next
Home
Back

سال سوم ریاضی> فصل سوم-الکتریسیته الکتریکی> آموزش

 فصل سوم (الکتریسیته الکتریکی)

جريان الكتريكي

شارش بار در رسانا سبب انتقال انرژي در آن مي‌شود كه اين انرژي به انواع ديگر انرژي از قبيل انرژي دروني و انرژي مكانيكي تبديل مي‌شود.

علت اصلي رسانايي فلزات، وجود الكترونهاي آزاد در درون آنها مي‌باشد. در حالتي كه به دو سر رسانا اختلاف پتانسيلي اعمال نشده باشد، الكترونها با سرعت فوق‌العاده زيادي در درون رسانا در حال حركت هستند.

 ولي حركت الكترونها در درون رسانا يك حركت تصادفي است. اين حركت تصادفي كه حركت كاتوره‌اي نيز ناميده مي‌شود، منجر به ايجاد جريان در درون رسانا نمي‌شود. سرعت تصادفي الكترونها در درون رساناها در حدود  مي‌باشد.

بعد از اعمال اختلاف پتانسيل به دو سر يك جسم رسانا و ايجاد ميدان درون رسانا، الكترونها در راستاي ميدان الكتريكي درون رسانا حركت مي‌نمايند. الكترونها در اين حالت علاوه بر حركت تصادفي، يك حركت متوسط با سرعت بسيار كم در راستاي ميدان الكتريكي پيدا مي‌كنند. به اين سرعت متوسط در راستاي ميدان، سرعت سوق گفته مي‌شود. مرتبه سرعت سوق الكترونها در درون رسانا چند ميلي‌متر بر ثانيه مي‌باشد.

از حركت الكترونها در درون رساناها در طول سيم و در راستاي ميدان الكتريكي، جريان الكتريكي به وجود مي‌آيد. معمولا جهتي قراردادي براي جريان الكتريكي تعريف مي‌شود. اين جهت قرار دادي در خلاف جهت حركت الكترونها مي‌باشد. همواره جهت جريان الكتريكي از پتانسيل بيشتر به پتانسيل كمتر مي‌باشد و چون جهت حركت الكترونها در خلاف جهت قراردادي است بنابراين الكترونها همواره از پتانسيل كمتر به پتانسيل بيشتر مي‌روند.

در صورتي كه در مدت زمان به اندازه بار از هر مقطع رسانا عبور نمايد شدت جريان متوسط عبوري از مدار خواهد بود كه از رابطه به دست مي‌آيد. شدت جريان متوسط، در حقيقت مقدار باري است كه به طور متوسط در هر يك ثانيه از هر مقطع رسانا عبور مي‌نمايد.

در صورتي كه در تعريف شدت جريان متوسط دقت كنيم، مشاهده مي‌شود كه شدت جريان متوسط شيب خط واصل بين دو نقطه از نمودار بار- زمان (q-t) مي‌باشد.  

شدت جريان لحظه‌اي: مقدار باري كه در هر لحظه از زمان از هر مقطع رسانا عبور مي‌نمايد، شدت جريان لحظه‌اي ناميده مي‌شود. شدت جريان لحظه‌اي شيب نمودار q-t در هر لحظه از زمان مي‌باشد و از مشتق بار نسبت به زمان به دست مي‌آيد.

                                                         

جريانهاي گذرنده از وسيله‌هاي خانگي از 25/0 آمپر تا 10 آمپر تغيير مي‌كند. در مدارهاي الكترونيكي، جريانهاي عبوري از مرتبه ميلي و ميكروآمپر است. در باتري اتومبيل، براي لحظات كوتاهي جريان به شدت 1400 آمپر از موتور مي‌گذرد.

مثال: اگر 12 كولن بار در مدت 3 ثانيه از رسانايي عبور كند جريان عبوري از رسانا چند آمپر است؟

 پاسخ:                                                                                                                                                    

مثال: بار عبوري از رسانايي، بر حسب زمان به صورت است. شدت جريان متوسط بين دو لحظه 2 تا 4 ثانيه و شدت جريان لحظه‌اي در لحظه 5 ثانيه را بيابيد.

پاسخ:

 

لحظه ای

نكته: مقدار بار عبور كرده در بازه زماني برابر سطح زير نمودار I-t مي‌باشد.واحد شدت جريان الكتريكي در دستگاه SI آمپر (A) بوده و آن را با I نشان می دهند.         

    کولن = آمپر ثانیه         

مثال: جرياني با بزرگي يك آمپر و به مدت يك ثانيه از سيمي عبور مي‌كند. تعداد الكترونهايي را كه از مقطع سيم عبور كرده است، به دست آوريد. (بار الكترون است.)

پاسخ: با استفاده از دو رابطه q=It و q=ne مي‌توان تعداد الكترونهايي را كه در مدت يك ثانيه از مقطع مدار عبور مي‌كند به دست آورد.

مثال: جريان 6/4 آمپر در مدت زمان 30 ثانيه در مدار برقرار شده است. چه تعداد الكترون در اين مدت از مدار عبور كرده است؟

پاسخ:                                                   تعداد الكترون‌هاي عبوري از مدار 

نكته: آمپر ساعت (AH) واحد تجارتي مقدار الكتريسيته مي‌باشد. معمولا بار ذخيره شده در باتري و  را با آمپر ساعت مشخص مي‌كنند.

(h) ساعت   (A) آمپر = (آمپر - ساعت) q=It

(h) ساعت   (A) آمپر = (آمپر - ساعت) q=It

مدار الكتريكي

براي آنكه جريان الكتريكي برقرار بماند، بار الكتريكي به يك مسير بسته نياز دارد تا در آن شارش كند. مسيري كه بارهاي الكتريكي در آن حركت مي‌كنند، مدار الكتريكي ناميده مي‌شود.

براي نمايش قطعه‌هاي متداولي كه در مدارهاي الكتريكي به كار مي‌روند، از نمادهاي ويژ‌ه‌اي استفاده مي‌شود. برخي از اين نمادها در جدول زير نشان داده شده‌اند.

برخي از قطعه‌هاي متداول در مدارهاي الكتريكي

قطعه

نماد

قطعه

نماد

مقاومت ثابت

پيل

مقاومت متغير

باتري (مجموعه‌اي از پيل‌هاي متصل به هم)

رئوستا

كليد

لامپ

خازن

لامپ رشته‌اي

آمپرسنج

اتصال به زمين

ولت سنج

فيوزها

فيوز، تكه سيم نازك و كوتاهي است كه در يك مدار به كار مي‌رود تا مدار را از عبور جريانهاي زياد محافظت كند. اگر به دلايلي، جريان مدار، بيش از حد مجاز شود، فيوز ذوب شده و مدار قطع مي‌شود.اگر فيوز در مدار نباشد، جريان زياد مي‌تواند عايق سيمهاي اتصال (روكش سيمها) را ذوب كرده و خسارتهايي به عناصر مدار وارد كند و حتي موجب بروز آتش سوزي شود.

آزمايش: ساختن فيوز

با استفاده از يك تكه سيم مسي نازك و مرغوب، فيوزي براي يك لامپ كوچك درست كنيد. مطابق شكل، مداري شامل يك لامپ كوچك، يك منبع تغذيه، يك كليد و دو گيره ترتيب دهيد و قطعه سيم مورد نظر را بين دو گيره اتصال قرار دهيد (دو گيره و تكه سيم مسي به عنوان فيوز هستند). وقتي كه كليد را وصل بكنيد، لامپ روشن مي‌شود. يعني بدون آنكه سيم فيوز ذوب شود، جريان از آن عبور مي‌كند.

وقتي لامپ، اتصال كوتاه شود، چه اتفاقي مي‌افتد؟ با اتصال يك تكه سيم مسي به ترمينالهاي لامپ اين كار را انجام دهيد. با اين كار، لامپ كنار گذاشته مي‌شود و سيم فيوز ذوب مي‌شود. فيوز اجازه مي‌دهد لامپ روشن شود، اما به محض آنكه جريان از حد معين بيشتر شود، فيوز ذوب شده و مدار قطع مي‌شود.

كليدها

اگر قسمتي از يك مدار را قطع كنيم، جريان الكتريكي نمي‌تواند از آن قسمت بگذرد. اغلب مدارها يك كليد دارند. استفاده از كليد، روش سريع و مناسبي براي قطع كردن جريان الكتريكي در مدار است.

آزمايش: يك مدار ساده

مطابق شكل، به كمك يك منبع تغذيه كم ولتاژ و دو قطعه سيم، لامپي را روشن كنيد. براي اين منظور، ابتدا بايد ولتاژ لامپ را بدانيد (معمولا ولتاژ لامپ توسط كارخانه سازنده آن روي لامپ نوشته مي‌شود). سپس ولتاژ منبع تغذيه را به اندازه ولتاژ لامپ تنظيم كرده و لامپ را به وسيله دو سيم به منبع وصل كنيد تا لامپ روشن شود.

هنگامي كه دو ترمينال منبع تغذيه توسط سيم فلزي به لامپ وصل شود، لامپ روشن مي‌شود.اين اتصال منبع به لامپ، يك مسير بسته رسانا ايجاد مي‌كند كه الكتريسيته مي‌تواند در آن مسير جاري شود. اين اتصال را مدار الكتريكي  مي‌نامند.