جریان الکتریکی(علوم سوم راهنمایی فصل نهم )

جریان الکتریکی

جریان الکتریکی در واقع همان حرکت بارهای الکتریکی است.

برای آنکه جریان الکتریکی برقرار بماند، باربه یک مسیر بسته نیاز دارد، تا در آن شارش کند. مسیری که بارها در آن حرکت می کنند. «مدار الکتریکی» نامیده می شود.

توجه: برای نمایش قطعه های متداولی که در مدارهای الکتریکی به کار می روند، از نمادهای ویژه ای استفاده می شود.

هر مدار الکتریکی ساده، شامل یک مولد،لامپ، کلید و سیم های رابط است. هرگاه در مدار کلید بسته شود جریان الکتریکی برقرار می شود و لامپ روشن می شود.

سیم های مخصوص سیم پیچی از دو قسمت درست شده اند. یک قسمت، رشته های باریکی هستند که در داخل قرار دارند و قسمت دیگر روکش آن است قسمت مرکزی از یک نوع فلز(معمولا مس) تشکیل شده است و قسمت خارجی آن پلاستیکی است.

رسانا و نارسانا

به موادی که جریان برق را از خود عبور می دهند رسانا می گویند. تمام فلزات از جمله مس رسانا هستند.

در مواد رسانا تعداد بی شماری الکترون آزاد وجود دارد. این الکترونها با جابه جا شدن در داخل رسانا، باعث جابه جایی بارالکتریکی از داخل رسانا می شوند.

به موادی که جریان برق را از خود عبور نمی دهند، نارسانا می گویند. روکش پلاستیکی سیم وبیش تر غیر فلزات نارسانا هستند، در اجسام نارسانا به تعدادی کافی الکترون آزاد برای جابه جایی وجود ندارد، در نتیجه وقتی به یک جسم نارسانا الکترون اضافه یا کاسته می شود جسم دارای بارالکتریکی می شود و بارالکتریکی در همان محل، ساکن باقی می ماند و جابه جا نمی شود.

انواع مولدها

در یک مدار الکتریکی، در صورتی که مدار به درستی بسته شده باشد؛ جریان الکتریکی به وجود می آید و لامپ روشن می شود. برای به وجود آمدن جریان الکتریکی وجود قوه یا باتری ضروری است.

به قوه و باتری مولد جریان الکتریکی گفته می شود. در یک مولد صورتی از انرژی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. مولدها انواع متفاوتی دارند:

1- پیل شیمیایی:

در پیل های شیمیایی، انرژی حاصل از یک واکنش شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. هر پیل ساده از دو میله غیر هم جنس رسانا تشکیل یافته که در محدوده ای از اسید یا باز یا نمک که به آن الکترولیت می گویند فرو برده شده است.

یک پیل ساده از دو تیغه رسانا (الکترودهای) متفاوت مس و روی ساخته شده است که در درون آن محلول رقیق سولفوریک اسید قرار دارد. وقتی دو تیغه بایک رشته سیم به هم متصل شوند روی در اسید حل می شود و جریان الکترون ها در سیم از روی به طرف سیم برقرار می شود.

تیغه ی روی را که دارای بار منفی است قطب منفی یا الکترود منفی و تیغه مس را که بارالکتریکی مثبت است قطب مثبت یا الکترود مثبت می نامند.

2- پیل خشک:

پیل هایی که در چراغ قوه مورد استفاده قرار می گیرند، پیل خشک می نامند.

ظرف محتوی الکترولیت از روی ساخته شده است که خود قطب منفی پیل را تشکیل می دهد. قطب مثبت آن میله ای از جنس کربن است. الکترولیت آن خمیری از آمونیوم کلرید (نشادر) و یک ماده ژلاتینی است. برای جلوگیری از خشک شدن خمیر قسمت بالای پیل را با یک ورقه فیبر توسط قیر کاملا مسدود می کنند.

اختلاف پتانسیل الکتریکی:

هر مولد جریان الکتریکی دارای یک مشخصه به نام ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریی است.

اختلاف پتانسیل الکتریکی، عامل ایجاد جریان الکتریکی در مدار است. یعنی برای ایجاد جریان در یک مدار، باید توسط یک مولد، بین دو سر مدار، اختلاف پتانسیل برقرار کنیم، جریان الکتریکی همواره از جسمی که پتانسیل الکتریکی بیش تری دارد به جسمی که پتانسیل کمتری دارد می باشد.

اختلاف پتانسیل الکتریکی را با علامت V نشان می دهند و واحد آن ولت (V) است.

اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه را با وسیله ای به نام "ولت سنج" اندازه می گیریم.

ولت سنج همواره در مدار به شکل موازی با بقیه اجزای مدار قرار می گیرد.

نکته: اختلاف پتانسیل بین پایانه های قوه ی معمولی برابر 5/1 ولت, باتری ماشین های معمولی 12 ولت و کامیون ها 24 ولت یا بیش تر است.

شدت جریان الکتریکی:

هنگامی که دوسر رسانا را به باتری وصل می کنیم، بین دو سر آن اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال می شود، مولد با صرف انرژی الکترونهای آزاد را وادار به حرکت می کند و می گوییم جریان الکتریکی برقرار است. به مقدار جریانی که در مدار برقرار می شود شدت جریان می گویند.

شدت جریان الکتریکی را با نماد I نشان می دهند و یکای آن آمپر است.

توجه: تجربه نشان می دهد که اگر ولتاژ مولد جریان الکتریکی در یک مدار افزایش یابد، مقدار جریان الکتریکی در مدار به همان نسبت افزایش می یابد.

نکته1: شدت جریان هر مدار با وسیله ای به نام آمپرسنج بر حسب یکای آمپر اندازه گیری می شود.

نکته2: آمپر سنج همیشه در مدار به شکل سری (متوالی) با بقیه اجزای مدار قرار می گیرد.

مقاومت الکتریکی:

وقتی جریان الکتریکی از یک رسانا – مانند رشته ی درون لامپ – می گذرد، مقداری از انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی تبدیل شده و باعث گرم شدن لامپ می شود.

وقتی در یک رسانا را به مولد وصل می کنیم، اختلاف پتانسیل الکتریکی مولد، باعث می شود که الکترونهای آزاد، در مدار حرکت می کنند. در واقع مولد به الکترونهای آزاد موجود در رسانا انرژی می دهد. با تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی (حرکتی) الکترونها در رسانا به حرکت در می آیند الکترونها ضمن حرکت در رسانا با ذره های سازنده ی آن برخورد کرده و در نتیجه رسانا گرم می شود. این عمل مرتبا تکرار می شود یعنی مولد به الکترونها انرژی می دهد و انرژی الکترونها در برخورد با ذره های مرتعش رسانا به گرما تبدیل می شود.

به همین دلیل بعد از مدتی که از مولد استفاده می شود، انرژی آن تمام خواهد شد.

مقاومت رسانا در مقابل حرکت الکترونها را "مقاومت الکتریکی" رسانا می گویند.

عوامل موثر در مقاومت الکتریکی رساناهای فلزی:

مقاومت یک رسانای فلزی در دمای ثابت به عوامل زیر بستگی دارد:

1- طول رسانا:

هر چه طول سیم بلند تر باشد مقاومت الکتریکی آن بیش تر است. به عبارت دیگر مقاومت الکتریکی باطول سیم رابطه مستقیم دارد. طول سیم را با L نمایش می دهند و یکای اندازه گیری آن متر است.

2- سطح مقطع رسانا:

مقاومت الکتریکی سیم های نازک بیش تر از سیم های کلفت است. به عبارت دیگر مقاومت الکتریکی با سطح مقطع سیم رابطه عکس دارد. سطح مقطع سیم را با A نمایش می دهند و یکای اندازه گیری آن مترمربع (m²) است.

3- جنس رسانا (مقاومت ویژه):

مقاومت ویژه ی پاره ای از رساناها مانند نقره و مس کم و پاره ای دیگر مانند تنگستن و آهن نسبتا زیاد است.

مقاومت ویژه را با ρ نمایش می دهند و یکای اندازه گیری آن اهم متر (W.m)است.

با توجه به مطالب گفته شده، مقاومت یک رسانا از رابطه ی زیر به دست می آید.

R مقاومت الکتریکی است و برحسب "اهم" اندازه گیری می شود.

واحد مقاومت به افتخار خدمات علمی (گئورک زیمون اهم) نامگذاری شده است و نماد آن W (امگا) می باشد.

مقاومت الکتریکی رسانا را با وسیله ای به نام "اهم متر" اندازه می گیرند.

اگر این وسیله، همراه با ولت سنج و آمپر سنج یک دستگاه را تشکیل دهند آوومتر "AVO metre" نامیده می شود. (A برای اندازه گیری آمپر، V برای ولت و o برای اهم است)

قانون اهم:

آزمایش ها نشان می دهد که هر چه مقدار مقاومت الکتریکی یک مدار بیش تر باشد، شدت جریان الکتریکی در آن مدار کم تر است. از این رو می توان نتیجه گرفت که در یک مدار الکتریکی بین شدت جریان مدار، ولتاژ و مقاومت الکتریکی رابطه ی زیر وجود دارد.