برق بخشی اساسی از زندگی روزمره ما است و همه چیز را از دستگاه های کوچک مانند تلفن های هوشمند گرفته تا سیستم های بزرگ مانند شبکه های برق شهری تامین می کند. وقتی در مورد الکتریسیته جاری صحبت می کنیم، به جریان بار الکتریکی از طریق یک رسانا، مانند یک سیم فلزی، به دلیل اختلاف پتانسیل یا ولتاژ در آن اشاره می کنیم. این جریان چیزی است که دستگاه های الکتریکی ما را نیرو می دهد.
برای درک الکتریسیته جاری، با واحد اصلی بار به نام الکترون شروع می کنیم. جریان الکتریکی زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها در یک ماده حرکت می کنند. جهتی که به طور معمول برای جریان الکتریکی در نظر گرفته می شود، خلاف جهت حرکت الکترون است، از قطب مثبت به منفی منبع برق.
مقدار بار الکتریکی که در یک زمان معین از بخشی از یک هادی عبور می کند، جریان الکتریکی نامیده می شود و با آمپر (A) اندازه گیری می شود. از نظر ریاضی به صورت زیر بیان می شود:
\(I = \frac{Q}{t}\)که در آن \(I\) جریان بر حسب آمپر، \(Q\) بار بر حسب کولن و \(t\) زمان بر حسب ثانیه است که در طی آن بار جریان دارد.
ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی، نیروی محرکه ای است که بار الکتریکی را از طریق یک هادی فشار می دهد. این فشار بر حسب ولت (V) اندازه گیری می شود و می توان آن را فشار الکتریکی در نظر گرفت که باعث حرکت بارهای الکتریکی می شود.
مقاومت ، مخالفتی است که یک ماده در برابر جریان جریان الکتریکی ارائه می دهد. این بستگی به خواص مواد و همچنین طول و سطح مقطع آن دارد. مقاومت در اهم ( \(\Omega\) ) اندازه گیری می شود. رابطه بین ولتاژ (V)، جریان (I) و مقاومت (R) توسط قانون اهم به دست می‌آید:
\(V = I \times R\)این معادله نشان می دهد که جریانی که از یک هادی بین دو نقطه می گذرد، با ولتاژ دو نقطه نسبت مستقیم دارد و با مقاومت بین آنها نسبت معکوس دارد.
در یک مدار سری ، اجزاء به انتها متصل می شوند، بنابراین تنها یک مسیر برای جریان وجود دارد. اگر قسمتی از مدار خراب شود، کل مدار از کار می افتد. مقاومت کل یک مدار سری مجموع مقاومت های فردی است:
\(R_{total} = R_1 + R_2 + R_3 + \ ... \)در یک مدار موازی ، قطعات در نقاط مشترک یا اتصالات متصل می شوند و مسیرهای متعددی را برای جریان جریان فراهم می کنند. ولتاژ هر جزء در مدار موازی یکسان است. متقابل مقاومت کل در یک مدار موازی برابر است با مجموع متقابلهای هر مقاومت:
\(\frac{1}{R_{total}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} + \ ... \)توان مدار الکتریکی سرعت انتقال انرژی الکتریکی توسط مدار الکتریکی است. واحد SI قدرت وات (W) است. توان را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:
\(P = V \times I\)این فرمول نشان می دهد که توان (بر حسب وات) حاصل ضرب ولتاژ (بر حسب ولت) و جریان (بر حسب آمپر) است.
موادی که امکان جریان آسان بار الکتریکی را فراهم می کنند رسانا نامیده می شوند. بیشتر فلزات مانند مس و آلومینیوم رسانای خوبی هستند و معمولا در سیم کشی برق استفاده می شوند. از طرف دیگر عایق ها موادی هستند که اجازه نمی دهند بار الکتریکی آزادانه جریان یابد. به عنوان مثال می توان به لاستیک، شیشه و پلاستیک اشاره کرد. این مواد برای پوشش دادن یا احاطه کردن هادی ها برای جلوگیری از جریان ناخواسته الکتریسیته و تضمین ایمنی استفاده می شود.
یک مدار الکتریکی ساده می تواند اصول جریان الکتریسیته را نشان دهد. مداری متشکل از یک باتری، یک مقاومت و یک لامپ را در نظر بگیرید که همگی به صورت سری به هم متصل شده اند. هنگامی که مدار بسته می شود، باتری ولتاژی ایجاد می کند که الکترون ها را از مدار عبور می دهد. مقاومت جریان الکترون ها را محدود می کند و در نتیجه جریان را کنترل می کند. لامپ انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می کند که نشان دهنده استفاده از نیروی الکتریکی است.
برای تأیید آزمایشی قانون اهم، می‌توان مداری را با منبع تغذیه متغیر، آمپرمتر برای اندازه‌گیری جریان و ولت‌متر برای اندازه‌گیری ولتاژ در یک مقاومت راه‌اندازی کرد. با تغییر ولتاژ و ثبت جریان متناظر، متوجه می‌شویم که ولتاژ دو سر مقاومت نسبت مستقیمی با جریان عبوری از آن دارد، مطابق با قانون اهم.
الکتریسیته فعلی میدان وسیعی است که مفاهیم اساسی بسیاری از جمله جریان الکتریکی، ولتاژ، مقاومت، مدارها و توان الکتریکی را در بر می گیرد. درک این مفاهیم برای درک نحوه عملکرد دستگاه های الکتریکی و برای استفاده ایمن و موثر از برق ضروری است. با اعمال اصولی مانند قانون اهم و درک رفتار مدارهای سری و موازی می توان جریان الکتریسیته را در تنظیمات مختلف پیش بینی و کنترل کرد.
