fizik

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:39 بازدید: 95 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

میدان الکتریکی

رای تعریف میدان الکتریکی در یک نقطه معین از فضا ، یک بار الکتریکی مثبت به اندازه واحد در آن نقطه قرار داده ، سپس مقدار نیروی الکتریکی وارد بر این واحد بار را به عنوان شدت میدان الکتریکی تعریف می‌کنند. بار مثبت را نیز به عنوان بار آزمون تعریف می‌کنند. به بیان دقیقتر می‌توان میدان الکتریکی را به صورت حد نسبت نیروی الکتریکی وارد بر یک بار آزمون بر اندازه بار آزمون ، زمانی که مقدار بار آزمون به سمت صفر میل می‌کند، تعریف کرد.

مقدمه

از قانون کولن می‌دانیم که دو بار الکتریکی بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. این نیرو را می‌توان با استفاده از مفهوم جدیدی به نام میدان الکتریکی توضیح داد، یعنی واسطه‌ای که بارهای الکتریکی بواسطه آن بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. به بیان دیگر هر بار الکتریکی در فضای اطراف خود یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند که هرگاه بار الکتریکی دیگری در محدوده این میدان قرار گیرد، بر آن نیروی وارد می‌شود.

معمولا خطوط میدان الکتریکی در اطراف هر بار الکتریکی با استفاده از مفهوم خطوط نیرو نشان داده می‌شود. به عنوان مثال اگر یک بار الکتریکی نقطه‌ای مثبت را در نقطه‌ای از فضا در نظر بگیریم، در این صورت خطوطی از این نقطه به طرف خارج رسم می‌شوند. این خطوط بیانگر جهت میدان الکتریکی هستند. همچنین با استفاده از چگالی خطوط میدان الکتریکی می‌توان به شدت میدان الکتریکی نیز پی برد.

تصویر



علت بسیار کوچک بودن بار آزمون

فرض کنید یک توزیع بار با چگالی حجمی یا سطحی معین در یک نقطه از فضا قرار دارد و ما می‌خواهیم میدان الکتریکی حاصل از این توزیع بار را در یک نقطه معین پیدا کنیم. اگر چنانچه مقدار بار آزمون خیلی کوچک نباشد، به محض قرار دادن بار آزمون در نزدیکی توزیع بار ، توزیع بار حالت اولیه خود را از دست داده و تحت تاثیر بار مثبت آزمون قرار می‌گیرد. لذا فرض بسیار کوچک بودن بار آزمون بدین خاطر است که بتوانیم از اثرات بار آزمون بر توزیع بار صرفنظر کنیم. البته با تعریف میدان بصورت حد نیرو بر بار زمانی که بار به صفر میل می‌کند، این اشکال رفع می‌شود.

مشخصات میدان الکتریکی

میدان الکتریکی کمیتی برداری است، یعنی در میدان الکتریکی علاوه بر مقدار دارای جهت نیز می‌باشد. برداری بودن این کمیت را می‌توان از تعریف آن نیز فهمید. چون میدان الکتریکی را به صورت نسبت نیرو بر بار تعریف کردیم و نیز چون نیرو بردار است، لذا میدان الکتریکی نیز بردار خواهد بود. میدان الکتریکی در داخل یک جسم رسانا همواره برابر صفر است.

چون اگر درون جسم رسانا میدان الکتریکی وجود داشته باشد، در این صورت بر همه بارهای درون آن نیرو وارد می‌شود. این نیرو باعث به حرکت در آمدن بارهای آزاد می‌شود. حرکت بار را جریان می‌گویند. بنابراین در اثر ایجاد جریان در داخل جسم رسانا بارها به سطح آن منتقل می‌شوند، باز میدان درون آن صفر می‌شود. در بیشتر موارد میدان الکتریکی از نظر اندازه و جهت از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر می‌کند. اما اگر چنانچه اندازه جهت میدان در منطقه‌ای ثابت باشد، در این صورت میدان الکتریکی را یکنواخت یا ثابت می‌گویند.

تصویر



میدان الکتریکی حاصل از یک بار نقطه‌ای

فرض کنید که یک بار الکتریکی به اندزه 'q در نقطه‌ای از فضا که با بردار مکان 'r مشخص می‌شود، قرار داشته باشد. حال می‌خواهیم میدان الکتریکی حاصل از این بار را در نقطه دیگری که با بردار مکان (r) مشخص می‌شود، تعیین کنیم. طبق تعریف یک بار نقطه‌ای مثبت آزمون در این نقطه قرار می‌دهیم. فرض کنید که اندازه بار آزمون (q) باشد. در این صورت از طرف بار q بر این بار آزمون نیرویی وارد می‌شود که از قانون کولن بصورت زیر محاسبه می‌شود.

F = 1/4πε0 X q'q/(r-r')2


محاسبه می‌شود. چون نیروی F یک کمیت برداری است، لذا علاوه بر اینکه مقدار آن از رابطه گفته شده حاصل می‌شود، دارای یک جهت نیز هست که جهت آن با رابطه|(r-r')/|(r-'r) نشان داده می‌شود. در واقع این کمیت یک بردار یکه است. حال اگر نیروی F را بر (q) تقسیم کنیم، کمیتی حاصل می‌شود که همان میدان الکتریکی است. یعنی اگر میدان الکتریکی را با E نشان دهیم، در این صورت میدان الکتریکی حاصل از بار نقطه‌ای به فاصله 'r از مبدا از رابطه زیر محاسبه می شود.

|'F=1/4πε0xq'q(r-r')3/|r-r

 

میدان الکتریکی حاصل از توزیعهای مختلف بار

اگر چنانچه بجای بار نقطه‌ای یک توزیع بار به صورت حجمی یا سطحی وجود داشته باشد و یا اینکه چندین بار نقطه‌ای وجود داشته باشد و بخواهیم میدان حاصل از اینها را محاسبه کنیم، برای این منظور در مورد چند بار نقطه‌ای ، میدان حاصل از هر بار را تعیین نموده و همه را بصورت برداری جمع می‌کنیم. اما در مورد توزیع بارها باید از یک رابطه انتگرالی استفاده کنیم. بدیهی است که در مورد توزیع حجمی بار انتگرال حجمی بوده و در مورد توزیع سطحی بار ، انتگرال سطحی خواهد بود.

محاسبه نیروی الکتریکی با استفاده از میدان الکتریکی

اگر بخواهیم مقدار نیروی الکتریکی را که از طرف یک توزیع بار بر بار دیگری که در یک نقطه معین قرار دارد محاسبه کنیم، کافی است که میدان الکتریکی حاصل از توزیع بار را در نقطه معین تعیین کرده ، مقدار نیروی وارده را از حاصلضرب میدان الکتریکی در اندازه باری که نیروی وارده بر آن را محاسبه می‌کنیم، مشخص کنیم.


میدان-الکت میدان-الکت میدان-الکت میدان-الکت میدان-الکت امتیاز : 479 دیدگاه(0)

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:46 بازدید: 64 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

جریان الکتریکی

 

جریان الکتریکی در الکتریسته ، جریان سرعت عبور الکترونها در یک سیم مسی یا جسم رسانا است. جریان قراردادی در تاریخ علم الکتریسته ابتدا به صورت عبور بارهای مثبت تعریف شد. هر چند امروزه می‌دانیم که در صورت داشتن رسانای فلزی ، جریان الکتریسته ناشی از عبور بارهای منفی ، الکترون ، در جهت مخالف است. علیرغم این درک اشتباه ، کماکان تعریف قراردادی جریان تغییری نکرده است. نمادی که عموما برای نشان دادن جریان الکتریکی (میزان باری که در ثانیه از مقطع هادی عبور می‌کند) در مدار بکار می‌رود، I است.

مقدمه

در یک هادی عایق شده مانند قطعه‌ای سیم مسی ، الکترونهای آزاد شبیه مولکولهای گازی که در ظرفی محبوس شده‌اند، حرکات کاتوره‌ای انجام می‌دهند و مجموعه حرکات آنها در طول سیم هیچ گونه جهت مشخصی ندارد. تعداد الکترونهایی که به چپ حرکت می‌کنند با تعداد الکترونهایی که به راست حرکت می‌کنند، یکی است و برآیند آنها صفر می‌باشد. ولی اگر دو سر سیم را به باتری وصل کنیم، این برآیند دیگر صفر نیست.

تصویر

 

تاریخچه

تاریخ الکتریسیته به 600 سال قبل از میلاد می‌رسد. در داستانهای میلتوس (Miletus) می‌خوانیم که یک کهربا در اثر مالش کاه را جذب می‌کند. مغناطیس از موقعی شناخته شد که مشاهده گردید، بعضی از سنگها مثل مگنیتیت ، آهن را می‌ربایند. الکتریسیته و مغناطیس ، در ابتدا جداگانه توسعه پیدا کردند، تا این که در سال 1825 اورستد (Orested) رابطه‌ای بین آنها مشاهده کرد. بدین ترتیب اگر جریانی از سیم بگذرد می‌تواند یک جسم مغناطیسی را تحت تأثیر قرار دهد. بعدها فاراده کشف کرد که الکتریسیته و مغناطیس جدا از هم نیستند و در مبحث الکترومغناطیس قرار می‌گیرد.

مشخصات جریان الکتریکی

از نظر تاریخی نماد جریان I ، از کلمه آلمانی Intensit که به معنی شدت است، گرفته شده است. واحد جریان الکتریکی در دستگاه SI ، آمپر است. به همین علت بعضی اوقات جریان الکتریکی بطور غیر رسمی و به دلیل همانندی با واژه ولتاژ ، آمپراژ خوانده می‌شود. اما مهندسین از این گونه استفاده ناشیانه ، ناراضی هستند.

آیا شدت جریان در نقاط مختلف هادی متفاوت است؟

شدت جریان در هر سطح مقطع از هادی مقدار ثابتی است و بستگی به مساحت مقطع ندارد. مانند این که مقدار آبی که در هر سطح مقطع از لوله عبور می‌کند، همواره در واحد زمان همه جا مساوی است، حتی اگر سطح مقطعها مختلف باشد. ثابت بودن جریان الکتریسیته از این امر ناشی می‌شود که بار الکتریکی در هادی حفظ می‌شود. در هیچ نقطه‌ای بار الکتریکی نمی‌تواند روی هم متراکم شود و یا از هادی بیرون ریخته شود. به عبارت دیگر در هادی چشمه یا چاهی برای بار الکتریکی وجود ندارد.

تصویر

 

سرعت رانش

میدان الکتریکی که بر روی الکترونهای هادی اثر می‌کند، هیچ گونه شتاب برآیندی ایجاد نمی‌کند. چون الکترونها پیوسته با یونهای هادی برخورد می‌کنند. لذا انرژی حاصل از شتاب الکترونها به انرژی نوسانی شبکه تبدیل می‌شود و الکترونها سرعت جریان متوسط ثابتی (سرعت رانش) در راستای خلاف جهت میدان الکتریکی بدست می‌آورند.

چگالی جریان الکتریکی

جریان I یک مشخصه برای اجسام رسانا است و مانند جرم ، حجم و ... یک کمیت کلی محسوب می‌شود. در حالی که کمیت ویژه‌ دانستیه یا چگالی جریان j است که یک کمیت برداری است و همواره منسوب به یک نقطه از هادی می‌باشد. در صورتی که جریان الکتریسیته در سطح مقطع یک هادی بطور یکنواخت جاری باشد، چگالی جریان برای تمام نقاط این مقطع برابر j = I/A است. در این رابطه A مساحت سطح مقطع است. بردار j در هر نقطه به طرفی که بار الکتریکی مثبت در آن نقطه حرکت می‌کند، متوجه است و بدین ترتیب یک الکترون در آن نقطه در جهت j حرکت خواهد کرد.

اشکال مختلف جریان الکتریکی

در هادیهای فلزی ، مانند سیمها ، جریان ناشی از عبور الکترونها است، اما این امر در مورد اکثر هادیهای غیر فلزی صادق نیست. جریان الکتریکی در الکترولیتها ، عبور اتمهای باردار شده به صورت الکتریکی (یونها) است، که در هر دو نوع مثبت و منفی وجود دارند. برای مثال، یک پیل الکتروشیمیایی ممکن است با آب نمک (یک محلول از کلرید سدیم) در یک طرف غشا و آب خالص در طرف دیگر ساخته شود. غشا به یونهای مثبت سدیم اجازه عبور می‌دهد، اما به یونهای منفی کلر این اجازه را نمی‌دهد. بنابراین یک جریان خالص ایجاد می‌شود.

جریان الکتریکی در پلاسما عبور الکترونها ، مانند یونهای مثبت و منفی است. در آب یخ زده و در برخی از الکترولیتهای جامد ، عبور پروتونها ، جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. نمونه‌هایی هم وجود دارد که علیرغم اینکه در آنها ، الکترونها بارهایی هستند که از نظر فیزیکی حرکت می‌کنند، اما تصور جریان مانند 'حفره‌های (نقاطی که برای خنثی شدن از نظر الکتریکی نیاز به یک الکترون دارند) مثبت متحرک ، قابل فهم تر است. این شرایطی است که در یک نیم هادی نوع p وجود دارد.

اندازه گیری جریان الکتریکی

جریان الکتریکی را می‌توان مستقیما توسط یک گالوانومتر اندازه گیری کرد. اما این روش نیاز به قطع مدار دارد که گاهی مشکل است. جریان را می‌توان بدون قطع مدار و توسط اندازه گیری میدان مغناطیسی که جریان تولید می‌کند، محاسبه کرد. ابزارهای مورد نیاز برای این کار شامل سنسورهای اثر هال ، کلمپ گیره‌های جریان و سیم پیچهای روگووسکی است.

مقاومت الکتریکی

اگر اختلاف پتانسیل معینی را یک بار به دو انتهای سیم مسی و بار دیگر به دو انتهای میله چوبی وصل کنیم، شدت جریانهای حاصل در هر لحظه با هم اختلاف زیادی خواهند داشت. خاصیتی از هادی را که اختلاف مزبور را باعث می‌شود، مقاومت الکتریکی گویند، که آن را با R نشان می‌دهند و مقدار آن برابر R = V/I است که در آن V اختلاف پتانسیل بین دو سر سیم و I جریان الکتریکی است. واحد مقاومت الکتریکی اهم یا ولت بر آمپر می‌باشد.

توان الکتریکی

یک مدار الکتریکی را در نظر می‌گیریم که حامل جریان I و ولتاژ V بوده و یک مقاومت Rدر آن قرار دارد. بار الکتریکی dq موقع عبور از مقاومت به اندازه Vdq ، از انرژی پتانسیل الکتریکی خود را از دست می‌دهد. طبق قانون بقای انرژی ، این انرژی در مقاومت به صورت دیگری ، مثلا گرما ظاهر می‌شود. گر در مدت زمان dt ، انرژی du حاصل شود، در این صورت داریم:

P=du/dt


در این رابطه P ، توان الکتریکی است که دارای واحد وات می‌باشد. برای یک مقاومت می‌توان توان را به صورت زیر:

P = RI2

جریان-الکتریکی جریان-الکتریکی جریان-الکتریکی جریان-الکتریکی جریان-الکتریکی امتیاز : 474 دیدگاه(0)

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:44 بازدید: 157 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

خواص خطوط میدان الکتریکی

خواص عمده خطوط میدان الکتریکی در مسائل الکترواستاتیک:

 

  • به خاطر اینک میدان الکتریکی در هر نقطه از فضا وجود دارد، در هر نقطه از فضا همواره می توان یک خط میدان کشید.

 

  • برای توزیع بار های اکتریکی معلوم ، در هر نقطه میدان الکتریکی دارای بزرگی و راستای کاملا مشخصی است. به این معنا که در هر نقطه خط نیروی الکتریکی را فقط می توان در یک راستای معین یعنی بصورت تک خط کشید. به بیان دیگر خط های نیرو همدیگر را قطع نمی کنند.

 

  • خط های نیرو ممکن است تنها در بار نقطه ای یکدیگر را قطع کنند.

 

  • خط های نیرو از بار مثبت (نقطه شروع خط های میدان) خارج و به بار منفی (انتهای خطوط نیرو) نزدیک می شوند. خط های میدان الکتریکی در هیچ نقطه ای به جز بار الکتریکی پایان نمی پذیرند (ختم خطوط میدان بر سطوح هادی ها به این دلیل است که بارها در سطوح هادی ها توزیع یافته اند). آنها از بار مثبت به سوی بار منفی اند و می توانند از میان نارسانا ها عبور کنند.

 

  • چون در داخل رساناها میدان الکتریکی وجود ندارد (صفر است)، بارهای آنها در حالت تعادل به سر می برند. در داخل رساناها خط میدان الکتریکی وجود ندارد. به عبارتی خط های میدان الکتریکی از داخل رسانا ها عبور نمی کنند. و این خطوط از سطح رسانا ها شروع و به سطحشان ختم می شوند.

    چون بارهای الکتریکی نقطه شروع و پایان خطوط میدان الکتریکی هستند، بارهای مثبت روی سطوحی واقع اند که خط میدان شروع می شود. در حالیکه بار های منفی روی سطوحی قراردارند، که خط میدان پایان می پذیرند.



خطوط میدان الکتریکی بر سطح رسانا عمودند:


بدیهی است خطوط میدان الکتریکی راستای نیرو های وارد بر بار را نشان می دهند. اگر این خطوط با سطح رسانا زاویه ای داشته باشند نیرو مؤلفه ای روی سطح خواهد داشت. در این صورت بارها با این مولفه روی سطح جابه جا خواهند شد. از این رو ترازمندی بارهای الکتریکی فقط هنگامی ممکن است. که خطوط میدان در امتداد عمود بر سطح رسانا ی مورد نظر باشند.

پتانسیل الکتریکی در رساناها:


چون داخل هر رسانا میدان الکتریکی صفر است، به عبارتی خطوط میدانی وجود ندارد. بنابر این بین هر دو نقطه از رسانا اختلاف پتاسیل الکتریکی صفر است. بر طبق رابطه زیر: E=U/d بنابراین U=Ed که در آن E میدان الکتریکی ، d فاصله نقطه میدان از مبدا و U اختلاف پتاسیل الکتریکی می باشد. این گفته در تمام نقاط روی رسانا نیز صدق می کند.

در نتیجه سطح رسانا سطح هم پتاسیل است. سطوح تک تک رساناها، سطوح هم پتاسیل است اما احتمال دارد بین دو سطح رسانای مستقل از هم اختلاف پتاسیل وجود داشته باشد.


خطوط-میدان خطوط-میدان خطوط-میدان خطوط-میدان خطوط-میدان امتیاز : 450 دیدگاه(0)

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:42 بازدید: 112 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

بارالکتریکی

مقدمه

اگر یک روز خشک و آفتابی روی قالی راه بروید، به محض این که دستتان با دستگیره فلزی تماس پیدا می‌کند، جرقه ایجاد می‌شود. و یا هنگام باریدن باران ، آذرخش و رعد و برق را بارها ملاحظه کرده‌ایم. تمام این موارد حاکی از این است که مقدار زیادی بار الکترونی در اجسام پیرامون ما و حتی در بدن ما ذخیره شده است. خنثی بودن غالب اشیا مشاهده‌ پذیر و قابل لمس جهان ، از لحاظ الکتریکی ، این واقعیت را تایید می‌کند که تمام اشیا حاوی تعداد زیادی بار الکتریکی مثبت و منفی هستند که چون تعداد این دو نوع بار الکتریکی یکسان است، لذا از نظر آثار خارجی کاملا اثر یکدیگر را بی‌اثر می‌کنند. فقط هنگامی که این توازن زیبای الکتریکی از بین برود، طبیعت آثار بارهای مثبت و منفی آشکار می‌شود. بنابراین زمانی که گفته می‌شود، جسمی باردار است، منظور این است که بار الکتریکی در جسم اندکی نامتوازن شده است.

تصویر

 

یک آزمایس ساده

یک میله شیشه‌ای را در دست خود گرفته و با پارچه ابریشمی مالش دهید. عمل مالش سبب می‌شود که مقدار کمی بار الکتریکی از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود، و لذا خنثایی الکتریکی آن دو به هم می‌خورد. حال اگر این میله باردار بوسیله یک رشته نخ از نقطه آویزان کنیم وسیله شیشه‌ای دیگری را که به صورت مشابه باردار شده است به این میله نزدیک کنیم، دو میله یکدیگر را می‌رانند. اما اگر یک میله پلاستیکی را که با یک پوست خز باردار شده است به این میله نزدیک کنیم، در این صورت میله پلاستیکی انتهای باردار میله شیشه‌ای آویزان شده را جذب می‌کند.

بنابراین نتیجه می‌گیریم که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. یک نوع از آن ، یعنی بار الکتریکی که روی شیشه مالش داده شده ایجاد می‌شود را بار مثبت و نوع دیگر ، یعنی بار الکتریکی ایجاد شده روی میله بار منفی می‌نامیم همچنین نتیجه می‌گیریم که بارهای الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می‌کنند و برعکس بارهای الکتریکی غیر همنام همدیگر را جذب می‌کنند.

تاریخچه انتخاب نامهای مثبت و منفی

انتخاب نامهای مثبت و منفی برای بارهای الکتریکی مربوط به بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin) است. او علاوه بر کارهای بزرگی که انجام داد، دانشمندی با شهرت بین المللی بود. فرانکلین واژه‌های بار و باتری را وارد فرهنگ الکتریسیته کرد. بنابراین به رسم احترام شاید بد نباشد که ، هرگاه باتری ماشین حسابمان خالی می‌شود و ما در حین تعویض باتری علامتهای + و – را روی باتری مشاهده می‌کنیم، که نشان دهنده قطبهای مثبت و منفی باتری هستند، به یاد فرانکلین این دانشمند بزرگ عالم فیزیک بیافتیم.

تصویر

 

بررسی کمی نیروی موجود میان ، بارهای الکتریکی

در مبحث الکترواستاتیک که بارهای الکتریکی ساکن و یا با سرعت فوق العاده کم مورد بحث قرار می‌گیرد، نیروهایی که بارهای الکتریکی هم‌نام و غیر هم‌نام به یکدیگر وارد می‌کنند توسط قانون کولن مورد بررسی قرار می‌گیرد. با استفاده از این قانون می‌توان علاوه بر مقدار این نیروها ، نوع آنها را از لحاظ جاذبه یا دافعه بودن مشخص نمود.

کاربرد نیروهای الکتریکی بین اجسام باردار

نیروهای الکتریکی موجود بین اجسام باردار در صنعت کاربردهای زیادی دارند، که از آن جمله می‌توان به رنگ افشانی الکتروستاتیکی ، گردنشانی ، دود گیری ، مرکب پاشی چاپگرها و فتوکپی اشاره کرد. به عنوان مثال در یک دستگاه فتوکپی دانه‌های حامل ماشین با ذرات گرد سیاه رنگی که تونر نام دارد، پوشیده می‌شوند. این ذرات بوسیله نیروهای الکتروستاتیکی به دانه حامل می‌چسبند.

ذرات با بار منفی تونر ، سرانجام از دانه‌های حاملشان جدا می‌شوند. جذب این ذرات توسط تصویر با بار مثبت متن مورد نسخه برداری ، که بر روی یک غلتک چرخان قرار دارد، صورت می‌گیرد. آنگاه ورقه کاغذ باردار ذرات تونر را روی غلتک جذب می‌کند و بعد از پخته شدن و نشستن ذرات بر روی کاغذ ، کپی مورد نظر به دست می‌آید.


بارالکتریکی بارالکتریکی بارالکتریکی بارالکتریکی بارالکتریکی امتیاز : 409 دیدگاه(0)

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:41 بازدید: 170 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

نیروی الکتریکی


دید کلی

 

  • چرا وقتی لباس پلاستیکی را از تن خود در می‌آورید لباس به تن شما می چسبد؟
  • چرا بعد از شانه نمودن سر ، شانه می‌تواند خرده‌های کاغذ را بلند کند؟
  • چرا بعد از راه رفتن روی فرش ، اگر به دستگیره در دست بزنید به دست شما شوک وارد می‌شود؟


اینها نمونه‌هایی از نیرویی هستند که از بسیاری جهات شبیه به نیروی گرانشی است. زیر ظاهرا از راه دور و از طریق خلا اثر می‌کند. اگر شانه‌ای را به سر خود بزنید و آن را به توپ پینگ پنگ آغشته به گرافیت آویزان نزدیک کنید، شانه توپ را از فاصله‌ای جذب می‌کند. اما این نیرو از نوع گرانشی نیست زیرا خیلی قویتر از آن است. جاذبه گرانشی بین توپ پینگ پنگ و شانه به قدری ضعیف است که قابل آشکارسازی نیست. برای اینکه نیروی گرانشی آشکار سازی شود، جسمی در اندازه کره زمین یا ماه لازم است.

نیروی جدید یک خاصیت موقتی دارد. زیرا اگر بعد از شانه زدن مدتی صبر کنید، احتمالا اثر این نیرو ناپدید خواهد شد. برای اینکه شانه توپ را جذب کند باید بار الکتریکی به آن داده شود. اگر توپ را به شانه باردار شده نزدیک نمایید، توپ از شانه دور خواهد شد. یعنی بین شانه و توپ نیروی دافعه وجود دارد و این چیزی است که هرگز در نیروی گرانشی دیده نشده است. اگر دو شانه باردار را به هم نزدیک کنید هدیگر را دفع خواهند کرد.

برهمکنش انواع بار الکتریکی

  • بارهای همنام همدیگر را دفع می‌کنند. نیرویی که این نوع بارها بر هم وارد می‌کنند، از نوع دافعه است. اگر دو جسم را با میله شیشه‌ای یا هر دو با میله پلاستیکی باردار کنیم همدیگر را دفع می‌کنند.

  • بارهای غیر همنام همدیگر را جذب می‌کنند. نیرویی که این نوع بارها برهم وارد می‌کنند از نوع جاذبه می‌باشد. اگر یکی از اجسام را با میله شیشه‌ای و دیگری را با میله پلاستیکی باردار کنیم همدیگر را جذب خواهند کرد.

  • آزمایش ها و نتایج حاصل از بررسیها نشان می‌دهد که ظاهرا دو نوع بار متفاوت وجود دارد که نوع مثبت آن در میله شیشه‌ای و نوع منفی آن در میله پلاستیکی تولید می‌گردد.

بار الکتریکی

آیا می توان مقدار بار الکتریکی را اندازه گیری کرد؟ برای پاسخ به این سوال باید چگونگی وابستگی نیروی الکتریکی به بارهای الکتریکی را پیدا کنیم. بر طبق قانون کولن نیروی میان بارها با مقدارشان نسبت مستقیم دارد و با مربع فاصله میان بارها نسبت عکس دارد.

Fee=Kq1q2/r2


در رابطه فوق q نشانگر بار ذرات و r نشانگر فاصله میان بارهاست. ثابت K ، ثابت جهانی کولن است و مقدار آن به متریکهای استاندارد انتخابی وابسته است. در سیستم SI با یکای بار الکتریکی ، کولن مقدار آن برابر K=9.00x109 Nm2/c2 می‌باشد.

آزمایش ساده

برای تقسیم بار الکتریکی به کسرهای مشخص و بررسی نیروی الکتریکی بین ذرات ، آزمایش زیر را انجام می دهیم:

  • دو توپ پینگ پنگ را با گرافیت آغشته کنید تا رسانا شوند، به گونه ای که هر باری که با آن داده شود به طور یکسان میان خود تقسیم کنند.

  • دو توپ را باردار کنید و باهم تماس دهید تا مقدار بارشان یکسان شود.

  • نیروی میان بارها را با استفاده از زاویه انحراف بینشان هنگامی که آویزانند، بیابید.

  • انگشت خود را به یکی از آنها بزنید تا تمام بارشان به بدن شما منتقل شود «اتصال زمین).

  • دوباره آنها را باهم تماس دهید تا بار باقیمانده میان آنها به طور یکسان تقسیم شود در این صورت مقدار بار هرکدام نصف مقدار قبلی خواهد بود.

  • یک بار دیگر نیروی میان آنها را به کمک زاویه انحراف بینشان پیدا کنید. با تکرار چندین مرحله‌ای این آزمایش نتیجه جالبی حاصل می‌شود.

  • آزمایش اخیر نیروی میان بارها را به مقدار بارها و فاصله بینشان مربوط می‌کند که به طور تجربی قانون کولن را تایید می‌کند

نبروی-الکتریکی نبروی-الکتریکی نبروی-الکتریکی نبروی-الکتریکی نبروی-الکتریکی امتیاز : 457 دیدگاه(0)

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:43 بازدید: 124 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

قانون کولن

قانون کولن بیان می‌کند که نیروی که دو بار الکتریکی بر یکدیگر وارد می‌کنند، با حاصل‌ضرب اندازه دو بار نسبت مستقیم و با مجذور فاصله آنها نسبت عکس دارد.

دید کلی

در اواخر قرن هیجدهم علوم تجربی به درجه‌ای از رشد و پیشرفت رسیده بود که بتوان مشاهدات دقیقی درباره نیروهای میان بارهای الکتریکی به عمل آورد. نتایج این مشاهدات را که در آن زمان فوق‌العاده مجادله‌آمیز بودند، نمی‌توان به این صورت بیان نمود. دو نوع و فقط دو نوع بار الکتریکی وجود دارد که ما اینها را به نام بارهای الکتریکی مثبت و منفی می‌شناسیم. همچنین دو بار نقطه‌ای نیروهایی بر یکدیگر اعمال می‌کنند که بزرگی این نیروها با مربع فاصله بین دو بار نسبت عکس و با حاصل‌ضرب اندازه بارها نسبت مستقیم دارد. این نیرو برای بارهای همنام دافعه و در مورد بارهای غیرهمنام جاذبه است (نیروی کولن).

آنچه گفته شد به افتخار شارل آرگوستن کولن (Chorles Augustim Coulumb) که از پیشروان الکتریسیته در قرن هیجدهم بود، به نام قانون کولن معروف است.

ترازوی پیچشی کولن

کولن دستگاهی ساخت که به وسیله آن می‌توانست نیرویی را که دو ذره باردار بر یکدیگر وارد می‌کنند، اندازه بگیرد. در ترازوی کولن میله‌ای دمبل مانند قرار دارد که به دو انتهای آن کره‌های کوچکی متصل شده است. این دمبل بوسیله یک رشته که از وسط دمبل می‌گذرد، آویخته شده است. هر گاه کره باردار دیگری را به یکی از کره‌های دمبل که قبلا باردار شده است، نزدیک کنیم، بر اساس قانون کولن با توجه به نوع بارها ، این دو یکدیگر را جذب یا دفع می‌کنند، بنابراین در اثر این نیرو دمبل خواهد چرخید و رشته تاب می‌خورد. با اندازه گیری زاویه انحراف دمبل می‌توان نیروی میان دو بار الکتریکی را سنجید. کاوندیش بعدها با الهام از ترازوی پیچشی کولن وسیله‌ای ساخت که برای اندازه گیری نیروی جاذبه گرانش بکار می‌رود (ترازوی کاوندیش).

به این ترتیب قانون کولن به صورت تجربی مورد تائید واقع شد. البته لازم به ذکر است که باور ما در مورد قانون کولن ، از نظر کمی مبتنی بر تجربه‌های کولن نیست. دقت اندازه گیریهای ترازوی پیچشی کولن به زحمت از چند درصد تجاوز می‌کند. به عنوان مثال ، چنین اندازه گیریهایی نمی‌تواند ما را متقاعد سازد که در رابطه قانون کولن توان فاصله بارها از یکدیگر دقیق برابر 2 است.

گستره عمل قانون کولن

قانون کولن در مورد بارهای نقطه‌ای بکار می‌رود. از لحاظ ماکروسکوپی بار نقطه‌ای باری است که ابعاد فضایی آن در مقایسه با هر طول دیگری در مسئله مورد نظر بسیار کوچک است. قانون کولن در مورد برهمکنش‌های ذرات بنیادی ، مانند پرتونها و الکترونها نیز صادق است. در مورد دفع الکترواستاتیکی میان هسته‌ها در فواصل بیشتر از نیز این قانون صدق می‌کند، اما در فواصل کمتر نیروهای پر قدرت و کوتاه‌برد هسته‌ای عمل می‌کنند.

مشخصات قانون کولن

نیرویی که قانون کولن بیان می‌کند، به نیروی کولن معروف است. نیروی کولن بسته به نوع بارهای الکتریکی می‌تواند جاذبه یا دافعه باشد. قانون کولن یک قانون تجربی است، ولی با وجود این شواهد تجربی و نظری هر دو نشان می‌دهند که قانون عکس مجذور فاصله‌ای کولن دقیق است. آنچه قانون کولن بیان می‌کند، یک رابطه تناسبی است. با ضرب کردن طرف دوم در یک ثابت تناسب این رابطه تناسبی به یک تساوی تبدیل می‌شود. مقدار ثابت تناسب بستگی به دستگاه یکایی دارد که مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به عنوان مثال ، در سیستم یکای گاوسی این مقدار ثابت را برابر یک فرض می‌کنند و یکای بار الکتریکی را به گونه‌ای انتخاب می‌کنند که رابطه با تجربه سازگار باشد. اما دستگاه SI که بار الکتریکی را بر حسب کولن ، فاصله را بر حسب متر و نیرو را بر حسب نیوتن بیان می‌کنند، ثابت تناسب باید کمیتی باشد که دارای بعد است. بوسیله آزمایشهای تجربی مقدار این ثابت تناسب بصورت زیر محاسبه می‌شود:



در بعضی از موارد به منظور ساده‌تر کردن محاسبه به جای مقدار فوق عبارت به ظاهر پیچیده را قرار می‌دهند که در آن کمیتی است که به عنوان ضریب گذردهی الکتریکی خلا معروف است و مقدار عددی آن برابر است.

اهمیت قانون کولن

مفهوم قانون کولن فراتر از توصیف نیروهای میان کره‌های باردار است. این قانون می‌تواند در فیزیک کوانتومی نیروهای الکتریکی که الکترونهای یک اتم را به هسته آن پیوند می‌دهد، نیروهایی که اتمها را به هم پیوند می‌دهند تا مولکول تشکیل شود و نیروهایی که برای تشکیل جامدات ، مایعات ، اتمها یا مولکولها را به هم پیوند می‌دهند، را به درستی توصیف کند. از این رو بیشتر نیروهایی که در زندگی روزمره خود با آنها سر و کار داریم، گرانشی نیستند، بلکه الکتریکی هستند.

در هسته اتم نیروی جدیدی وجود دارد که نه دارای ماهیت گرانشی است و نه الکتریکی. این نیروی جاذبه قوی که پروتونها و نوترونهای تشکیل دهنده هسته را به هم پیوند می‌دهد، نیروی هسته‌ای یا برهمکنش قوی هسته‌ای نام دارد. اگر این نیرو وجود نداشت، هسته در اثر نیروی دافعه کولنی قوی میان پروتونهای آن به یکباره متلاشی می‌شد.


کولن کولن کولن کولن کولن امتیاز : 403 دیدگاه(0)

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:51 بازدید: 86 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

ولتاژ




اختلاف پتانسیل


در علوم فیزیکی اختلاف پتانسیل اختلاف در پتانسیل بین دو نقطه در یک میدان برداری پایدار است. در مهندسی، این کمیت گاهاً به عنوان متغیرهای عرضی در برابر کمیت هایی مانند شار که متغیر عبوریاست، توصیف می شود.

تولید

نتیجه ی شار و اختلاف پتانسیل توان است که نرخ تغییرات کمیت پایدار انرژی است. در مایعات، اختلاف پتانسیل اختلاف در فشار است. در سیستم های دمایی اختلاف پتانسیل اختلاف در دما است. در مکانیک، اختلاف پتانسیل، اختلاف در پتانسیل گرانشی بین دو نقطه است. در مهندسی برق، اختلاف پتانسیل ولتاژ است، یعنی اختلاف بین نقاط ابتدایی و انتهایی یک پتانسیل الکترواستاتیک.

تعاریف الکتریکی


یک اختلاف پتانسیل بین دو نقطه منجر به ایجاد یک نیرو می شود که یک نیروی الکتروموتیو یا emf خوانده می شود. این نیرو مایل است تا الکترون ها یا دیگر بارهای حامل را از یک نقطه به نقطه دیگر انتقال دهد. اگر یک هادی الکتریکی در یک میدان مغناطیسی به صورت عمود بر میدان حرکت کند، بین دو سرش یک اختلاف پتانسیل ایجاد می شود.

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه یک مدار الکتریکی برابر اختلاف در پتانسیل های الکتریکی آن دو نقطه تعریف می شود.

اختلاف پتانسیل به صورت مقدارکار انجام شده برای انتقال واحد بار الکتریکی از نقطه دوم به نقطه اول یا به طور برابر، مقدار کاری که واحد بار می تواند در انتقال از نقطه اول به نقطه دوم انجام دهد، است. در سیستم واحد های ««SI، اختلاف پتانسیل، پتانسیل الکتریکی و نیروی الکتروموتیو توسط ««ولت که نشان دهنده واژه معروف ولتاژ و نماد V است، اندازه گیری می شود.

یک ولت که پس از الساندور ولتا نامگذاری شد، به صورت یک ژول از انرژی برای انجام کار روی یک کلمب از بار تعریف شده است.

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه a و b انتگرال خط میدان الکتریکی "E" است:

Va-

اگر یک مدار الکتریکی را به یک چرخه آب در یک شبکه لوله ها که در غیاب جاذبه زمین توسط پمپ ها به گردش در می آید، تشبیه کنیم، آنگاه اختلاف پتانسیل معادل فشار بین دو نقطه است. اگر اختلاف پتانسیلی بین دو نقطه وجود داشته باشد، آنگاه جریان آب از نقطه اول به نقطه دوم قادر به انجام کار خواهد بود، همانند راه اندازی یک توربین.

ولتاژ دارای خاصیت جمع پذیری است، یعنی ولتاژ بین A و C برابر ولتاژ بین A و B به علاوه ولتاژ بین B و C است.

دو نقطه در یک مدار الکتریکی که توسط یک هادی (ایده آل) بدون مقاومت به هم متصل شده اند، دارای اختلاف پتانسیل صفر خواهند بود. اما با این وجود بین دیگر نقاط هم ممکن است که اختلاف پتانسیل صفر وجود داشته باشد. اگر چنین نقاطی را توسط یک هادی به هم متصل کنیم جریانی عبور نخواهد کرد. ولتاژهای مختلف در یک مدار را می توانیم توسط قانون مداری کیرشهف محاسبه کنیم.

تجهیزات


منابع عمومی تولید emf باتری«الکتریسته»/باتری، ژنراتور الکتریکی و خازن ها هستند.
تجهیزات اندازه گیری اختلاف پتانسیل شامل ولتمتر، پتانسیومتر (تجهیزات اندازه گیری) و اسیلوسکوپ هستند.

ولتمتر توسط اندازه گیری جریان عبوری از یک مقاومت ثابت که بر طبق قانون اهم متناسب با اختلاف پتانسیل دو سر این مقاومت است، کار می کند.
پتانسیومتر توسط مقایسه ولتاژ مجهول با یک ولتاژ معلوم در یک پل مداری کار می کند.
اسیلوسکوپ اشعه کاتدی توسط تقویت اختلاف پتانسیل و بکار بردنش برای منحرف کردن یک شعاع الکترون از یک مسیر مستقیم کار می کند، در این صورت انحراف اشعه متناسب با اختلاف پتانسیل خواهد بود.

تاریخچه


در تاریخ 1800 م در پی یک اختلاف حرفه ای بر سر واکنش گالوانیکی که از سوی لوییجی گالوانی حمایت می شد، الساندور ولتا پیل ولتایی خود را که مقدمه ابداع باتری بود، اختراع کرد که این پیل جریان الکتریکی پایداری را ایجاد می کرد. ولتا کشف کرده بود که موثرترین جفت فلز متفاوتی که جریان الکتریسته ایجاد می کنند، روی و نقره اند.

در دهه 1800 م کنگره بین المللی الکتریکی که الان به نام کمیسیون بین المللی الکترونیکی (IEC) معروف است، ولت را برای نیروی الکتروموتیو تصویب کرد. ولت به صورت اختلاف پتانسیل یک هادی وقتی که یک جریان یک آمپر توان یک وات را ایجاد می کند، تعریف ش


ولتاژ ولتاژ ولتاژ ولتاژ ولتاژ امتیاز : 482 دیدگاه(0)

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:38 بازدید: 180 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

شارمغناطیسی

سطحی را در نظر بگیرید که تخت یا غیرتخت است و بوسیله حلقه بسته‌ای احاطه شده است. تعداد خطوط مغناطیسی گذرنده از این سطح را شار مغناطیسی نامیده و با фB نشان می‌‌دهیم. اندیس اشاره به مغناطیسی بودن شار دارد.

مقدمه

واژه شار به معنی جریان یا سیال می‌‌باشد و هرگاه در مقابل جریان یک کمیت سطحی قرار داده شود، مقدار جریان گذرنده از سطح را شار آن کمیت یا جریان می‌‌گویند. مثلا در مورد میدان الکتریکی خطوط میدان که از سطح عمود بر مسیر خطوط عبور می‌‌کنند را شار الکتریکی و در مورد جریان آب ، مقدار آبی را که از داخل سطح عبور می‌‌کند، شار آب می‌‌گویند و به همین صورت در مورد هر ماده سیال و جاری شونده‌ای می‌‌توان شار مربوطه به آن را تعریف کرد.

میدان مغناطیسی نیز از این قاعده مستثنی نمی‌‌باشد. چون میدان مغناطیسی را به وسیله خطوط میدان نشان می‌‌دهیم، بطوری که چگالی خطوط بیانگر مقیاسی از قدرت میدان است، لذا می‌‌توان در مورد میدان مغناطیسی نیز سطحی در محل میدان در نظر گرفت و خطوط میدان گذرنده از آن را به عنوان شار مغناطیسی تعریف کرد.

محاسبه شار مغناطیسی

سطح تختی به مساحت A را در نظر بگیرید که به وسیله یک حلقه رسانا احاطه شده است. حال اگر با نزدیک کردن یک آهنربا (یا هر وسیله دیگری که یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌‌کند)، به این حلقه می‌‌توان در این حلقه نیروی محرکه القایی و جریان القایی ایجاد نمود. ایجاد جریان القایی یا نیروی محرکه القایی با استفاده از قانون القای فاراده قابل توجیه است، یعنی با نزدیک کردن یا دور کردن آهنربا به حلقه تعداد خطوط میدان مغناطیسی که از سطح حلقه می‌‌گذرند، تغییر می‌‌کند.

اگر چنانچه میدان مغناطیسی را با B و سطح حلقه را با A نشان دهیم، در این صورت مقدار شار مغناطیسی از رابطه محاسبه شده و بر اساس قانون القای فاراده چون نیروی محرکه القایی از تغییر شار مغناطیسی حاصل می‌‌شود، لذا اگر ε بیانگر نیروی محرکه القایی باشد، در این صورت خواهد بود.

کوانتش شار مغناطیسی

همانگونه که بار الکتریکی یک کمیت کوانتیده است و به صورت مضربهای درستی از بار الکترون () وجود دارد، شار مغناطیسی گذرنده از یک حلقه ابر رسانا نیز چنین است. خاصیت ابر رسانایی ، حالتی است که در آن مقاومت الکتریکی ماده به صفر تنزل پیدا می‌‌کند. کوانتوم شار مغناطیسی h/2e (که h ثابت پلانک است) و برابر است. این مقدار بسیار کم شار و حتی کسرهای کوچکتر از آن را می‌‌توان به وسیله اثر جوزفسون آشکار کرد.

البته کوانتومی ‌بودن شار مغناطیسی در ابر رسانا قابل اثبات است و در مکانیک کوانتومی ‌با استفاده از محاسبات ریاضی عالی محاسبه می‌‌شود که در اینجا به خاطر جلوگیری از پیچیدگی مطلب از آوردن آن خودداری می‌‌کنیم.

یکای شار مغناطیسی

شار مغناطیسی را به صورت حاصلضرب مساحت سطح عمود بر مسیر میدان مغناطیسی در میدان مغناطیسی B تعریف کردیم. از طرف دیگر ، چون یکای میدان مغناطیسی ، تسلا می‌‌باشد، بنابراین یکای شار مغناطیسی برابر تسلا در مترمربع خواهد بود که مترمربع یکای مساحت می‌‌باشد. به صورت نمادی یکای شار مغناطیسی به صورت بیان می‌‌شود.


شار شار شار شار شار امتیاز : 560 دیدگاه(0)

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:35 بازدید: 660 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

شارالکتریکی

عداد خطوط میدان الکتریکی که از سطح عمود بر مسیر خطوط عبور می‌‌کنند، را شار الکتریکی می‌گویند. شار یکی از خواص تمام میدانهای برداری است که آن را برای میدان الکتریکی به صورت تعریف می‌کنند.

مقدمه

فرض کنید یک حلقه سیم چهار گوش را در جهت جریان آب طوری قرار داده‌ایم که صفحه حلقه بر راستای جریان آب عمود است. اگر مساحت حلقه را A و سرعت جریان آب را با v نشان دهیم، در این صورت آهنگ شارش آب از درون حلقه را که با Ф نشان می‌‌دهند، به صورت Ф=Av تعریف می‌‌شود. Ф را شار می‌‌گویند.

اگر حلقه بر راستای جریان آب عمود نبوده، بلکه با بردار سرعت جریان آب زاویه θ بسازد، در این صورت شار به صورت Ф=BAcosθ در می‌‌آید. عین همین قضیه در مورد میدان الکتریکی نیز برقرار است. از الکترواستاتیک می‌‌دانیم که میدان الکتریکی حاصل از یک توزیع بار بوسیله خطوطی که به عنوان خطوط نیرو معروف هستند، نشان داده می‌‌شود. بنابراین در هر ناحیه اگر یک سطح بسته فرضی در نظر بگیریم، این سطح بوسیله یک بردار عمود بر آن مشخص می‌‌گردد. این بردار را بردار نرمال می‌‌گویند.

بنابراین اگر خطوط نیرو با بردار نرمال زاویه θ بسازند و مساحت سطح برابر A باشد، در این صورت کافی است میدان حاصل از تعداد خطوط نیرو موجود در داخل سطح را در مساحت سطح ضرب کنیم. این کار را با استفاده از انتگرال انجام می‌‌دهند، یعنی سطح را به المانهای کوچک سطح dA تقسیم می‌‌کنند. المانها چون به اندازه دلخواه کوچک انتخاب می‌‌شوند، بنابراین می‌‌توان میدان الکتریکی را در داخل المان سطح dA ثابت فرض کرد. بنابراین اگر هر المان را در E موجود در داخل آن ضرب کرده و سهم مربوط به تمام المانها را جمع کنیم، شار الکتریکی حاصل می‌‌شود و این همان تعریف انتگرال است، یعنی به زبان ریاضی می‌‌توان گفت:

 

مثال

فرض کنید در یک میدان الکتریکی یکنواخت E ، یک استوانه طوری قرار داده شده است که محور استوانه با میدان موازی است. سطح استوانه را می‌‌توان به سه سطح مجزا تقسیم نموده و شار مربوط به هر کدام را مجزا حساب نموده و نتیجه را با هم جمع کرد. در طرفین استوانه ، در یک طرف جهت میدان و جهت بردار عمود بر سطح در یک راستا و هم جهت هستند، بنابراین اگر مساحت آن را با A نشان دهیم، چون میدان الکتریکی یکنواخت است، لذا سهم شار مربوط به این سطح برابر EA خواهد بود.

اما در قاعده دیگر استوانه ، جهت میدان و جهت بردار عمود بر سطح با هم زاویه 180 درجه می‌‌سازند. لذا اگر مساحت آن A باشد، شار آن برابر EA- خواهد بود و بالاخره در مورد سطح جانبی استوانه بردار عمود بر سطح و میدان الکتریکی بر هم عمودند، لذا سهم شار مربوط به سطح جانبی صفر خواهد شد. به این ترتیب شار الکتریکی کل که از سطح استوانه می‌‌گذرد، صفر خواهد بود. این مساله تعجب آور نیست، چون خطوط نیرو از یک طرف وارد و از طرف دیگر خارج می‌‌شوند و اصلا از سطح جانبی شاری عبور نمی‌‌کند.

شار الکتریکی و قانون گاوس در الکتریسیته

با فهمیدن مفهوم شار الکتریکی می‌‌توان قانون گاوس را به زبان شار الکتریکی بیان نمود. به بیان دیگر ، اگر سطح گاوسی بیانگر سطحی باشد که شار الکتریکی در داخل آن مورد نظر باشد، قانون گاوس را می‌‌توان این گونه بیان نمود که شار الکتریکیی که از داخل یک سطح بسته مفروض عبور می‌‌کند، برابر q/ε_0 است. ε_0 گذردهی الکتریکی خلا می‌‌باشد.

یکای شار الکتریکی

از آنجا که شار الکتریکی را به صورت حاصلضرب مساحت سطح در میدان الکتریکی جاری شده از داخل آن تعریف کردیم، لذا چون یکای میدان الکتریکی را نیوتن بر کولن در نظر می‌‌گیریم، بنابراین یکای شار الکتریکی نیز برابر نیوتن در متر مربع بر کولن خواهد بود که به اختصار به صورت نشان داده می‌‌شود


شارالکتریکی شارالکتریکی شارالکتریکی شارالکتریکی شارالکتریکی امتیاز : 485 دیدگاه(2)

تاریخ: عدم نمايش ساعت: 11:33 بازدید: 205 نویسنده: امیرمحمدمسجدی

الکترون آزاد

نگاه اجمالی

الکترونی از اتم جدا شده و به آن وابستگی ندارد، الکترون آزاد خوانده می‌شود.. الکترونهای بیرونی‌ترین لایه‌های اتم فلزات بستگی کمتری نسبت به اتمهای خود دارند و با کمترین انرژی از این اتمها کنده می‌شوند و به شکل توده‌ای از ابر یا گاز ، شبکه‌های اتمی فلزات را در بر می‌گیرند. هنگامی که الکترونهای آزاد در میدان الکتریکی قرار گیرند، جریان الکتریکی بوجود می‌آید.

img/daneshnameh_up/e/ec/TwoElectronOrbit.gif

 

سیر و تحولی و رشد

در سالهای پایانی سده نوزدهم میلادی ، بیشتر فیزیکدانان به این باور رسیدند که الکتریسته به دو صورت ظاهر می‌شود: یکی به صورت الکترون با جرم 9.109534X10-31 kg و بار منفی 1.602177X10-19 C- و دیگری به صورت پروتون با جرم 1.672623X19-27 kg و بار مثبت 1.602177X10-19 C .

اعتقاد بر این بود که اتمها (و در نتیجه مولکولها) از ترکیب الکترونها و پروتونها مشکل می‌گیرند.

در اوایل 1930 معلول شد که هسته اتمها ( بجز اتم هیدروژن ) از پروتونهای مثبت و نوترونهای خنثی ، با جرم 1.675X10-27 و بدون بار الکتریکی ، تشکیل می‌شود. همچنین کشف شد که الکترون مثبت نیز با جرمی برابر با جرم الکترون و باری برابر با بار الکترون ولی با علامت مثبت (دست کم به صورت لحظه‌ای) وجود دارد.

الکترون اوژه

اتم الکترون اوژه ، نوعی الکترون آزاد است که از اتم یا یون گسیل می‌شود. الکترون اوژه از بازآیی الکترونهای مقید در اتم یا یون اولیه سرچشمه می‌گیرد. این بازآیی از طریق برهمکنش الکترون - الکترون ، که مولد نیروی دافعه است و می‌تواند بر نیروی جاذبه ناشی از برهمکنش الکترون - هسته فائق آید، صورت می‌گیرد. با این همه ، بازآیی یاد شده تنها هنگامی می‌تواند رخ بدهد که حداقل یک الکترون در تراز انرژی همین اتم یا یون اولیه خالی باشد و در تراز با انرژی بیشتر از انرژی تهی جا حداقل دو الکترون وجود داشته باشد.

یکی از الکترونهای تراز بالاتر به تراز دارای تهی جا سقوط می‌کند و الکترون دیگر به‌صورت الکترون آزاد از اتم خارج می‌شود. بنا بر پایستگی انرژی ، اوژه گسیل شده انرژی جنبشی معینی دارد که برابر است با انرژی بستگی کل اتم یا یون در حالت اولیه منهای انرژی بستگی کل در حالت نهایی.

یک مثال بر الکترون آزاد

یک مثال خوب برای الکترون اوژه که نوعی الکترون آزاد است، الکترون گسیل شده از هلیوم دو بار برانگیخته ، **He ، است انرژی تمام حالت **He از انرژی *He (هلیوم یک بار یونیده) به اضافه یک الکترون آزاد بیشتر است. بنابراین ، تمام حالتهای **He می‌توانند واپاشی اوژه‌ای داشته باشند. اتم **He که هر دو الکترون آن در تراز n = 2 هستند، با گسیل یکی از الکترونهای خود به حالت پایه +He ، که یک الکترون در تراز از n=1 دارد. واپاشیده می‌شود. مدل بور پیش بینی می‌کند که انرژی حالت **He با چشم پوشی از استتار هسته بوسیله هر الکترون ، عبارت است از:


Ei = 2X(-1.36 S2/ni2) ev و انرژی حالت پایه +He برابر است با:


Ei = 2X(-1.36 S2/ni2) ev به این ترتیب به ازای nf = 1 و ni = 2 و S = 2 انرژی اوژه برابر می‌شود با:


EA = Ei - Ef = (-27.2) ev - (-54.4) ev = 27.2 ev
در این مدل ، از اثر تکانه زاویه‌ای مداری و اسپین الکترون و انتشار هسته چشم‌پوشی می‌شود. وقتی این اثرها در نظر گرفته شوند، اتم **He با دو الکترون در تراز n = 2 حالتهای گسسته زیاد پیدا می‌کند و این در حالی است که He+(1S تنها یک حالت دارد. به این ترتیب ، طیف گسیلی الکترون اوژه شامل انرژیهای زیادی خواهد شد.

مدل الکترونهای آزاد

ساده‌ترین رهیافت ممکن آن است که فرض شود الکترونها در فلز نظیر گازی از ذرات آزلو رفتار می‌کنند، این مدل الکترون آزاد است. جدا کردن الکترونهای رسانشی از یک اتم ، فلز یونی را با بار مثبت بجای می‌گذارد. مدل الکترون آزاد که چگالی بار وابسته به فلزهای یونی بطور یکنواخت در سرتاسر فلز توزیع شده است، به گونه‌ای که الکترونها در یک پتانسیل الکتروستاتیکی ثابت حرکت می‌کنند، مدل الکترون آزاد برهمکنش دافعه بین الکترونهای رسانشی را نیز نادیده می‌گیرد.

بنابراین ، این مدل ، الکترونها را به صورتی در نظر می‌گیرد که مستقل از یکدیگر در یک چاه پتانسیل مربعی با عمق متناهی حرکت می‌کند. لبه‌های چاه ، متناظر با مرزهای فلز است.

حالت زمینه گاز الکترون آزاد

الکترونها به دلیل آنکه اسپین نیمه صحیح دارند فرمیون هستند و باید از اصل طرد پائولی پیروی کنند؛ بنابراین هر حالت تنها می‌تواند حاوی یک الکترون باشد. لذا با کم‌انرژی‌ترین حالت مربوط به N الکترون آزاد با پر کردن N حالت ، کمترین انرژی حاصل می‌شود. بنابراین تمامی حالتها تا انرژی Ef که تراز فرمی|انرژی فرمی نام دارد، پر هستند. Ef با بکار بردن این شرط که تعداد حالتهای با E < Ef که توسط انتگرال گیری از چگالی حالتها از 0 تا Ef بدست می‌آید که انرژِی فرمی برابر است با:

2/3(Ef = ħ2/2m(3π2n/v



img/daneshnameh_up/c/c6/electron3.gif

 

نظریه الکترون آزاد

در تقریب اول می‌توان فرض کرد که الکترون خارجی اتم می‌تواند کاملا آزادانه در داخل ماده حرکت کند و از این واقعیت چشم‌پوشی می‌کنیم که هنگامی که یک اتم الکترونی را از دست می‌دهد، خود به صورت یک یون باردار مثبت بر جای می‌ماند و یا در این مورد می‌توان فرض کرد یونها به علاوه تمام الکترونهای آزاد دیگر در هم آمیخته می‌شوند و یک پتانسیل زمینه ثابت را که آن را می توان نادیده گرفت بدست می‌دهند.

این ایده اصلی در مدل الکترون در جعبه است. بنابراین لازم است حالتهای ممکن Ψ و انرژی ممکن E را برای الکترون در جعبه محاسبه شود. که در اینجا جعبه اندازه بلور است. معادله موج شرودینگر عبارت است از:

ħ2/2m(∂2Ψ/∂x2 + ∂<2Ψ/∂x2 + ∂2Ψ/∂x2) = - EH


چون فرض می‌کنیم الکترون نمی‌تواند از جعبه فرار کند، شرایط انرژی این است که Ψ (تابع موج یا احتمال حضور الکترون) در تمام وجوه آن صفر باشد. معادله موج شرودینگر عبارت است از:

Ψ = A Sin KxX Sin KyY Sin KzZ


که Kx و Ky و Kz اعداد موجی در راستاهای X و Y و Z می‌باشند. در نهایت E برابر است با:

E = ħ2K2/2m

الکترون-ازاد الکترون-ازاد الکترون-ازاد الکترون-ازاد الکترون-ازاد امتیاز : 591 دیدگاه(0)

مطالب محبوب

چهارشنبه 15 دی 1389
چهارشنبه 15 دی 1389
چهارشنبه 15 دی 1389
چهارشنبه 15 دی 1389
چهارشنبه 15 دی 1389

صفحات مطالب

1|2|3|
موضوعات
  • fizik بدون موضوع
پیوند ها