تاریخچه
واژه الکتریسیته از کلمه یونانی الکترون به معنی کهربا گرفته شده است. این واژه اولین بار در نوشته های تالس (547 ـ 640 ق.) م بکار رفته است.
یوناینان باستان از مشاهدات خود نتیجه گرفتند که هرگاه کهربا را با پارچه پشمی یا پوست مالش دهند، اجسام سبکی را به خود جذب می کند.
سیر تحول و رشد
ویلیام گیلبرت (1544 ـ 1603 م) با انتشار کتابی درباره مغناطیس نظریات گذشتگان را مورد بررسی قرار داد. و نتیجه گرفت که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی از هم جدا می باشند.
خط فاصل روشن بین این دو پدیده (الکتریسیته و مغناطیس)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 پدیده های الکتریکی را نشان می دهد. 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.
برای مثال سنگ مغناطیس می تواند آهن و فقط چند ماده دیگر را جذب کند. در صورتی که کهربا و اجسامی که خاصیت الکتریکی دارند می توانند ذرات کوچک و سبک اجسام گوناگون را جذب کنند. وی عقیده داشت که اجام الکتریکی اثر دافعه ندارد. در سال 1646 سرتوماس برادن تجربه های خود را درباره اثر دافعه الکتریکی منتشر نمود و اظهار کرد که بین مواد الکتریکی نیز همانند مواد مغناطیسی نیروهای جاذبه و داففه وجود دارند.
در قرن هیجدهم میلادی بطری لیدن مورد توجه (بنیامین فرانکلین 1756 ـ 1790) قرار گرفت، وی پس از آزمایشهای متعدد نتایج کار خود را در سال 1747 منتشر کرد. او معتقد بود که دو نوع الکتریسیته که قبل از وی کشف شده بود اساسا باهم تفاوتی ندارد، بلکه حتی جسمی در اثر مالش دارای الکتریسیته می شود. یکی از دو جسم دارای الکتریسیته اضافی یعنی بار مثبت و دیگر دارای الکتریسیته منفی می شود.
آراگو (D. F. Arago) ، فیزیکدان فرانسوی در کتاب خود به نام تندر و آذرخش شرح می دهد که چگونه در ژوییه سال ۱۶۸۱، در کشتی راین (reine) واقع دردریای 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 می دهد که هرگاه آذرخش به خانه بخورد، کارد ، چنگال و سایر اشیای آهنی را به شدت آهنربا می کند.
در آغاز قرن هجدهم ثابت شد که آذرخش در واقع جریان الکتریکی شدیدی است که از هوا می گذرد. بنابراین به این نتیجه می رسیم 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 موثر بر بارهای الکتریکی نیروهای الکتریکی نام دارد، نیروهای موثر بر آهنرباهای طبیعی یا مصنوعی را نیروهای مغناطیسی می گویند.
ماهیت الکتریسیته
ماهیت الکتریسیته به دلیل وجود بارهای الکتریکی در اتمهای ماده است. در اتم دو ذره با بار الکتریکی وجود دارد. پروتون با بار مثبت که در داخل هسته قرار دارد و الکترون که بار منفی دارد و به دور هسته می چرخد.
مقدار بار الکتریکی پروتون و الکترون با هم برابر اما از نظر علامت مخالف هم هستند. به این علت هسته یک اتم در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی می باشد مقدار بار یک پروتون یا یک الکترون برابر است با :
2- هر مقدار بار الکتریکی مثل( q ) را می توان مضرب صحیحی از بار یک الکترون( یا یک پروتون) در نظر گرفت. یعنی:
n عدد صحیح و مثبت است.
الکتریسیته دو نوع است : الکتریسیته ساکن و الکتریسیته جاری
سوال: الکتریسیته ساکن چگونه است؟
جواب: هر گاه الکتریسیته تولید شده در محل تولید باقی بماند آنرا الکتریسیته ساکن می نامند.
سوال: الکتریسیته جاری چگونه است؟
جواب: از حرکت الکترونها، الکتریسیته جاری به وجود می آید.
انواع الکتریسیته
بار الکتریکی
چرخش الکترون به دور هسته در اثر وجود نیروی الکتریکی بین آنهاست و نیز بعضی از اجسام تحت شرایط خاصی بر هم نیروی جاذبه یا دافعه الکتریکی وارد می کنند. عامل این نیروها به سبب خاصیتی است که بطور ذاتی در الکترونها وجود دارد. لذا آن کمیت فیزیکی که این خاصیت را توصیف و بزرگی نیروی حاصل از آنها را تعیین می کند، بار الکتریکی نامیده می شود.
13
قانون بقای بار الکتریکی
دو نوع بار الکتریکی وجود دارد و این بارهای الکتریکی
که می توانند ساکن یا متحرک باشند و آثاری از خود
ظاهر می سازند. از نظریه فارنکلین این نتیجه درست
نیز بدست آمد که: «بارهای الکتریکی ایجاد نمی شوند
و از بین نیز نمی روند بلکه از قسمتی از یک جسم به قسمت دیگر منتقل می شوند، همچنین بارهای مثبت و منفی از یکدیگر را خنثی می کنند، ولی هیچگاه نابود نمی شود.» این نتایج امروزه قانون بقای بار الکتریکی نامیده می شود که مانند قانون بقای جرم و انرژی از قوانین اساسی طبیعت محسوب می شود.
خواص بارهای الکتریسیته
با بررسی خواص بارهای الکتریکی بهتر به ماهیت ماده پی می بریم. مثلا این خاصیت که بارهای الکتریکی ممنوع یکدیگر را می رانند و بارهای الکتریکی یا نوع مخالف یکدیگر را می ربایند. این واقعیت را نشان می دهد که درون ماده نیروهای الکتریکی موجود است. نیروهای پیوستگی بین مولکول ها اجسام جامد یا مایع به سبب وجود نیروهای جاذبه الکتریکی بین بارهای الکتریکی از نوع مخالف است.
نیروهای متعددی که به هنگام تراکم ماده ظاهر می شود به علت وجود نیروهای رانشی بین بارهای الکتریکی ممنوع است. حرکت این بارهای الکتریکی ، موجب تولید جریان الکتریسیته و یا به اصطلاح متداول ، جریان برق می شود که ما در خانه و صنعت از آن استفاده می کنیم.
انواع بار الکتریکی
سوال: چند نوع بار الکتریکی وجود دارد؟
جواب: دو نوع بار منفی( بار الکترون با علامت e- ) و بار مثبت ( بار پروتون با علامت e+).
سوال: بارهای الکتریکی الکترون و پروتون چه فرقی با هم دارند؟
جواب: از نظر مقدار یکی هستند اما علامتهای مخالف هم دارند. توجه کنید که در نظر گرفتن علامتهای منفی و مثبت برای بارهای الکتریکی الکترون و پروتون یک اتمی قراردادی است و برای طبیعت این علامتها مفهومی ندارند.
یکای بار الکتریکی و بار الکتریکی خالص
یکای بار الکتریکی در SI کولن است که با حرف C نشان می دهند.
سوال: بار الکتریکی خالص یعنی چه؟
جواب: یک اتم در حالت عادی از نظر الکتریکی خنثی است. یعنی تعداد بارهای مثبت و منفی آن با هم برابرند. اگر این تعادل را با گرفتن یا دادن الکترون به اتمهای یک جسم برهم بزنیم، دیگر جسم از نظر بار الکتریکی خنثی نخواهد بود. در این حالت می گوییم جسم دارای بار الکتریکی خالص است. به عبارت دیگر بارهای الکتریکی خنثی نشده یک جسم را بار الکتریکی خالص می نامند.
قانون الکتریسیته ساکن
بنا به قانون الکتریسیته ساکن، بارهای همنوع یکدیگر را می رانند و بارهای غیر همنوع یکدیگر را می ربایند.
بارهای همنام
بارهای ناهمنام
روش های به وجود آوردن الکتریسیته ساکن
به دو روش مالش و القا می توان الکتریسیته ساکن به وجود آورد.
تولید الکتریسیته به روش مالش
وسیله های آزمایش : دو تیغه ی شیشه ای – دو تیغه ی پلاستیکی – پارچه پشمی و ابریشمی – نخ – پایه دو عدد برای آویزان کردن تیغه ها
١- تیغه ی شیشه ای را با پارچه ی ابریشمی مالش دهید و به خرده های کاغذ نزدیک کنید . چه اتفاقی رخ می دهد ؟
٢- همین آزمایش را با تیغه ی پلاستیکی انجام دهید و مشاهده های خود را بیان کنید .
٣- تیغه ی شیشه ای را با پارچه ی ابریشمی مالش دهید و آن را از گرانیگاه به وسیله ی نخ خشک آویزان کنید سپس تیغه ی شیشه ای دیگری را با پارچه ی ابریشمی مالش داده و به تیغه ی شیشه ای آویخته شده نزدیک کنید ، چه اتفاقی رخ می دهد ؟
٤- همین آزمایش را با دو تیغه ی پلاستیکی که با پارچه ی پشمی مالش داده اید تکرار کنید و مشاهده های خود را بیان کنید.
٥- آزمایش را با یک تیغه ی شیشه ای و یک تیغه ی پلاستیکی انجام دهید . نتیجه های تجربه ها ی انجام شده را بنویسید و ربایشی یا رانشی بودن نیرو ها را مشخص کنید
جواب :
1- تیغه شیشه ای خرده های کاغذ را می رباید و اندکی بعد آنها را رها می سازد.
2- تیغه پلاستیکی نیز ابتدا خرده های کاغذ را می رباید و بعد از مدتی آنها را رها می سازد.
3- بعلت هم نوع بودن بار تیغه های شیشه ای( هر دو مثبت) تیغه آویخته توسط تیغه دیگر رانده می شود.
4- مثل حالت قبل تیغه های پلاستیکی که هر دو بار منفی دارند یکدیگر را می رانند.
5- در این حالت به دلیل غیر هم نوع بودن بارهای تیغه ها، یکدیگر را می ربایند.
تولید الکتریسیته به روش القا
سوال : تولید الکتریسیته ساکن به طریقه القاء چگونه است؟
جواب: مطابق شکل روبرو، میله باردار( S ) را به کره فلزی با پایه عایق نزدیک می کنیم. دراثر نیروی الکتریکی بارهای مثبت و منفی آن از هم جدا می شوند. سپس با تماس کره به زمین توسط انگشت، بارهای منفی آن را تخلیه میکنیم. بعد تماس کره با زمین را قطع کرده و میله ( S ) را از آن دور می نماییم. در کره بار خالص مثبت باقی می ماند. (در صورتی کهبار میله مثبت باشد، بار ایجاد شده در کره منفی خواهد بود).
روش قبل را با دو کره فلزی نیز می توان انجام داد. در اشکال زیر مراحل انجام این عمل نشان داده شده است:
با نزدیک شدن میله باردار( با بار منفی) به کره ها، به
علت نیروی الکتریکی بارهای مثبت و منفی کره ها
از هم دور می شوند. سپس کره ها را از هم جدا
می کنیم و بعد میله را نیز دور می کنیم. ملاحظه
می شود در کره A بار خالص منفی و در کره B بار خالص مثبت ایجاد می شود.
اجسام رسانا و نارسانا
اجسامی که به راحتی الکتریسیته را از خود عبور می دهند رسانای الکتریکی می نامند.
اجسامی که الکتریسیته را از خود عبور نمی دهند، نارسانای الکتریکی می نامند.
در رساناهای فلزی، الکترونها می توانند به راحتی از اتمهای خود جدا شده و با حرکت در درون جسم موجی رسانش شوند. این الکترون ها را الکترون های آزاد می نامند.
الکتروسکوپ و اجزای تشکیل دهنده آن
الکتروسکوپ یا برقنما وسیله ای است که بر اساس القا بار الکتریکی عمل می کند.
الکتروسکوپ تشکیل شده است از یک میله فلزی که در یک طرف آن کلاهکی فلزی و در طرف دیگر ورق نازک طلا( یا یک فلز دیگر) نصب شده و مجموعه در داخل یک جعبه شیشه ای قرار دارد.
کاربردهای الکتروسکوپ
کاربرد های الکتروسکوپ :
1- پی بردن به وجود بارهای الکتریکی کم و ضعیف در یک جسم.
2- تعیین نوع بار الکتریکی در یک جسم.
3- تعیین رسانایی یا نارسانایی الکتریکی یک جسم.
تشخیص وجود بار در اجسام به وسیله الکتروسکوپ 1-
جسم را به آرامی به کلاهک الکتروسکوپ بدون باری نزدیک
می کنیم و نزدیک کلاهک نگاه می داریم. اگر جسم دارای
بار الکتریکی باشد،با نزدیک کردن آن الکترونهای آزاد
الکتروسکوپ تحت تاثیر نیروهای رانش و ربایش آن جابه
جا شده و ورقه ها بارهای همنام پیدا می کنند و
از هم جدا می شوند. در صورتیکه جسم بدون بار الکتریکی
باشد در ورقه ها هیچ تغییری مشاهده نمی شود.
تعیین نوع بارالکتریکی جسم به وسیله الکتروسکوپ 2-
اگر الکتروسکوپ دارای بارالکتریکی باشد، وقتی میله ای با
بارالکتریکی غیر هم نام به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک کنیم
زاویه دو ورقه طلا کم می شود و اگر میله ای با بار الکتریکی
هم نام به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک کنیم، زاویه دو ورق
طلا زیاد می شود.
3- تعیین رسانایی یا نارسانایی الکتریکی یک جسم
برای آنکه تعیین کنیم جسم رساناست یا نارسانا، هرگاه آن را به کلاهک الکتروسکوپ باردار تماس دهیم، اگر جسم رسانا باشد، قسمتی از بارهای الکتریکی الکتروسکوپ به جسم منتقل شده و فاصله، دو ورقه طلا از هم کم میشود و اگر جسم نارسانا باشد، بارالکتریکی به جسم منتقل نشده و فاصله ی ورقه ها از هم تغییری نمی کند.
انواع ایجاد بار در الکتروسکوپ
1- ایجاد بار توسط تماس :
وقتی میله ای باردار را به کلاهک الکتروسکوپ تماس
می دهیم قسمتی از بارهای الکتریکی به کلاهک دستگاه
منتقل می شود. در این صورت الکتروسکوپ دارای
بارالکتریکی می گردد و بارهای الکتریکی در آن پخش
می شود و ورقه های طلا دارای بارهای الکتریکی هم نام
شده و یکدیگر را دفع می کنند و از هم دور می شوند.
2- ایجاد بار توسط القاء:
اجسام رسانا در اثر مالش باردار می شوند اما بار آن ها به راحتی می تواند به دست ما انتقال یابد و در آن ها باقی نمی ماند.
معمولا در اجسام رسانا از روش القا استفاده می شود. در این روش یک جسم رسانا را بدون تماس با آن باردار می کنیم.
مراحل باردار کردن دو کره رسانا از طریق القا
مراحل باردار کردن الکتروسکوپ به روش القاء
تخلیه الکتریکی
ابرها به علت مالش به هوا یا کوه های بلند و یا القای الکتریکی، دارای بارمثبت و یا منفی می شوند. در بیش تر موارد، قسمت رو به پایین ابر (نزدیک زمین) دارای بارمنفی و قسمت بالای آن دارای بار مثبت می شود،اگر دو ابر چنان به هم نزدیک شوند که قسمت هایی از آن ها که دارای بارهای ناهمنام است، مجاور هم قرار گیرند، امکان دارد تخلیه الکتریکی بین دو ابر صورت گیرد، که معمولا با جرقه های بزرگ تولید گرما و صدا همراه است.این عمل را تخلیه الکتریکی می نامند.
آذرخش
به تخلیه ی الکتریکی بین ابر و زمین «آذرخش یا صاعقه» گفته می شود.
آذرخش پدیده ی بسیار خطرناکی است.
زیرا در اثر شارش ناگهانی و بسیار عظیم
بارالکتریکی انرژی زیادی را آزاد می کند.
این پدیده می تواند به ساختمان ها و …
خسارت های جدی وارد سازد.
برق گیر یا رسانای آذرخش
برای حفاظت ساختمان ها در برابر آذرخش، از
وسیله ای به نام برق گیر استفاده می کنند. برق گیر
کابل ضخیمی با نوک تیز است. قسمت نوک تیز
برق گیر را در بالاترین نقطه ی ساختمان نصب
می کنند و انتهای کابل آن را در اعماق مربوط به زمین قرار می دهند تیزی نوک کابل سبب می شود که در صورت به وجود آمدن آذرخش خسارتی به ساختمان وارد نشود.
رسوب دهنده ی الکتریکی
دودهای سیاه غلیظ و گرد و غباری که از دودکش
کارخانه ها بالا می روند را می توان توسط رسوب دهنده ی
الکتریکی از هوا جدا کرد و مانع ورود آن ها به هوا شد.
رسوب دهنده ی الکتریکی از توری فلزی نازکی با
بارالکتریکی مثبت و دو تیغه فلزی که به زمین متصل
هستند تشکیل شده است. ذرات دود و گرد و غبار به هنگام عبور از میان توری فلزی دارای بار مثبت می شوند. ذره های دودباردار شده، از توری رانده می شوند وروی تیغه ها رسوب می کنند.به این ترتیب از هوا جدا می گردند، تیغه ها را گاه گاه بازدن ضربه می تکانند تا دوباره آماده ی کار شوند.