكترونات من جزيئات أو ذرات الغاز أو تتأين. يمكن تكوين البلازما بفعل درجات الحرارة العالية ، أو بتطبيق مجال كهربائي قوي أو مجال مغناطيسي متناوب كما ذُكر سابقًا. نظرًا لكتلتها المنخفضة، تتسارع الإلكترونات في البلازما بشكل أسرع استجابةً للمجال الكهربائي من الأيونات الموجبة الأثقل، وبالتالي تحمل الجزء الأكبر من التيار. تتحد الأيونات الحرة لتكوين مركبات كيميائية جديدة (على سبيل المثال، تفكك الأكسجين الجوي إلى ذرات أكسجين أحادية [O₂ _→ 2O]، والتي تتحد بدورها لتكوين الأوزون [O₃ _] ). ^{[ 24 ]}

بما أن " الفراغ المثالي " لا يحتوي على جسيمات مشحونة، فإنه يتصرف عادةً كعازل مثالي. مع ذلك، يمكن لأسطح الأقطاب المعدنية أن تجعل منطقةً من الفراغ موصلةً للكهرباء عن طريق حقن إلكترونات أو أيونات حرة من خلال انبعاث الإلكترونات الميداني أو الانبعاث الحراري . يحدث الانبعاث الحراري عندما تتجاوز الطاقة الحرارية دالة شغل المعدن ، بينما يحدث انبعاث الإلكترونات الميداني عندما يكون المجال الكهربائي على سطح المعدن مرتفعًا بما يكفي لإحداث نفق كمي ، مما يؤدي إلى قذف إلكترونات حرة من المعدن إلى الفراغ. غالبًا ما تُستخدم الأقطاب المسخنة خارجيًا لتوليد سحابة إلكترونية كما في فتيل أو مهبط الأنابيب المفرغة المسخن بشكل غير مباشر . يمكن للأقطاب الباردة أيضًا أن تُنتج سحبًا إلكترونية تلقائيًا عبر الانبعاث الحراري عند تكوّن مناطق متوهجة صغيرة (تُسمى بقع المهبط أو بقع المصعد ). هذه مناطق متوهجة على سطح القطب تتكون بفعل تيار عالٍ موضعي. قد تنشأ هذه المناطق بفعل انبعاث الإلكترونات من المجال الكهربائي ، ثم تستمر بفعل الانبعاث الحراري الموضعي بمجرد تشكل قوس كهربائي في الفراغ . يمكن أن تتشكل هذه المناطق الصغيرة الباعثة للإلكترونات بسرعة كبيرة، بل وبشكل انفجاري، على سطح معدني يتعرض لمجال كهربائي عالٍ. تُعد أنابيب التفريغ والكريترونات من بين أجهزة التبديل والتضخيم الإلكترونية التي تعتمد على التوصيل الكهربائي في الفراغ.

الموصلية الفائقة ظاهرة تتميز بانعدام المقاومة الكهربائية تمامًا وانبعاث المجالات المغناطيسية في بعض المواد عند تبريدها إلى ما دون درجة حرارة حرجة مميزة . اكتشفها هايك كامرلينغ أونيس في  8 أبريل 1911 في لايدن . ومثل المغناطيسية الحديدية وخطوط الطيف الذري ، تُعد الموصلية الفائقة ظاهرة ميكانيكية كمومية . وتتميز بتأثير مايسنر ، وهو الانبعاث الكامل لخطوط المجال المغناطيسي من داخل الموصل الفائق عند انتقاله إلى حالة الموصلية الفائقة. ويشير حدوث تأثير مايسنر إلى أن الموصلية الفائقة لا يمكن فهمها ببساطة على أنها تجسيد مثالي للموصلية الكاملة في الفيزياء الكلاسيكية .

في أشباه الموصلات، من المفيد أحيانًا اعتبار التيار ناتجًا عن تدفق " الفجوات " الموجبة (حاملات الشحنة الموجبة المتحركة، وهي مواقع تفتقر فيها بلورة شبه الموصل إلى إلكترون تكافؤ). هذا هو الحال في أشباه الموصلات من النوع p. تتميز أشباه الموصلات بموصلية كهربائية متوسطة بين موصلية الموصلات والعوازل ، أي أنها تتراوح تقريبًا بين 10⁻² ^و10⁴ سيمنز ^لكل سنتيمتر (S⋅cm⁻¹ ⁾ .

في أشباه الموصلات البلورية التقليدية، لا يمكن للإلكترونات أن تمتلك طاقات إلا ضمن نطاقات محددة (أي مستويات طاقة معينة). تقع هذه النطاقات، من الناحية الطاقية، بين طاقة الحالة الأرضية، وهي الحالة التي تكون فيها الإلكترونات مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بنوى ذرات المادة، وطاقة الإلكترون الحر، التي تصف الطاقة اللازمة لتحرر الإلكترون تمامًا من المادة. يتوافق كل نطاق طاقة مع العديد من الحالات الكمومية المنفصلة للإلكترونات، ومعظم الحالات ذات الطاقة المنخفضة (الأقرب إلى النواة) مشغولة، وصولًا إلى نطاق معين يُسمى نطاق التكافؤ . يتم التمييز بين أشباه الموصلات والعوازل والمعادن لأن نطاق التكافؤ في أي معدن يكون ممتلئًا تقريبًا بالإلكترونات في ظل ظروف التشغيل العادية، بينما يتوفر عدد قليل جدًا (في أشباه الموصلات) أو لا يتوفر أي إلكترون تقريبًا (في العوازل) في نطاق التوصيل ، وهو النطاق الذي يعلو نطاق التكافؤ مباشرةً.

تعتمد سهولة إثارة الإلكترونات في أشباه الموصلات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل على فجوة الطاقة بين النطاقين. ويُعدّ حجم فجوة الطاقة هذه بمثابة خط فاصل اعتباطي (حوالي 4 إلكترون فولت ) بين أشباه الموصلات والعوازل .

في الروابط التساهمية، ينتقل الإلكترون بالقفز إلى رابطة مجاورة. وينص مبدأ استبعاد باولي على ضرورة انتقال الإلكترون إلى حالة مضادة للترابط أعلى لتلك الرابطة. أما في الحالات غير الموضعية، كما في بُعد واحد - أي في سلك نانوي - فلكل طاقة توجد حالة تتدفق فيها الإلكترونات في اتجاه، وحالة أخرى تتدفق فيها الإلكترونات في الاتجاه المعاكس. ولكي يسري تيار كهربائي صافٍ، يجب أن تشغل الإلكترونات في أحد الاتجاهين عددًا أكبر من الحالات مقارنةً بالاتجاه الآخر. ويتطلب ذلك طاقة، ففي أشباه الموصلات، تقع الحالات الأعلى التالية فوق فجوة النطاق. وغالبًا ما يُقال إن النطاقات الممتلئة لا تُساهم في التوصيل الكهربائي . ومع ذلك، عندما ترتفع درجة حرارة أشباه الموصلات فوق الصفر المطلق ، تتوفر طاقة أكبر فيها تُنفق على اهتزاز الشبكة البلورية وعلى إثارة الإلكترونات إلى نطاق التوصيل. تُعرف الإلكترونات الحاملة للتيار في نطاق التوصيل بالإلكترونات الحرة ، وإن كانت تُسمى غالبًا ببساطة الإلكترونات إذا كان ذلك واضحًا في السياق. 

تتحرك الجسيمات المشحونة المتحركة داخل الموصل باستمرار في اتجاهات عشوائية، مثل جسيمات الغاز ( أو بالأحرى، غاز فيرمي ). ولإحداث تدفق صافٍ للشحنة، يجب أن تتحرك الجسيمات معًا بمعدل انجراف متوسط. الإلكترونات هي حاملات الشحنة في معظم المعادن ، وهي تتبع مسارًا غير منتظم، إذ ترتد من ذرة إلى أخرى، ولكنها تنجرف عمومًا في الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي. ويمكن حساب سرعة انجرافها من المعادلة التالية:

$${\displaystyle I=nAvQ\,,}$$

أين

• ${\displaystyle I}$التيار الكهربائي
• ${\displaystyle n}$هو عدد الجسيمات المشحونة لكل وحدة حجم (أو كثافة حاملات الشحنة)
• ${\displaystyle A}$هي مساحة المقطع العرضي للموصل
• ${\displaystyle v}$هي سرعة الانجراف ، و
• ${\displaystyle Q}$هي الشحنة الموجودة على كل جسيم.

عادةً، تتدفق الشحنات الكهربائية في المواد الصلبة ببطء. على سبيل المثال، في سلك نحاسي ^ذي مقطع عرضي 0.5  مم² ، يحمل تيارًا شدته 5 أمبير، تكون سرعة انجراف الإلكترونات في حدود مليمتر واحد في الثانية. ولنأخذ مثالًا آخر، في الفراغ شبه التام داخل أنبوب أشعة الكاثود ، تتحرك الإلكترونات في خطوط شبه مستقيمة بسرعة تعادل عُشر سرعة الضوء تقريبًا . 

أي شحنة كهربائية متسارعة، وبالتالي أي تيار كهربائي متغير، تُولّد موجة كهرومغناطيسية تنتشر بسرعة فائقة خارج سطح الموصل. عادةً ما تكون هذه السرعة جزءًا كبيرًا من سرعة الضوء، كما يُستنتج من معادلات ماكسويل ، ولذا فهي أسرع بكثير من سرعة انجراف الإلكترونات. على سبيل المثال، في خطوط نقل الطاقة الكهربائية ذات التيار المتردد ، تنتشر موجات الطاقة الكهرومغناطيسية عبر الفراغ بين الأسلاك، منتقلةً من المصدر إلى الحمل البعيد ، على الرغم من أن الإلكترونات في الأسلاك لا تتحرك إلا ذهابًا وإيابًا لمسافة ضئيلة جدًا.

نسبة سرعة الموجة الكهرومغناطيسية المحيطة إلى سرعة الضوء في الفضاء الحر تسمى عامل السرعة ، وتعتمد على الخصائص الكهرومغناطيسية للموصل والمواد العازلة المحيطة به، وعلى شكلها وحجمها.

يمكن توضيح مقادير هذه السرعات الثلاث (وليس طبيعتها) من خلال تشبيهها بالسرعات الثلاث المماثلة المرتبطة بالغازات (انظر أيضًا التشبيه الهيدروليكي ):

• إن سرعة الانجراف المنخفضة لحاملات الشحنة تشبه حركة الهواء؛ بعبارة أخرى، الرياح.
• إن السرعة العالية للموجات الكهرومغناطيسية تشبه إلى حد كبير سرعة الصوت في الغاز (تتحرك الموجات الصوتية عبر الهواء أسرع بكثير من الحركات واسعة النطاق مثل الحمل الحراري ).
• إن الحركة العشوائية للشحنات تشبه الحرارة - السرعة الحرارية لجزيئات الغاز المهتزة عشوائياً.