الكتريسيته

[nafise sadeghi]

دید کلی

• چرا به عقب بدنه تانکرهای نفت جاده‌ای زنجیر کوتاهی که با سطح زمین تماس دارد؟
• آیا زدن رعد و برق بین ابرها نیز به علت وجود الکتریسیته ساکن در آنهاست؟
• چرا اگر میله فلزی را در دست بگیریم و مالش دهیم بار الکتریکی در آن ظاهر نمی‌شود؟
• چگونه می‌توان نشان داد یک میله فلزی هم در اثر مالش الکتریسیته‌دار می‌شود؟

تاریخچه

یوناینان باستان از مشاهدات خود نتیجه گرفتند که هرگاه کهربا را با پارچه پشمی یا پوست مالش دهند، اجسام سبکی را به خود جذب می‌کند. واژه الکتریسیته از کلمه یونانی الکترون به معنی کهربا گرفته شده است. این واژه اولین بار در نوشته‌های تالس ( 547 ـ 640 ق . م ) بکار رفته است. ویلیام گیلبرت ( 1544 ـ 1603 م )با انتشار کتابی درباره مغناطیس نظریات گذشتگان را مورد بررسی قرار داد. و نتیجه گرفت که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی از هم جدا می‌باشند.

برای مثال سنگ مغناطیس می‌تواند آهن و فقط چند ماده دیگر را جذب کند. در صورتی که کهربا و اجسامی که خاصیت الکتریکی دارند می‌توانند ذرات کوچک و سبک اجسام گوناگون را جذب کنند. وی عقیده داشت که اجسام الکتریکی اثر دافعه ندارد. در سال 1646 سرتوماس برادن تجربه‌های خود را درباره اثر دافعه الکتریکی منتشر نمود و اظهار کرد که بین مواد الکتریکی نیز همانند مواد مغناطیسی نیروهای جاذبه و داففه وجود دارند.

سر تحولی و رشد

در سال 1663 اتونون گریکه ماشینی ساخت که بوسیله آن بار الکتریکی زیادی تولید می‌شد. آنگاه دانشمندان دیگری چون استن گری ( 1670 ـ 1736 ) و شارل دونی ( 1698 ـ 1739 ) تجربه‌های دقیقتری انجام دادند، به خود و نوع الکتریسیته پی بردند. برای ایجاد الکتریسیته ساکن‌تری که می‌توانستند جرقه‌ها و تکانهای ترسناک الکتریکی تولید کنند.

برای مثال یکی از استادان فیزیک دانشگاه لندن بارهای الکتریکی این گونه ماشینها را در یک بطری پر از مایع جمع کرد. مقدار الکتریسیته در بطری لیدن آن قدر زیاد بود که اگر شخصی بطری را در دست می‌گرفت و دست دیگر خود را به میله سر بطری می‌زد تکان شدیدی در بدن خود احساس می‌کرد.

در قرن هیجدهم میلادی بطری لیدن مورد توجه بنیامین فرانکلین (1756 ـ 1790) قرار گرفت، وی پس از آزمایشهای متعدد نتایج کار خود را در سال 1747 منتشر کرد. او معتقد بود که دو نوع الکتریسیته که قبل از وی کشف شده بود اساسا باهم تفاوتی ندارد، بلکه حتی جسمی در اثر مالش دارای الکتریسیته می‌شود. یکی از دو جسم دارای الکتریسیته اضافی یعنی بار مثبت و دیگر دارای الکتریسیته منفی می‌شود.





قانون بقای بار الکتریکی

دو نوع بار الکتریکی وجود دارد و این بارهای الکتریکی که می‌توانند ساکن یا متحرک باشند و آثاری از خود ظاهر می‌سازند. از نظریه فارنکلین این نتیجه درست نیز بدست آمد که: «بارهای الکتریکی ایجاد نمی‌شوند و از بین نیز نمی‌روند بلکه از قسمتی از یک جسم به قسمت دیگر منتقل می‌شوند، همچنین بارهای مثبت و منفی از یکدیگر را خنثی می‌کنند، ولی هیچگاه نابود نمی‌شود.» این نتایج امروزه قانون بقای بار الکتریکی نامیده می‌شود که مانند قانون بقای جرم و انرژی از قوانین اساسی طبیعت محسوب می‌شود.

خواص بارهای الکتریسیته

با بررسی خواص بارهای الکتریکی بهتر به ماهیت ماده پی می‌بریم. مثلا این خاصیت که بارهای الکتریکی ممنوع یکدیگر را می‌رانند و بارهای الکتریکی یا نوع مخالف یکدیگر را می‌ربایند. این واقعیت را نشان می‌دهد که درون ماده نیروهای الکتریکی موجود است. نیروهای پیوستگی بین مولکول‌ها اجسام جامد یا مایع به سبب وجود نیروهای جاذبه الکتریکی بین بارهای الکتریکی از نوع مخالف است.

نیروهای متعددی که به هنگام تراکم ماده ظاهر می‌شود به علت وجود نیروهای رانشی بین بارهای الکتریکی ممنوع است. حرکت این بارهای الکتریکی ، موجب تولید جریان الکتریسیته و یا به اصطلاح متداول ، جریان برق می‌شود که ما در خانه و صنعت از آن استفاده می‌کنیم.

تولید الکتریسیته بوسیله مالش

می‌دانید هرگاه شانه یا یک میله پلاستیکی را با لباس خود یا با یک تکه پارچه پشمی خشک مالش دهید. ذره‌های گرد و غبار یا خرده‌های کاغذ را جذب می‌کند. همچنین اگر در هوای خشک ، سطح آینه یا شیشه پنجره را با یک تکه پارچه خشک تمیز کنید این پدیده اتفاق می‌افتد و ذره‌های گرد و غبار معلق در هوا و کرکهای جدا شده از پارچه به سطح آینه یا شیشه می‌چسبند. به طوری که پاک کردن سطح آنها از این ذره‌ها دشوار است. عاملی که سبب جذب این ذرات می‌شود جاذبه الکتریکی نام دارد و اجسامی که در اثر مالش این خاصیت را پیدا می‌کنند دارای الکتریسیته ساکن می‌شوند.





الکتریسیته مثبت و منفی

پدیده وضع الکتریکی نخستین بار در سال 1672 میلادی توسط اتوفن گریکه که با نام او آشنا هستید بیان شد. او مشاهده کرد که پرهای مرغ نخست جذب یک گلوله گوگردی باردار شده و سپس از آن رانده می‌شوند. صد و پنجاه سال بعد ، در فرانسه محققی به نام شارل دونی کشف کرد که دو جسم باردار همیشه یکدیگر را نمی‌رانند بلکه گاهی هم یکدیگر را می‌ربایند و به این نتیجه رسید که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. بطوری که بارهای الکتریکی ممنوع یکدیگر را می‌رانند و بارهای الکتریکی که نوع آنها مختلف است یکدیگر را می‌ربایند.

دونی برای تشخیص این دو نوع الکتریسیته یکی را الکتریسیته شیشه‌ای و دیگری از الکتریسیته صمغی (رزینی) نامید. الکتریسیته شیشه‌ای از مالیدن شیشه به پارچه ابر پشمی تولید می‌شود و الکتریسیته ضمغی از مالیدن کهربا ، گوگرد ، لاک و ابونیت و بسیاری از مواد دیگر به پشم یا پوست حیوان بدست می‌آید.

بعدها معلوم شد که این طرف نامگذاری در پاره‌ای از موارد گمراه کننده است. زیرا مثلا شیشه سنگی زبر و آن در اثر مالش ، الکتریسیته ضمغی تولید می‌کند و ابونیت بسیار صیقلی شده دارای نوع الکتریسیته شیشه‌ای می‌شود. از اینرو فرانکلین دانشمند آمریکایی اصطلاح امروزی الکتریسیته مثبت و منفی را بجای دو نوع شیشه‌ای و ضمغی وضع کرد.

آزمایش ساده برای تولید الکتریسیته ساکن

بنا به روش سنتی و قدیمی ، در آزمایشهای الکتریسیته ساکن برای تولید الکتریسیته مثبت شیشه را با ابریشم و برای تولید الکتریسیته منفی ، ابونیت را با پوست حیوان و مانند پوست گربه مالش می‌دهند. ولی امروزه استات سلولز برای تولید الکتریسیته مثبت و پلیتن برای تولید الکتریسیته منفی مناسبتر تشخیص داده شده است. زیرا رطوبت هوا بر روی آنها کمتر اثر می‌گذارد.

مواد الکتریسیته ساکن

• الکتروفور:
  
  در سال 1775 میلادی آلساندرو داتا که در ایتالیا معلم فیزیک بود. نامهای به پریستلی (کاشف اسپزن) نوشت و در آن نامه شرح داد. که اسبابی به نام الکتروفور اختراع کرده است. الکتروفور را می توان یک نوع ماشین مولد الکتریسیته ساکن نامید. در این دستگاه صفحه نارسانا در اثر مالش با پوست حیوان دارای بار الکترون منفی می‌شود و با قرار دادن صفحه فلزی روی آن ، قسمت بالایی صفحه در اثر القا دارای بار منفی و قسمت پایین صفحه دارای بار مثبت می‌شود.
  
  سطح پایینتر فلز بوسیله چند نقطه با سطح صفحه نارسانای زیرین تماس دارد. هرگاه سطح بالایی قرص بطور موقت به زمین وصل شود. الکترونها سطح بالایی زمین منتقل می‌شوند به این ترتیب صفحه فلزی دارای بار مثبت می‌شود

[nafise sadeghi]

جریان الکتریکی در الکتریسته ، جریان سرعت عبور الکترونها در یک سیم مسی یا جسم رسانا است. جریان قراردادی در تاریخ علم الکتریسته ابتدا به صورت عبور بارهای مثبت تعریف شد. هر چند امروزه می‌دانیم که در صورت داشتن رسانای فلزی ، جریان الکتریسته ناشی از عبور بارهای منفی ، الکترون ، در جهت مخالف است. علیرغم این درک اشتباه ، کماکان تعریف قراردادی جریان تغییری نکرده است. نمادی که عموما برای نشان دادن جریان الکتریکی (میزان باری که در ثانیه از مقطع هادی عبور می‌کند) در مدار بکار می‌رود، I است.

مقدمه

در یک هادی عایق شده مانند قطعه‌ای سیم مسی ، الکترونهای آزاد شبیه مولکولهای گازی که در ظرفی محبوس شده‌اند، حرکات کاتوره‌ای انجام می‌دهند و مجموعه حرکات آنها در طول سیم هیچ گونه جهت مشخصی ندارد. تعداد الکترونهایی که به چپ حرکت می‌کنند با تعداد الکترونهایی که به راست حرکت می‌کنند، یکی است و برآیند آنها صفر می‌باشد. ولی اگر دو سر سیم را به باتری وصل کنیم، این برآیند دیگر صفر نیست.





تاریخچه

تاریخ الکتریسیته به 600 سال قبل از میلاد می‌رسد. در داستانهای میلتوس (Miletus) می‌خوانیم که یک کهربا در اثر مالش کاه را جذب می‌کند. مغناطیس از موقعی شناخته شد که مشاهده گردید، بعضی از سنگها مثل مگنیتیت ، آهن را می‌ربایند. الکتریسیته و مغناطیس ، در ابتدا جداگانه توسعه پیدا کردند، تا این که در سال 1825 اورستد (Orested) رابطه‌ای بین آنها مشاهده کرد. بدین ترتیب اگر جریانی از سیم بگذرد می‌تواند یک جسم مغناطیسی را تحت تأثیر قرار دهد. بعدها فاراده کشف کرد که الکتریسیته و مغناطیس جدا از هم نیستند و در مبحث الکترومغناطیس قرار می‌گیرد.

مشخصات جریان الکتریکی

از نظر تاریخی نماد جریان I ، از کلمه آلمانی Intensit که به معنی شدت است، گرفته شده است. واحد جریان الکتریکی در دستگاه SI ، آمپر است. به همین علت بعضی اوقات جریان الکتریکی بطور غیر رسمی و به دلیل همانندی با واژه ولتاژ ، آمپراژ خوانده می‌شود. اما مهندسین از این گونه استفاده ناشیانه ، ناراضی هستند.

آیا شدت جریان در نقاط مختلف هادی متفاوت است؟

شدت جریان در هر سطح مقطع از هادی مقدار ثابتی است و بستگی به مساحت مقطع ندارد. مانند این که مقدار آبی که در هر سطح مقطع از لوله عبور می‌کند، همواره در واحد زمان همه جا مساوی است، حتی اگر سطح مقطعها مختلف باشد. ثابت بودن جریان الکتریسیته از این امر ناشی می‌شود که بار الکتریکی در هادی حفظ می‌شود. در هیچ نقطه‌ای بار الکتریکی نمی‌تواند روی هم متراکم شود و یا از هادی بیرون ریخته شود. به عبارت دیگر در هادی چشمه یا چاهی برای بار الکتریکی وجود ندارد.





سرعت رانش

میدان الکتریکی که بر روی الکترونهای هادی اثر می‌کند، هیچ گونه شتاب برآیندی ایجاد نمی‌کند. چون الکترونها پیوسته با یونهای هادی برخورد می‌کنند. لذا انرژی حاصل از شتاب الکترونها به انرژی نوسانی شبکه تبدیل می‌شود و الکترونها سرعت جریان متوسط ثابتی (سرعت رانش) در راستای خلاف جهت میدان الکتریکی بدست می‌آورند.

چگالی جریان الکتریکی

جریان I یک مشخصه برای اجسام رسانا است و مانند جرم ، حجم و ... یک کمیت کلی محسوب می‌شود. در حالی که کمیت ویژه‌ دانستیه یا چگالی جریان j است که یک کمیت برداری است و همواره منسوب به یک نقطه از هادی می‌باشد. در صورتی که جریان الکتریسیته در سطح مقطع یک هادی بطور یکنواخت جاری باشد، چگالی جریان برای تمام نقاط این مقطع برابر j = I/A است. در این رابطه A مساحت سطح مقطع است. بردار j در هر نقطه به طرفی که بار الکتریکی مثبت در آن نقطه حرکت می‌کند، متوجه است و بدین ترتیب یک الکترون در آن نقطه در جهت j حرکت خواهد کرد.

اشکال مختلف جریان الکتریکی

در هادیهای فلزی ، مانند سیمها ، جریان ناشی از عبور الکترونها است، اما این امر در مورد اکثر هادیهای غیر فلزی صادق نیست. جریان الکتریکی در الکترولیتها ، عبور اتمهای باردار شده به صورت الکتریکی (یونها) است، که در هر دو نوع مثبت و منفی وجود دارند. برای مثال، یک پیل الکتروشیمیایی ممکن است با آب نمک (یک محلول از کلرید سدیم) در یک طرف غشا و آب خالص در طرف دیگر ساخته شود. غشا به یونهای مثبت سدیم اجازه عبور می‌دهد، اما به یونهای منفی کلر این اجازه را نمی‌دهد. بنابراین یک جریان خالص ایجاد می‌شود.

جریان الکتریکی در پلاسما عبور الکترونها ، مانند یونهای مثبت و منفی است. در آب یخ زده و در برخی از الکترولیتهای جامد ، عبور پروتونها ، جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. نمونه‌هایی هم وجود دارد که علیرغم اینکه در آنها ، الکترونها بارهایی هستند که از نظر فیزیکی حرکت می‌کنند، اما تصور جریان مانند 'حفره‌های (نقاطی که برای خنثی شدن از نظر الکتریکی نیاز به یک الکترون دارند) مثبت متحرک ، قابل فهم تر است. این شرایطی است که در یک نیم هادی نوع p وجود دارد.

اندازه گیری جریان الکتریکی

جریان الکتریکی را می‌توان مستقیما توسط یک گالوانومتر اندازه گیری کرد. اما این روش نیاز به قطع مدار دارد که گاهی مشکل است. جریان را می‌توان بدون قطع مدار و توسط اندازه گیری میدان مغناطیسی که جریان تولید می‌کند، محاسبه کرد. ابزارهای مورد نیاز برای این کار شامل سنسورهای اثر هال ، کلمپ گیره‌های جریان و سیم پیچهای روگووسکی است.

مقاومت الکتریکی

اگر اختلاف پتانسیل معینی را یک بار به دو انتهای سیم مسی و بار دیگر به دو انتهای میله چوبی وصل کنیم، شدت جریانهای حاصل در هر لحظه با هم اختلاف زیادی خواهند داشت. خاصیتی از هادی را که اختلاف مزبور را باعث می‌شود، مقاومت الکتریکی گویند، که آن را با R نشان می‌دهند و مقدار آن برابر R = V/I است که در آن V اختلاف پتانسیل بین دو سر سیم و I جریان الکتریکی است. واحد مقاومت الکتریکی اهم یا ولت بر آمپر می‌باشد.

توان الکتریکی

یک مدار الکتریکی را در نظر می‌گیریم که حامل جریان I و ولتاژ V بوده و یک مقاومت Rدر آن قرار دارد. بار الکتریکی dq موقع عبور از مقاومت به اندازه Vdq ، از انرژی پتانسیل الکتریکی خود را از دست می‌دهد. طبق قانون بقای انرژی ، این انرژی در مقاومت به صورت دیگری ، مثلا گرما ظاهر می‌شود. گر در مدت زمان dt ، انرژی du حاصل شود، در این صورت داریم:

P=du/dt

در این رابطه P ، توان الکتریکی است که دارای واحد وات می‌باشد. برای یک مقاومت می‌توان توان را به صورت زیر:

P = RI2

نوشت

[nafise sadeghi]

مقاومت الکتریکی

یک مقاومت ایده‌ال عنصری است با یک مقاومت الکتریکی که صرفنظر از ولتاژ اعمالی به دو سرش یا جریان الکتریکی عبوری از آن ، ثابت می‌ماند. اما بدلیل اینکه مقاومتهای جهان واقعی نمی‌توانند این شرایط ایده‌ال را برآورده سازند، آنها را بگونه‌ای طراحی می‌کنند که در برابر تغییرات دما و دیگر عوامل محیطی ، نوسانات کمی در مقاومت الکتریکی شان ایجاد شود. مقاومتها ممکن است که ثابت یا متغییر باشند. مقاومتهای متغیر پتانسیومتر یا رئوستا نیز خوانده می‌شوند و این اجازه را می‌دهند که مقاومت وسیله توسط تنظیم یک میله یا لغزش یک ابزار کنترلی ، تغییر کند.







برخی از مقاومتها بلند و نازک هستند و ماده مقاوم حقیقی در وسط آنها قرار دارد و یک پایه هادی در هر انتهای آن نصب شده است. به این مقاومت بسته محوری گفته می‌شود. تصویر سمت راست یک ردیف از مقاومتهایی را نشان می‌دهد که عموما در یک بسته بندی قرار داده می‌شوند. مقاومتهای استفاده شده در کامپیوترها و دیگر وسایل ، نوعا خیلی کوچکتراند و اغلب در بسته‌های با پایه سطحی (فن آوری پایه سطحی) بدون سیمهای رابط بکار می‌روند. مقاومتهای با توان بالاتر را در بسته‌های محکمتری قرار می‌دهند و بگونه‌ای طراحی شده‌اند که گرما را بطور موثری از بین ببرند، اما تمامی آنها دارای همان ساختار قبلی مقاومتها هستند.

مقاومتها به عنوان بخشی از شبکه‌های الکتریکی بکار می‌روند و در علم میکرو الکترونیک و ابزارهای نیمه هادی شرکت دارند. اندازه گیری دقیق یک مقاومت بصورت نسبت ولتاژ به جریان است و واحد آن در دستگاه SI، اهم است. یک عنصر دارای مقاومت 1 اهم است اگر یک ولتاژ 1 ولتی دو سر عنصر منجر به یک جریان 1 آمپر شود که معادل جریان یک کولمب بار الکتریکی (تقریبا 6.242506 X 10 18 الکترون) در ثانیه در جهت مخالف است.

یک جسم فیزیکی نوعی مقاومت است. اکثر فلزات، مواد هادی هستند و در برابر جریان الکتریسته مقاومت کمی دارند. بدن انسان ، یک تکه پلاستیک ، یا حتی یک خلا دارای مقاومتهایی هستند که قابل اندازه گیری است. موادی که دارای مقاومتهای بسیار بالایی هستند عایق نامیده می‌شوند.







رابطه بین ولتاژ ، جریان و مقاومت در یک جسم توسط یک معادله ساده که از قانون اهم گرفته شده و اغلب با آن اشتباه می‌شود، بیان می‌شود:

V = IR

که در آن V ولتاژ دو سر مقاومت بر حسب ولت ، I جریان عبور کننده از مقاومت بر حسب آمپر و R مقدار مقاومت بر حسب اهم است. اگر V و I دارای یک رابطه خطی باشند که به مفهوم ثابت بودن R در یک محدوده است، آنگاه این ماده در آن محدوده اهمی خوانده می‌شود. یک مقاومت ایده آل دارای مقاومت ثابت در تمامی فرکانسها و مقادیر ولتاژ و جریان است. مواد ابر رسانا در دماهای بسیار پایین دارای مقاومت صفر هستند. عایقها ( نظیر آزمایشهای مربوط به هوا ، الماس ، یا مواد غیر هادی) ممکن است دارای مقاومتهایی بسیار بالا (اما نه بینهایت) باشند. لکن تحت ولتاژهای به میزان کافی زیاد، دچار شکست می شوند و جریان بزرگی را از خود عبور می‌دهند.

مقاومت یک عنصر را می‌توان از مشخصه‌های فیزیکی آن محاسبه کرد. مقاومت با طول عنصر و مقاومت ویژه (یک خاصیت فیزیکی ماده) آن بطور مستقیم متناسب است و با سطح مقطع آن رابطه عکس دارد. معادله محاسبه مقاومت یک بخش ماده مانند زیر است:

R = rL/A

که در آن r مقاومت ویژه ماده ، L طول و A مساحت سطح مقطع است. این معادله را می‌توان برای موادی که از نظر شکل پیچیده‌ترند، بصورت انتگرالی نیز نوشت. اما این فرمول ساده برای سیمهای استوانه‌ای و اغلب هادیهای عمومی قابل استفاده است. این مقدار می‌تواند در فرکانسهای بالا به علت اثر پوستی ، که سطح مقطع در دسترس را کاهش می‌دهد، تغییر کند. مقاومتهای استاندارد را در مقادیری از چند میلی اهم تا حدود یک گیگا اهم به فروش می‌رسانند. تنها محدوده مشخصی از مقادیر که مقادیر ترجیح داده شده نام دارند در دسترس هستند.

در عمل ، اجزای گسسته فروخته شده به عنوان مقاومت ، یک مقاومت کامل آنگونه که در بالا تعریف شد، نیستند. مقاومتها معمولا توسط خطایشان (حداکثر تغییرات مورد انتظار نسبت به مقاومت مشخص شده) بیان می‌شوند.
در یک مقاومت با رنگ کد گذاری شده باند منتهی الیه سمت راست. اگر به رنگ نقره‌ای باشد خطای 10 درصد ، اگر به رنگ طلایی باشد خطای 5 درصد ، اگر به رنگ قرمز باشد خطای 2 درصد و اگر به رنگ قهوه‌ای باشد خطای 1 درصد را نشان می‌دهد. مقاومتهای با خطای کمتر هم وجود دارند که مقاومتهای دقیق خوانده می‌شوند.

یک مقاومت دارای حداکثر ولتاژ و جریانی است که فراتر از آنها ، مقاومت ممکن است تغییر کند (در بعضی موارد به شدت) یا از نظر فیزیکی از بین برود (برای مثال بسوزد). اگر چه که برخی از مقاومتها دارای ولتاژ و جریان نامی‌اند، اغلب آنها توسط یک توان فیزیکی حداکثر که توسط اندازه فیزیکی تعیین می‌شود، ارزیابی می‌شوند. عموما توان نامی برای مقاومتهای کامپوزیت کربن و مقاومتهای ورقه فلزی 1.8 وات ، 1.4 وات و 1.2 وات است. مقاومتهای ورق فلزی نسبت به مقاومتهای کربنی در برابر تغییرات دما و گذر زمان پایدارترند.

مقاومتهای بزرگتر قادرند که گرمای بیشتری را بدلیل سطح وسیعترشان از بین ببرند. مقاومتهای سیم پیچی شده و پر شده با شن هنگامی بکار می‌روند که توان نامی بالاتری مانند 20 وات مورد نیاز باشد. بعلاوه تمامی مقاومتهای حقیقی کمی خواص سلفی و خازنی از خود نشان می‌دهند که رفتار دینامیکی مقاومت ، ناشی از معادله ایده آل آن را تغییر می‌دهد.
هر کدام از مقاومتهای یک ساختار مداری سری و موازی دارای اختلاف پتانسیل (ولتاژ) یکسان هستند. برای محاسبه مقاومت معادل کل آنها:

Req-1 = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn

خاصیت موازی بودن را می‌توان برای ساده سازی معادله ، با دو خط موازی (مانند هندسه) در معادلات نمایش داد. برای دو مقاومت موازی داریم:

(Req = R1R2/(R1 + R2

جریان هر مقاومت در مدارهای سری و موازی ثابت است، اما ولتاژ در طول هر مقاومت ممکن است متفاوت باشد. مجموع اختلاف پتانسیلها (ولتاژ) برابر ولتاژ کلی است. برای محاسبه مقاومت کلی آنها:

R = R1 + R2 + … + Rn

یک شبکه مقاومتی که ترکیبی از مدارهای سری و موازی است را می‌توان به اجزا کوچکتری تجزیه کرد که یکسان یا غیر یکسانند. برای مثال:

Req = R1R2/(R1 + R2) + R3

مقاومتهای متغیر

مقاومت متغیر مقاومتی است که مقدارش می‌تواند توسط یک حرکت مکانیکی تعیین شود، برای مثال توسط دست تنظیم شود. مقاومتهای متغیر می‌توانند از نوع ارزان و تک دور یا از نوع چند دور با یک عنصر مارپیچی باشند. برخی از آنها حتی دارای نمایشگر مکانیکی تعداد دور نیز هستند. بطور سنتی مقاومتهای متغیر نامطمئن بوده‌اند، چرا که سیم یا فلز خورده یا فرسوده می‌شوند. (یک روش دیگر کنترل که در واقع یک مقاومت نیست اما شبیه آن عمل می‌کند، شامل یک سیستم سنسور فتو الکتریک است که چگالی نوری یک ورقه را اندازه می‌گیرد. بدلیل اینکه سنسور ورقه را لمس نمی‌کند، پوسیدگی رخ نمی‌دهد.)

یک پتانسیومتر نوعی از مقاومتهای متغییر است که بسیار عام است. یکی از استفاده‌های عمومی آن به عنوان کنترل صدا در تقویت کننده‌های صوتی است. یک واریستور اکسید فلزی ، یا MOV نوع بخصوصی از مقاومت است که دارای دو مقدار مقاومت بسیارمتفاوت است، یک مقاومت بسیار بالا در ولتاژ پایین (زیر ولتاژ راه انداز) و یک مقاومت بسیار کم در ولتاژ بالا (بالاتر از ولتاژ راه انداز). این نوع از مقاومت معمولا برای حفاظت اتصال کوتاه در برقگیر تیر برق خیابانها یا به عنوان یک اسنابر استفاده می‌‌‌شود. یک مقاومت با ضریب دمایی مثبت/PTC یک مقاومت وابسته به دما است که دارای یک ضریب دمایی مثبت است.

وقتی که دما افزایش می‌یابد، مقاومت هم زیاد می‌شود. PTC ها اغلب در تلویزیونها بصورت سری با سیم پیچ دمغناطیس کننده یافت می‌شوند که یک جرقه جریان کوتاه را از طریق سیم پیچ در هنگام روشن کردن تلویزیون ایجاد می‌کند. یک نسخه تخصصی یک PTC چند سوییچ است که مانند یک فیوز خود تعمیر عمل می‌کند. یک مقاومت با ضریب دمایی منفی/NTC نیز یک مقاومت وابسته به دماست، اما دارای یک ضریب دمایی منفی است. وقتی که دما افزایش می‌یابد مقاومت NTC کاهش می‌یابد. NTC ها عموما در آشکار سازهای دمای ساده و در ابزارهای اندازه گیری بکار می‌روند.

[nafise sadeghi]

اطلاعات اولیه

اگر در سلول دانیل ، محلولهای 1M از ZnSO4 و 1M از CuSO4 بکار رفته باشد، آن سلول را با نماد گذاری زیر نشان می‌دهیم:

(Zn(s)|Zn2+(1M)|Cu2+(1M)|Cu(s

که در ان ، خطوط کوتاه عمودی ، حدود فازها را نشان می‌دهند. بنابر قرارداد ، ماده تشکیل دهنده آند را اول و ماده تشکیل دهنده کاتد را در آخر می‌نویسیم و مواد دیگر را به ترتیبی که از طرف آند به کاتد با آنها برخورد می‌کنیم، میان آنها قرار می‌دهیم.

جریان الکتریکی تولید شده در یک سلول ولتایی ، نتیجه نیروی محرکه الکتریکی (emf) سلول است که بر حسب ولت اندازه گیری می‌شود. هرچه تمایل وقوع واکنش سلول بیشتر باشد، نیروی محرکه الکتریکی آن بیشتر خواهد بود. اما emf یک سلول معین ، به دما و غلظت موادی که در آن بکار رفته است، نیز بستگی دارد.

emf استاندارد

ْε یا emf استاندارد ، مربوط به نیروی محرکه سلولی است. که در آن ، تمام واکنش‌دهنده‌ها و محصولات واکنش ، در حالت استاندارد خود باشند. مقادیر ْε معمولا برای اندازه گیری‌هایی که در آن 25 درجه سانتی‌گراد به عمل آمده، معین شده است. البته حالت استاندارد یک جامد یا یک مایع ، خود آن جامد خالص یا مایع خالص است. حالت استاندارد یک گاز یا یک ماده خالص در یک محلول ، حالتی است که دارای فعالیت واحد ایده‌آل باشد. اما این حالت ایده‌آل ، به‌علت جاذبه‌های بین مولکولی و بین یونی ، عملا قابل حصول نیست. به همین علت ، تصحیحات لازم برای انحراف از حالت ایده آل بایستی به عمل آید.

در این بحث فرض می‌کنیم که بتوانیم فعالیت یونها را با غلظت مولی آنها و فعالیت گازها را با فشار آنها برحسب اتمسفر نشان دهیم. از این رو ، با درنظر گرفتن این تقریب ، یک سلول استاندارد شامل یونهای با غلظت 1M و گازهایی ( اگر وجود داشته باشند ) با فشار 1atm خواهد بود.



اندازه‌گیری emf

هرگاه بخواهیم emf یک سلول را به‌عنوان میزان قابل اطمینانی برای تمایل وقوع واکنش آن سلول بکار بگیریم، ولتاژ سلول باید بیشترین مقداری باشد که بتوان از آن سلول بدست آورد. اگر به هنگام اندازه‌گیری ، مقدار محسوسی از الکتریسیته جریان پیدا کند، ولتاژ اندازه گیری شده ، ε ، به‌علت مقاومت درون سلول کاهش خواهد یافت. علاوه بر این ، وقتی که سلول جریان تولید می‌کند، واکنشهای الکترودی موجب تغییر غلظت و در نتیجه کاهش ولتاژ می‌شود.

بنابراین ، emf یک سلول باید به طریقی اندازه‌گیری شود که الکتریسیته محسوسی در سلول جاری نشود. این کار با استفاده از پتانسیل‌سنج صورت می‌گیرد. مدار پتانسیل سنج شامل منبع جریانی با ولتاژ تغییر پذیر و وسیله ای برای اندازه‌گیری این ولتاژ است. سلول مورد مطالعه به نحوی که به مدار پتانسیل سنج متصل می‌شود که emf آن با emf منبع جریان پتانسیل سنج مقابله کند.

emf برگشت پذیر

اگر emf سلول ، بیشتر از emf پتانسیل سنج باشد، الکترونها در جهت عادی ، یعنی در جهت عادی ، یعنی در جهت تخلیه خودبخودی این نوع سلول ، جریان پیدا می‌کنند. از طرف دیگر ، اگر emf منبع جریان پتانسیل سنج بیش از emf سلول باشد، الکترونها در جهت مخالف جریان پیدا می‌کنند و این موجب می‌شود که واکنش سلول در جهت عکس صورت گیرد. هرگاه این دو نیروی محرکه الکتریکی ، دقیقا با یکدیگر برابر باشند، الکترونها جریان پیدا نمی‌کنند. این ولتاژ ، emf برگشت پذیر سلول می‌باشد. emf یک سلول دانیل استاندارد برابر با 1,10 V است.

محاسبه emf

قوانین فارادی درباره واکنشهای سلولهای ولتایی و همچنین سلولهای الکترولیتی بکار می‌آید. اما باید به این نکته توجه داشت که الکتریسیته بوسیله نیم واکنشهای اکسایش و کاهش که همزمان در کاتد و آند صورت می‌گیرند، تولید می‌شود و سلول در صورتی جریان تولید می‌کند که هر دو نیم واکنش صورت گیرند.

بنابراین ، از اکسایش 1mol فلز روی ، هنگامی دو فارادی الکتریسیته تولید می‌شود که همراه با آن ، 1mol یون 2+Cu در کاتد کاهش یابد. معادلات جزئی:

آند Zn → Zn2+ + 2e


کاتد 2e + Cu2+ → Cu

وقتی که برحسب مول بیان می‌شوند، نمایانگر به جریان افتادن 2N الکترون (N عدد آووگادرو است) یا تولید 2F الکتریسیته است. در یک سلول ، مقدار انرژی الکتریکی تولید شده ، برحسب ژول برابر با حاصلضرب مقدار الکتریسیته حاصل ، برحسب کولن ، در emf سلول ، برحسب ولت است. بنابراین انرژی الکتریکی تولید شده از واکنش 1mol یونهای مس II را می‌توان به‌صورت زیر حساب کرد:

96500C *2 (1,10V)=212000J = 212 KJ

یک ولت کولن یک ژول است.
Emf بکار رفته در این محاسبه ، emf برگشت پذیر ( ْε ) سلول دانیل استاندارد و از این رو ، ماکسیمم ولتاژ این سلول است. پس ، مقدار انرژی محاسبه شده (212KJ) ماکسیمم کاری است که از عملکرد این نوع سلول بدست می‌آید. بیشترین کار خالصی که می‌توان از یک واکنش شیمیایی که در فشار و دمای ثابت انجام می‌گیرد، بدست آورد، میزانی از کاهش انرژی آزاد گیبس این سیستم است. برای سلول دانیل استاندارد ، G∆ برابر -212KJ است. از این رو:

G=-nFε∆

که در آن ، n تعداد مولهای الکترون منتقل شده در واکنش (یا تعداد فارادیهای تولید شده) ، F مقدار فارادی برحسب واحدهای مناسب و ε نیروی محرکه الکتریکی برحسب ولت است. اگر F را به صورت 96485C بیان کنیم، G∆ برحسب ژول بدست می‌آید. تغییر انرژی آزادی که از emf استاندارد ، ْε حاصل می‌شود، با نماد ْG∆ مشخص می‌شود. تغییر انرژی آزاد یک واکنش ، میزان تمایل وقوع آن واکنش را نشان می‌دهد.

اگر برای ایجاد تغییبری در یک سیستم لازم باشد که بر سیستم انجام شود، آن تغییر خود بخود نخواهد بود. یک تغییر خودبخود ، در فشار و دمای ثابت ، آن گونه تغییری است که بتوانیم از آن ، کار خالص بدست آوریم. پس برای هر واکنش خودبخود ، انرژی سیستم کاهش می‌یابد، یعنی G∆ منفی است. چون G=-nFε∆ است، فقط وقتی که ε مثبت باشد، واکنش سلول خودبخود خواهد بود و سلول می‌تواند به عنوان منبع انرژی الکتریکی بکار آید

[nafise sadeghi]

دید کلی

آهنربای دائمی با کیفیت بالا کاربردهای بسیار زیاد و مهمی در علم و انقلاب تکنولوژیک ، مثلا در اسبابهای اندازه گیری الکتریکی دارند. ولی میدانهایی که توسط آنها ایجاد می‌شود خیلی قوی نیست، اگر چه آلیاژهای مخصوصی که اخیرا بدست آمده‌اند داشتن آهنربای دائمی قوی که خواص مغناطیسی خود را برای مدت مدیدی حفظ کنند امکان پذیر ساخته است. از جمله این آلیاژها ، مثلا فولاد-کبالت است که شامل حدود 50% آهن ، 30% کبالت و مخلوطهایی از تنگستن ، کروم و کربن است.







عیب دیگر آهنربای دائمی این است که القای مغناطیسی آنها نمی‌تواند به سرعت تغییر کنند. از این نظر ، سیملوله‌های حامل جریان (آهنرباهای الکتریکی) بسیار مناسبند. زیرا با تغییر جریان در سیم پیچ سیملوله می‌توان میدان آنها را به آسانی تغییر داد. با قرار دادن هسته آهنی داخل سیملوله ، میدان آن را می‌توان صدها هزار بار افزایش داد. بیشتر آهنرباهای الکتریکی که در مهندسی بکار می‌روند چنین ساختمانی دارند.

ساخت آهنربای الکتریکی ساده

آهنربای الکتریکی ساده را می‌توان در منزل ساخت. کافی است که چندین دور سیم عایق شده‌ای را بر یک میله آهنی (پیچ یا میخ ، بپیچانیم و دو انتهای سیم را به یک منبع dc نظیر انبار ، یا پیل گالوانی وصل کنیم. بهتر است آهن ابتدا تابکاری شود، یعنی ، تا دمای سرخ شدن داغ شود. مثلا در کوره گرم و سپس به آرامی سرد شود. سیم پیچ باید توسط رئوستایی با مقاومت 1W تا 20W به باتری وصل شود، بطوری که جریان مصرف شده از باتری خیلی شدید نباشد. گاهی آهنرباهای الکتریکی شکل نعل اسب را دارند که برای نگه داشتن بار بسیار مناسبترند.

ساختار آهنربای الکتریکی

میدان پیچه با هسته آهنی بسیار قویتر از پیچه بدون هسته است، زیرا آهن درون پیچه شدیدا مغناطیده و میدان آن بر میدان پیچه منطبق است. ولی ، هسته‌هایی آهنی که در آهنرباهای الکتریکی برای تقویت میدان بکار می‌روند، فقط تا حدود معینی مقرون به مساحت‌اند. در واقع ، میدان آهنرباهای الکتریکی عبارت است از برهمنهی میدان حاصل از سیم ‌پیچ حامل جریان و میدان هسته مغناطیده ، برای جریانهای ضعیف ، میدان دوم به مراتب قویتر از میدان اولی است.

وقتی که میدان در سیم پیچ افزایش می‌یابد، ابتدا این دو میدان به یک میزان معینی متناسب با جریان افزایش می‌یابند، بطوری که نقش هسته تعیین کننده می‌ماند. ولی ، با افزایش بیشتر جریانی که از سیم پیچ می‌گذرد، مغناطش آهن کند می‌شود و آهن به حالت اشباع مغناطیسی نزدیک می‌شود. وقتی که عملا تمام جریانهای مولکولی موازی شدند، افزایش بیشتر جریانی که از سیم ‌پیچ می‌گذرد نمی‌تواند چیزی بر مغناطش آهن اضافه کند، در حالی که میدان سیم‌ پیچ به زیاد شدن متناسب با جریان ادامه می‌دهد.

هرگاه جریان شدید از سیم‌ پیچ (برای دقت بیشتر ، در لحظه‌ای که تعداد آمپر ـ دورها در متر به 106 نزدیک می‌شود.) بگذارند، میدان حاصل از سیم ‌پیچ بسیار قویتر از میدان هسته آهنی اشباع شده می‌شود. بطوری که هسته عملا بی‌فایده می‌شود و فقط ساختمان آهنربای الکتریکی را پیچیده می‌کند. به این دلیل ، آهنرباهای الکتریکی ، پر قدرت بدون هسته آهنی ساخته می‌شوند.

آهنربای الکتریکی پر قدرت

تهیه آهنرباهای الکتریکی پرقدرت مسأله انقلاب تکنولوژیک بسیار پیچیده‌ای است. در واقع ، برای اینکه بتوانیم جریانهای بزرگی را بکار بریم، سیم‌پیچها باید از سیم کلفتی ساخته شوند. در غیر این صورت ، سیم‌ پیچ شدیدا گرم و حتی گداخته می‌شود. گاهی بجای سیم از لوله‌های مسی استفاده می‌شود، که در آن جریان نیرومند آب برای خنک کردن سریع دیواره‌های لوله که جریان از آن می‌گذرد گردش می‌کند. ولی با سیم ‌پیچی که از سیم کلفت یا لوله ساخته شده است داشتن تعداد زیادی دور در واحد طول ناممکن است.

از طرف دیگر ، استفاده از سیم نازک تعداد دورهای زیادی را در واحد متر ممکن می‌سازد، نمی‌گذارد تا جریانهای زیاد را بکار بریم. پیشرفت زیادی را در ایجاد میدانهای مغناطیسی بدست آمده به بهره گیری از ابررسانا‌ها در سیم پیچهای مغناطیسها مربوط می‌شود، که بکار بردن جریانهای شدید را مقدور می‌سازد.

تکنیک کاپیتزا

کاپیتزا (P.L. kapitza) فیزیکدان شوروی سابق راه هوشمندانه‌ای را برای بیرون آمدن از این وضع پیشنهاد کرد. او جریانهای عظیم 104 آمپر را برای مدت بسیار کوتاهی حدود 0.01 s از سیملوله‌ای گذرانید. در این مدت ، سیم ‌پیچ سیملوله خیلی شدید گرم نشد، در حالی که میدانهای مغناطیسی کوتاه مدت شدیدی بدست آمده بودند.

البته او وسایل خاصی را ترتیب داد که برای ثبت نتایج آزمایشهایی که در آنها اثر میدان مغناطیسی پرقدرت حاصل در سیملوله برای اجسام گوناگون مورد بررسی قرار می‌گرفتند. در اغلب کاربردهای فنی ، تعداد آمپر ـ دورها در سیم ‌پیچهای آهنرباهای الکتریکی میدانهای نسبتا شدید می‌توان بدست آورد (با القای چند تسلا).

[nafise sadeghi]

تعداد خطوط میدان الکتریکی که از سطح عمود بر مسیر خطوط عبور می‌‌کنند، را شار الکتریکی می‌گویند. شار یکی از خواص تمام میدانهای برداری است که آن را برای میدان الکتریکی به صورت تعریف می‌کنند.

مقدمه

فرض کنید یک حلقه سیم چهار گوش را در جهت جریان آب طوری قرار داده‌ایم که صفحه حلقه بر راستای جریان آب عمود است. اگر مساحت حلقه را A و سرعت جریان آب را با v نشان دهیم، در این صورت آهنگ شارش آب از درون حلقه را که با Ф نشان می‌‌دهند، به صورت Ф=Av تعریف می‌‌شود. Ф را شار می‌‌گویند.

اگر حلقه بر راستای جریان آب عمود نبوده، بلکه با بردار سرعت جریان آب زاویه θ بسازد، در این صورت شار به صورت Ф=BAcosθ در می‌‌آید. عین همین قضیه در مورد میدان الکتریکی نیز برقرار است. از الکترواستاتیک می‌‌دانیم که میدان الکتریکی حاصل از یک توزیع بار بوسیله خطوطی که به عنوان خطوط نیرو معروف هستند، نشان داده می‌‌شود. بنابراین در هر ناحیه اگر یک سطح بسته فرضی در نظر بگیریم، این سطح بوسیله یک بردار عمود بر آن مشخص می‌‌گردد. این بردار را بردار نرمال می‌‌گویند.

بنابراین اگر خطوط نیرو با بردار نرمال زاویه θ بسازند و مساحت سطح برابر A باشد، در این صورت کافی است میدان حاصل از تعداد خطوط نیرو موجود در داخل سطح را در مساحت سطح ضرب کنیم. این کار را با استفاده از انتگرال انجام می‌‌دهند، یعنی سطح را به المانهای کوچک سطح dA تقسیم می‌‌کنند. المانها چون به اندازه دلخواه کوچک انتخاب می‌‌شوند، بنابراین می‌‌توان میدان الکتریکی را در داخل المان سطح dA ثابت فرض کرد. بنابراین اگر هر المان را در E موجود در داخل آن ضرب کرده و سهم مربوط به تمام المانها را جمع کنیم، شار الکتریکی حاصل می‌‌شود و این همان تعریف انتگرال است، یعنی به زبان ریاضی می‌‌توان گفت:

مثال

فرض کنید در یک میدان الکتریکی یکنواخت E ، یک استوانه طوری قرار داده شده است که محور استوانه با میدان موازی است. سطح استوانه را می‌‌توان به سه سطح مجزا تقسیم نموده و شار مربوط به هر کدام را مجزا حساب نموده و نتیجه را با هم جمع کرد. در طرفین استوانه ، در یک طرف جهت میدان و جهت بردار عمود بر سطح در یک راستا و هم جهت هستند، بنابراین اگر مساحت آن را با A نشان دهیم، چون میدان الکتریکی یکنواخت است، لذا سهم شار مربوط به این سطح برابر EA خواهد بود.

اما در قاعده دیگر استوانه ، جهت میدان و جهت بردار عمود بر سطح با هم زاویه 180 درجه می‌‌سازند. لذا اگر مساحت آن A باشد، شار آن برابر EA- خواهد بود و بالاخره در مورد سطح جانبی استوانه بردار عمود بر سطح و میدان الکتریکی بر هم عمودند، لذا سهم شار مربوط به سطح جانبی صفر خواهد شد. به این ترتیب شار الکتریکی کل که از سطح استوانه می‌‌گذرد، صفر خواهد بود. این مساله تعجب آور نیست، چون خطوط نیرو از یک طرف وارد و از طرف دیگر خارج می‌‌شوند و اصلا از سطح جانبی شاری عبور نمی‌‌کند.

شار الکتریکی و قانون گاوس در الکتریسیته

با فهمیدن مفهوم شار الکتریکی می‌‌توان قانون گاوس را به زبان شار الکتریکی بیان نمود. به بیان دیگر ، اگر سطح گاوسی بیانگر سطحی باشد که شار الکتریکی در داخل آن مورد نظر باشد، قانون گاوس را می‌‌توان این گونه بیان نمود که شار الکتریکیی که از داخل یک سطح بسته مفروض عبور می‌‌کند، برابر q/ε_0 است. ε_0 گذردهی الکتریکی خلا می‌‌باشد.

یکای شار الکتریکی

از آنجا که شار الکتریکی را به صورت حاصلضرب مساحت سطح در میدان الکتریکی جاری شده از داخل آن تعریف کردیم، لذا چون یکای میدان الکتریکی را نیوتن بر کولن در نظر می‌‌گیریم، بنابراین یکای شار الکتریکی نیز برابر نیوتن در متر مربع بر کولن خواهد بود که به اختصار به صورت نشان داده می‌‌شود

[nafise sadeghi]

تعریف نظریه الکترونی :


نظریه ای که خواص الکتریکی اجسام را به وجود الکترونهای داخل آنها و حرکتشان نسبت می دهد، نظریه الکترونی نامیده می شود.


حوزه عمل نظریه الکترونی:


این نظریه بسیاری ازپدیده های فیزیکی را به طریقی ساده و ملموس توجیه می کند. به این دلیل مفاهیم الکترون در پذیرش و مطالعه این نظریه لازم است. و اکثر آزمایش های الکتریسته با این نظریه توجیه و تحلیل می شود.


تحلیل چند آزمایش با نظریه الکترونی:

• در فلزات و رساناها بارهای الکتریکی می توانند به آسانی از جسمی به جسم دیگر عبور کنند این به معنی این است که بارهای الکتریکی می توانند آزادانه در رسانا ها حرکت کنند. بر این اساس جسمی که بارهای الکتریکی بتوانند آزادانه در آن حرکت کنند، رسانای خوبی است.

• شیشه رسانای ضعیفی است. می توانیم نتیجه بگیریم که حرکت ذرات الکتریکی از ناحیه ای در داخل شیشه (و سایر رسانا ها) به ناحیه دیگر با مانع مواجه است. در محلول هایی با رسانایی بالا (مثل نمک معمولی) ، بارهای مثبت و منفی می توانند به آسانی حرکت کنند.
  
  البته در فلزات یونها حرکت نمی کنند و تنها حاملین بار در فلزات الکترونها هستند. الکترونهایی که آزادانه در فلز حرکت می کنند الکترونهای آزاد یا الکترونهای رسانشی نامیده می شوند.

تاثیر باردار کردن اجسام روی ساختارش:


وقتی که جسمی را باردار می کنیم، در آن در مقایشه با تعداد عادی الکترونها در جسم پایدار نشده ، اضافه یا کمبود الکترون بوجود می آوریم. در این مورد الکترونها از جسم دیگری عاریه گرفته می شوند، آنها نه بوجود می آیند و نه نابود می شوند «قانون بقای بار) در نتیجه بار دار کردن و یا بی بار کردن اجسام عبارتست از توزیع دیگری از الکترونها بدون هیچ تغییری در تعداد کلی آنها.


توزیع بار روی اجسام:


وقتی رسانایی به رسانای بی بار متصل شود، بار بین دو جسم توزیع می شود. و مهم است بدانید که بار الکتریکی روی سطوح خارجی اجسام رسانا توزیع می گردد. و مقدار آن در نقاط نوک تیز رساناها بیشتر است.

از دید نظریه الکترونی ، بصورت زیر صورت می گیرد. که اگر جسم اول به طور منفی باردار شده باشد الکترونها توسط آن دفع می شود و به جسم دیگر انتقال می یابد. ولی اگر جسم اول بطور مثبت باردار شده باشد الکترونهای جسم دوم که خنثی بود، را جذب می کند. در هر دو مورد تا وقتی که تعادل برقرار شود بار در جسم اول کاهش و در جسم دوم افزایش می یابد.

[nafise sadeghi]

دید کلی

یک توپ را با میله پلاستیکی و دیگر را میله شیشه‌ای باردار کنید سپس آنها را به هم بچسبانید. گاهی دوبار ناپدید می‌شوند و همدیگر را از بین می‌برند. برای بیان این مساله می‌توان از یک قانون ریاضی مبنی بر اینکه اگر حاصل جمع دو کمیت صفر شود، یکی از آن دو مثبت و دیگری منفی است، استفاده نمود. طبق قرارداد به میله پلاستیکی را بار منفی و میله شیشه‌ای را بار مثبت نسبت داده‌اند.

بیان ساده ای از قانون بقای بار

وقتی که یک میله پلاستیکی را با خز مالش می‌دهیم، میله بار منفی و خز بار مثبت پیدا می‌کند. آزمایش را با دو جسم خنثی شروع می‌کنیم، یعنی مجموع بار آن دو برابر صفر است. بعد از مالش دادن ، یکی بار مثبت و دیگری بار منفی می‌یابد که باز هم بار کل برابر صفر می‌شود. همچنین وقتی میله‌ای بار مثبت بیابد، بار جسم پلاستیکی که میله شیشه‌ای را با آن مالش می‌دهیم منفی می‌شود.

هیچ کس نمی تواند یکی از این دو بار را خلق کند، بدون آنکه همزمان دیگری را نیز تولید کرده باشد در یک چنین فرایندی مقدار کل بار تغییر نمی‌کند. این مطلب بیانگر قانون بقای بار الکتریکی است. این قانون همانند قوانین پایستگی جرم و انرژی ، اندازه حرکت خطی ، اندازه حرکت زاویه ای و ... در فیزیک یک قانون بنیادی است.

قانون بقای بار الکتریکی در اتم

همه اجسام دارای ذراتی با بار الکتریکی مثبت و منفی هستند. این ذرات هماناتمهایی هستند که جهان مادی را می‌سازند. ابعاد این اتمها از مرتبه آنگستروم است. چندین میلیون از این اتمها ، در کنار هم ، چیزی در حدود یک نقطه نمایان می‌شوند. هر اتم از لحاظ بار الکتریکی خنثی است، زیرا به تعداد مساوی بار مثبت و منفی دارد. بار مثبت اتم و تقریبا تمامی جرم آن ، در مرکز آن ، یعنی در هسته متمرکز شده است. ابعاد هسته ده هزار برابر کوچکتر از ابعاد کل اتم است. هسته یک خوشه محکم به هم چسبیده متشکل از دو نوع ذره پروتونها و نوترونهاست.

تراکم جرم در این ذرات غیر قابل تصور است. یک تفاوت مهم بین پروتونها و نوترونها این است که پروتونها دارای بار الکتریکی مثبت بوده ولی نوترونها از نظر بار الکتریکی خنثی هستند. تعداد پروتونها هسته ، عنصر شیمیایی را که هسته به آن تعلق دارد، مشخص می‌کند، با این حال قسمت اعظم فضای اتم خالی است، در ناحیه اطراف هسته تعدادی ذره با بار الکتریکی منفی به نام الکترون وجود دارد. جرم الکترون کم است، اما بار آن منفی و مقدارش برابر مقدار بار روی پروتون است. از اینرو در یک اتم خنثی تعداد الکترونها در فضای اطراف هسته درست برابر تعداد پروتونها در داخل هسته است. الکترونها توسط نیروی جاذبه الکتریکی در نزدیکی هسته به آن مقید می‌شوند.

مبادله بار و قانون بقای بار الکتریکی

گاهی یک تماس ساده میان اجسام ممکن است باعث شود که تعدادی الکترون از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود. وقتی میله پلاستیکی با خز مالش داده می‌شود، برخی الکترونها از خز به میله پلاستیکی منتقل می‌شوند. ممکن است تعداد الکترونهایی که به میله پلاستیکی منتقل می‌شوند، در حدود 109 باشد که ظاهرا زیاد است. تعداد کل الکترونهای موجود در میله پلاستیکی در حدود 1024 است.

در فلزات بستگی الکترونها به هسته ضعیف است و الکترونها می‌توانند آزادانه در داخل ماده حرکت کنند. چون بار به راحتی در داخل میله فلزی به هم وصل نماییم، هر دو کره خنثی می‌شوند. ماده ای که بار الکتریکی را از خود عبور می‌دهد رسانا نامیده می‌شود. در جامدات ، فقط الکترونها می‌توانند حرکت کنند. اما محلول الکترولیت ، آب شور یا گاز داخل لامپ فلوئورسانس رساناهای بسیار خوبی هستند. زیرا حاملین بار مثبت و منفی هردو تحت تاثیر نیروی الکتریکی می‌توانند آزادانه حرکت کنند. در تمام فرایندهای مبادله بار و انتقالات اخیر قانون بقای بار الکترکی به دقت ملاحظه می‌شود. به عبارتی نحوه مبادله بار به توسط قانون بقای بار صورت می‌گیرد. در واکنشهای شیمیایی این قانون همانند قانون بقای جرم ظاهر می شود و واکنش را از نظر الکتریکی مجاز می داند که در طرفین واکنش مجموع بارهای الکتریکی برابر باشند.
دانش نامه رشد