درسنامه آموزشی دانش فنی پایه کلاس دهم الکتروتکنیک

واحد یادگیری 1: درک و تبیین قانون کولن و پتانسیل الکتریکی

امروزه انرژی الکتریکی بیش از انواع دیگر انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بدون انرژی الکتریکی کاربرد وسایل روشنایی، تلویزیون، تلفن و اغلب وسایل خانگی غیرممکن است. به‌علاوه، در بیشتر وسایل نقلیه، انرژی الکتریکی نقش مهمی بازی می‌کند. به این ترتیب، می‌توان گفت انرژی الکتریکی تقریباً در همه جا به‌کار می‌رود.

اگرچه الکتریسیته در قرون اخیر مورد استفاده قرار گرفته است ولی یونانی‌ها در حدود 2000 سال پیش آن را کشف کردند. آنها پی بردند که وقتی ماده‌ای به نام کهربا را به ماده دیگری مالش دهند، می‌تواند اجسامی مانند برگ خشک و براده‌های چوب را جذب کند. یونانی‌ها این کهربا را الکترون نام نهادند که کلمه الکتریسیته نیز از آن گرفته شده است.

در سال 1733 یک دانشجوی فرانسوی به نام شارل دوفه (Charles Dufay) به این نکته پی‌برد که یک تکه شیشه پس از مالش با پارچه ابریشمی بعضی از اجسام را جذب و برخی دیگر را دفع می‌کند (شکل 1).

بنابراین، او چنین نتیجه گرفت که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. در اواسط دهه 1700، بنجامین فرانکلین این دو نوع را بارهای الکتریکی مثبت و منفی نام‌گذاری کرد. کاهش یا افزایش تعداد الکترون اتم‌های اجسام باعث ایجاد بارهای الکتریکی مثبت و منفی می‌شود که در بررسی ساختمان اتم به آن پرداخته می‌شود.

ساختمان اتم 

ساختمان اتم از دو بخش هسته و اطراف هسته تشکیل شده است. درون هسته ذرات پروتون و نوترون قرار دارند و الکترون‌ها بر روی مسیرهایی در اطراف هسته می‌گردند. پروتون‌ها دارای بار الکتریکی مثبت و الکترون‌ها دارای بار الکتریکی منفی می‌باشند و نوترون‌ها از نظر بار الکتریکی خنثی هستند. تعداد پروتون‌های داخل هسته را عدد اتمی می‌گویند. در حالت‌های عادی تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم مساوی هستند لذا اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است (شکل 2).

سؤال: منظور از حالت عادی اتم چیست؟

بار الکتریکی هر پروتون برابر بار الکتریکی الکترون است. مقدار بار الکتریکی الکترون برابر با $1/6 \times {10^{ - 19}}$ کولن می‌باشد و به صورت زیر نوشته می‌شود:

$e = 1/6 \times {10^{ - 19}}\left( c \right)$

مقدار بار الکتریکی الکترون را «بار پایه» در نظر می‌گیرند. مضرب صحیحی از بار پایه را «بار الکتریکی» می‌نامند و آن را با q نشان می‌دهند و از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

 

$q = n.e$

که در این رابطه:
q بار الکتریکی برحسب کولن (C)
n تعداد الکترون
e بار الکتریکی الکترون است.

مثال: عدد اتمی مس برابر 29 می‌باشد. بار الکتریکی هسته آن چند کولن است؟ $\left( {e = 1/6 \times {{10}^{ - 19}}c} \right)$

حل: از رابطه $q = n.e$ می‌توان نوشت:

$q = 29 \times 1/6 \times {10^{ - 19}}$
$q = 46/4 \times {10^{ - 19}}$
$q = 4/64 \times {10^{ - 19}}\left( c \right)$

لایه

لایه مسیری است که الکترون‌ها تحت تأثیر نیروی جاذبه پروتون‌ها به دور هسته می‌گردند.

هر لایه از اتم، تعداد الکترون‌های ثابتی ظرفیت دارد.

اتم‌های تمام عناصر می‌توانند تا هفت لایه داشته باشند.

در شکل 3 لایه‌های عناصر مس، کربن و هیدروژن نشان داده شده است.

شکل 3

ظرفیت لایه

ظرفیت هر لایه نشان‌دهنده حداکثر الکترون‌های موجود در آن لایه می‌باشد. ظرفیت هر لایه از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

ظرفیت هر لایه $ = 2{n^2}$

در این رابطه n شماره هر لایه است. برای لایه‌های اول و دوم و سوم داریم:

لایه اول $2{\left( 1 \right)^2} = 2$
لایه دوم $2{\left( 2 \right)^2} = 8$
لایه سوم $2{\left( 3 \right)^2} = 18$

ظرفیت دیگر لایه‌ها نیز قابل محاسبه می‌باشد (شکل 4).

لایه خارجی (طبقه والانس)

لایه خارجی آخرین لایه هر اتم است و آن را لایه والانس گویند. الکترون‌های لایه والانس را «الکترون والانس» می‌نامند (شکل 5).

هدایت الکتریکی

هدایت الکتریکی عناصر به تعداد الکترون‌های لایه والانس بستگی دارد. هرچه تعداد الکترون‌های لایه والانس کمتر باشد، هدایت الکتریکی بیشتر می‌شود. عناصری که اتم‌هایشان یک الکترون والانس دارند هدایت الکتریکی بهتری خواهند داشت؛ در میان عناصری که یک الکترون در لایه آخر دارند، آنهایی که لایه آخرشان دورتر از همه است معمولاً هدایت الکتریکی بهتری دارند چون جداشدن آن الکترون ساده‌تر است. به‌طور مثال اتم‌های مس، نقره و طلا دارای یک الکترون در لایه والانس هستند. بیشترین هدایت الکتریکی برای نقره و بعد از آن برای مس و طلا می‌باشد (شکل 6).

به دلیل گرانی نقره نسبت به مس، سیم‌های برق را از مس می‌سازند البته به دلیل مشابه امروزه آلومینیوم در برخی موارد جایگزین مس شده است.

بیشترین هدایت الکتریکی برای عناصری است که در لایه والانس یک الکترون دارند و عناصری که در لایه والانس دو و یا سه الکترون دارند دارای هدایت الکتریکی کمتری هستند.

با افزایش الکترون‌های لایه والانس هدایت الکتریکی کمتر می‌شود.

کمترین هدایت الکتریکی مربوط به عناصری است که در لایه والانس هشت الکترون دارند.

عناصری که در لایه والانس 1، 2 و 3 الکترون دارند رسانای خوب الکتریکی می‌باشند مانند مس و آلومینیوم که آنها را «هادی» می‌نامند.

عناصری که در لایه والانس 4 الکترون دارند رسانای ضعیف الکتریکی می‌باشند مانند ژرمانیم و سلیسیم که آنها را «نیمه‌هادی» می‌نامند.

عناصری که در لایه والانس 5، 6، 7 و 8 الکترون دارند نارسانای الکتریکی می‌باشند مانند گاز هلیوم و نئون که آنها را «عایق» می‌نامند.

یون 

اتم دارای بار الکتریکی را «یون» گویند. اگر تعداد الکترون‌های اتم بیش از پروتون‌های آن باشد اتم را «یون منفی» گویند (شکل 6- ب). و اگر تعداد الکترون‌های اتم کمتر از پروتون‌های آن باشد، اتم را «یون مثبت» گویند (شکل 6- الف.)

قانون کولن 

قانون کولن نیروی میان بارهای الکتریکی را بیان می‌کند. بنا به تعریف نیروی کولنی بین دو بار الکتریکی با حاصل‌ضرب مقدار دو بار الکتریکی رابطه مستقیم و با مجذور فاصله میان دو بار نسبت عکس دارد و از رابطه زیر به‌دست می‌آید.

$F = K\frac{{{q_1}{q_2}}}{{{d^2}}}$

در این رابطه:
$F$ نیروی کولنی میان دو بار الکتریکی برحسب نیوتن (N)
${{q_1}}$ بار الکتریکی اول برحسب کولن (C)
${{q_2}}$ بار الکتریکی دوم برحسب کولن (C)
$d$ فاصله میان دو بار برحسب متر (m) است.

$K = 9 \times {10^9}$: ضریب ثابت $\left( {\frac{{N{m^2}}}{{{C^2}}}} \right)$

مثال: دو بار الکتریکی $3\mu c$ و $4\mu c$ در فاصله $30cm$ از یکدیگر قرار دارند. نیروی کولنی بین آنها چه نوع و چه مقدار است؟

حل: طبق رابطه $F = K\frac{{{q_1}{q_2}}}{{{d^2}}}$ می‌توان نوشت:

$F = 9 \times {10^9} \times \frac{{3 \times {{10}^{ - 6}} \times 4 \times {{10}^{ - 6}}}}{{{{\left( {30 \times {{10}^{ - 2}}} \right)}^2}}}$
$F = 9 \times {10^9} \times \frac{{12 \times {{10}^{ - 12}}}}{{900 \times {{10}^{ - 4}}}} = 12 \times {10^{ - 1}} = 1/2\left( N \right)$

بارها همنام هستند پس نیروی کولنی بین آنها دافعه است.

میدان الکتریکی 

در فضای اطراف هر بار الکتریکی خاصیتی وجود دارد که به بارهای الکتریکی دیگر نیرو وارد می‌کند، به این خاصیت «میدان الکتریکی» گویند.

برای نمایش میدان الکتریکی هر بار الکتریکی از خطوط شعاعی استفاده می‌شود و آن را خطوط میدان الکتریکی می‌نامند. طبق قرارداد خطوط میدان الکتریکی از بارهای مثبت خارج و به بارهای منفی وارد می‌شود. خطوط میدان الکتریکی بار مثبت در شکل 7 و خطوط میدان الکتریکی بار منفی در شکل  8 نشان داده شده است.

خطوط میدان الکتریکی دوبار همنام و هم‌اندازه با نیروی دافعه کولنی در شکل 9 نشان داده شده است.

خطوط میدان الکتریکی دوبار ناهمنام و هم‌اندازه با نیروی جاذبه کولنی در شکل 10 نشان داده شده است.

شدت میدان الکتریکی 

شدت میدان الکتریکی مقدار نیروی کولنی وارد بر واحد بار الکتریکی در هر نقطه می‌باشد و آن را با E نمایش می‌‌دهند و از رابطه زیر به‌دست می‌آید.

$E = \frac{F}{q}$

که در این رابطه:
E شدت میدان الکتریکی برحسب نیوتن بر کولن $\left( {\frac{N}{C}} \right)$
F نیروی کولنی برحسب نیوتن $\left( N \right)$
q بار الکتریکی برحسب کولن $\left( C \right)$ است.

مثال: بر بار الکتریکی $4\mu c$ در نقطه‌ای نیروی کولنی $2N$ وارد می‌شود. شدت میدان الکتریکی در آن نقطه چند $\frac{{N}}{C}$ است؟

حل: از رابطه $E = \frac{F}{q}$ می‌توان نوشت:

$E = \frac{2}{{4 \times {{10}^{ - 6}}}}$
$E = \frac{1}{2} \times {10^6}$
$E = 5 \times {10^5}\left[ {\frac{N}{C}} \right]$

پتانسیل الکتریکی 

یک کره فلزی بر روی پایه عایق مطابق شکل 11 در نظر گرفته شده است.

مقدار کاری که انجام می‌شود تا بار الکتریکی q بر روی کره فلزی انباشته شود به‌صورت انرژی پتانسیل الکتریکی U بر روی کره ذخیره شده است (شکل12).

نسبت انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده به مقدار بار الکتریکی را «پتانسیل الکتریکی» می‌گویند و از رابطه زیر به‌دست می‌آید.

$V = \frac{U}{q}$

که در این رابطه:
U انرژی پتانسیل الکتریکی برحسب ژول (j)
V پتانسیل الکتریکی برحسب ولت (V)
q بار الکتریکی برحسب کولن (C)

اگر بار الکتریکی انباشته شده در کره مثبت باشد «پتانسیل الکتریکی مثبت» و اگر منفی باشد «پتانسیل الکتریکی منفی» است.

مثال: بار الکتریکی $5\mu c$ روی یک کره رسانا با پایه عایق انباشته شده است. اگر انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده $20mj$ باشد، پتانسیل الکتریکی آن را بیابید:

حل: از رابطه $V = \frac{U}{q}$ می‌توان نوشت:

$V = \frac{{20 \times {{10}^{ - 3}}}}{{5 \times {{10}^{ - 6}}}}$
$V = 4 \times {10^3}$
$V = 4000\left[ V \right]$ یا $4\left[ {KV} \right]$

پتانسیل الکتریکی زمین

پتانسیل الکتریکی زمین صفر است زیرا مقدار بارهای الکتریکی مثبت و منفی آن برابر است. زمین به عنوان منبعی سرشار از بار الکتریکی مثبت و منفی می‌باشد که می‌توان به آن الکترون داد یا از آن دریافت کرد.

ولتاژ

اختلاف پتانسیل الکتریکی میان دو نقطه را «ولتاژ» می‌نامند و از رابطه زیر به‌دست می‌آید (شکل13).

$V = {V_1} - {V_2}$

که در این رابطه:
${V_1}$ پتانسیل الکتریکی نقطه اول برحسب ولت $(V)$
${V_2}$ پتانسیل الکتریکی نقطه دوم برحسب ولت $(V)$
$V$ ولتاژ بین نقاط اول و دوم برحسب ولت $(V)$ است.

مثال: دو کره مشابه رسانا یا انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده $5mj$ مطابق شکل 14، روی پایه عایق قرار دارند مطلوب است:

الف) پتانسیل الکتریکی کره‌ها
ب) اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو کره $\left( {{V_1} - {V_2}} \right)$

حل:

الف) ${V_1} = \frac{{{U_1}}}{{{q_1}}} = \frac{{5 \times {{10}^{ - 3}}}}{{10 \times {{10}^{ - 6}}}} = 0/5 \times {10^3} = 500\left[ V \right]$
${V_2} = \frac{{{U_2}}}{{{q_2}}} = \frac{{5 \times {{10}^{ - 3}}}}{{ - 4 \times {{10}^{ - 6}}}} =  - \frac{1}{{25}} \times {10^3} - 1250\left[ V \right]$

ب) ${V_1} - {V_2} = 500 - \left( { - 1250} \right) = 1750\left[ V \right]$

واحد یادگیری2: درک، تبیین و کاربرد جریان الکتریکی

شارش بارهای الکتریکی بین دو نقطه را «جریان الکتریکی» گویند. عامل جاری‌شدن جریان الکتریکی اختلاف پتانسیل الکتریکی میان دو نقطه است (شکل 15).

جریان الکتریکی ناشی از حرکت الکترون‌های آزاد می‌باشد. الکترون آزاد الکترونی است که می‌تواند از لایه والانس جدا شود و به هیچ اتمی وابسته نیست.

صاعقه یک نمونه از شارش بارهای الکتریکی در اثر اختلاف پتانسیل الکتریکی میان ابر باردار و زمین است، همچنین صاعقه میان دو ابر باردار که دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی هستند نیز نمونه‌ای از شارش بارهای الکتریکی است (شکل 16). صاعقه را تخلیه الکتریکی نیز می‌گویند. تخلیه الکتریکی (صاعقه) ممکن است به ساختمان‌های بلند برخورد نماید و خسارت به بار آورد.

شدت جریان الکتریکی

مقدار بار الکتریکی شارش یافته در واحد زمان را «شدت جریان الکتریکی» می‌گویند و از رابطه زیر به‌دست می‌آید.

$I = \frac{q}{t}$

که در این رابطه:
q بار الکتریکی شارش یافته برحسب کولن $\left[ C \right]$
t زمان شارش بار الکتریکی برحسب ثانیه $\left[ S \right]$
I شدت جریان الکتریکی برحسب آمپر $\left[ A \right]$ است.

واحد اندازه‌گیری شدت جریان الکتریکی آمپر است و با $\left[ A \right]$ نشان می‌دهند. شارش یک کولن بار الکتریکی در مدت یک ثانیه را «یک آمپر» گویند.

مثال: بار الکتریکی $4\mu c$ در مدت $0/02s$ میان دو نقطه شارش می‌کند. شدت جریان الکتریکی چند آمپر است؟ 

حل: از رابطه $I = \frac{q}{t}$ داریم:

$I = \frac{{4 \times {{10}^{ - 6}}}}{{0/02}} = 2 \times {10^4}\left[ A \right] = 0/2mA$

جهت جریان الکتریکی

جهت جریان الکتریکی از پتانسیل بیشتر به پتانسیل کمتر می‌باشد و مادامی که اختلاف پتانسیل وجود داشته باشد جریان الکتریکی برقرار است (شکل 17).

در شکل (الف) جریان از کره پتانسیل بیشتر به کره با پتانسیل کمتر جاری می‌شود تا پتانسیل الکتریکی دو کره برابر شود (شکل 18).

جهت جریان الکتریکی را می‌توان جهت حرکت بارهای مثبت از پتانسیل الکتریکی بیشتر به پتانسیل الکتریکی کمتر و یا جهت حرکت بارهای منفی از پتانسیل الکتریکی کمتر به پتانسیل الکتریکی بیشتر در نظر گرفت. توجه داشته باشید مقدار جریان الکتریکی اهمیت دارد نه جهت جریان الکتریکی.

آثار جریان الکتریکی

براساس قانون پایستگی انرژی، انرژی به‌وجود نمی‌آید و از بین نمی‌رود بلکه تنها از صورتی به صورت دیگر تبدیل می‌شود. انرژی پتانسیل الکتریکی با جاری‌شدن جریان الکتریکی به انرژی‌های دیگر تبدیل می‌شود. آثار جریان الکتریکی تولید گرما، نور، مغناطیس، حرکت و واکنش شیمیایی می‌باشد.

تولید گرما به‌وسیله جریان الکتریکی

جریان الکتریکی هنگام عبور از سیم، در آن مقداری گرما تولید می‌کند. این بدان علت است که مقداری انرژی مصرف می‌شود تا جریان از سیم عبور کند و این انرژی به صورت گرما ظاهر می‌شود. چون عبور جریان از یک هادی خوب آسان‌تر است، نتیجه می‌گیریم که در آن حرارت کمتری تولید می‌شود. شکل 20 موارد استفاده اثر حرارتی الکتریسیته را نمایش می‌دهد.

تولید نور به‌وسیله جریان الکتریکی

وقتی که از هادی‌های ضعیف جریانی عبور می‌کند، داغ می‌شوند و این گرما را به‌صورت نور قرمز یا سفید ظاهر می‌کند. در نتیجه، به علت گرما و التهاب، درخشش و روشنایی تولید می‌شود که اساس کار لامپ رشته‌ای است (شکل 21).

نور را می‌توان بدون تولید حرارت زیاد نیز توسط جریان الکتریکی تولید کرد.

بسیاری از گازها به هنگام هدایت جریان یونیزه می‌شوند و تابش‌های نوری تولید می‌کنند. به عنوان مثال زنون، آرگون و بخار جیوه را می‌توان نام برد. موارد استفاده آن را نیز در چراغ‌های معابر و لامپ‌های پرنور خودروها فروشگاه‌ها دیده‌اید.

گازی مانند بخار جیوه هنگام حمل جریان الکتریکی یونیزه می‌شود و اشعۀ ماورای بنفش از خود متصاعد می‌کند. این اشعه با لایه فسفرسانس (پودر سفید رنگ چسبیده به جداره داخلی لامپ فلورسنت یا مهتابی) برخورد می‌کند و نور سفید می‌دهد (شکل 22).

تولید مغناطیس به‌وسیله جریان الکتریکی

به خاصیت یک ماده در جذب یا دفع آهنربا «خاصیت مغناطیسی» می‌گویند. هر هادی که جریان الکتریکی از آن بگذرد، مانند یک آهنربا دارای خاصیت مغناطیسی عمل می‌کند. به این خاصیت، خاصیت مغناطیسی می‌گویند. در شکل 23 هنگامی که جریان الکتریکی از سیم عبور کند، سیم مانند مغناطیس عمل می‌کند و براده‌های آهن را جذب می‌نماید، در صورت قطع‌شدن سیم، خاصیت مغناطیسی سیم از بین می‌رود و براده‌ها می‌افتند.

تولید صدا به‌وسیله جریان الکتریکی

همان‌طور که نیرو در بعضی از کریستال‌ها خمش یا چرخش ایجاد می‌کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی نیز باعث خمش یا چرخش در کریستال می‌شود و نیرو تولید می‌گردد. در شکل 24 وقتی ولتاژ صوتی به کریستال‌های گوشی داده می‌شود، کریستال‌ها ارتعاش می‌کنند و دیافراگم را می‌لرزانند. در نتیجۀ این امر، صدا از طریق گوشی شنیده می‌شود.

تولید واکنش شیمیایی به‌وسیله جریان الکتریکی

بار الکتریکی عامل اصلی است که باعث پیوند شیمیایی ترکیبات می‌شود؛ به همین دلیل، برای ایجاد اثرات شیمیایی می‌توان از جریان الکتریکی یا اختلاف پتانسیل الکتریکی استفاده کرد. در الکتروشیمی به این پدیده الکترولیز می‌گویند.

یک نمونه از کاربرد الکترولیز، آبکاری برقی است. اگر آب با $S{O_4}Cu$ همراه باشد، مس $II$ سولفات به یون‌های مثبت مس $\left( {C{u^{ +  + }}} \right)$ و یون‌های منفی سولفات $\left( {SO_4^{2 - }} \right)$ تجزیه می‌شود. یون‌های مس به سمت الکترود منفی می‌روند و الکترون جذب می‌کنند ولی چون مس فلز است، به الکترود خواهد چسبید (شکل 25).

پس از مدتی، الکترود به طور کامل در لایه‌ای از مس پوشیده خواهد شد. از این طریق می‌توان با نقره و طلا نیز آبکاری کرد.