الکتریسیته

q = ± ne , n = 0,1,2,3,000

توجه : هر گاه موهای خود را با شانه ای از جنس پلاستیك شانه كنیم. مشاهده می گردد كه شانه دارای بار الكتریكی منفی و موهای سر دارای بار الكتریكی مثبت می گردد.

هر گاه موهای خود را با شانه ای از جنس پلاستیك شیشه ای شانه كنیم، مشاهده می گردد شانه دارای بار مثبت و موهای سر دارای بار الكتریكی منفی می گردد.

3-3- اجسام رسانا و نارسانا:اجسامی كه بارالكتریكی در آنها به آسانی جابه جا می شود، اجسام رسانا یا هادی می گویند. این اجسام دارای الكترون آزاد هستند و الكترون ها به راحتی از اتم ها جدا می شوند و اگر دو سر رسانا را به یك پیل وصل كنیم، الكترون ها به سادگی در آنها جابه جا می شوند مانند فلزات و كربن كه رساناهای خوب هستند، اجسام نارسانا اجسامی هستند كه بارالكتریكی در آنها نمی تواند جابه جای شود، زیرا الكترون ها به سادگی از اتم ها جدا نمی شوند، مانند شیشه ، ابریشم ، چوب و ....

3-4 – پایستگی بار الكتریكی:برای باردار كردن یك جسم باید تعدادی الكترون به آن بدهیم و یا از آن بگیریم. در این مبادله ی الكترون ها، هیچگا الكترونی تولید نمی شود و یا از بین نمی رود بلكه الكترون ها تنها از جسمی به جسم دیگر منتقل می شوند. لذا با توجه به اینكه هر الكترون دارای مقدار معینی بار الكتریكی است ، می توان گفت : بار الكتریكی بوجود نمی آید و از بین هم نمی رود بلكه الكترون ها تنها از جسمی به جسم دیگر منتقل می شوند.لذا با توجه به اینكه هر الكترون دارای مقدار معینی با ر الكتریكی است ، می توان گفت : بار الكتریكی بوجود نمی آید از بین هم نمی رود بلكه از جمسی به جسم دیگر منتقل می شود. این اصل، پایستگی بارالكتریكی نامیده می شود.

تمرین 1 :
1 – می دانیم كه تعداد الكترون های آزاد موجود در رساناها بسیار زیاد است. به عنوان مثال در یك سانتی متر مكعب سن مس در حدود 1022 الكترون آزاد وجود دارد. آیا بزرگی این عدد را می توانید تصور كنید؟ برای آنكه بزرگی این عدد پی ببرید، فرض كنید بخواهید این تعداد الكترون را بشمارید. شما در هر ثانیه قادر به شمارش چه تعداد الكترون هستید؟ 2،10،100،10000 فرض كنید كه در هر ثانیه بتوانید یك تریلیون یعنی 1012 الكترون را بشمارید. چه مدت طول می كشد تا تمام الكترون های آزاد موجود در یك سانتی متر مكعب مس را بشمارید؟ برای محاسبه یك سال را تقریباً برابر 7 10 * 3 ثانیه در نظر بگیرید.

تعداد الكترون هایی كه در یك ثانیه شمارش می شود n = 10¹²

n =10²²

تعداد الکترون های آزاد³ cm

مس

t = N/n => t =10²²/ 10¹² = 10¹⁰ ثانیه

مدت زمان شمارش الكترون های آزاد مس

t = 10¹⁰ / 3 * 10⁷ = 1/3 * 10³ ≈ 333/3 سال

2 – برای آنكه دو جسمی خنثی بار الكتریكی میكرو كولن ( ) ایجاد شود. چه تعداد الكترون باید از آن گرفته شود؟یعنی اگر تعداد الكترون از جسم گرفته شود بار الكتریكی آن برابر + خواهد شد.


3 – به تعداد پروتون های موجود در هسته ی اتم، عدد اتمی گفته می شود و آن را با z نشان می دهند. اتم مس چه مقدار بار الكتریكی منفی دارد؟ بار الكتریكی اتم مس چقدر است ؟ب : در عناصر تعداد الكترون های هر عنصر برابر تعداد پروتون های آن است. دو اتم مس وقتی تعداد پروتون ها (z=29) باشد، تعداد الكترون ها نیز برابر 29 و مجموع بارالكتریكی منفی اتم مس برابر می باشد.
پ : مجموع بارهای الكتریكی مثبت و منفی اتم مس برابر صفر است و در این صورت بار الكتریكی اتم مس صفر است و اتم خنثی می باشد.


3-5 – القای بارالكتریكی :ایجاد بار در رساناها بدون تماس آنها با یكدیگر و القای بارالكتریكی و بارهای ایجاد شده را بار القایی می گویند. القای بار الكتریكی به روشهای مختلف انجام می شود.

آذرخش یا تخلیه ی الكتریكی :تخلیه ی الكتریكی بین یك ابر یا ابر دیگر و یا بین ابر و زمین را آذرخش می گویند. ابرها به هنگام حركت در هوا بدلیل مالش با هوا و یا القای الكتریكی دارای بار الكتریكی می شوند. بین ابرهای باردار به هنگام عبور از كنار یكدیگر بدلیل داشتن بارهای الكتریكی غیرهمنام آذرخش رخ می دهد.

برق گیر :برق گیر از یك كابل ضخیم یا نوك تیز ساخته شده است كه نوك تیز آن در بالاترین نقطه ی ساختمان نصب می شود و انتهای كابل در اعماق زمین مرطوب قرار می گیرد. در صورتی كه آذرخش رخ دهد، نوك تیز آذرخش را از طریق كابل به زمین منتقل می كنند و خسارتی به ساختمان وارد نمی شود.

3-6 – اختلاف پتانسیل الكتریكی :عامل شارش بار الكتریكی از یك جسم به جسم دیگر را اختلاف پتانسیل الكتریكی بین آن دو جسم گویند. جریان الكتریكی همواره از جسمی كه پتانسیل الكتریكی بیشتری دارد به جسمی كه پتانسیل كمتری دارد می باشد. (اختلاف پتانسیل را با علامتV نشان داده و واحد آن ولت می باشد. انرژی پتانسیل الكتریكی واحد بار را پتانسیل الكتریكی می گویند. به اختلاف پتانسیل ، ولتاژ نیز می گویند. روی اكثر وسیله های الكتریكی عددهایی نوشته شده است. یكی از این عددها بر حسب ولت و مصرف اختلاف پتانسیل مناسب برای كار و دستگاه است كه باید به دو سر آن وصل شود.
اختلاف پتانسیل مناسب به ساختمان درونی دستگاه بستگی دارد و با توجه به آن تعیین می شود كه به آن ولتاژ اسمی دستگاه می گویند.


3-7 – مولد :ابزاری است كه به وسیله ی آن انرژی لازم برای ایجاد اختلاف پتانسیل در یك مدار تأمین می گردد. مولدها انواع مختلف دارند. از جمله مولد شیمیایی است كه انرژی لازم از واكنش های شیمیایی كه در مولد رخ می دهد، بدست می آید.
نیروی محركه ی مولد :بیشترین اختلاف پتانسیلی كه مولد می تواند بوجود آمد را نیروی محركه مولد می گویند كه یكای آن همان ولت می باشد.

3-8 – مدار الكتریكی :به مجموعه ی یك مولد، لامپ ، كلیدها و سیم های رابط در یك اتصال ساده و به دنبال همه مدار الكتریكی ساده می گویند. هر گاه در مولد كلید بسته شود، جریان الكتریكی برقرار می شود و لامپ روشن می شود.
معمولاً در رسم شكل ها، باتری را مطابق شكل (3-12) الف، نشان می دهیم ، قطعه خط كوچكتر، پایانه ی منفی و قطعه خط بزرگتر ، پایانه ی مثبت آن است. ساختمان داخلی چراغ قوه نیز مانند مدار ساده ی شكل (3-12) الف است. یعنی از یك لامپ و یك كلید تشكیل شده است كه هر دو در محفظه ی چراغ قوه دارند شكل (3-12ب)

شدت جریان الكتریكی :نسبت بار الكتریكی شارش شده از هر مقطع مدار به زمان شارش بار، یعنی آهنگ شارش بار الكتریكی را شدت جریان الكتریكی می گویند كه آن را با نماد (I) نشان داده و یكای آن آمپر (A) می باشد.

I = q/t

q مقدار بارالكتریكی عبوری از مدار بر حسب كولن (c)
T مدت زمان شارش بار الكتریكی بر حسب ثانیه (s)
I شدت جریان بر حسب آمپر
یك آمپر معادل یك كولن بر ثانیه است .

3-10 - مقاومت الكتریكی :هنگامی كه الكترون های آزاد یك رسانا تحت تأثیر اختلاف پتانسیل مولد به حركت در می آیند. در برخورد با اتم های رسانا انرژی خود را از دست داده و دمای رسانا را افزایش می دهند. این مقاومت رسانا در مقابل حركت الكترون ها را مقاومت الكتریكی رسانا می گویند.
مقاومت الكتریكی را با نماد R نشان می دهیم. یكای مقاومت الكتریكی اهم و نماد آن(?) است كه به افتخار خدمات علمی گئورگ زیمون اهم نامگذاری شده است. هنگامی كه پایانه های یك باتری را به دو سر یك رسانا ( لامپ) وصل می كنیم. باتری بین دو سر رسانا اختلاف پتانسیل ثابتی برقرار می كند. این اختلاف پتانسیل باعث شارش بار الكتریكی در مدار می شود. با شارش بار الكتریكی و ایجاد جریان الكتریكی در مدار، انرژی الكتریكی از باتری به لامپ می رسد و لامپ هم روشن می شود.


3-11 – قانون اهم :نسبت اختلاف پتانسیل دو سر رسانا به شدت جریانی كه از آن می گذرد مقدار ثابتی است كه به این مقدار ثابت، مقاومت الكتریكی رسانا گویند كه با نماد R آن را نشان داده و یكای آن اهم (Ω ) می باشد.

V / I = R

V اختلاف پتانسیل دو سر رسانا بر حسب است
I شدت جریان عبوری از رسانا بر حسب آمپر
R مقاومت رسانا بر حسب اهم (Ω) یك اهم معادل ولت بر آمپر است.

1(Ω) -> 1(V / A)

یك مقاومت الكتریكی را به آمپرسنج ، ولت سنج و منبع تغذیه مطابق زیر می بندیم.

آمپرسنج به طور متوالی و ولت سنج كه بطور موازی به دو سر مقاومت بسته شده است. پس از بسته شدن كلید جریان الكتریكی از مدار می گذرد. ولت سنج كه به طور موازی به دو سر مقاومت بسته شده است. اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت را نشان می دهد و آمپرسنج شدت جریانی را كه از مدار می گذرد مشخص می كند.
مثال : به دو سر یك رسانا به مقاومت الكتریكی 25 اختلاف پتانسیل الكتریكی V را وصل می كنیم. شدت جریان در رسانا را در صورتیكه
الف . v=50v
ب : V=75v باشد بدست آورید:

الف)

ب)

3-13 – مصرف انرژی الكتریكی :انرژی الكتریكی یكی از بهترین و تمیزترین انرژیهاست و مصرف آن باعث آلودگی زیست كه برای انسان بسیار مهم و حیاتی است، نمی شود. همچنین می توان آن را با هزینه كم از محل تولید به محل معروف رساند. انرژی الكتریكی با استفاده از وسایل خاصی به صورت انرژی های نورانی ، درونی، صوت و .... تبدیل می گردد.
در لامپ های رشته ای ، انرژی الكتریكی درونی رشته ی داخلی لامپ تبدیل می شود و دمای آن را تا حدود 3000 درجه سانتی گراد بالا می برد. در این دمای بالا، رشته ی درون لامپ قسمتی از انرژی درونی خود را به صورت انرژی نورانی تابش می كند.

انرژی الكتریكی مصرف شده به چه عواملی بستگی دارد؟1- مقاومت الكتریكی رسانا (R) : هر چه مقاومت الكتریكی رسانا بیشتر باشد. انرژی الكتریكی مصرف شده در آن نیز بیشتر می شود.
2 – زمان عبور جریان الكتریكی (t)، هر چه زمان عبور جریان الكتریكی از سانا بیشتر باشد. انرژی الكتریكی مصرف شده در آن بیشتر می گردد.
3 – مجذور شدت جریان الكتریكی (I2 ) :‌اگر شدت جریان عبوری از رسانا را افزایش دهیم ، انرژی الكتریكی مصرف شده در آن نیز بیشترمی شود، به طوری كه اگر شدت جریان را 2 یا 3 با .... برابر كنیم، انرژی مصرف شده (4 =2 2 , 9= 32 یا ...) برابر می شود .
اگر انرژی الکتریکی مصرف شده ( که به انرژی درونی رسانا تبدیل شده است ) را با نماد W نشان می دهیم .داریم :
رابطه (3-4)
W = RI2 t
در این رابطه مقاومت الکتریکی (R) برحسب
شدت جریان الکتریکی (I) بر حسب (A)
زمان عبوری جریان الکتریکی (t) بر حسب ثانیه (s)
انرژی الکتریکی مصرف شده (W) بر حسب ژول (J) است .

3-13 – توان الكتریكی مصرفی در رسانا :از بخش (3-6) اختلاف پتانسیل الكتریكی یادآور شدیم كه روی وسیله های الكتریكی نظیر لامپ روشنایی و یا اتوی برقی دو عدد نوشته شده است. یكی از این دو ، اختلاف پتانسیل مناسب برای عمل دستگاه است. عدد دیگر مربوط به كمیتی به نام توان الكتریكی است.
توان را با نماد p نشان می دهند و یكای آن وات می باشد.

در این رابطه
R مقاومت الكتریكی بر حسب اهم
I جریان الكتریكی بر حسب آمپر
P توان بر حسب وات
با توجه به قانون اهم ( R = V/I) می توان توان مصرفی را نیز از رابطه ی زیر بدست آورد :

در این رابطه : V اختلاف پتانسیل دو سر مدار بر حسب ولت
I شدت جریان عبوری از واحد بر حسب آمپر
P توان بر حسب وات