پروژه

بارالکتریکی

الفبای فیزیک - انرژی الکتریکی

بار الکتریکی
وقتی تکه ای از پلاستیک را با یک پارچه مالش دهید، نیرویی درآن بوجود می آید که می تواند اجسام سبک را به حرکت در آورد. در این حالت، تکه های پلاستیک، بار الکتریکی گرفته و باردار می شوند.
بار الکتریکی هر تکه پلاستیک، به آن انرژیی می دهد که برای مدتی در پلاستیک ذخیره می شود .به این انرژی، انرژی پتانسیل الکتریکی می گویند.
دو نوع بار الکتریکی وجود دارد که هر دو نوع آن می توان اجسام سبک را بلند کرده وجرقه تولید کند. این بارها، بار مثبت و بار منفی نامیده می شوند.

نیروی میان بارها
میله هایی از جنس پلی تن واََََسِتات را باردار کنید وآنها را بر روی دو شیشة ساعت به حال تعادل در آورید به طوری که آزادانه بچرخند. اکنون یک میلة پلی تنی را باردار کرده وآن را به ترتیب به میله های پلی تنی واستاتی نزدیک کنید. در حالت اول، میله ها یکدیگر را دفع و در حالت دوم طرف چـپ دیده یکدیگر را جذب می کنند. بنابراین، نتیجه می گیریم که نوع بار روی دو میله متفاوت است.

عایقها : نا رساناها
پلاستیک و موادی مانند آن را اجازه نمی دهند بار الکتریکی در آنها حرکت کند، عایق یا نارسانا می نامند. به الکتریسیته ای که حرکت نداشته باشد، الکتریسیتة ساکن می گویند.

رساناها
رساناها (مانند فلزات )، موادی هستند که بار الکتریکی می تواند به طور آزادانه در آنها حرکت کند.

ذخیره کردن بار الکتریکی
خازنها ــ خازنها، اجزایی الکترونیکی هستند که برای ذخیرة بار الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند، همچنین از خازنه برای جدا کردن جریان متناوب ( a.c )از جریان مستقیم ( d.c )استفاده می شود.

اندازه گیری انرژی پتانسیل الکتریکی
انرژی پتانسیل الکتریکی بر حسب ولت اندازه گرفته می شود
برای برسی این موضوع، دستگاه الکتروسکوپ وسیلة مناسبی است. در الکتروسکوپ برای آشکار کردن بار الکتریکی از یک ورقة نازک طلا استفاده می شود. این ورقه بسیار سبک بوده و به یک میلة فلزی وصل است. چنانچه بار بر روی کلاهک این وسیله قرار بگیرد ( یا به آن نزدیک شود )، ورقةطلا از میلة فلزی جدا شده وبالا می رود.

بارها، اتمها و الکترونها
ما با این نظریه که تمام مواد از اتمها تشکیل شده اند و اتمها بسیار کوچک اند، آشنایی داریم .تا اینکه ذرة کوچکتر از اتم نیز کشف شد. این ذره بار منفی داشت و دو هزار مرتبه کوچکتر از سبکترین اتم بود و نام آن الکترون است.
تمام اتمها هستة خیلی کوچک وسنگینی در مرکز خود دارند و بار این هسته مثبت است. اگر چه هستة اتم خیلی سنگینتر از الکترونهاست امّا مقدار آن با بار الکترون برابر است. یک اتم در حا لت عادی بدون بار است، زیرا بار (+‌) هسته با بار (-) الکترونها خنثی می شود.


نظریة الکترونی بار الکتریکی
هر جسم ، تعداد زیادی بار مثبت ومنفی دارد. با مالش دادن ماده، تعادل میان بارها به هم می خورد وجسم باردار می شود. بنابراین، باید توجه کرد که در اثر مالش دادن اجسام، بار تولید نمی شود بلکه تعادل بارها به هم می خورد.

بار الکتریکی در حال حرکت
به طور کلی، دو نوع الکتریسیته وجود دارد : الکتریسیتة ساکن که به وسیلة مالش ایجاد می شود و الکتریسیتة جاری که به وسیلة باتریها و مولدها تولید می شود. مـی شود. وقتی طـرف راسـت وچپ عوض حرکت الکترونها موجب ایجاد جریان الکتریکی است.

جریان الکتریکی در سیمها
در یک سیم مسی چندین میلیون الکترون وجود دارد. اگر دو سر آن را به دو قطب مثبت ومنفی یک باتری وصل کنیم، تعدادی از الکترونها به طرف قطب مثبت سیم حرکت می کند. این حرکت الکترونها موجب ایجاد جریان الکتریکی می شود.

کولن و آمپر  

کولن و آمپر به تر تیب یکاهای اندازه گیری بار وجریان الکتریکی هستند
بار الکتریکی بر حسب کولن اندازه گیری می شود. یک کولن بار برزگی است، به طوری که در یک کولن بار منفی، تعداد 10 ^18 الکترون وجود دارد.
جریان الکتریکی بر حسب آمپر اندازه گیری می شود وچون جریان الکتریکی حرکت بارهای الکتریکی است، بنابراین کولن وآمپر با هم رابطه دارند.
پیلها و ولتاژها

پیلها دو ترمینال (قطب ) دارند که ترمین0ال مثبت (+) ترمینال منفی (-) نامیده می شوند
فعالیت شیمیایی داخل پیلها موجب می شود که در ترمینال مثبت تجمعی از بارهای مثبت ودر ترمینال منفی تجمعی از بارهای منفی وجود داشته باشد.
اختلاف میان انرژی دو سر ترمینالها را اختلاف پتانسیل می نامند.  

نیروی محرکة الکتریکی

وقتی که بار الکتریکی از میان باتری می گذرد، باتری انرژی می گیرد. ودر مدار خارج از باتری مصرف می شود
انرژی تأمین شده برای هر کولن بار الکتریکی را نیروی محرکة الکتریکی باتری می نامند.  (e.m.f.) نیروی محرکة الکتریکی را بر حسب ولت اندازه می گیرند ( V )

باتریها
یک باتری از به هم بستن چند پیل به یکدیگر تشکیل می شود
برای تولید جریان های زیاد که در اتومبیلها مورد نیاز است از باتریهایی که محتوی مایعات هستند، استفاده می شود.
باتریهای سرب ــاسید نمونه ای از این باتریها هستند.اگر چه این باتریها گران قیمت هستند اما می توان آنها را پس از تخلیه، مجدداً پر کرد.
به پبلهایی که انرژی آنها را می توان توسط منبع دیگری تأمین کرد، پیلهای قابل شارژ گفته می شود.

مدارهای الکتریکی
به کمک یک منبع تغذیة کم ولتاژ ودو قطعه سیم، لامپی را روشن کنید. این اتصال منبع به لامپ، یک مسیر بستة رسانا ایجاد می کند که الکتریسیته می تواند در آن مسیر جاری شود. این اتصال را مدار الکتریکی می نامند.

روشن شدن دو لامپ به طور همزمان
لامپها پشت سرهم و در یک خط به هم وصل شده اند. یعنی اتصال لامپها سری است. بنابراین، جریان الکتریکی ابتدا از یکی از لامپها عبور کرده و سپس از لامپ دوم می گذرد.
دراین قسمت با استفاده از یک سیم اضافی، روش دیگری برای روشن کردن لامپها مطرح می کنیم. در این روش، لامپها به طور موازی به هم وصل می شوند وهر لامپ به طور مستقیم به باتری وصل است. دراتصال موازی، هر دو لامپ به صورت پر نور روشن می شوند، واگر یکی از لامپها برداشته شود لامپ دیگر خاموش نمی شود.

محاسبه کمی بار الکتریکی بنیادی
فرمول m=(1/F)(M/n ) q که در آن m جرم ماده رسوب کننده روی الکترودها ، F ثابت فارادی ، M جرم مولی ، n ظرفیت اتم و q بار الکتریکی کلی که روی الکترونها می نشیند، می باشد که از ترکیب دو قانون فارادی بدست می آید، نشان می دهد که اگر بار q=F=96484C به عدد مساوی ثابت فارادی F باشد جرم m برابر M/n می شود. به عبارت دیگر وقتی که از الکترولیت بار بگذرد، از هر ماده مقدار M/n کیلو گرم آزاد می شود که برابر یک nام مول از این جسم است.
بنابراین برای آزاد کردن یک مول ماده باید بار q که به عدد مساوی nF است، از الکترولیت بگذرد. پس وقتی که بخواهیم یک مول ماده تک ظرفیتی را آزاد کنیم (1.008g هیدروژن ، 22.99g سدیم وغیره) ، باری که به عدد مساوی F=96484C است باید از الکترولیت بگذرد. و وقتی که می خواهیم یک مول ماده دو ظرفیتی (16.00g اکسیژن ف 65.38g روی وغیره) آزاد شود، باری مساوی 2F=2x96484C=192968C باید از آن بگذرد و نظایر آ.
به خوبی می دانیم که یک مول از تمام اجسام دارای تعداد اتم های یکسانند. این مقدار مساوی ثابت آووگادور NA=6.02x1023 1/mol است. بنابراین هر یون از یک جسم تک ظرفیتی که بر الکترودی رسوب می کند حامل باری است برابر e=F/NA=1.60x10-19C برای آزاد کردن یک اتم از جسم دو ظرفیتی باری به بزرگی دو برابر مقدار اخیر باید از الکترولیت بگذرد و نظایر آن. به طور کلی برای آزاد کردن هر اتم از جسم n ظرفیتی باید مقدار باری برابر با nF/NA=ne از الکترولیت بگذرد.

مقدار بار حاملین بار در الکترولیت ها :
بارهایی که توسط هر یون در الکترولیت منتقل می شوند مضرب درستی هستند از مقدار الکتریسیته مینیمم معینی مساوی 1.60x10-19C هر یون تک ظرفیتی )پتاسیم ، نقره و غیره) حامل این بار است. هر یون دو ظرفیتی «روی ، جیوه و غیره) حامل دو برابر این بار است. ولی در الکترولیز موردی که یونی حامل باری مساوی کسری از 1.60x10-19C باشد، هرگز پیش نیامده است.

تعریف بار الکتریکی بنیادی :
هلمهولتز (1894-1821) فیزیکدان و فیزیولوژیست آلمانی که به استنباط فارادی دست یافت، چنین نتیجه گرفت که باری برابر 1.60x10-19C  مینیمم الکتریسیته موجود در طبیعت است و این مینیمم بار به عنوان بار الکتریکی بنیادی شناخته شده است.

بار آنیون ها و کایتون ها بر حسب بار الکتریکی بنیادی :
آنیون های تک ظرفیتی (یونهای کلر ، ید و غیره) بار بنیادی منفی دارند. در حالیکه کاتیون های تک ظرفیتی (یونهای هیدروژن ، سدیم ، پتاسیم ، نقره و غیره) بار بنیادی مثبت دارند. آنیون های دو ظرفیتی حامل دو بار بنیادی منفی اند و کایتون های دو ظرفیتی حامل دو بار بنیادی مثبت هستند. و نظایر آن نیز مضرب صحیحی از بار بنیادی را دارا هستند.

کوانتش بار الکتریکی:
پژوهشگران با مطالعه پدیده های مربوط به الکترولیز برای اولین بار با نمودی از طبیعت انفصالی بار الکتریکی مواجه شدند و توانستند بار الکتریکی بنیادی را معین کنند. بعدا پدیده های متنوع دیگری که گستگی بار الکتریکی را معین می کردند، کشف شدند.
روش های دیگری برای اندازه گیری بار الکتریکی بنیادی یعنی بار الکترون معمول گردیدند. همه این اندازه گیری ها ، مقدار اندازه گرفته شده از قانون فارادی را تأیید کردند. و این یکی از دستاوردهای بزرگ الکترولیت ها و قوانین فارادی در الکترولیت ها می باشد.

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 ( 9 ^ 10 ) باشد که ظاهرا زیاد است. تعداد کل الکترونهای موجود در میله پلاستیکی در حدود 24 ^ 10 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.

یک آزمایش ساده

یک میله شیشه‌ای را در دست خود گرفته و با پارچه ابریشمی مالش دهید. عمل مالش سبب می‌شود که مقدار کمی بار الکتریکی از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود، و لذا خنثایی الکتریکی آن دو به هم می‌خورد. حال اگر این میله باردار بوسیله یک رشته نخ از نقطه آویزان کنیم وسیله شیشه‌ای دیگری را که به صورت مشابه باردار شده است به این میله نزدیک کنیم، دو میله یکدیگر را می‌رانند. اما اگر یک میله پلاستیکی را که با یک پوست خز باردار شده است به این میله نزدیک کنیم، در این صورت میله پلاستیکی انتهای باردار میله شیشه‌ای آویزان شده را جذب می‌کند.
بنابراین نتیجه می‌گیریم که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. یک نوع از آن ، یعنی بار الکتریکی که روی شیشه مالش داده شده ایجاد می‌شود را بار مثبت و نوع دیگر ، یعنی بار الکتریکی ایجاد شده روی میله بار منفی می‌نامیم همچنین نتیجه می‌گیریم که بارهای الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می‌کنند و برعکس بارهای الکتریکی غیر همنام همدیگر را جذب می‌کنند.

تاریخچه انتخاب نامهای مثبت و منفی

انتخاب نامهای مثبت و منفی برای بارهای الکتریکی مربوط به بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin) است. او علاوه بر کارهای بزرگی که انجام داد، دانشمندی با شهرت بین المللی بود. فرانکلین واژه‌های بار و باتری را وارد فرهنگ الکتریسیته کرد. بنابراین به رسم احترام شاید بد نباشد که ، هرگاه باتری ماشین حسابمان خالی می‌شود و ما در حین تعویض باتری علامتهای + و را روی باتری مشاهده می‌کنیم، که نشان دهنده قطبهای مثبت و منفی باتری هستند، به یاد فرانکلین این دانشمند بزرگ عالم فیزیک بیافتیم.

بررسی کمی نیروی موجود میان ، بارهای الکتریکی

در مبحث الکترواستاتیک که بارهای الکتریکی ساکن و یا با سرعت فوق العاده کم مورد بحث قرار می‌گیرد، نیروهایی که بارهای الکتریکی هم‌نام و غیر هم‌نام به یکدیگر وارد می‌کنند توسط قانون کولن مورد بررسی قرار می‌گیرد. با استفاده از این قانون می‌توان علاوه بر مقدار این نیروها ، نوع آنها را از لحاظ جاذبه یا دافعه بودن مشخص نمود.

کاربرد نیروهای الکتریکی بین اجسام باردار

نیروهای الکتریکی موجود بین اجسام باردار در صنعت کاربردهای زیادی دارند، که از آن جمله می‌توان به رنگ افشانی الکتروستاتیکی ، گردنشانی ، دود گیری ، مرکب پاشی چاپگرها و فتوکپی اشاره کرد. به عنوان مثال در یک دستگاه فتوکپی دانه‌های حامل ماشین با ذرات گرد سیاه رنگی که تونر نام دارد، پوشیده می‌شوند. این ذرات بوسیله نیروهای الکتروستاتیکی به دانه حامل می‌چسبند.
ذرات با بار منفی تونر ، سرانجام از دانه‌های حاملشان جدا می‌شوند. جذب این ذرات توسط تصویر با بار مثبت متن مورد نسخه برداری ، که بر روی یک غلتک چرخان قرار دارد، صورت می‌گیرد. آنگاه ورقه کاغذ باردار ذرات تونر را روی غلتک جذب می‌کند و بعد از پخته شدن و نشستن ذرات بر روی کاغذ ، کپی مورد نظر به دست می‌آید.



JavaScript Codes


Javascripts