برق ، انقلابی نو در صنعت

تولید ولتاژ از طریق الکتریسیته ی ساکن

اتم ها با تعداد معینی الکترون در مدار خود در اطرافشان به صورت یک حالت خنثی هستند یا اینکه دارای بار صفر می باشند یک بدنه از اجسام که از این اتم ها تشکیل شده اند یا جسم مجاور خود را جذب و یا دفع می کنند. اگر الکترون ها از اتم ها در این بدنه که در اثر اصطکاک یا مالش جدا شوند مانند مالش دادن میله ی شیشه ای با پارچه ی ابریشمی الکتریسیته ی ساکن ایجاد شده ، زیرا به صورت الکتریکی حالت مثبت گرفته اند. مانند شکل زیر.

اگر این بدنه (میله ی شیشه ای) نزدیک با بدنه دیگری که دارای بار معمولی است قرار گیرد یک نیروی الکتریکی مابین آنها اعمال می گردد زیرا که دارای بار های نامساوی هستند. وجود این نیرو را به نام الکتریسیته ساکن یا نیروی الکترواستاتیک می خوانند.

-مثال: تا بحال بر روی موکت راه رفته اید و یک شوک برقی به شما دست داده است در این حال ، خصوصا زمانیکه پس از راه رفتن بر روی فرش و گرفتن دستگیره فلزی در کفش شما توسط مالش بر روی موکت از طریق پاشنه ی کفش بار الکتریکی ایجاد کرده و آن ها را به بدن شما وارد می کنند آنگاه بدن شما بار مثبت شده و در همان زمانیکه دستگیره ی در را لمس می کنید که در وضعیت بار صفر است الکترون های آن در وارد بدن شما که بار مثبت هستند می شوند تا آنگاه که شما و در دارای بار الکتریکی یکسان شوید شوک وجود دارد.

تولید ولتاژ از طریق الکتروشیمیائی

مدار شیمیائی می توانند با فلزات ترکیب گردند و سبب شوند که عکس العمل شیمیایی یا همان واکنش شیمیائی ایجاد شود که باعث انتقال و حرکت الکترون ها جهت ایجاد انرژی الکتریکی می گردد. این پروسه بر روی اصل الکتروشیمیائی کار می کند. یکی از مثال های این نوع باطری های شیمیائی ولتایک است که در شکل زیر مشاهده می کنید. واکنش شیمیائی یک القاء شارژ مخالف بر روی دو فلز نامشابه ایجاد می کند که ترمینال های منفی و مثبت است. این فلزات با یک محلول الکترولیتی دائما در تماس هستند. چندین اتصال از این انباره ها ایجاد باطری می نمایند.

جریان

چگالی اتم ها در سیم مس که در اثر مدار های والانس اتم ها جداگانه روی هم قرار گرفته سبب می شوند الکترون ها به راحتی از یک اتم به اتم بعدی خود حرکت کنند. الکترون های آزاد را می توان از یک مدار به یک مدار دیگر با جهتی تصادفی کشاند. زمانیکه اختلاف پتانسیل به هر یک از انتهای سیم اعمال می گردد معین می شود چقدر الکترون از حرکت تصادفی تغییر کرده اند و به مسیر هدایت شده در درون سیم رفته اند. این حرکت را یا جاری شدن الکترون ها را به نام جاری شدن جریان الکترون می خوانند یا فقط جریان می خوانند.

ولتاژ

واحد اساس اندازه گیری اختلاف پتانسیل ولت است (V) و به خاطر اینکه ولت یک واحد استفاده شده ای می باشد اختلاف پتانسیل را با ولتاژ می خوانند یک شارژ الکتریکی به تعداد الکترون های است که جسم از دست داده یا بدست می آورد می گویند.

بخاطر این که این تعداد الکترون حرکت می کنند آنرا کلمب می گویند که نشان دهنده آن شارژ الکتریکی است یک کلمب برابر است با 10×6.28 (بلیون ، بلیون) الکترون. به طور مثال ، اگر یک جسم یک کلمب بار منفی به دست آورد این جسم10¹⁶^×628 الکترون بیشتری را به دست می آورد. یک ولت ، معین کننده اختلاف پتانسیلی است که باعث می شود یک کلمب جریان به مقدار یک ژول کار کند. یک ولت همچنین به مقدار نیروی مورد نیاز جهت فشار دادن یک آمپر جریان از طریق یک اهم مقاومت تعریف می شود.

اختلاف پتانسیل

اختلاف پتانسیل واژه اس است که شرح می دهد که بزرگی نیروی الکترواستاتیک مابین دو جسم باردار به چه مقدار است. اگر بدنه بار شده مابین دو جسم با یک اختلاف پتانسیل قرار دهیم ، بدنه ی بار شده سعی خواهد کرد در یک جهت حرکت نماید ، که بستگی به پلاریته آن جسم دارد. اگر یک الکترون مابین بدنه بار -منفی و بدنه بار مثبت قرار گیرد. عمل اختلاف پتانسیل این است که الکترون را به سمت جسم بار-مثبت شده هل می دهد. این الکترون بار منفی شده از جسم بار-منفی دفع شده و توسط جسم بار-مثبت جذب می شود همانند شکل زیر.

در حین ایجاد نیروی میدان الکتریکی ، بارهای الکتریکی دارای توانائی انجام کار می شوند که اینکار با حرکت بار دیگر با عمل جذب یا دفع انجام می گیرد. این قابلیت انجام کار را به نام پتانسیل می خوانند ، بنابراین اگر یک بار از بار دیگر متفاوت باشد ، یک اختلاف پتانسیل مابین آنها رخ می دهد. جمع این اختلاف پتانسیل های که همه ی ذرات باردار شده در میدان الکترواستاتیک است به عنوان نیروی محرکه الکتریکی اطلاق می شود.

واحد اساسی اندازه گیری اختلاف پتانسیل ولت است و علامت یا سیمبل آن هم V است که نشان دهنده قابلیت انجام دادن کار جهت نیرو دادن به الکترون ها برای حرکت است.

بخاطر اینکه ولت واحد استفاده شده در اختلاف پتانسیل است همچنین آن را اختلاف پتانسل می خوانند.

برق نما یا الکتروسکوپ

ابزاری است که برای پی بردن به وجود بارهای الکتریکی کم و تعیین نوع بار الکتریکی به کار می رود.

در شکل های فوق نوع متداول الکتروسکوپ را می بینید ، این اسباب شامل یک میله ی فلزی (مثلا برنجی) است که کلاهکی به شکل قرص یا گلوله به انتهای بالایی آن نصب شده است. در انتهای پایینی آن یک صفحه ی فلزی مستطیل شکل کوچک با یک ورقه ی بسیار نازک طلا یا آلومینیوم وصل شده است. این ورقه صرفا بدین منظور بکار می رود که می توان از آن ها ورقه های بسیار نازک تهیه کرد. ورقه ی نازک طلا در یک محفظه ی فلزی که پنجره ی شیشه ای دارد ، قرار می گیرد تا از جریان هوا و بار های الکتریکی احتمالی موجود در آن محافظت شود. هنگام کار با الکتروسکوپ بدنه ی فلزی محفظه به زمین متصل می شود. میله ی برنجی را از سوراخ یک قطعه ماده ی عایق مانند پلی تن که مثل چوب پنبه است می گذرانند و آن را مطابق شکل در محفظه نگاه می دارند.

آشنایی با الکتریسیته
دویست سال پیش پس از انتشار کتاب گیلبرت (ماگنت) ، جریان الکتریسیته کشف شد. آن زمان دانشمندان متوجه شدند که الکتریسیته از اجسامی که گیلبرت آن ها را که اجسام الکتریکی نامیده بود ، نمی گذرد و برعکس ، اجسام غیر الکتریکی الکتریسیته را به آسانی از خود عبور می دهند.
گیلبرت اهمیت خشک بودن اسباب ها را در آزمایش های الکتریسیته ی ساکن یادآور شده بود : <<آب ناخالص ماده ای رساناست>>. لایه ی نازکی از رطوبت که در اثر تراکم بخار آب موجود در هوا یا رطوبت دست بر احسام نارسانا می نشیند ، الکتریسیته ی حاصل را به زمسن انتقال می دهد. بنابراین ، برای موفقیت آزمایش های الکتریسیته ی ساکن ، اسباب های آزمایش باید کاملا" خشک باشند.

کاربرد ابر رسانا
ابر رساناهای دمای پایین امروزه در ساخت آهنرباهای ویژه طیف سنج های رزونانس مغناطیسی هسته ، رزونانس مغناطیسی برای مقاصد تشخیص طبی ، شتاب دهنده ی ذره ها ، ترن های سریع مغناطیسی و انواع ابزار های رسانایی الکترونیکی به کار می رود . اما برای این که ابررساناهای دمای بالا در کاربرد های میدان مغناطیسی در دمای بالا رقابت کنند ، هنوز زمان لازم داد ، این به علت دشواری در تولید انبوه و یا کیفیت بالاست. اگر چه در حال حاضر ، بازار ابر رساناهای دمای بالا رونق کمی دارد ، گمان می رود که در خلال دو دهه آینده کاربرد آن فراگیر و پررونق شود.

ابر رسانا
ابررسانا ها ، برخی از فلزها ، آلیاژها یا ترکیب های فلزات هستند که در دماهای پایین نزدیک به صفر مطلق ، مقاومت الکتریکی و نفوذ پذیری مغناطیسی خود را از دست می دهند و رسانایی الکتریکی آنها بینهایت زیاد می شود ، محدوده دمایی به ماهیت ماده بستگی دارد ، که از حدود 0/5 تا 18 درجه کلوین است ، خاصیت ابر رسانایی در فلزات قلیایی ، فلزهای نجیب و مواد فرومغناطیس مشاهده نشده است ، بلکه به طور عمده در عنصر هایی که اتم آن ها 3 ، 5 یا 7 الکترون در لایه ظرفیت خود دارند و مقاومت الکتریکی آن ها در دمای معمولی زیاد است بوجود می آید. پدیده ابر رسانایی از همان آغاز کشف ، توجه دانشمندان را به خود جلب کرده بود ، <<اونز>> اولین کسی بود که هلیم را مایع کرد و نخستین بار خواص ابر رسانایی مواد را در چنین دماهای پایینی اندازه گرفت و معلوم داشت که مقاومت الکتریکی جیوه در دمای 4/2 درجه ی کلوین به شدت محو می شود ، در طول 75 سال اخیر ، فلزات و آلیاژ های دیگر هم به فهرست ابر رساناها افزوده شدند. ابر رسانایی در دماهای بالا هم امکان پذیر است ، کوپرات با فرمول شیمیایی 6،9O3Cu 2YBr که در دمای 93 درجه کلوین خواص ابر رسانایی را نشان می دهد.

هدایت در اجسام

کلیه ی اجسام موجود در طبیعت ، از نظر هدایت الکتریکی به سه دسته کلی تقسیم می شوند:

1_هادی ها:اجسامی که به راحتی جریان برق را از خود عبور می دهند. و دارای الکترون آزاد بوده و اتم های آن ها به راحتی الکترون والانس خود را از دست داده ، دارای بار الکتریکی مثبت می شوند . فلزات یک تا سه ظرفیتی مانند مس ، نقره و آلومینیوم ، هادی های خوبی هستند . زیرا دارای الکترون های آزاد بسیاری زیادی می باشند . علاوه بر فلزات ، بعضی از اسید ها ، قلیا ها و نمک ها نیز جزء هادی ها به شمار می روند.

2_نیمه هادی ها: اجسامی که تحت شرایطی (از جمله ، انرژی خارجی مانند : گرما و ...) جریان برق را به مراتب کم تر از هادی ها ، از خود عبور می دهند . مدار آخر آن ها دارای 4 الکترون می باشد. (گروه چهارم جدول مندلیف) این اجسام در صفر درجه مطلق تقریبا عایق هستند ولی در درجه ی حرارت معمولی (25 درجه ی سانتی گراد) تقریبا هادی می باشند اما هدایت آن ها به مراتب کمتر از هادی هاست.از انواع نیمه هادی ها می توان کربن ، سیلیسیم و ژرمانیم را نام برد.

3_عایق ها: اجسامی که در شرایط معمولی ، جریان برق را از خود عبور نمی دهد؛ زیرا، الکترون آزاد آن ها بسیار کم است . و بیش تر از 5 الکترون والانس دارند. مانند :کائوچو ،شیشه ، هوا ، روغن ، پلاستیک و .......

شرط این که در یک جسم جریان برق جاری گردد این است که :

جسم باید دارای الکترون آزاد باشد. انرژی لازم برای آزاد کردن الکترون های ظرفیت هادی ها ، بسیار کم و مقدار آن در حدود 0/01 الترون -ولت می باشد.

در نیمه هادی ها ، مقدار انرژی لازم برای آزاد کردن الکترون های ظرفیت هادی ها ، بیشتر از هادی ها می باشد (حدود 0/5 تا  1/5 الکترون -ولت که مقدار دقیق آن بستگی به نوع نیمه هادی ها دارد)

در عایق ها ، مقدار انرژی لازم برای آزاد سازی الکترون های ظرفیت ، زیاد می باشد ولی این مقدار برای تمامی عایق ها یکسان نیست و بستگی به نوع عایق دارد.