جریان الكتریكی

جریان الكتریكی در واقع همان حركت بارهای الكتریكی است.

برای آنكه جریان الكتریكی برقرار بماند، باربه یك مسیر بسته نیاز دارد، تا در آن شارش كند. مسیری كه بارها در آن حركت می كنند. ?مدار الكتریكی? نامیده می شود.

توجه: برای نمایش قطعه های متداولی كه در مدارهای الكتریكی به كار می روند، از نمادهای ویژه ای استفاده می شود.

هر مدار الكتریكی ساده، شامل یك مولد،لامپ، كلید و سیم های رابط است. هرگاه در مدار كلید بسته شود جریان الكتریكی برقرار می شود و لامپ روشن می شود.

سیم های مخصوص سیم پیچی از دو قسمت درست شده اند. یك قسمت، رشته های باریكی هستند كه در داخل قرار دارند و قسمت دیگر روكش آن است قسمت مركزی از یك نوع فلز(معمولا مس) تشكیل شده است و قسمت خارجی آن پلاستیكی است.

به موادی كه جریان برق را از خود عبور می دهند رسانا می گویند. تمام فلزات از جمله مس رسانا هستند.

در مواد رسانا تعداد بی شماری الكترون آزاد وجود دارد. این الكترونها با جابه جا شدن در داخل رسانا، باعث جابه جایی بارالكتریكی از داخل رسانا می شوند.

به موادی كه جریان برق را از خود عبور نمی دهند، نارسانا می گویند. روكش پلاستیكی سیم وبیش تر غیر فلزات نارسانا هستند، در اجسام نارسانا به تعدادی كافی الكترون آزاد برای جابه جایی وجود ندارد، در نتیجه وقتی به یك جسم نارسانا الكترون اضافه یا كاسته می شود جسم دارای بارالكتریكی می شود و بارالكتریكی در همان محل، ساكن باقی می ماند و جابه جا نمی شود.

اختلاف پتانسیل الكتریكی:

در یك مدار الكتریكی، در صورتی كه مدار به درستی بسته شده باشد؛ جریان الكتریكی به وجود می آید و لامپ روشن می شود. برای به وجود آمدن جریان الكتریكی وجود قوه یا باتری ضروری است.

به قوه و باتری مولد جریان الكتریكی گفته می شود. در یك مولد صورتی از انرژی به انرژی الكتریكی تبدیل می شود. مولدها انواع متفاوتی دارند:

1- پیل شیمیایی:

در پیل های شیمیایی، انرژی حاصل از یك واكنش شیمیایی به انرژی الكتریكی تبدیل می شود. هر پیل ساده از دو میله غیر هم جنس رسانا تشكیل یافته كه در محدوده ای از اسید یا باز یا نمك كه به آن الكترولیت می گویند فرو برده شده است.

یك پیل ساده از دو تیغه رسانا (الكترودهای) متفاوت مس و روی ساخته شده است كه در درون آن محلول رقیق سولفوریك اسید قرار دارد. وقتی دو تیغه بایك رشته سیم به هم متصل شوند روی در اسید حل می شود و جریان الكترون ها در سیم از روی به طرف سیم برقرار می شود.

تیغه ی روی را كه دارای بار منفی است قطب منفی یا الكترود منفی و تیغه مس را كه بارالكتریكی مثبت است قطب مثبت یا الكترود مثبت می نامند.

2- پیل خشك:

پیل هایی كه در چراغ قوه مورد استفاده قرار می گیرند، پیل خشك می نامند.

ظرف محتوی الكترولیت از روی ساخته شده است كه خود قطب منفی پیل را تشكیل می دهد. قطب مثبت آن میله ای از جنس كربن است. الكترولیت آن خمیری از آمونیوم كلرید (نشادر) و یك ماده ژلاتینی است. برای جلوگیری از خشك شدن خمیر قسمت بالای پیل را با یك ورقه فیبر توسط قیر كاملا مسدود می كنند.

هر مولد جریان الكتریكی دارای یك مشخصه به نام ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الكتریی است.

اختلاف پتانسیل الكتریكی، عامل ایجاد جریان الكتریكی در مدار است. یعنی برای ایجاد جریان در یك مدار، باید توسط یك مولد، بین دو سر مدار، اختلاف پتانسیل برقرار كنیم، جریان الكتریكی همواره از جسمی كه پتانسیل الكتریكی بیش تری دارد به جسمی كه پتانسیل كمتری دارد می باشد.

اختلاف پتانسیل الكتریكی را با علامت V نشان می دهند و واحد آن ولت (V) است.

اختلاف پتانسیل الكتریكی بین دو نقطه را با وسیله ای به نام "ولت سنج" اندازه می گیریم.

ولت سنج همواره در مدار به شكل موازی با بقیه اجزای مدار قرار می گیرد.

نكته: اختلاف پتانسیل بین پایانه های قوه ی معمولی برابر 5/1 ولت, باتری ماشین های معمولی 12 ولت و كامیون ها 24 ولت یا بیش تر است.

شدت جریان الكتریكی:

در شكل مقابل سیم رسانایی نشان داده شده است. در قسمت "الف" وقتی در دو سر رسانا اختلاف پتانسیل وجود ندارد الكترونهای آزادی كه در مدت زمان مشخصی از مقطع AA' از راست  به چپ در حركت اند با الكترونهای آزادی كه در همان زمان از همان مقطع از چپ به راست در حركت اند برابرند یعنی به طور متوسط بار خالصی كه از مقطع AA' یا هر مقطع عرضی دیگر رسانا می گذرد، در یك مدت زمان مشخص برابر صفر است.

هنگامی كه دوسر رسانا را به باتری وصل می كنیم، بین دو سر آن اختلاف پتانسیل الكتریكی اعمال می شود، مولد با صرف انرژی الكترونهای آزاد را وادار به حركت می كند و می گوییم جریان الكتریكی برقرار است. (شكل ب)

  (الف)

    (ب)

توجه: تجربه نشان می دهد كه اگر ولتاژ مولد جریان الكتریكی در یك مدار افزایش یابد، مقدار جریان الكتریكی در مدار به همان نسبت افزایش می یابد.

نكته1: شدت جریان هر مدار با وسیله ای به نام آمپرسنج بر حسب یكای آمپر اندازه گیری می شود.

نكته2: آمپر سنج همیشه در مدار به شكل سری (متوالی) با بقیه اجزای مدار قرار می گیرد.

مقاومت الكتریكی:

وقتی جریان الكتریكی از یك رسانا ? مانند رشته ی درون لامپ ? می گذرد، مقداری از انرژی الكتریكی به انرژی گرمایی تبدیل شده و باعث گرم شدن لامپ می شود.

وقتی در یك رسانا را به مولد وصل می كنیم، اختلاف پتانسیل الكتریكی مولد، باعث می شود كه الكترونهای آزاد، در مدار حركت می كنند. در واقع مولد به الكترونهای آزاد موجود در رسانا انرژی می دهد. با تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی (حركتی) الكترونها در رسانا به حركت در می آیند الكترونها ضمن حركت در رسانا با ذره های سازنده ی آن برخورد كرده و در نتیجه رسانا گرم می شود. این عمل مرتبا تكرار می شود یعنی مولد به الكترونها انرژی می دهد و انرژی الكترونها در برخورد با ذره های مرتعش رسانا به گرما تبدیل می شود.

به همین دلیل بعد از مدتی كه از مولد استفاده می شود، انرژی آن تمام خواهد شد.

مقاومت رسانا در مقابل حركت الكترونها را "مقاومت الكتریكی" رسانا می گویند.

R مقاومت الكتریكی است و برحسب "اهم" اندازه گیری می شود.

واحد مقاومت به افتخار خدمات علمی (گئورك زیمون اهم) نامگذاری شده است و نماد آن W (امگا) می باشد.

مقاومت الكتریكی رسانا را با وسیله ای به نام "اهم متر" اندازه می گیرند.

اگر این وسیله، همراه با ولت سنج و آمپر سنج یك دستگاه را تشكیل دهند آوومتر "AVO metre" نامیده می شود. (A برای اندازه گیری آمپر، V برای ولت و o برای اهم است)

قانون اهم:

آزمایش ها نشان می دهد كه هر چه مقدار مقاومت الكتریكی یك مدار بیش تر باشد، شدت جریان الكتریكی در آن مدار كم تر است. از این رو می توان نتیجه گرفت كه در یك مدار الكتریكی بین شدت جریان مدار، ولتاژ و مقاومت الكتریكی رابطه ی زیر وجود دارد.

مثلث اهم:

قانون اهم را می توان در مثلث مقابل قرار دارد. بنابر این دست خود را بر روی كمیت مورد نظر قرار        می دهیم و عملیات ریاضی باقیمانده را انجام می دهیم.

توجه: مقاومت الكتریكی یك رسانا با تغییر دما تغییر می كند. در رساناهای فلزی افزایش دما سبب افزایش مقاومت ویژه در نتیجه افزایش مقاومت رسانا می شود.

مثال: به دو سر یك لامپ اختلاف پتانسیل 220 ولت وصل است. اگر شدت جریان در لامپ برابر 5/0 آمپر باشد مقاومت الكتریكی لامپ چند اهم است؟

آهنربا:

یونانیان باستان بیش از 2500 سال پیش با پدیده ی آهن ربا آشنا بودند، تالس كه اغلب از او به عنوان پدر علم یونان یاد می شود، ماده ی كانی مگنتیت (Fe₃O₄) را كه آهن می رباید می شناخت، ماده ی دارای چنین ویژگی را آهن ربا می گویند. مشهور است كه این ماده برای نخستین بار در محلی به نام "مگنزیا" در آسیای صغیر (تركیه ی امروز) مشاهده است.

خاصیت آهنربایی در آهن، نیكل، كبالت و پاره ای از تركیبات و آلیاژهای آن ها نیز وجود دارد.

آهن ربا را با توجه به نوع كاربردی كه دارند، به شكل های مختلف (میله ای،نعلی شكل، تیغه ای و...) می سازند.

قطب های آهنربا:

یك آهنربا به هر شكلی كه ساخته شده باشد، دارای دو قطب است.

اگر یك آهنربا را درون ظرفی پر از میخ های كوچك یا براده های آهن فرو ببرید و سپس بیرون بیاورید مشاهده خواهید كرد كه ربایش و تراكم براده های آهن در دو ناحیه آهنربا بیش از جاهای دیگر است.

به ناحیه هایی از آهن ربا كه براده های بیشتری را جذب می كند و خاصیت آهنربایی در آن نواحی بیش تر است، قطب های آهنربا می گویند.

توجه: در آهنربای نعلی شكل، یكی از شاخه ها قطب N و شاخه ی دیگر قطب S است. در آهنربای حلقه ای معمولا دو سمت بالا و پایین آهنربا قطب ها را تشكیل می دهند.

اگر آهنربا را دور از چیزهای آهنی، آزادانه بیاویزیم همیشه در راستای شمال ? جنوب جغرافیایی محل آزمایش قرار می گیرد، از این رو قطب های آهن ربا را به قطب N یا شمال یاب و قطب S جنوب یاب نامگذاری كرده اند.

یكی از ویژگی های جالب آهن ربا این است كه اگر آهن ربایی را به دو یا چند قطعه بشكنیم، هر قطعه نیز خود یك آهن ربا با دو قطب S,N است آزمایش ها نشان داده است كه هر قدر این عمل شكستن را ادامه بدهیم، بازهم قطعه های حاصل دارای دو قطب S,N خواهد بود. پس می توان نتیجه گرفت كه قطب N از قطب S حدا شدنی نیست و كوچكترین ذره های تشكیل دهنده ی آهن رباها (یعنی اتم ها یا مولكول ها) نیز آهنربا هستند و دو قطب S,N دارند.

این آهنرباهای كوچك را دو قطبی مغناطیسی می نامند زیرا هر یك همواره دو قطب S,N دارند.

 خطی را كه دو قطب یك دو قطبی مغناطیسی را به هم وصل می كند. محور مغناطیسی آن می نامند.یك دو قطبی مغناطیسی را با یك پیكان نشان می هند.

موادی را كه اتم ها یا مولكول های سازنده آن ها خاصیت مغناطیسی دارند، مواد مغناطیسی می نامند. نحوه ی سمت گیری دو قطبی های مغناطیسی كوچك در مواد مغناطیسی مختلف، متفاوت است، به همین دلیل از لحاظ ویژگی های مغناطیسی با هم تفاوت دارند.

مواد پارامغناطیس:

دو قطبی های مغناطیسی در یك ماده ی پارامغناطیسی دارای سمت گیری مشخص و منظمی نیستند و در جهت های كاتوره ای قرار دارند. در نتیجه این مواد خاصیت مغناطیسی ندارند. اگر آن ها را درون یك میدان مغناطیسی (مثلا نزدیك آهنربا) قرار دهیم دو قطبی های كوچك مانند عقربه های مغناطیسی در نزدیكی آهنربا رفتار می كنند و در راستای خطوط میدان منظم می شوند. هر چه میدان مغناطیسی قوی تر باشد، خاصیت مغناطیسی ماده بیش تر می شود.

اگر آهنربا را از این مواد دور كنیم، دو قطبی های مغناطیسی دوباره به سرعت به وضعیت كاتوره ای قبلی بر می گردند.

منگنز، پلاتین، آلومینیوم، اكسیژن، اكسیدازت، فلزات قلیایی و قلیایی خاكی از جمله مواد پارامغناطیسی هستند.

اثر قطب های آهنربا:

قطب های همنام (N,N ? S,S) یكدیگر را می رانند.

قطب های ناهمنام (N,S) یكدیگر را می ربایند.

ساخت آهن ربا:

آهنربا معمولا به سه روش مالش، القا و الكتریكی ساخته می شود.

1) مالش:

اگر میله فولادی را مطابق شكل به وسیله یك آهنربا مالش دهیم میله خاصیت مغناطیسی پیدا كرده و آهنربا می شود. در این روش قطبی كه در انتهای مسیر، مالش به وجود می آید مخالف قطب مالش دهنده است.

2) القای مغناطیسی:

اگر یك سر آهنربای میله ای را به چند میخ آهنی كوچك نزدیك كنیم مشاهده می شود كه میخ ها جذب آهن ربا شده و هر یك میخ می تواند میخ دیگری را جذب می كند. در واقع میخ اولی توسط آهن ربا به یك آهنربا تبدیل شده كه توانسته است میخ دومی را جذب كند. به همین ترتیب میخ های بعدی نیز آهنربا شده اند. به این ترتیب یك زنجیر مغناطیسی ساخته شده است.

اگر آهنربای قویتری داشته باشیم می توانیم زنجیر بلندتری بسازیم.

ایجاد خاصیت مغناطیسی در یك آهن توسط یك آهن ربا بدون تماس با آن، را القای مغناطیسی می نامند.

آهن ربا ابتدا سنجاق یا یك ماده ی مغناطیسی را طوری به آهن ربا تبدیل می كند كه قطب های ناهمنام آهنربا و سنجاق در مجاورت یكدیگر واقع شوند، در این حالت نیروی جاذبه مغناطیسی بین قطب های ناهمنام، باعث جذب سنجاق توسط آهنربا می شود.

3) روش الكتریكی:

برای آن كه یك آهنربای الكتریكی بسازیم، كافی است یك قطعه آهن را در داخل یك سیملوله كه از چندین دور تشكیل شده قرار داده و جریان مستقیمی به مدت چند ثانیه از آن بگذرانیم، قطب آهنربایی كه ایجاد می شود به جهت جریان از سیملوله بستگی دارد. اگر سیم پیچ را طوری دست خود بگیریم كه چهار انگشت پیچیده شده در جهت جریان قرار گیرد، انگشت شست، قطب N را نشان می دهد.

1- از وارد شدن ضربه به آن جلوگیری شود.

2- از قرار دادن آن در محل گرم خودداری كنیم.

3- آهنربا را به صورت دوتایی به نحوی كه قطب N هر یك در مجاورت قطب S دیگری قرار داشته باشد، نگهداری كنیم یا آن ها را به یك جسم آهنی بچسبانیم.

دو قطعه آهن نرم كه در دو قطب آهنربا قرار می گیرند، بنا به خاصیت القا آهنربا می شوند.

 به دو سر یك لامپ اختلاف پتانسیل 220V وصل شده است. اگر شدت جریان در لامپ برابر0.5 Aباشد، مقاومت الكتریكی لامپ را تعیین كنید.

جواب:

مقاومت الكتریكی یك رسانا است، هرگاه اختلاف پتانسیلی به اندازه 500V به دو سر آن وصل كنیم، شدت جریان در رسانا چقدر خواهد بود؟