X بستن تبلیغات
X بستن تبلیغات
header
متن مورد نظر

الکتریسیته و مغناطیس

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

اثرهای ساده الکتریکی و مغناطیسی را از زمانهای قدیم می‌شناختند. حدود ۶۰۰ سال قبل از میلاد یونانیان می‌دانستند که آهنربا آهن را جذب می‌کند و کهربای مالیده به لباس چیزهای سبک مانند کاه را بسوی خود می‌کشد. با وجود این اختلاف بین جذبهای الکتریکی و مغناطیسی تعیین نشده بود و این پدیده‌ها را از یک نوع در نظر می‌گرفتند


الکتریسیته و مغناطیس

اثرهای ساده الکتریکی و مغناطیسی را از زمانهای قدیم می‌شناختند. حدود ۶۰۰ سال     قبل از میلاد یونانیان می‌دانستند که آهنربا آهن را جذب می‌کند و کهربای مالیده به     لباس چیزهای سبک مانند کاه را بسوی خود می‌کشد. با وجود این اختلاف بین جذبهای     الکتریکی و مغناطیسی تعیین نشده بود و این پدیده‌ها را از یک نوع در نظر     می‌گرفتند    .

خط فاصل روشن بین این دو پدیده را گیلبرت     (W. Gilbert)     ، فیزیکدان و طبیعت شناس     انگلیسی پیدا کرد. و نیز او کتابی درباره آهنربا ، “اجسام آهنربایی” و “زمین به     عنوان آهنربای بزرگ” در سال ۱۶۰۰ منتشر کرد. کار وی شروع بررسی در پدیده‌های     الکتریکی را نشان می‌دهد. گیلبرت در این کتاب همه خواص آهنرباهای شناخته شده تا آن     زمان را تشریح کرده و نتایج آزمایشهای خیلی مهم ، شخص خود را نیز آورده است. همچنین     وی شماری از تفاوتهای اساسی بین جذبهای الکتریکی و مغناطیسی را مشخص نموده و اصطلاح    الکتریسیته“ را وضع کرده است    .

سیر تحولی و رشد

<!–[if !supportLists]–>·    <!–[endif]–> بعد از انتشار کارهای گیلبرت ، تمایز بین پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی مسلم     شد، اما به رغم اینکه اختلافها شماری از واقعیتها ارتباط ناگسستنی بین این پدیده‌ها   را پدیدار ساخت. برجسته‌ترین این واقعیتها مغناطیس اشیای آهنی و وارونی عقربه قطب نما بر اثر آذرخش بودند.

<!–[if !supportLists]–>·       <!–[endif]–>* آراگو (D. F. Arago) ، فیزیکدان فرانسوی در کتاب خود به نام “تندر و آذرخش” ، شرح می‌دهد که چگونه در ژوییه سال ۱۶۸۱، در کشتی راین (reine) واقع در دریای آزاد حدود صدها مایل از ساحل بر اثر آذرخش دکلها ، بادبانها و غیره بطور جدی صدمه دیدند. وقتی که شب فرا رسید، از روی وضع ستارگان دریافت که از سه قطب نمای در دسترس دو تا بجای شمال به سمت جنوب ایستاده بودند، در حالی که یکی از آنها به سمت شمال بود، آراگو همچنین شرح می‌دهد که هرگاه آذرخش به خانه بخورد، کارد ، چنگال و سایر اشیای آهنی را به شدت آهنربا می‌کند.

<!–[if !supportLists]–>·    <!–[endif]–> در آغاز قرن هجدهم ثابت شد که آذرخش در واقع جریان الکتریکی شدیدی است که از هوا می‌گذرد. بنابراین به این نتیجه می‌رسیم که جریان الکتریکی خواص مغناطیسی دارد، اما این خواص جریان فقط در سال ۱۸۲۰ توسط اورستد (H. Oersted) فیزیکدان دانمارکی با آزمایش مشاهده و بررسی شد. همانطوری که نیروهای مؤثر بر بارهای الکتریکی نیروهای الکتریکی نام دارد، نیروهای مؤثر بر آهنرباهای طبیعی یا مصنوعی را نیروهای مغناطیسی می‌گویند.

 

منشأ میدان مغناطیسی

اگر در فضا نیروهای الکتریکی حاکم باشد و بر ذرات باردار نیروی الکتریکی وارد کند، می‌گوییم در این فضا میدان الکتریکی وجود دارد. از این رو آزمایش نشان می‌دهد که در فضای اطراف جریان الکتریکی ، نیروهای مغناطیسی ظاهر می‌شود، یعنی میدان مغناطیسی بوجود می‌آید.

اولین سوال اورستد

آیا ماده سیم روی میدان مغناطیسی بوجود آمده از جریان اثر دارد یا نه؟ اورستد دریافت که سیمهای اتصال را می‌توان از چند سیم یا نوار باریک مختلف درست کرد و جنس فلز در نتیجه اثر نمی‌گذارد (احتمالا اگر بزرگ باشد اثر می‌گذارد). چون فلزات مختلف ، مقاومتهای الکتریکی متفاوتی دارند، اگر به باتری وصل شود، می توانند جریانهای متفاوت داشته باشند و در نتیجه اثر مغناطیسی این جریانها متفاوت خواهد بود.

اما باید بخاطر داشت که آزمایش اورستد پیش از وضع قانون اهم و دستیابی به مفهوم بستگی مقاومت رساناها به جنس ماده تشکیل دهنده آنها انجام گرفته است. اگر آزمایش اورستد با سیمهای پلاتین ، طلا ، نقره ، برنج ، و آهن یا نوارهای روی و قلع یا جیوه انجام گیرد، همین نتیجه اخیر بدست می‌آید. اورستد آزمایشاتش را با فلز ، یعنی رساناهایی با رسانش الکترونی ، انجام داد.

اثر مغناطیسی جریان الکترولیتی

اگر در آزمایش اورستد فلز رسانا را با لوله دارای الکترولیت یا لوله‌ای که داخل آن تخلیه الکتریکی صورت می‌گیرد، استفاده شود. هر چند در این حالتها جریان الکتریکی از حرکت یونهای مثبت و منفی ناشی می‌شوند، ولی اثر آنها روی عقربه مغناطیسی با اثر رسانای فلزی یکسان است. بدون توجه به رسانای حامل جریان ، در فضای اطراف آن میدان مغناطیسی بوجود می‌آید. از اینرو می‌توان گفت که در اطراف هر جریانی میدان مغناطیسی ظاهر می‌شود. این خاصیت اصلی جریان الکتریکی در اثرهای حرارتی و شیمیایی جریان الکتریکی نقش بازی می‌کند.

اثر مغناطیسی جریان و خواص الکتریکی رسانا

ایجاد میدان مغناطیسی معمولترین خاصیت از سه خاصیت جریان الکتریکی است. جریان الکتریکی فقط در یک نوع رسانا (الکترولیتها) اثر شیمیایی بوجود می‌آورد، نه در دیگران (فلزات). مقدار جریان آزاد شده توسط جریان ، بسته به مقاومت رسانا ، می‌تواند بیشتر یا کمتر باشد. در ابر رساناها ممکن است همراه جریان ، گرما آزاد می شود. از طرفی دیگر میدان مغناطیسی با جریان الکتریکی پیوندی جدایی ناپذیر دارد. این میدان به خواص مشخصی از رسانا بستگی ندارد و فقط شدت و جهت جریان آن را تعیین می‌کند. بیشترین کاربردهای صنعتی الکتریسیته نیز بوجود میدان مغناطیسی جریان وابسته می‌باشند.

بار الکتریکی

بار الکتریکی (q) از خواص بنیادی ماده است و فقط به صورت مضارب صحیح مثبت و منفی از یک بار الکترون (e ) وجود دارد:

<!–[if gte vml 1]> <!–[if !vml]–>\"e=1.6<!–[endif]–>

که در آن C مخفف واحد بار، کلون می‌باشد.

الکترومغناطیس

الکترومغناطیس شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعه‌ی پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. توصیف‌گر پدیده‌های الکترومغناطیسی در فیزیک کلاسیک قوانین ماکسول است.

تعریف

الکترومغناطیس مطالعه تأثیرات بارهای ساکن و متحرک است.

کمیات اساسی در الکترومغناطیس

کمیات مدل الکترومغناطیس به دو گروه تقسیم می‌شود: کمیات منبع و کمیات میدان

کمیات منبع

<!–[if !supportLists]–>·     <!–[endif]–>بار الکتریکی: منبع یک میدان الکترومغناطیسی همواره بارهای الکتریکی در حال سکون یا متحرک است. هر چند یک میدان الکترومغناطیس می‌تواند باعث توزیع دوباره بار‌ها شود که آن نیز به نوبه خود باعث تغییر میدان می‌گردد.

<!–[if !supportLists]–>·         <!–[endif]–>چگالی بار حجمی

<!–[if !supportLists]–>·         <!–[endif]–>جریان الکتریکی

<!–[if !supportLists]–>·         <!–[endif]–>چگالی جریان الکتریکی

کمیات میدان

<!–[if !supportLists]–>·         <!–[endif]–>شدت میدان الکتریکی E

<!–[if !supportLists]–>·         <!–[endif]–>چگالی شار الکتریکی D

<!–[if !supportLists]–>·         <!–[endif]–>چگالی شار مغناطیسی B

<!–[if !supportLists]–>·         <!–[endif]–>شدت میدان مغناطیسی H

مشخصات جریان الکتریکی

از نظر تاریخی نماد جریان I ، از کلمه ی آلمانی Intensit که به معنی شدت است، گرفته شده است. واحد جریان الکتریکی در دستگاه SI ، آمپر است. به همین علت بعضی اوقات جریان الکتریکی بطور غیر رسمی و به دلیل همانندی با ولتاژ ، آمپراژ خوانده می شود. اما مهندسین از این گونه استفاده ی ناشیانه، ناراضی هستند.

آیا شدت جریان در نقاط مختلف هادی متفاوت است؟

شدت جریان در هر سطح مقطع از هادی مقدار ثابتی است و بستگی به مساحت مقطع ندارد. مانند این که مقدار آبی که در هر سطح     مقطع از لوله عبور می کند، همواره در واحد زمان همه جا مساوی است، حتی اگر سطح مقطع ها مختلف باشد. ثابت بودن جریان الکتریسیته از این امر ناشی  می شود که بار الکتریکی در هادی حفظ می شود. در هیچ نقطه ای بار الکتریکی  نمی تواند روی هم متراکم شود و یا از هادی بیرون ریخته شود. به عبارت دیگر در هادی چشمه یا چاهی برای بار الکتریکی وجود ندارد.

سرعت رانش

میدان الکتریکی که بر روی الکترونهای هادی اثر می کند، هیچ گونه شتاب برآیندی ایجاد نمی کند.چون الکترونها پیوسته با یون های هادی برخورد می کنند. لذا انرژی نوسانی شبکه تبدیل می شود و والکترونها سرعت جریان متوسط ثابتی (سرعت رانس) در راستای خلاغف جهت میدان الکتریکی بدست می آ ورند.

چگالی جریان الکتریکی

جریان I یک مشخصه برای اجسام رسانا است و مانند جرم ،حجم و …یک کمیت ویژه دانسیته یا چگالی جریان J است که یک کمیت برداری است و همواره منسوب به یک نقطه از هادی می باشد. در صورتی که جریان الکتریسیته  در سطح مقطع برابرJ=I/A است در این رابطه A مساحت سطح مقطع است.بردار J در هر نقطه به به طرفی که بار الکتریکی مثبت در آن حرکت می کند، متوجه است و بدین ترتیب یک الکترون در آن در نقطه جهت J حرکت خواهد کرد.

اشکال مختلف جریان الکتریکی

در هادیهای فلزی ، مانند سیمها، جریان ناشی از عبور الکترون هاست، اما این امر در مورد اکثر هادی های  غیرفلزی صادق نیست. جریان الکتذیکی در الکترولیتها، عبور اتم های باردار شده به صورت الکتریکی ( یون ها ) است، که در هر دو نوع مثبت و منفی وجود دارند. برای مثال یک پیل الکترو شیمیایی ممکن است با آب نمک ( یک محلول از کلرید سدیم ) یونهای منفی کلر این اجازه را نمی دهد.بنابراین یک جریان خالص ایجاد می شود.

قانون بقای بار الکتریکی

یک توپ را با میله ی پلاستیکی و دیگر را با میله ی شیشه ای باردار کنید. سپسپ آنها را به هم بچسبانید. گاهی دو بار ناپدید می شوند و همدیگر را از بین می برند.برای بیان این مساله می توان 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 قرار داد به میله ی پلاستیکی بار منفی و به شیشه بار مثبت نسبت داده اند.

بیان ساده ای از قانون بقای بار

وقتی میله ی پلاستیکی را با خز مالش می دهیم میله بار منفی و خز بار مثبت پیدا می کند.آزمایش را با دو جسم خنثی شروع می کنیم، یعنی مجموع بار آن دو برابر صفر است. بعد از مالش دادن یکی بار مثبت و دیگری بار منفی می یابد که باز هم بار کل برابر صفر می شود. همچنین وقتی میله ای بار مثبت بیاید، بار جسم پلاستیکی که میله ی شیشه ای را با‌ آن مالش می دهیم، منفی می شود.

هیچ کس نمی تواند یکی از این دو بار(منفی یا مثبت) را خلق کند.، بدون آنکه هم زمان دیگری را نیز تولید کرده باشد در یک چنین فرآیندی میزان کل بار تغییر نمی کند.ای مطلب بیانگر قانون بقای بار الکتریکی است. این قانون همانند قوانین پایستگی جرم و تنرژی، اندازه ی حرکت خطی، اندازه ی حرکت زاویه ای و … در فیزیک یک قانون بنیادی است.

مبادله ی بار و قانون بقای بار الکتریکی

گاهی یک بیان ساده میان اجسام ممکن است باعث شود که تعدادی الکترون از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود.وقتی میله ی پلاستیکی را با خز مالش داده می شود،برخی الکترون ها ازخز به میله ی پالستیکی منتقل می شوند.ممکن ایت تعداد الکترو ناهیی که به میله ی پلاستیکی منتقل می شوند، در حدود( ۱۰  ̂ ۹)باشد که ظاهرا زیاد است.

تعداد کل الکترون های موجود در میله ی پلاستیکی در حدود (۲۴ ̂ ۱۰) است.

در فلزات بستگی الکترون ها به هسته ضعیف است و الکترون ها می توانند آزادانه در داخل ماده حرکت کنند.چون بار را به راحتی در میله ی فلزی به هم وصل می نماییم، هر دو کره خنثی می شوند. ماده ای که بار الکتریکی را از خود عبور می دهد رسانا نامیده می شود. در جامدات، فقط الکترون ها می توانند حرکت کنند.اما محلول الکترولیت، آب شور یا گاز داخل لامپ فلوئور سانس رساناهای بسیار خوبی هستند. زیرا حاملین بار مثبت و منفی هر دو تحت تاثیر نیروی الکتریکی می توانند آزادانه حرکت کنند. در تمام فرآیند مبادله ی بار و انتقالات اخیرقانون بقای بار الکتریکی به دقت ملاحظه می شود. به عبارتی نحوه ی مبادله ب بار توسط قانون بقای بار صورت می گیرد. در واکنش های شیمیایی این قانون همانند قانون بقای جرم ظاهر می شود و واکنش را از نظر الکتریکی مجاز می دارد که در طرفین واکنش مجموع با های الکتریکی برابر باشند.

 


 

خواص بار های الکتریسیته

با بررسی خواص بار های الکتریکی بهتر به ماهیت ماده پی می بریم. مثلا این خاصیت که بار های الکتریکی ممنوع همدیگر را می رانند و بار های الکتریکی با نوع مخالف همدیگر را می برایند، این واقعیت را نشان می دهد که درون ماده نیرو های الکتریکی موجود است. نیرو های پیوستگی بین مولکول های اجسام جامد با مایع سبب وجود نیرو های جاذبه ی الکتریکی بین بار های الکتریکی از نوع مخالف است.

تولید الکتریسیته ی ساکن به وسیله ی مالش

میدانید هرگاه شانه  بیا میله ی پلاستیکی را با لباس خود یا با یک تکه پارچه ی پشمی خشک مالش دهید، ذره های گرد و غباریا خرده های کاغذ را جذب می کند. هم چنین اگر در هوای خشک ، سطح آیینه یا شیشه ی پنجره را با یک تکه پار

ارسال نظر