الکترون آزاد: راز جریان برق
ساختمان اتم و زندانیهای مقید
همه چیز در اطراف ما از ذرات ریزی به نام اتم ساخته شدهاند. هر اتم شبیه یک منظومهٔ کوچک است. در مرکز آن، یک هستهٔ سنگین وجود دارد که از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار) تشکیل شده است. دور هسته، ذرات بسیار کوچک و سبکی به نام الکترون (با بار منفی) در مدارهای مشخصی در حال چرخش هستند، مثل سیارههایی که به دور خورشید میگردند.
الکترونهایی که در نزدیکترین مدارها به هسته قرار دارند، به دلیل نیروی جاذبهٔ قوی هسته، به شدت مقید هستند و نمیتوانند به راحتی از اتم خود جدا شوند. ما به این الکترونها، الکترونهای مقید میگوییم. اما در لایههای دورتر، داستان فرق میکند.
فراریهای باهوش: الکترونهای آزاد چگونه متولد میشوند؟
در بعضی مواد، به ویژه فلزاتی مانند مس، طلا، آلومینیوم و آهن، الکترونهای لایهٔ آخر (والانس۶) پیوند بسیار ضعیفی با هستهٔ خود دارند. این الکترونها تقریباً رها هستند و به راحتی میتوانند از چنگال اتم خود فرار کنند و در سراسر ماده سرگردان شوند. به این الکترونها، الکترونهای آزاد میگوییم.
تصور کنید در یک استخر پر از توپ (اتمها)، چند توپ کاملاً آزاد (الکترون آزاد) وجود دارد که میتوانند به راحتی بین توپهای دیگر شناور شوند و جا به جا شوند. در فلزات، تعداد این الکترونهای آزاد بسیار زیاد است.
| نوع ماده | مثالهای رایج | الکترون آزاد | رسانایی الکتریکی |
|---|---|---|---|
| رسانا | سیم مسی، قاشق آهنی، فویل آلومینیوم | خیلی زیاد | عالی |
| نیمهرسانا | تراشههای رایانه، سلول خورشیدی | متوسط (قابل کنترل) | متوسط |
| نارسانا (عایق) | پلاستیک روکش سیم، چوب خشک، شیشه | خیلی کم یا صفر | ضعیف |
از حرکت بیهدف تا جریان مفید: چگونه برق تولید میشود؟
الکترونهای آزاد به طور طبیعی و در دمای معمولی، به صورت تصادفی و در همه جهات حرکت میکنند. این حرکت باعث جریان الکتریکی نمیشود. برای ایجاد یک جریان مفید، نیاز به یک نیروی محرکه داریم. این نیرو میتواند از یک باتری یا پریز برق تأمین شود.
وقتی دو سر یک سیم مسی را به باتری وصل میکنیم، قطب منفی باتری، الکترونهای اضافی (بار منفی) را به سیم میفرستد و قطب مثبت، الکترونها را میمکشد. این اختلاف پتانسیل۸ یا ولتاژ، مانند یک تلمبه عمل میکند و به الکترونهای آزاد که پیش از این حرکت تصادفی داشتند، یک جهت کلی یکسان میدهد. حرکت دستهجمعی و جهتدار این الکترونهای آزاد را جریان الکتریکی مینامیم.
الکترون آزاد در زندگی ما: از لامپ تا صفحهلمس
وقتی کلید چراغ مطالعه خود را روشن میکنید، در واقع مسیری برای حرکت الکترونهای آزاد در سیمهای مسی و داخل رشتهتنگستن لامپ ایجاد میکنید. حرکت این الکترونها با برخورد به اتمهای تنگستن، انرژی آزاد میکند که به صورت نور و گرما ظاهر میشود.
در صفحهلمس تلفن همراه شما، لایهای شفاف از جنس اکسید ایندیوم قلع وجود دارد که یک نیمهرساناست. لمس صفحه، میدان الکتریکی آن را تغییر میدهد و باعث جابهجایی الکترونهای آزاد در آن ناحیه میشود. دستگاه، این تغییر را حس کرده و موقعیت لمس را تشخیص میدهد. حتی مقاومت یک مداد نیز با الکترون آزاد سر و کار دارد: نوک گرافیت مداد (یک شکل از کربن) رساناست و با کشیدن آن روی کاغذ، ذرات ریز گرافیت حاوی الکترون آزاد، یک مسیر رسانا روی کاغذ ایجاد میکنند!
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. سرعت خود الکترونهای آزاد در هادی بسیار کم است (چند میلیمتر در ثانیه). اما سیگنال الکتریکی یا اثر میدان الکتریکی با سرعتی نزدیک به سرعت نور در سیم منتقل میشود. مانند این است که یک لوله پر از توپ را در نظر بگیرید؛ اگر از یک سر یک توپ وارد کنید، توپ از سر دیگر تقریباً بلافاصله بیرون میآید، در حالی که هر توپ فقط فاصله کمی جابهجا شده است.
پاسخ: آب خالص مولکولهای خنثی دارد و الکترون آزاد ندارد. اما آب شیر حاوی نمکها و مواد معدنی حل شده (یون۹) است و آب دریا هم مقدار زیادی نمک دارد. این یونها (ذرّات باردار) میتوانند حرکت کنند و جریان برق را برقرار کنند. بنابراین، علت رسانایی در اینجا الکترون آزاد نیست، بلکه حرکت یونهاست.
پاسخ: خیر. الکترونهای آزاد فقط در داخل مادهٔ رسانا (مثلاً فلز) حرکت میکنند. وقتی به یک کلید یا پریز عایقبندی شده دست میزنیم، الکترونی از سیم به بدن ما منتقل نمیشود. آنچه ما را دچار برقگرفتگی میکند، عبور خود جریان الکتریکی از بدن است که بدن ما به دلیل داشتن یونهای محلول در مایعاتش، میتواند آن را هدایت کند.
پاورقی
۱ الکترون آزاد (Free Electron) – الکترونی که در لایهٔ ظرفیت یک اتم قرار دارد و میتواند به راحتی از اتم جدا شده و در ماده حرکت کند.
۲ جریان الکتریکی (Electric Current) – حرکت مرتب و جهتدار ذرات باردار (معمولاً الکترونها) در یک ماده.
۳ رسانا (Conductor) – مادهای که به راحتی جریان الکتریکی را از خود عبور میدهد.
۴ نارسانا یا عایق (Insulator) – مادهای که جریان الکتریکی را به راحتی از خود عبور نمیدهد.
۵ مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance) – میزان مخالفت یک ماده با عبور جریان الکتریکی.
۶ والانس (Valence) – آخرین لایهٔ الکترونی یک اتم که الکترونهای آن در تشکیل پیوند شیمیایی نقش دارند.
۷ رسانایی (Conductivity) – قابلیت یک ماده در هدایت جریان الکتریکی.
۸ اختلاف پتانسیل یا ولتاژ (Voltage) – نیروی محرکهای که باعث حرکت بارهای الکتریکی در مدار میشود.
۹ یون (Ion) – اتم یا مولکولی که بار الکتریکی مثبت یا منفی دارد.
