مدل آب برای جریان الکتریکی

حرکت بار در یک مدار کامل، شبیه حرکت آب در مجموعه‌ای از لوله‌ها می ‌باشد. در این حالت باتری شبیه پمپ، سیم شبیه لوله و لامپ ( که انرژی را از صورتی به صورت دیگر تبدیل می‌کند) شبیه چرخ آبی عمل می کند. در یک سیستم کامل لوله‌ها، آب از یک طرف پمپ خارج شده و به طرف دیگر پمپ وارد می ‌شود.

این مدل به خوبی تفاوت بین جریان و ولتاژ را نشان می ‌دهد.

جریان I به معنی مقدار بار q عبوری در واحد زمان از هر مقطع مدار می ‌باشد.

این تعریف بسیار شبیه میزان عبور آب داخل لوله‌ ها در واحد زمان است. جریان آب در لوله برحسب لیتر بر ثانیه اندازه‌ گیری می ‌شود. جریان الکتریکی برحسب کولن بر ثانیه که به اختصار آمپر (A) نامیده می ‌شود، اندازه‌گیری می ‌گردد. 

برای اینکه مقدار یک آمپر را بهتر تصور کنید به موارد زیر توجّه کنید: یک باتری معمولی کمتر از یک آمپر جریان تولید می ‌کند. مدارهای داخلی خانه حداکثر می توانند جریانی معادل 20 آمپر را تحمل کنند. در هنگام استارت زدن، باتری ماشین حدود 100 آمپر جریان تأمین می‌ کند.

ولتاژ بین دو نقطه از مدار، نشان دهندة اختلاف پتانسیل الکتریکی بین آن دو نقطه می ‌باشد. به عبارت دیگر، ولتاژ نشان دهندة کار انجام شده بر واحد بار در مدار است و به یک معنی بیانگر فشار وارد بر بار الکتریکی در مدار می باشد. ولتاژ را می توان همانند فشار وارد بر آب در مدل آبی در نظر گرفت.

اگر چه مدل آبی بسیار مفید است ولی این نکته را باید یادآور شد که محدودیت هایی نیز در این مدل سازی وجود دارد. برای مثال اگر یک قسمت از سیم مدار بریده شود، جریان الکتریکی قطع می ‌شود، اما اگر لوله آب بریده شود، آب از آن محل خارج می  شود (مدار الکتریکی همانند سیستم آب پاش پارک ‌ها نمی‌باشد، یعنی اگر سیم قطع شود بارها از آن محل به بیرون ریخته نمی شوند).

در ضمن، شیر آب مانع جریان آب می ‌شود در حالی که یک کلید مانع بوجود آمدن هر نوع جریان الکتریکی می ‌گردد.

 تفاوت دیگر جریان الکتریکی با مدل آبی این است که مایع فقط می تواند در یک جهت در مسیر لوله حرکت کند ولی یک یا هر دو نوع بار، می‌توانند آزادانه در یک رسانا حرکت کنند (در مایعات و گازها هر دو نوع بار می‌توانند حرکت کنند).

البته در سال 1879 با در نظر گرفتن نتایج یک سری آزمایش مشخص شد که در فلزات، تنها بار منفی (الکترون ) است که حرکت می کند.

از دیدگاه بیرونی، عبور بار مثبت در یک جهت  معادل عبور بار منفی در جهت مخالف می ‌باشد. 

برای مثال دو کره فلزی خنثی را در نظر بگیرید. اگر یک کولن بار مثبت از کره A به کره B ببرید، کره B حامل 1 کولن بار مثبت اضافی خواهد شد و کره A نیز به اندازة 1 کولن کمبود بار مثبت خواهد داشت، که معادل داشتن یک کولن بار منفی اضافی است. اگر در ابتدا یک کولن بار منفی نیز از B به کره A می رفت وضعیت بار کره‌ها، به همین شکل می بود.

از آنجا که حرکت بار مثبت در یک جهت، معادل حرکت بار منفی در جهت دیگر است و بنا به دلایل تاریخی، وقتی از دیدگاه خارجی، عبور جریان مورد بررسی قرار می‌گیرد، فرض می‌کنیم که جریان الکتریکی فقط شامل حرکت بارهای مثبت است. به این فرض که در مدار بارهای مثبت در جریان هستند، اصطلاحاً جهت قرار دادی جریان گفته می شود. در مدار شکل فوق جهت حرکت واقعی بارهای الکتریکی، در یک رسانای فلزی دیده می شود.

منبع