استفادهٔ گسترده از وسیله های الکتریکی در زندگی امروزی، بسیار عادی است. لامپ، تلویزیون، تلفن همراه، جاروبرقی، لباس شویی، اتو، رایانه، ماشین حساب، رایانۀ کیفی لپ تاپ و… . تنها تعداد اندکی از وسایل الکتریکی اند که ما با آنها سروکار داریم.

همهٔ این وسایل بر اساس قوانین الکتریسیته طراحی و ساخته می شوند. 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 می شویم.

اگر بادکنکی را با پارچهٔ پشمی یا موهای خشک و تمیز سر مالش دهیم، بادکنک و پارچهٔ پشمی خاصیت جدیدی پیدا می کنند و می توانند خرده های کاغذ یا مو را به طرف خود جذب کنند. حتی با همین روش می توان بادکنک را به سقف یا دیوار چسباند.



در این آزمایش ها بادکنک یا پارچهٔ پشمی دارای بار الکتریکی شده است؛ به عبارت دیگر وقتی جسمی دارای بار الکتریکی می شود، می تواند اجسام دیگر را جذب کند.

آزمایش بالا و آزمایش های مشابه نشان می دهد، وقتی دو جسم با یکدیگر مالش داده می شوند، معمولاً هر دوی آنها دارای بار الکتریکی می شوند و بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. نیروی الکتریکی بین دو جسم باردار، گاهی جاذبه و گاهی دافعه است؛ مثلاً نیروی الکتریکی بین بادکنک ها دافعه و نیروی بین پارچه و بادکنک جاذبه است. بنابراین دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. بار الکتریکی ای که در بادکنک ایجاد شده است و بارهای مشابه آن از یک نوع اند و بار الکتریکی ای که در پارچهٔ پشمی ایجاد شده است و بارهای مشابه آن از نوعی دیگرند. این بارها را به ترتیب بار منفی (-) و بار مثبت (+) نام گذاری کرده اند.

۱ دو جسم، که دارای بارهای الکتریکی غیرهمنام اند، وقتی به هم نزدیک شوند، همدیگر را جذب می کنند.
۲ دو جسم که دارای بارهای الکتریکی همنام اند، وقتی به هم نزدیک شوند، همدیگر را دفع می کنند.

معمولاً برای تشخیص باردار بودن یک جسم و تعیین نوع بار آن از وسیلهٔ ساده ای به نام برق نما الکتروسکوپ استفاده می کنیم برق نما از یک صفحه یا گوی، یک میله و دو ورقه نازک فلزی تشکیل شده است.



وقتی برق نما بدون بار است ورقه های آن به هم نزدیک اند و وقتی باردار می شود، ورقه های آن از هم دور می شوند

توجه کنید: آزمایش های الکتریسیته باید در هوای خشک و با وسایل کاملاً خشک انجام شود. در هوای مرطوب یا با وسایل خیس و مرطوب نمی توان این آزمایش ها را انجام داد.

بارهای الکتریکی از کجا می آیند؟

همان طور که در فصل ۴ خواندیم، همهٔ اجسام از ذره های بسیار کوچکی به نام اتم ساخته شده اند. هر اتم از هسته و الکترون ساخته شده است. هسته نیز از ذره های 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 پروتون های هر اتم با تعداد الکترون های آن اتم برابر است.

وقتی دو جسم را با یکدیگر مالش می دهیم، تعدادی الکترون از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شود؛ مثلاً وقتی پارچهٔ پشمی را با میلهٔ پلاستیکی مالش می دهیم، تعدادی از الکترون های پارچهٔ پشمی کَنده، و به میلهٔ پلاستیکی منتقل م یشوند. در نتیجه تعداد الکترون های پارچهٔ پشمی از تعداد پروتون های آن کمتر می شود و توازن بارهای مثبت و منفی بر هم می خورد و بارهای مثبت بیشتر می شود. بنابراین بار الکتریکی خالص پارچه پشمی مثبت می شود. میله نیز، که تعدادی الکترون اضافی دریافت کرده است، تعداد الکترون هایش از پروتون هایش بیشتر می شود و بار الکتریکی خالص آن منفی خواهد شد.

رسانا و نارسانا

به کمک یک مدار الکتریکی ساده می توان 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 می تواند به راحتی در آنها حرکت کند، رسانای الکتریکی می گوییم. عبور جریان الکتریکی در فلزات آسان است؛ زیرا تعدادی از الکترون های اتم فلز وابستگی بسیار کمی به هستهٔ آن دارند و می توانند آزادانه در فلز حرکت کنند. به این الکترون ها الکترون آزاد می گویند. در فلزات تعداد الکترون های آزاد بسیار زیاد است. به موادی مانند شیشه، پلاستیک، چوب خشک و… که الکترون های آنها به هسته هایشان وابستگی زیادی دارند و نمی توانند در این اجسام به سادگی حرکت کنند، نارسانای الکتریکی می گوییم. نارساناها نمی توانند جریان الکتریکی را از خود عبور دهند.

القای بار الکتریکی

همان طور که قبلاً بررسی شد، وقتی میله ای پلاستیکی را با پارچهٔ پشمی مالش می دهیم، تعدادی از الکترون های پارچه به میله منتقل می شود. این انتقال در اثر مالش دو جسم اتفاق می افتد. اگر میلهٔ دارای بار منفی را با جسم خنثی تماس دهیم، تعدادی الکترون از میله وارد جسم خنثی می شود و جسم خنثی نیز دارای بار منفی می شود. این روش ایجاد بار را ایجاد بار به روش تماس می نامند. در اینجا با روش دیگری برای ایجاد بار الکتریکی در اجسام آشنا می شویم که به آن روش القا گویند.

روشی که کره های فلزی بدون تماس با میله، باردار شده اند روش القای بار الکتریکی گویند. وقتی میله باردار منفی را به کرهٔ A نزدیک کردید، الکترون های آزاد این کره تحت دافعهٔ الکتریکی بار منفی میله قرار می گیرند و به دورترین فاصلهٔ ممکن می روند. در نتیجه کره A که الکترون از دست داده و دچار کمبود الکترون شده است، دارای بار مثبت و کرهٔ B دارای بار منفی می شود.

آذرخش و تخليه الکتريکي

احتمالاً منظره های زیبایی را که هنگام رعد و برق در آسمان ایجاد می شوند. دیده اید. در هر ثانیه ده ها آذرخش روي سطح زمين زده می شود. ابرها در طول مسير حرکت خود به دلايل مختلف مانند مالش با ابرهاي ديگر، هوا، کو هها يا القاي الکتريکي داراي بار الکتريکي می شوند. اگر دو ابر چنان به هم نزديک شوند که قسمت هاي داراي بار ناهمنام نزديک هم قرار گيرند به علت نيروي جاذبه. بين بارهاي ناهمنام، ممکن است الکترو نها از يک ابر به ابر ديگر بجهند که به آن تخليه الکتريکي بين دو ابر گويند. اين عمل معمولاً با جرقه هاي بزرگ، توليد گرما و صدا همراه است. تخلي. الکتريکي می تواند بين يک ابر باردار و زمين نيز اتفاق بيفتد. ابرهاي باردار با حرکت در مجاورت سطح زمين در زمين بار القايي ايجاد می کنند. در اين حالت نيز امکان تخليه. الکتريکي بين ابرها و زمين وجود دارد و می تواند موجب آتش سوزي شود و به ساختمان ها، خطوط انتقال برق، انسا نها و دا مها خسارت هاي جبران ناپذير وارد کند.

اختلاف پتانسیل الکتریکی

م یدانیم اخت الف دما بین دو جسم سبب انتقال انرژی از یک جسم به جسم دیگر می شود. همچنین اختلاف ارتفاع سطح آب بین دو ظرف مرتبط، سبب شارش آب از یک ظرف به ظرف دیگر می شود. به نظر شما در الکتریسیته چه عاملی سبب شارش بارهای الکتریکی بین دو نقطه از یک مدار می شود؟



در یک مدار الکتریکی ساده، باتری انرژی لازم را برای روشن شدن لامپ تأمین می کند )شکل ۵)؛ به عبارت دیگر در مدار، انرژی الکتریکی به لامپ داده می شود و به این وسیله این انرژی به نور و انرژی گرمایی تبدیل می شود. اگر باتری را از مدار حذف کنیم، بلافاصله لامپ خاموش می شود. پس باتری نقش منبع انرژی را دارد؛ یعنی باتری سبب ایجاد جریان الکتریکی در مدار می شود و انرژی توسط سیم های رابط از باتری به لامپ می رسد.

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. همان طور 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 به وجود آید و آن دو نقطه توسط یک جسم رسانا مانند یک سیم به هم وصل شوند، جریان الکتریکی به وجود می آید. یکای اختلاف پتانسیل است و اخت الف پتانسیل بین دو (V) ولت نقطه توسط ولت سنج اندازه گیری می شود.

مثلاً وقتی به دو سر یک باتری قلمی را به ولت سنج وصل می کنیم و ولت سنج عدد 1/5 را نشان می دهد؛ یعنی اختلاف پتانسیل 1/۵ V است.



باتری ها دارای دو سر (پایانه) مثبت و منفی اند و اختلاف پتانسیل باتری مربوط به اختلاف پتانسیل این دو سر است. چند نوع باتری را نشان می دهد.



انرژی لازم برای ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سر باتری از واکنش های شیمیایی به دست می آید که درون باتری رخ می دهد؛ مثلاً در باتری ای که شما با کمک لیموترش و ورقه های نازک فلزی ساخته اید، بین تیغه های فلزی و مادهٔ درون لیموترش واکنش شیمیایی رخ می دهد. در این واکن شها بارهای منفی در یک سر باتری جمع می شوند و سر دیگر باتری بار مثبت پیدا می کند. در نتیجه بین دو سر باتری اختلاف پتانسیل ایجاد می شود.

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 می شود. وقتی کلید بسته باشد، مدار کامل است و الکترون ها با گرفتن انرژی از باتری در مدار حرکت می کنند.

مقدار انرژی ای که بارهای الکتریکی می گیرند به اختلاف پتانسیل باتری بستگی دارد؛ مثلاً باتری 1/5 ولتی 1/5 ژول انرژی به هر واحد بار که از آن می گذرد، می دهد. اگر ولتاژ باتری 12V باشد، هر واحد بار که از آن می گذرد، انرژی آن به اندازهٔ ۱۲ ژول افزایش می یابد. بار الکتریکی، این انرژی را در عبور از اجزای مختلف مدار مانند لامپ به انرژی های دیگر تبدیل می کند و بدین ترتیب لامپ، روشن و گرم می شود. وقتی کلید بسته می شود، الکترون ها در مدار از پایانهٔ منفی پیل به طرف پایانهٔ مثبت پیل حرکت م یکنند و این سبب ایجاد جریان الکتریکی در مدار می شود. مقدار جریان الکتریکی را که در مدار جاری است، شدت جریان الکتریکی می نامیم.

جریان الکتریکی در یک مدار را با آمپرسنج اندازه گیری می کنند. برای این کار، آمپرسنج را همانند شکل به صورت متوالی در مدار قرار می دهیم. یکای جريان الکتريکي آمپر (A) است.

مقاومت الکتریکی

آیا تاکنون به حرکت دانش آموزان در حیاط مدرسه یا حرکت افراد در خیابان یا بازار شلوغ توجّه کرده اید؟ آیا برای شما پیش آمده است که عجله داشته باشید و مجبور شوید از مکانی پر رفت و آمد عبور کنید؟ در این گونه موارد وجود افراد دیگر سبب کاهش سرعت و انرژی شما می شود و در مقابل حرکت کردن شما نوعی مقاومت وجود دارد که سرعت و انرژی شما را کاهش می دهد. در یک مدار الکتریکی نیز وقتی کلید را می بندیم، باتری یا مولد به الکترون های آزاد انرژی می دهد تا در مدار حرکت کنند و جریان الکتریکی به وجود آید. وقتی جریان الکتریکی از یک رسانا مانند رشتهٔ درون لامپ، اتوی برقی، پلوپز، کتری برقی و… می گذرد، الکترون ها با اتم های رسانا، که در حال نوسان اند، برخورد می کنند و انرژی دریافت شده از مولد یا باتری را از دست می دهند. این موضوع سبب گرم شدن رسانا رشتهٔ درون لامپ، رشتهٔ درون اتو و… می شود. حرکت بارهای الکتریکی به نوعی مشابه حرکت شما در یک خیابان یا بازار شلوغ است. در واقع الکترون ها هنگام حرکت در رسانا همیشه با نوعی مقاومت رو به رو هستند. اصطلاحاً م یگوییم: رسانا دارای مقاومت الکتریکی است. هر رسانای الکتریکی در برابر جریان الکتریکی از خود مقاومتی نشان می دهد. مقاومت برخی از رساناها از رساناهای دیگر بیشتر است. مقاومت الکتریکی را با R نشان می دهیم. یکای مقاومت الکتریکی به افتخار جرج سیمون اهم، دانشمند آلمانی اهم نام گذاری شده است. مقاومت الکتریکی یک رسانا را با دستگاهی به نام اهم سنج اندازه گیری م یکنند.





آزمایش نشان می دهد در یک مدار، هر چه مقاومت الکتریکی را بیشتر کنیم، جریان الکتریکی در مدار کمتر می شود و هر چه ولتاژ دو سر مدار را زیادتر کنیم، جریان زیادتری از مقاومت الکتریکی م یگذرد. اهم در سال ۱۲۰۵ هجری شمسی رابطه بین ولتاژ، شدت جریان و مقاومت را کشف کرد.رابطهٔ ساده صفحۀ بعد ارتباط بین ولتاژ، شدت جریان و مقاومت را نشان می دهد.





بنابراین طرحوارهٔ یک مدار ساده، که آمپرسنج و ولت سنج برا ی اندازه گیری در آن نصب شده است، مطابق شکل 9 است.
اگر کلید بسته شود، جریان در مدار برقرار می شود و آمپرسنج شدت جریان در مدار و ولت سنج اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت الکتریکی را اندازه گیری می کند.