علوم پایه هشتم

جريان الكتريكي در واقع همان حركت بارهاي الكتريكي است.

مزایای انرژی الکتریکی

1- اين انرژي به آساني به انرژي هاي ديگر مانند گرما، انرژي مكانيكي، صوت و نور تبديل مي شود.
2- انرژي الكتريكي را به سهولت مي توان قطع يا برقرار كرد.

شدت جريان الكتريكي

 نسبت بار الكتريكي شارش شده از هر مقطع مدار به زمان شارش بار، يعني آهنگ شارش بارالكتريكي را شدت جريان الكتريكي مي گويند. شدت جريان الكتريكي را با نماد I نشان مي دهند و يكاي آن آمپر است.

q= مقدار بار الكتريكي عبوري از مدار بر حسب كولن (C)

t = مدت زمان شارش بار الكتريكي برحسب ثانيه (S)

I = شدت جريان برحسب آمپر (A)

شدت جريان هر مدار با وسيله اي به نام آمپرسنج بر حسب يكاي آمپر اندازه گيري مي شود. آمپر سنج هميشه در مدار به شكل سري (متوالي) با بقيه اجزاي مدار قرار مي گيرد.تجربه نشان مي دهد كه اگر ولتاژ مولد جريان الكتريكي در يك مدار افزايش يابد، مقدار جريان الكتريكي در مدار به همان نسبت افزايش مي يابد.

انواع جريان الكتريسيته:

1- جريان مستقيم (DC):جريان مستقيم هميشه در يك جهت حركت مي كند.

2-جريان متناوب(AC):جهت جريان متناوب در هر ثانيه بارها تغيير مي كند(برای مثال جهت جریان برق شهری 50 بار در ثانیه تغییر می کند).

مدار الکتریکی :

براي آنكه جريان الكتريكي برقرار بماند، بار به يك مسير بسته نياز دارد تا در آن شارش كند. مسيري كه بارها در آن حركت مي كنند. «مدار الكتريكي» ناميده مي شود.

** براي نمايش قطعه هاي متداولي كه در مدارهاي الكتريكي به كار مي روند، از نمادهاي ويژه اي استفاده مي شود.

 هر مدار الكتريكي ساده، شامل يك مولد،لامپ، كليد و سيم هاي رابط است. هرگاه در مدار كليد بسته شود جريان الكتريكي برقرار مي شود و لامپ روشن مي شود.

اختلاف پتانسيل الكتريكي (فشار الکتریکی)

مقدار کاری که باید انجام شود تا مقداری بار به حرکت در آید. اختلاف پتانسيل الكتريكي، عامل ايجاد جريان الكتريكي در مدار است. يعني براي ايجاد جريان در يك مدار، بايد توسط يك مولد، بين دو سر مدار، اختلاف پتانسيل برقرار كنيم، جريان الكتريكي همواره از جسمي كه پتانسيل الكتريكي بيش تري دارد به جسمي كه پتانسيل كمتري دارد مي باشد. اختلاف پتانسيل الكتريكي را با علامت V نشان مي دهند و واحد آن ولت (V) است. اختلاف پتانسيل الكتريكي بين دو نقطه را با وسيله اي به نام "ولت سنج" اندازه مي گيريم. ولت سنج همواره در مدار به شكل موازي با بقيه اجزاي مدار قرار مي گيرد.

اختلاف پتانسیل = کار ÷ بار الکتریکی

مولد 

در يك مدار الكتريكي، در صورتي كه مدار به درستي بسته شده باشد؛ جريان الكتريكي به وجود مي آيد و لامپ روشن مي شود. براي به وجود آمدن جريان الكتريكي وجود قوه يا باتري ضروري است. به قوه و باتري مولد جريان الكتريكي گفته مي شود. در يك مولد صورتي از انرژي به انرژی الكتريكي تبديل مي شود. مولدها انواع متفاوتي دارند:

1- پيل شيميايي: در پيل هاي شيميايي، انرژي حاصل از يك واكنش شيميايي به انرژي الكتريكي تبديل مي شود. هر پيل ساده از دو ميله غير هم جنس رسانا تشكيل يافته كه در محدوده اي از اسيد يا باز يا نمك كه به آن الكتروليت مي گويند فرو برده شده است. يك پيل ساده از دو تيغه رسانا (الكترودهاي) متفاوت مس و روي ساخته شده است كه در درون آن محلول رقيق سولفوريك اسيد قرار دارد. وقتي دو تيغه بايك رشته سيم به هم متصل شوند روي در اسيد حل مي شود و جريان الكترون ها در سيم از روي به طرف سيم برقرار مي شود.در شکل زیر تيغه ي روي را كه داراي بار منفي است قطب منفي يا الكترود منفي و تيغه مس را كه بارالكتريكي مثبت است قطب مثبت يا الكترود مثبت مي نامند.

2- پيل خشك:پيل هايي كه در چراغ قوه مورد استفاده قرار مي گيرند، پيل خشك مي نامند. ظرف محتوي الكتروليت از روي ساخته شده است كه خود قطب منفي پيل را تشكيل مي دهد. قطب مثبت آن ميله اي از جنس كربن است. الكتروليت آن خميري از آمونيوم كلريد (نشادر) و يك ماده ژلاتيني است. براي جلوگيري از خشك شدن خمير قسمت بالاي پيل را با يك ورقه فيبر توسط قير كاملا مسدود مي كنند. 

** بیشترین اختلاف پتانسیلی که توسط یک مولد ایجاد می شود نیروی محرکه مولد (e) نامیده می شود.

مقاومت الكتريكي:

وقتي يك رسانا را به مولد وصل مي كنيم، اختلاف پتانسيل الكتريكي مولد، باعث مي شود كه الكترون هاي آزاد، در مدار حركت مي كنند. در واقع مولد به الكترون هاي آزاد موجود در رسانا انرژي مي دهد. با تبديل انرژي پتانسيل به انرژي جنبشي الكترون ها در رسانا به حركت در مي آيند الكترون ها ضمن حركت در رسانا با اتم های سیم برخورد كرده و در نتيجه رسانا گرم مي شود. اين عمل مرتبا تكرار مي شود يعني مولد به الكترون ها انرژي مي دهد و انرژي الكترون ها در برخورد با ذره هاي مرتعش رسانا به گرما تبديل مي شود. مقاومت رسانا در مقابل حركت الكترونها را "مقاومت الكتريكي" رسانا مي گويند. مقاومت يك رساناي فلزي در دماي ثابت به عوامل زير بستگي دارد:

1- طول رسانا:
هر چه طول سيم بلند تر باشد مقاومت الكتريكي آن بيش تر است. به عبارت ديگر مقاومت الكتريكي باطول سيم رابطه مستقيم دارد. طول سيم را با L نمايش مي دهند و يكاي اندازه گيري آن متر است.

2- سطح مقطع رسانا:
مقاومت الكتريكي سيم هاي نازك بيش تر از سيم هاي كلفت است. به عبارت ديگر مقاومت الكتريكي با سطح مقطع سيم رابطه عكس دارد. سطح مقطع سيم را با A نمايش مي دهند و يكاي اندازه گيري آن مترمربع است.

3- جنس رسانا (مقاومت ويژه):
مقاومت ويژه را با ρ نمايش مي دهند و يكاي اندازه گيري آن اهم متر (Ω .m)است.
                                                                  

R مقاومت الكتريكي است. واحد مقاومت به افتخار خدمات علمي (گئورك زيمون اهم) نامگذاري شده است و نماد آن Ω (امگا) مي باشد.
مقاومت الكتريكي رسانا را با وسيله اي به نام "اهم متر" اندازه مي گيرند.

قانون اهم

طبق قانون اهم برای یک رسانا نسبت اختلاف پتانسیل(V) به شدت جریان (I) در دمای ثابت همواره مقداری ثابت و برابر مقاومت آن ماده است.

** مقاومت الكتريكي يك رسانا با تغيير دما تغيير مي كند. در رساناهاي فلزي افزايش دما سبب افزايش مقاومت ويژه و در نتيجه افزايش مقاومت رسانا مي شود.

مثال: به دو سر يك لامپ اختلاف پتانسيل 220 ولت وصل است. اگر شدت جريان در لامپ برابر 5/0 آمپر باشد مقاومت الكتريكي لامپ چند اهم است؟

اتصال پيل ها

1- اتصال سري (متوالی) :اگر قطب مثبت هر پيل به قطب منفي مجاورش متصل شود اتصال را سري همسو مي نامند و جهت جريان هايي كه پیل ها به مدار می فرستند همسو است.

 ...+v= v₁+v₂

**در صورتي كه يك يا چند پیل در خلاف جهت ساير پيل ها قرار داشته باشند، نيروي محركه آن هارا از بقيه كم مي كنيم.

2-اتصال موازي : در اين اتصال قطب هاي همنام پيل ها دوبه دو به هم وصل شده اند و ولتاژ دو سر همه پيل ها مساوي است.

... = v = v₁ =v2 

به هم بستن مقاومت ها
1- مقاومت هاي متوالي: hگر چند مقاومت مانند R1و R2و R3يكي به دنبال ديگري بسته شود به طوريكه از همه آن ها شدت جريان I بگذرد، مي گوييم كه مقاومت ها به طور متوالي به هم بسته شده اند، در اين صورت مقاومت معادل از مجموع اين مقاومت ها به دست مي آيد.

R=R1+R2+R3

در مقاوت هاي سري شدت جريان در طول مسير يكسان است. پس I1=I2=I3
اما ولتاژ معادل برابر است با: V=V1+V2+V3

2- مقاومت هاي موازي:مقاومت ها را در صورتي موازي مي گويند كه هر يك از آنها بين دو نقطه از يك مدار بسته شود.
اختلاف پتانسيل دو سر همه مقاومت هاي موازي يكي است ولي جريان كل مدار بين آنها تقسيم مي شود.

مقاومت معادل از رابطه ي زير به دست مي آيد:

اختلاف پتانسيل دو سر همه مقاومت هاي موازي يكسان است پس V1=V2=V3
در مقاومت هاي موازي جريان بين مقاومت ها تقسيم مي شود پس I=I1+I2+I3

واژه الكتريسيته از نام يوناني «الكترون» به معناي «كهربا» گرفته شده است. براي بررسي الكتريسيته، ابتدا بايد با كميتي به نام «بار الكتريكي» آشنا شويم.

وقتي ميله اي پلاستيكي را با پارچه پشمي مالش مي دهيم، به علت مالش ميله به پارچه، در ميله تغييري ايجاد مي شود و ميله خاصيت جديدي را پيدا مي كند. از اين رو تكه هاي كوچك كاغذ را جذب  مي كند. در اين صورت مي گوييم ميله داراي بار الكتريكي شده است. در واقع مالش سبب ايجاد بار الكتريكي در اجسام مي شود و علت آن جا به جایی الکترون ها بین میله و پارچه است.

دو نوع بار الكتريكي وجود دارد.بنجامین فرانكلين فيزيكدان آمريكايي براي تشخيص بارهاي الكتريكي از يكديگر آن ها را منفی و مثبت نامگذاري كرد. پروتون ها در هسته اتم بار مثبت و الکترون ها بار منفی دارند. نوترون ها بدون بار تلقی می شوند.

دو قاعده ي اساسي الكتريسيته درباره نيروهايي كه دو جسم باردار به يكديگر وارد مي كنند:

1- دو جسم كه بار الكتريكي همنام دارند(هر دو منفي، يا هردو مثبت) بر يكديگر نيروي رانشي وارد مي كنند.                               

2- دو جسم كه بار الكتريكي غير همنام (يكي منفي و ديگري مثبت) دارند، بر يك ديگر نيروي ربايشي وارد مي كنند.

مقدار بار الكتريكي پروتون و الكترون يكسان است. بار الكتريكي الكترون و پروتون كه كوچكترين بارالكتريكي به شمار مي آيد بار پايه ناميده مي شود و با نماد e نمايش داده مي شود. يكاي اندازه گيري بارالكتريكي كولن (c) نام دارد و مقدار آن برابر است با:      

e = ۱/۶ x ۱۰^-۱۹ C               

بار الكترون با e- و بار پروتون با e+ نشان داده مي شود.

در يك اتم در حالت عادي پروتون ها هميشه با تعداد الكترون ها برابر است،در نتيجه، چون اتم در حالت عادي داراي دو نوع بار الكتريكي مثبت و منفي به مقدار مساوي است، اتم از نظر بارالكتريكي خنثي است.

اتم چگونه داراي بار الكتريكي مي شود:

الف) اگر از اتم، الكتروني جدا شود، چون تعداد پروتون هاي آن از تعداد الكترونهايش بيش تر مي شود. داراي بار الكتريكي مثبت مي شود.

ب) اگر تعدادي الكترون به يك اتم افزوده شود، چون تعداد الكترونهاي آن از تعداد پروتون هايش بيش تر  مي شود. داراي بارالكتريكي منفي مي شود.

نكته: اگر جسمي بر اثر دادن يا گرفتن الكترون، بار الكتريكي پيدا كند مي توان نوشت: q=n.e

q = بارالكتريكي بر حسب كولن

 n= تعداد الكترونهاي مبادله شده

 e= بار هر الكترون

** باردار شدن اتم ها فقط از طريق انتقال الكترون انجام مي شود و پروتون ها در اين كار نقشي ندارند، زيرا پروتون ها ذرات سنگيني هستند كه با نيروي بسيار زيادي در هسته ي اتم نگه داشته شده اند و نمي توان آن ها را به راحتي الكترون از اتم جدا كرد.

نیروی الکتریکی

نيرويي كه اجسام داراي بار به يكديگر وارد مي كنند، نيروي الكتريكي مي ناميم که گاهي ربايشي و گاهي رانشي است.

نیرو ی بین دو بارالکتریکی = ثابت کولن × حاصل ضرب دو بار ÷ مجذور فاصله

پايستگي بار الكتريكي

مي دانيم كه براي بارداركردن يك جسم بايد تعدادي الكترون به آن بدهيم و يا از آن بگيريم. در اين مبادله  الكترون ها، هيچ گاه الكتروني توليد نمي شود و يا از بين نمي رود بلكه الكترون ها تنها از جسمي به جسم ديگر منتقل مي شوند. لذا با توجه به اينكه الكترون داراي مقدار معيني بار الكتريكي است، مي توان گفت:

"بار الكتريكي به وجود نمي آيد و از بين نمي رود، بلكه از جسمي به جسم ديگر منتقل مي شود."

اين اصل "پايستگي بار الكتريكي" ناميده مي شود.

مواد جامد را بر اساس رساناي الكتريكي آن به سه گروه رسانا، نيمه رسانا و نارسانا تقسيم بندي می کنند:د

1- رسانا :در بعضي از مواد جامد الكترونهاي آخرين لايه هر اتم (الكترونهاي آزاد) مي توانند به آساني با گرفتن اندكي انرژي از اتم خود جدا شده و در داخل ماده جامد آزادانه جابه جا شوند. جابه جايي الكترون موجب رسانش الكتريكي ماده مي شود. اين گونه مواد را رساناي الكتريكي مي ناميم. جسم هايي مانند مس و ساير فلزات كه به علت داشتن الكترون آزاد، بار الكتريكي درون آن ها شارش مي كند رسانا مي نامند.

2- نارسانا : در مواد جامد ديگر، الكترون ها براي رها شدن از اتم يا مولكول خود، انرژي زيادي لازم دارند و چون معمولا اين انرژي را به دست نمي آورند نمي توانند آزادانه جابه جا شوند، اين گونه مواد را نارساناي الكتريكي (عايق يا دي الكتريك) مي نامند.

جسم هايي مانند ميله پلاستيكي و شيشه اي كه الكترون ها نمي توانند در آن ها آزادانه حركت كند و در نتيجه بار الكتريكي را از خود عبور نمي دهند، نارسانا مي نامند.

3- نیم رسانا : دسته ديگري از مواد وجود دارند كه در آن ها مقدار كمي الكترون به دليل ارتعاش هاي گرمايي يا عوامل ديگر، انرژي لازم براي رها شدن را به دست مي آورند و در رسانش الكتريكي شركت مي كنند. اين مواد را نيمه رسانا مي ناميم. سيليسيوم وژرمانيوم از اين گروه مواد هستند. از نيم رسانا در ساختمان ديود، ترانزيستور و مدارهاي الكتريكي استفاده مي شود.

**وقتي به يك جسم نارسانا بار التريكي داده مي شود، بار در محل داده شده بـه جـسـم باقي مي ماند و در جسم جابه جا نمي شود ولي وقتي به جسم رسانا بارالكتريكي داده مي شود آن بارالكتريكي در محل داده شده ساكن نمي ماند و در سطح خارجی جسم توزيع مي شود. در يك جسم رساناي باردار در مكان هاي برجسته و تيز, تجمع بار بيش تر از ساير نقاط است.

الكتروسكوپ، آشكار ساز الكتريكي:

الكتروسكوپ وسيله اي است داراي يك ورقه ي طلا يا آلومينيوم كه روي يك تيغه فلزي قرار دارد. تيغه فلزي به يك كلاهك رسانا متصل شده است كه مجموع كلاهك، تيغه ي فلزي و ورق طلا در يك قاب عايق دارد.

الكتروسكوپ برای پاسخ به موارد زير مورد استفاده قرار مي گيرد:

1- آيا جسم داراي بار الكتريكي است؟

2- جسم چه نوع باري دارد؟

3-جسم رساناست يا نارسانا؟

1) تشخيص وجود بار در اجسام به وسيله الكتروسكوپ

جسم را به آرامي به كلاهك الكتروسكوپ بدون باري نزديك مي كنيم و نزديك كلاهك نگاه می داريم. اگر جسم داراي بار الكتريكي باشد،با نزديك كردن آن الكترونهاي آزاد الكتروسكوپ تحت تاثير نيروهاي رانش و ربايش آن جابه جا شده و ورقه ها بارهاي همنام پيدا مي كنند و از هم جدا مي شوند. در صورتيكه جسم بدون بار الكتريكي باشد در ورقه ها هيچ تغييري مشاهده نمي شود.

2) تعيين نوع بارالكتريكي جسم

اگر الكتروسكوپ داراي بارالكتريكي باشد، وقتي ميله اي با بارالكتريكي غير هم نام به كلاهك الكتروسكوپ نزديك كنيم، زاويه دو ورقه طلا كم مي شود و اگر ميله اي با بار الكتريكي هم نام به كلاهك الكتروسكوپ نزديك كنيم، زاويه دو ورق طلا زياد مي شود. 

3)جسم رساناست يا نارسانا

براي آنكه تعيين كنيم جسم رساناست يا نارسانا، هرگاه آن را به كلاهك الكتروسكوپ باردار تماس دهيم، اگر جسم رسانا باشد، قسمتي از بارهاي الكتريكي الكتروسكوپ به جسم منتقل شده و فاصله، دو ورقه طلا از هم كم مي شود و اگر جسم نارسانا باشد، بارالكتريكي به جسم منتقل نشده و فاصله ي ورقه ها از هم تغييري نمي كند.

ايجاد بار در الكتروسكوپ :

1- ايجاد بار توسط تماس:

وقتي ميله اي باردار را به كلاهك الكتروسكوپ تماس مي دهيم، قسمتي از بارهاي الكتريكي به كلاهك دستگاه منتقل مي شود.

در اين صورت الكتروسكوپ داراي بارالكتريكي مي گردد و بارهاي الكتريكي در آن پخش مي شود و ورقه هاي طلا داراي بارهاي الكتريكي هم نام شده و يكديگر را دفع مي كنند و از هم دور مي شوند.

2- ايجاد بار توسط القاء:

اجسام رسانا در اثر مالش باردار مي شوند اما بار آن ها به راحتي مي تواند به دست ما انتقال يابد و در آن ها باقي نمي ماند. معمولا در اجسام رسانا از روش القا استفاده مي شود. در اين روش يك جسم رسانا را بدون تماس با آن باردار مي كنيم.

  مراحل باردار كردن يك كره رسانا از طريق القا:         

الف) با نزديك ميله پلاستيكي باردار الكترونهاي آزاد كره به سمت راست حركت كرده و در سمت چپ كره بار مثبت به وجود مي آيد.

ب) با تماس كره به زمين، الكترونهاي آزاد از كره به زمين جاري مي شوند و بارهاي مثبت به دليل جاذبه بارهاي منفي ميله پلاستيكي جابه جا نمي شوند.

پ) تماس كره با زمين قطع مي شود(در مجاورت ميله باردار)

ت) با دور كردن ميله پلاستيكي از كره بارهاي مثبت در سطح كره پخش مي شوند.

آذرخش (صاعقه):

ابرها به علت مالش به هوا يا كوه هاي بلند و يا القاي الكتريكي، داراي بارمثبت و يا منفي مي شوند. در بيش تر موارد، قسمت رو به پايين ابر (نزديك زمين) داراي بارمنفي و قسمت بالاي آن داراي بار مثبت   مي شود، اگر دو ابر چنان به هم نزديك شوند كه قسمت هايي از آن ها كه داراي بارهاي ناهمنام است، مجاور هم قرار گيرند، امكان دارد تخليه الكتريكي بين دو ابر صورت گيرد، كه معمولا با جرقه هاي بزرگ توليد گرما و صدا همراه است.
اين عمل را تخليه الكتريكي مي نامند. به تخليه ي الكتريكي بين ابروزمين «آذرخش يا صاعقه» گفته مي شود.

برق گير يا رساناي آذرخش

آذرخش پديده ي بسيار خطرناكي است. زيرا در اثر شارش ناگهاني و بسيار عظيم بارالكتريكي انرژي زيادي را آزاد مي كند. اين پديده مي تواند به ساختمان ها و ... خسارت هاي جدي وارد سازد.

براي حفاظت ساختمان ها در برابر آذرخش، از وسيله اي به نام برق گير استفاده مي كنند.

برق گير كابل ضخيمي با نوك تيز است. قسمت نوك تيز برق گير را در بالاترين نقطه ي ساختمان نصب  مي كنند و انتهاي كابل آن را در اعماق مربوط به زمين قرار مي دهند، تيزي نوك كابل سبب مي شود كه در صورت به وجود آمدن آذرخش، خسارتي به ساختمان وارد نشود.