استفادهٔ گسترده از وسیله‌های الکتریکی در زندگی امروزی، بسیار عادی است. لامپ، تلویزیون، تلفن همراه، جاروبرقی، لباس‌شویی، اتو، رایانه، ماشین حساب، رایانهٔ کیفی (لپ‌تاپ) و... . تنها تعداد اندکی از وسایل الکتریکی‌اند که ما با آنها سروکار داریم.
همهٔ این وسایل بر اساس قوانین الکتریسیته طراحی و ساخته می‌شوند. در عصر حاضر شناخت اصول الکتریسیته و به کارگیری آن برای ایمنی، رفاه و آسایش انسان اهمیت فراوان دارد. به همین منظور در این فصل با الکتریسیته و کاربردهای آن بیشتر آشنا می‌شویم.

اگر بادکنکی را با پارچهٔ پشمی یا موهای خشک و تمیز سر مالش دهیم، بادکنک و پارچهٔ پشمی خاصیت جدیدی پیدا می‌کنند و می‌توانند خرده‌های کاغذ یا مو را به طرف خود جذب کنند. حتی با همین روش می‌توان بادکنک را به سقف یا دیوار چسباند (شکل زیر)

در این آزمایش‌ها بادکنک یا پارچهٔ پشمی دارای بار الکتریکی شده است؛ به عبارت دیگر وقتی جسمی دارای بار الکتریکی می‌شود، می‌تواند اجسام دیگر را جذب کند.

آزمایش بالا و آزمایش‌های مشابه نشان می‌دهد، وقتی دو جسم با یکدیگر مالش داده می‌شوند، معمولاً هر دوی آنها دارای بار الکتریکی می‌شوند و بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. نیروی الکتریکی بین دو جسم باردار، گاهی جاذبه و گاهی دافعه است؛ مثلاً نیروی الکتریکی بین بادکنک‌ها دافعه و نیروی بین پارچه و بادکنک جاذبه است. بنابراین دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. بار الکتریکی‌ای که در بادکنک ایجاد شده است و بارهای مشابه آن از یک نوع‌اند و بار الکتریکی‌ای که در پارچهٔ پشمی ایجاد شده است و بارهای مشابه آن از نوعی دیگرند. این بارها را به ترتیب بار منفی (-) و بار مثبت (+) نام‌گذاری کرده‌اند.

آزمایش کنید (صفحهٔ 78 کتاب درسی)

 

هدف آزمایش: اثر دوبار الکتریکی بر یکدیگر
مواد و وسایل: کیسهٔ فریزر یا پارچهٔ ابریشمی، دو میلهٔ شیشه‌ای، دو میلهٔ پلاستیکی، پارچهٔ پشمی و نخ
روش اجرا:
1- به کمک یک کیسهٔ پلاستیکی (فریزر) یا پارچهٔ ابریشمی دو میلهٔ شیشه‌ای را با مالش باردار کنید.
2- با استفاده از پارچهٔ پشمی، دو میلهٔ پلاستیکی را باردار کنید و آزمایش‌های زیر را انجام دهید. از این آزمایش‌ها چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

در شکل الف هر دو میله بار + دارند و یکدیگر را دفع می‌کند. در شکل ب میله شیشه‌ای بار + و میله پلاستیکی بار – دارد و یکدیگر را جذب می‌کنند. در شکل ج هر دو میله پلاستیکی بار منفی دارند و یکدیگر را دفع می‌کنند.
نتایج آزمایش:
1- اجسامی که بار غیر همنام دارند یکدیگر را جذب می‌کنند.
2- اجسامی که بار همنام دارند یکدیگر را دفع می‌کنند.

آزمایش بالا و آزمایش‌های مشابه نشان می‌دهد:
1- دو جسم، که دارای بارهای الکتریکی غیرهمنام‌اند، وقتی به هم نزدیک شوند، همدیگر را جذب می‌کنند.
2- دو جسم که دارای بارهای الکتریکی همنام‌اند، وقتی به هم نزدیک شوند، همدیگر را دفع می‌کنند.
معمولاً برای تشخیص باردار بودن یک جسم و تعیین نوع بار آن از وسیلهٔ ساده‌ای به نام برق‌نما (الکتروسکوپ) استفاده می‌کنیم. برق‌نما از یک صفحه یا گوی، یک میله و دو ورقه نازک فلزی تشکیل شده است.
وقتی برق‌نما بدون بار است ورقه‌های آن به هم نزدیک‌اند و وقتی باردار می‌شود، ورقه‌های آن از هم دور می‌شوند.

توجه کنید: آزمایش‌های الکتریسیته باید در هوای خشک و با وسایل کاملاً خشک انجام شود. در هوای مرطوب یا با وسایل خیس و مرطوب نمی‌توان این آزمایش‌ها را انجام داد.

بارهای الکتریکی از کجا می‌آیند؟

همان‌طور که در فصل 4 خواندیم، همهٔ اجسام از ذره‌های بسیار کوچکی به نام اتم ساخته شده‌اند. هر اتم از هسته و الکترون ساخته شده است. هسته نیز از ذره‌های ریزتری به نام پروتون و نوترون ساخته شده است. پروتون بار مثبت (+) و الکترون بار منفی (-) دارد و نوترون نیز بدون بار الکتریکی است. در حالت عادی تعداد پروتون‌های هر اتم با تعداد الکترون‌های آن اتم برابر است.

وقتی دو جسم را با یکدیگر مالش می‌دهیم، تعدادی الکترون از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شود؛ مثلاً وقتی پارچهٔ پشمی را با میلهٔ پلاستیکی مالش می‌دهیم، تعدادی از الکترون‌های پارچهٔ پشمی کَنده، و به میلهٔ پلاستیکی منتقل می‌شوند (شکل زیر). در نتیجه تعداد الکترون‌های پارچهٔ پشمی از تعداد پروتون‌های آن کمتر می‌شود و توازن بارهای مثبت و منفی بر هم می‌خورد و بارهای مثبت بیشتر می‌شود. بنابراین بار الکتریکی خالص پارچه پشمی مثبت می‌شود. میله نیز، که تعدادی الکترون اضافی دریافت کرده است، تعداد الکترون‌هایش از پروتون‌هایش بیشتر می‌شود و بار الکتریکی خالص آن منفی خواهد شد.

در اثر مالش دو جسم با یکدیگر، پروتون‌ها که نسبت به الکترون‌ها خیلی سنگین‌ترند و در هسته با نیروی قوی‌تری نگهداشته شده‌اند، کَنده نمی‌شوند؛ بلکه فقط الکترون‌ها به راحتی کَنده شده و به جسم دیگر منتقل می‌شوند.

رسانا و نارسانا

به کمک یک مدار الکتریکی ساده می‌توان مواد را براساس قابلیت عبور جریان الکتریکی آنها به دو دسته تقسیم کرد. به موادی مانند فلزات، مغز مداد، بدن انسان و آب (ناخالص) که بار الکتریکی می‌تواند به راحتی در آنها حرکت کند، رسانای الکتریکی می‌گوییم. عبور جریان الکتریکی در فلزات آسان است؛ زیرا تعدادی از الکترون‌های اتم فلز وابستگی بسیار کمی به هستهٔ آن دارند و می‌توانند آزادانه در فلز حرکت کنند. به این الکترون‌ها الکترون آزاد می‌گویند. در فلزات تعداد الکترون‌های آزاد بسیار زیاد است.
به موادی مانند شیشه، پلاستیک، چوب خشک و... که الکترون‌های آنها به هسته‌هایشان وابستگی زیادی دارند و نمی‌توانند در این اجسام به سادگی حرکت کنند، نارسانای الکتریکی می‌گوییم. نارساناها نمی‌توانند جریان الکتریکی را از خود عبور دهند.

القای بار الکتریکی

همان‌طور که قبلاً بررسی شد، وقتی میله‌ای پلاستیکی را با پارچهٔ پشمی مالش می‌دهیم، تعدادی از الکترون‌های پارچه به میله منتقل می‌شود. این انتقال در اثر مالش دو جسم اتفاق می‌افتد. اگر میلهٔ دارای بار منفی را با جسم خنثی تماس دهیم، تعدادی الکترون از میله وارد جسم خنثی می‌شود و جسم خنثی نیز دارای بار منفی می‌شود. این روش ایجاد بار را ایجاد بار به روش تماس می‌نامند. در اینجا با روش دیگری برای ایجاد بار الکتریکی در اجسام آشنا می‌شویم که به آن روش القا گویند.

آزمایش کنید (صفحهٔ 81 تا 82 کتاب درسی)

 

هدف آزمایش: ایجاد بار الکتریکی به روش القا
مواد و وسایل: دو کرهٔ فلزی یکسان با پایه‌های نارسانا، میلهٔ پلاستیکی، پارچهٔ پشمی و برق‌نما
روش اجرا
1- دو کرهٔ فلزی را مطابق شکل (الف) در تماس با یکدیگر قرار دهید؛ سپس با دست آنها را لمس کنید تا مطمئن شوید که بار الکتریکی آنها صفر است.

2- میلهٔ پلاستیکی را با پارچهٔ پشمی مالش دهید ومانند شکل (ب) آن را به کرهٔ A نزدیک کنید.

3- بدون حرکت دادن میلهٔ پلاستیکی، پایهٔ کرهٔ B را بگیرید و آن را از کرهٔ A دور کنید شکل (پ).

4- میلهٔ پلاستیکی را دور کنید شکل (ت).

5- برق‌نما را به روش تماس با میلهٔ پلاستیکی باردار و هر یک از کره‌ها را به کلاهک آن نزدیک کنید. از این آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟
نتیجه گیری: کره A بر اثر القای الکتریکی دارای بار + و کره B  که از میله پلاستیکی دورتر بود دارای بار منفی شده است. با نزدیک کردن میله پلاستیکی الکترون‌های آزاد کره A تحت تاثیر نیروی دافعه بار منفی میله را گرفته و به دورترین نقطه از کره B رفتند. در نتیجه کرۀ A الکترون از دست داده دارای بار + وکرۀ B دارای بار منفی شد. با نزدیک کردن کرۀ A به الکتروسکوپ باردار شده و ورقه‌ها به هم نزدیک می‌شوند وبا نزدیک کردن کرۀ B ورقه‌ها از هم دور می‌شوند.

همان‌گونه که مشاهده شد، کرهٔ A که به میلهٔ منفی نزدیک‌تر بود، دارای بار مثبت و کرهٔ B که از میله دورتر بود، دارای بار منفی شده است. به این روش که کره‌های فلزی بدون تماس با میله، باردار شده‌اند روش القای بار الکتریکی گویند. وقتی میله باردار منفی را به کرهٔ A نزدیک کردید، الکترون‌های آزاد این کره تحت دافعهٔ الکتریکی بار منفی میله قرار می‌گیرند و به دورترین فاصلهٔ ممکن می‌روند. در نتیجه کرهٔ A که الکترون از دست داده و دچار کمبود الکترون شده است، دارای بار مثبت و کرهٔ B دارای بار منفی می‌شود.

آذرخش و تخلیه الکتریکی

احتمالاً منظره‌های زیبایی را که هنگام رعد و برق در آسمان ایجاد می‌شوند. دیده‌اید. در هر ثانیه دهها آذرخش روی سطح زمین زده می‌شود. ابرها در طول مسیر حرکت خود به دلایل مختلف مانند مالش با ابرهای دیگر، هوا، کوه‌ها یا القای الکتریکی دارای بار الکتریکی می‌شوند. اگر دو ابر چنان به هم نزدیک شوند که قسمت‌های دارای بار ناهمنام نزدیک هم قرار گیرند به علت نیروی جاذبهٔ بین بارهای ناهمنام، ممکن است الکترون‌ها از یک ابر به ابر دیگر بجهند که به آن تخلیۀ الکتریکی بین دو ابر گویند. این عمل معمولاً با جرقه‌های بزرگ، تولید گرما و صدا همراه است. تخلیۀ الکتریکی می‌تواند بین یک ابر باردار و زمین نیز اتفاق بیفتد. ابرهای باردار با حرکت در مجاورت سطح زمین در زمین بار القایی ایجاد می‌کنند. در این حالت نیز امکان تخلیهٔ الکتریکی بین ابرها و زمین وجود دارد و می‌تواند موجب آتش‌سوزی شود و به ساختمان‌ها، خطوط انتقال برق، انسان‌ها و دام‌ها خسارت‌های جبران‌ناپذیر وارد کند.

اختلاف پتانسیل الکتریکی

می‌دانیم اختلالف دما بین دو جسم سبب انتقال انرژی از یک جسم به جسم دیگر می‌شود. همچنین اختلاف ارتفاع سطح آب بین دو ظرف مرتبط، سبب شارش آب از یک ظرف به ظرف دیگر می‌شود. به نظر شما در الکتریسیته چه عاملی سبب شارش بارهای الکتریکی بین دو نقطه از یک مدار می‌شود؟

در یک مدار الکتریکی ساده، باتری انرژی لازم را برای روشن شدن لامپ تأمین می‌کند (شکل بالا)؛ به عبارت دیگر در مدار، انرژی الکتریکی به لامپ داده می‌شود و به این وسیله این انرژی به نور و انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. اگر باتری را از مدار حذف کنیم، بلافاصله لامپ خاموش می‌شود. پس باتری نقش منبع انرژی را دارد؛ یعنی باتری سبب ایجاد جریان الکتریکی در مدار می‌شود و انرژی توسط سیم‌های رابط از باتری به لامپ می‌رسد.
برای اینکه در مدار، حرکت و شارش بارهای الکتریکی ادامه پیدا کند، باید همواره بین دو نقطه از مدار، یک مولد مانند باتری، پیل و یا... قرار گیرد. نقش مولد ایجاد یک اختلاف پتانسیل یا ولتاژ بین دو نقطه از مدار است. همان‌طور که اختلاف دما بین دو جسم عامل انتقال انرژی از یک جسم به جسم دیگر است در الکتریسیته نیز اگر بین دو نقطه از مدار اختلاف پتانسیل به‌وجود آید و آن دو نقطه توسط یک جسم رسانا مانند یک سیم به هم وصل شوند، جریان الکتریکی به‌وجود می‌آید. یکای اختلاف پتانسیل ولت (V) است و اختلاف پتانسیل بین دو نقطه توسط ولت‌سنج اندازه‌گیری می‌شود.
مثلاً وقتی به دو سر یک باتری قلمی ولت‌سنج وصل می‌کنیم و ولت سنج عدد 1/5V را نشان می‌دهد؛ یعنی اختلاف پتانسیل دو سر این باتری 1/5V است (شکل زیر).

باتری‌ها دارای دو سر (پایانه) مثبت و منفی‌اند و اختلاف پتانسیل باتری مربوط به اختلاف پتانسیل این دو سر است. (شکل زیر) انواع باتری‌ها را نشان می دهد.

انرژی لازم برای ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سر باتری از واکنش‌های شیمیایی به دست می‌آید که درون باتری رخ می‌دهد؛ مثلاً در باتری‌ای که شما با کمک لیموترش و ورقه‌های نازک فلزی ساخته‌اید، بین تیغه‌های فلزی و مادهٔ درون لیموترش واکنش شیمیایی رخ می‌دهد. در این واکنش‌ها بارهای منفی در یک سر باتری جمع می‌شوند و سر دیگر باتری بار مثبت پیدا می‌کند. در نتیجه بین دو سر باتری اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود.

مدار الکتریکی و جریان الکتریکی

یک مدار الکتریکی ساده از یک باتری، یک لامپ (اتوی برقی، کتری برقی و...)، سیم رابط و کلید قطع و وصل تشکیل می‌شود. وقتی کلید بسته باشد، مدار کامل است و الکترون‌ها با گرفتن انرژی از باتری در مدار حرکت می‌کنند.
مقدار انرژی‌ای که بارهای الکتریکی می‌گیرند به اختلاف پتانسیل باتری بستگی دارد؛ مثلاً باتری 1/5 ولتی، 1/5 ژول انرژی به هر واحد بار که از آن می‌گذرد، می‌دهد. اگر ولتاژ باتری 12V باشد، هر واحد بار که از آن می‌گذرد، انرژی آن به اندازهٔ 12 ژول افزایش می‌یابد. بار الکتریکی، این انرژی را در عبور از اجزای مختلف مدار مانند لامپ به انرژی‌های دیگر تبدیل می‌کند و بدین ترتیب لامپ، روشن و گرم می‌شود. وقتی کلید بسته می‌شود، الکترون‌ها در مدار از پایانهٔ منفی پیل به طرف پایانهٔ مثبت پیل حرکت می‌کنند و این سبب ایجاد جریان الکتریکی در مدار می‌شود. مقدار جریان الکتریکی را که در مدار جاری است، شدت جریان الکتریکی می‌نامیم.

جهت جریان قراردادی در یک مدار در خلاف جهت شارش الکترون‌ها در مدار است وجهت آن از پایانهٔ مثبت باتری به پایانهٔ منفی آن است.

جریان الکتریکی در یک مدار را با آمپرسنج اندازه‌گیری می‌کنند. برای این کار، آمپرسنج را همانند شکل به صورت متوالی در مدار قرار می‌دهیم. یکای جریان الکتریکی آمپر (A) است.

مقاومت الکتریکی

آیا تاکنون به حرکت دانش‌آموزان در حیاط مدرسه یا حرکت افراد در خیابان یا بازار شلوغ توجّه کرده‌اید؟ آیا برای شما پیش آمده است که عجله داشته باشید و مجبور شوید از مکانی پر رفت و آمد عبور کنید؟ در این‌گونه موارد وجود افراد دیگر سبب کاهش سرعت و انرژی شما می‌شود و در مقابل حرکت کردن شما نوعی مقاومت وجود دارد که سرعت و انرژی شما را کاهش می‌دهد. در یک مدار الکتریکی نیز وقتی کلید را می‌بندیم، باتری یا مولد به الکترون‌های آزاد انرژی می‌دهد تا در مدار حرکت کنند و جریان الکتریکی به‌وجود آید. وقتی جریان الکتریکی از یک رسانا مانند رشتهٔ درون لامپ، اتوی برقی، پلوپز، کتری برقی و... می‌گذرد، الکترون‌ها با اتم‌های رسانا، که در حال نوسان‌اند، برخورد می‌کنند و انرژی دریافت شده از مولد یا باتری را از دست می‌دهند. این موضوع سبب گرم شدن رسانا (رشتهٔ درون لامپ، رشتهٔ درون اتو و...) می‌شود. حرکت بارهای الکتریکی به نوعی مشابه حرکت شما در یک خیابان یا بازار شلوغ است.
در واقع الکترون‌ها هنگام حرکت در رسانا همیشه با نوعی مقاومت روبه‌رو هستند. اصطلاحاً می‌گوییم: رسانا دارای مقاومت الکتریکی است. هر رسانای الکتریکی در برابر جریان الکتریکی از خود مقاومتی نشان می‌دهد. مقاومت برخی از رساناها از رساناهای دیگر بیشتر است. مقاومت الکتریکی را با R نشان می‌دهیم. یکای مقاومت الکتریکی به افتخار جرج سیمون اُهم، دانشمند آلمانی اهم نام‌گذاری شده است. مقاومت الکتریکی یک رسانا را با دستگاهی به نام اهم‌سنج اندازه‌گیری می‌کنند (شکل زیر).

آزمایش نشان می‌دهد در یک مدار، هر چه مقاومت الکتریکی را بیشتر کنیم، جریان الکتریکی در مدار کمتر می‌شود و هر چه ولتاژ دو سر مدار را زیادتر کنیم، جریان زیادتری از مقاومت الکتریکی می‌گذرد. اهم در سال 1205 هجری شمسی رابطه بین ولتاژ، شدت جریان و مقاومت را کشف کرد. رابطهٔ ساده زیر بعد ارتباط بین ولتاژ، شدت جریان و مقاومت را نشان می‌دهد.

مثال: دو سر یک لامپ رشته‌ای به ولتاژ 220V وصل است. اگر مقاومت لامپ 484 اهم باشد، چند آمپر جریان الکتریکی از لامپ می‌گذرد؟
پاسخ:

در مدار الکتریکی مقاومت را با «»، باتری را با «»، کلید را با «»، سیم‌های رابط را با خط راست، آمپرسنج را با «»، ولت‌سنج را با «» و لامپ را با «» نشان می‌دهند. بنابراین طرحوارهٔ یک مدار ساده، که آمپرسنج و ولت‌سنج برای اندازه‌گیری در آن نصب شده است، مطابق (شکل زیر) است.

اگر کلید بسته شود، جریان در مدار برقرار می‌شود و آمپرسنج شدت جریان در مدار و ولت سنج اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کند.