آشنایی با اصول الکتریسیته ساکن
الکتریسیته پدیده ای است که دیده نمی شود، ولی قادر است پدیده های فیزیکی بسیاری مانند حرارات، روشنایی، حرکت و مغناطیس را به وجود آورد.
یونانی ها حدود دو هزار سال پیش کشف کردند که بر اثر مالش ماده ای به نام کهربا به جسمی دیگر، نیرویی در کهربا به وجود می آید که می تواند اجسامی مانند برگ خشک و براده های چوب را جذب کند. یونانی ها این گونه اجسام را که مانند کهربا عمل می کنند «الکتریک » نامیدند. کلمه الکتریسیته نیز از کهربا گرفته شده است.
وقتی موهای خود را شانه می زنید، شانه نیز دارای همین نیروی مرموز میشود و می تواند مانند میله کهربا عمل کند و ذرات کاغذ را جذب کند، وقتی موهای خود را شانه می کنید، شانه دارای بار الکتریکی می شود و مانند میله ی کهربا عمل میکند و می تواند ذرات کاغذ را جذب کند.
ساختمان ماده
هوایی که تنفس می کنیم، یک قطره آب، یک قطعه فلز و هر آن چه در طبیعت وجود دارد بر خلاف تفاوتهای ظاهری بسیاری که دارند همه از ذرات بسیار ریزی تشکیل می شوند. این ذرات را ملکول می نامند. ملکول خواص ماده را دارد.
ملکول ها، از ذرات ریزتری به نان اتم ساخته می شوند. اتم قابل تقسیم به ذره کوچک تری نیست ولی از قسمت های کوچکتری تشکیل شده است. شکل زیر یک ملکول آب را نشان می دهد. این ملکول ترکیبی از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن است.
ساختمان اتم
ساختمان اتم از دو قسمت تشکیل شده است.
الف)هسته
ب) پوسته یا مدارهای الکترونی(اوربیتال)
الف- هسته: در هسته اتم دو نوع ذرّه وجود دارد. پروتون که حامل بار مثبت است و نوترون که از نظر الکتریکی خنثی است، یعنی بار الکتریکی ندارد مانند شکل زیر
ب- اوربیتال(پوسته): در اطراف هست هی اتم لایه های بیضوی شکل قرار دارند. این لایه ها اوربیتال نامیده می شوند. ذرات بسیار ریزی به نام الکترون در اوربیتالها دوران می کنند. الکترون حامل بار منفی است و جرم بسیار کمی دارد. نحوه
قرار گرفتن الکترون ها روی مدارها و پروتون ها و نوترون ها در هسته، در زیر نشان داده شده است.
ذراتی که به آنها اشاره شد بنای اصلی مواد را تشکیل می دهند. در هر اتم بار مثبت پروتون ها از نظر مقدار، با بار منفی الکترون ها برابر است. در اتم لیتیوم 3 پروتون و 3 الکترون وجود دارد.
در حالت عادی یک اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است زیرا تعداد پروتون ها با تعداد الکترون ها برابر است، تعداد پروتو نهای موجود در هسته اتم هر ماده ، مشخص کننده عدد اتمی آن ماده است. عدد اتمی کربن 6 است. زیرا 6 پروتون و 6 الکترون دارد. وزن کل هسته که شامل وزن پروتونها و نوترونها است را وزن اتمی می گویند.
حداکثر تعداد الکترون های موجود در هر لایه نیز ثابت است. اولین لایه تا 2، دومین تا 8، سومین تا 18 و چهارمین تا 32 الکترون را در خود جای می دهد. وقتی تعداد الکترون های یک لایه افزایش می یابد، آن لایه پس از پر کردن اوربیتال های خود الکترون های اضافی را به لایه بعدی میفرستد.
همان طور که گفته شد اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است یعنی در یک اتم تعداد بار های الکتریکی مثبت (پروتون ها) و تعداد بارهای الکتریکی منفی (الکترون ها) با هم برابر است. حال اگر یک اتم به علت اعمال انرژی به آن، الکترون از دست بدهد تعداد الکترون ها کم می شود. به عبارت دیگر بار منفی اتم کاهش می یابد. کاهش بار منفی اتم به معنی این است که اتم دارای بار مثبت شده است. بر عکس اگر اتم الکترون دریافت کند، تعداد الکترون های (بار منفی) آن زیاد می شود و اتم را از نظر بار الکتریکی، منفی میکند.
اگر الکترونی از اتم جدا شود و به هیچ اتمی وابسته نباشد، آن الکترون را الکترون آزاد می نامند، مانند شکل زیر. معمولا الکترون ها از آخرین لایه اتم که بیشترین فاصله را با هسته دارد جدا می شوند و در فعل و انفعالات شیمیایی شرکت می کنند.
اگر الکترونی از یک اتم جدا شود و به هیچ اتمی وابسته نباشد آن الکترون را الکترون آزاد می نامند.
طبقه بندی از نظر هدایت الکتریکی
هادی ها
برخی از مواد مانند مس، آلومینیوم و فلزات دیگر به راحتی جریان برق را از خود عبور می دهند. به این نوع اجسام هادی می گویند.
به طور کلی اجسامی که الکترون آزاد زیادی دارند به راحتی جریان برق را از خود عبور می دهند. فلزات یک تا سه ظرفیتی که الکترون آزاد زیادی دارند، هادی های بسیار خوبی به شمار می آیند.
عایق ها
در مقابل هادی ها اجسامی وجود دارند که جریان برق را به راحتی از خود عبور نمی دهند، به این گونه اجسام عایق می گویند. شیشه، هوا، کائوچو و بعضی از انواع پلاستیکها عایق هستند. در حقیقت تمامی اجسامی که الکترون آزاد بسیار کمی دارند عایق محسوب می شوند.
نیمه هادی ها
موادی مانند ژرمانیوم و سیلیسیوم وجود دارند که هادی یا عایق خوبی نیستند. این مواد 4 ظرفیتی هستند و نیمه هادی نام دارند. در شرایط عادی ، نیمه هادی ها تمایلی به دریافت کردن و یا از دست دادن الکترون ندارند، اما در صورتی که به آنها انرژی داده شود، می توانند الکترون آزاد کنند.
آشنایی با نحوه پخش بار الکتریکی بر روی جسم
اتم های باردار
در شرایط عادی در هر اتم تعداد الکترون ها و پروتونها مساوی است و اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است. تعداد پروتون های داخل هسته یک اتم تغییر نمی کند. در واقع خصوصیات اتم ، وابسته به تعداد پروتون ها است اما تعداد الکترون ها ممکن است تغییر کند . اگر در اتمی تعداد الکترونها از پروتونها کم تر باشد، اتم بار مثبت دارد و چنان چه تعداد الکترونهای اتمی از پروتونهای آن بیش تر باشد، اتم بار منفی دارد.
باردار شدن اجسام اگر اتم های یک جسم، الکترون های خود را از دست بدهند یا الکترون زیادی بگیرند، آن جسم باردار خواهد شد. باردار شدن اجسام از چند راه امکان پذیر است:
الف- اصطکاک.
ب- تماس.
ج- القا.
الف- اصطکاک(مالش): اگر یک میله شیشه ای را به یک تکه ابریشم مالش دهیم ، میله شیشه ای به ابریشم الکترون خواهد داد. در این حالت میله به علت کمبود الکترون دارای بار مثبت و ابریشم به علت افزایش الکترون دارای بار منفی میشود.
ب- باردار کردن از طریق تماس: با استفاده از یک میله ی کائوچویی باردار، می توان جسم دیگری مانند مس را فقط با تماس دادن این دو جسم با یکدیگر باردار کرد. در این حالت الکترون های روی سطح کائوچو وارد مس می شود و مس را دارای بار منفی می کند.
باردار کردن اجسام از طریق القاء: چون الکترون ها و پروتون ها نیروی جاذبه و دافعه دارند، اگر یک میله کائوچویی باردار منفی را به یک میله ی آلومینیومی ، خیلی نزدیک کنیم ولی به آن نچسبانیم، نیروی بارهای منفی کائوچو، الکترون های میله آلومینیوم را دفع می کند و به سر دیگر میله می راند. در نتیجه یک سر میله آلومینیومی مثبت و سر دیگر آن منفی می شود. حال اگر میله کائوچویی را کنار بگذاریم، الکترون های میله آلومینیومی دوباره تغییر آرایش می دهند و میله را به حالت خنثی در می آورند.
آشنایی با میدان الکتریکی
اگر دو صفحه باردار را به یکدیگر نزدیک کنیم، بین دو صفحه خطوط نیرویی به وجود می آید که آن را میدان الکتریکی می گویند. میدان های الکتریکی را می توانیم با خطوط نیرو نشان دهیم. خطوط نیرو، جهت و مقدار میدان الکتریکی را نشان می دهد. می دانیم پروتون بار الکتریکی مثبت دارد و بنا به قرار داد، خطوط نیروی این بار به صورت شعاعی و به طور مستقیم در تمام جهات از پروتون خارج می شود. الکترون بار الکتریکی منفی دارد و خطوط نیروی وارد شده به هسته به صورت شعاعی و در تمام جهات به الکترون وارد می شود.
خطوط نیروی هر یک از این بارها، میدان های الکتریکی تولید می کنند. به علت اثر متقابل این دو میدان، ذرات باردار یکدیگر را جذب یا دفع می کنند.
میدان های الکترواستاتیکی در هنگام دفع (بارهای همنام) با هم مخالفت می کنندو در هنگام جذب (بارهای غیر همنام) یکدیگر را جذب می کنند. مقدار بار الکتریکی که در هر جسم وجود دارد، بر حسب کولن بیان می شود. به عبارت دیگر واحد بار الکتریکی، کولن( c ) است.
منبع: دنیای فناوری با حساس کامپیوتر
