همه چیز درباره الکتریسیته و مغناطیس

۲۵ صفحه تحقیق آماده

الکتریسیته و مغناطیس: نیروهای بنیادی جهان ما

الکتریسیته و مغناطیس، دو پدیده جدانشدنی در طبیعت هستند که در هم تنیده شده و دنیای مدرن ما را شکل داده‌اند. از اتم‌های ریز تا ژنراتورهای عظیم برق، درک این نیروهای بنیادی، کلید بازگشایی رازهای جهان پیرامون ماست. این مقاله به بررسی عمیق مفاهیم اساسی الکتریسیته و مغناطیس، از نظریه الکترونی اتم تا پیچیدگی‌های مدارهای جریان متناوب، می‌پردازد.

الکتریسیته و نظریه الکترونی اتم

همه چیز از اتم آغاز می‌شود. اتم‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام الکترون (با بار منفی)، پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار) تشکیل شده‌اند. در حالت عادی، تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها در یک اتم برابر است، بنابراین اتم خنثی و بدون بار خالص است.

تولید الکتریسیته و خواص مواد:

• تولید الکتریسیته به روش مالش: اگر میله‌ای شیشه‌ای را به پارچه ابریشمی بمالیم، الکترون‌ها از شیشه جدا شده و به پارچه منتقل می‌شوند. در نتیجه، شیشه بار مثبت و پارچه به همان میزان بار منفی پیدا می‌کند. این بار در محل تماس باقی می‌ماند.
• اجسام رسانا و نارسانا:
  • رساناها (Conductors): موادی مانند فلزات که الکتریسیته را به خوبی از خود عبور می‌دهند. در این اجسام، الکترون‌های آزاد به راحتی در شبکه بلوری حرکت کرده و عمل رسانایی را انجام می‌دهند.
  • نارساناهــا (Insulators)/عایق‌ها: موادی که الکترون‌های آزاد برای هدایت الکتریکی ندارند و نمی‌توانند الکتریسیته را از خود عبور دهند.
• پخش بار الکتریکی در اجسام رسانا: اگر جسم رسانایی روی پایه عایق قرار گیرد و باردار شود، بار تولید شده در سطح خارجی آن پخش می‌شود، به طوری که در لبه‌ها و قسمت‌های نوک تیز، چگالی سطحی بار (مقدار بار الکتریکی در واحد سطح) بیشتر از سایر قسمت‌هاست.

میدان‌ها و پتانسیل الکتریکی

اثر بارهای الکتریکی بر یکدیگر و قانون کولن: دو بار همنام یکدیگر را دفع و دو بار غیرهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. قانون کولن بیان می‌کند که مقدار نیروی دافعه یا جاذبه بین دو بار، با حاصلضرب اندازه بارها نسبت مستقیم و با مجذور فاصله آن‌ها نسبت عکس دارد و به جنس محیط نیز بستگی دارد.

میدان الکتریکی و شدت میدان: میدان الکتریکی قسمتی از فضای اطراف یک بار الکتریکی است که در آن، آثار جاذبه و دافعه الکتریکی وجود دارد. شدت میدان الکتریکی در هر نقطه برابر است با نیروی وارد بر واحد بار مثبت الکتریکی واقع در آن نقطه. برای تعیین جهت میدان در هر نقطه، می‌توان یک بار مثبت آزمون را در آن نقطه فرض کرده و جهت نیروی وارد بر آن را تعیین کرد. خطوط میدان نیز خطوط فرضی هستند که مماس بر بردار شدت میدان بوده و جهت آن را نشان می‌دهند.

• میدان الکتریکی یکنواخت: میدانی است که در آن شدت میدان، چه از لحاظ مقدار و چه از لحاظ جهت، ثابت باشد؛ مانند میدان الکتریکی بین دو صفحه موازی نزدیک به هم.

اختلاف پتانسیل و تغییرات انرژی پتانسیل: اختلاف پتانسیل الکتریکی عامل برقراری جریان از نقطه‌ای به نقطه دیگر است که همواره جریان از پتانسیل زیاد به پتانسیل کم برقرار می‌شود. پتانسیل صفر (زمین الکتریکی) نقطه‌ای در میدان الکتریکی است که پتانسیل نقاط دیگر نسبت به آن سنجیده می‌شود. پتانسیل هر نقطه نیز عبارت است از مقدار انرژی لازم برای انتقال واحد بار مثبت از زمین (پتانسیل صفر) به آن نقطه.

• پتانسـیل مثبت و منفی: اگر با وصل نقطه بارداری به زمین، بار مثبت از نقطه به زمین منتقل شود، پتانسیل آن مثبت است. اگر از زمین به جسم منتقل شود، پتانسیل آن منفی است.
• تغییرات انرژی پتانسیل: اگر در یک میدان، تغییری در جهت خواسته میدان انجام شود، انرژی توسط میدان آزاد شده و انرژی داخلی کاهش می‌یابد. در غیر این صورت، انرژی داخلی افزایش می‌یابد.
• پتانسیل یک جسم هادی باردار: در تمام نقاط داخلی و سطح خارجی یک جسم هادی باردار، پتانسیل یکسان است.

خازن‌ها و ذخیره انرژی

خازن (Capacitor) وسیله‌ای برای ذخیره بار الکتریکی است که از دو صفحه رسانا و یک عایق (یا دی‌الکتریک) بین آن‌ها تشکیل شده است.

• خازن خالی (دشارژ): دو صفحه خازن خنثی و بدون بار هستند.
• خازن پر (شارژ): در صفحات آن دو نوع بار مساوی ولی مخالف وجود دارد. برای شارژ خازن، کافی است دو سر آن به دو قطب پیل (مولد) متصل شود.

جریان الکتریکی و مقاومت

شدت جریان الکتریکی (Electric Current): مقدار الکتریسیته‌ای که در واحد زمان از مداری می‌گذرد. واحد آن آمپر (A) است.

• تعریف آمپر: یک آمپر، بزرگی جریان الکتریکی در مداری است که در یک ثانیه، یک کولن بار الکتریکی از مقطع مدار شارش می‌کند.

مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance): در دمای ثابت، نسبت اختلاف پتانسیل دو سر سیم به جریانی که از آن عبور می‌کند، مقاومت الکتریکی نامیده می‌شود (قانون اهم).

• یک اهم: مقاومت سیمی است که اگر اختلاف پتانسیل ۱ ولت در دو سر آن برقرار شود، جریان ۱ آمپر از آن عبور کند.
• اثر دما بر مقاومت الکتریکی: افزایش دما، مقاومت هادی‌های فلزی را افزایش و مقاومت هادی‌های غیرفلزی و نیمه‌هادی‌ها را کاهش می‌دهد.

مدارهای الکتریکی و قوانین کیرشهف

نیروی محرکه (Electromotive Force – EMF): مقدار انرژی است که مولد به واحد بار الکتریکی می‌دهد تا بتواند در مدار شارش پیدا کند. مولد دارای مقاومت درونی (r) نیز می‌باشد.

• قانون اهم در مدار جریان پیوسته:
  • اختلاف پتانسیل دو سر یک مقاومت: V = RI
  • اختلاف پتانسیل دو سر یک مولد: V = E - rI (rI را افت پتانسیل داخلی مولد می‌نامند).

توان و راندمان:

• توان مولد: P = VI (توان مفید)
• راندمان مولد: نسبت توان مصرفی مدار به کل توان مولد.

به هم بستن مقاومت‌ها:

• متوالی (سری): مقاومت‌ها پشت سر هم بسته می‌شوند. مقاومت معادل برابر مجموع مقاومت‌ها است.
• موازی: مقاومت‌ها به گونه‌ای بسته می‌شوند که سرهای آن‌ها به دو نقطه مشترک وصل شوند. مقاومت معادل از فرمول معکوس مجموع معکوس‌ها به دست می‌آید.

مدارهای خازن و مقاومت:

• خازن و مقاومت به صورت متوالی: پس از شارژ خازن، جریان در مدار صفر، اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت صفر و اختلاف پتانسیل دو سر خازن برابر اختلاف پتانسیل مولد خواهد بود.
• خازن و مقاومت به صورت موازی: جریان در مدار برقرار می‌شود و اختلاف پتانسیل دو سر خازن برابر اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت است. هنگام قطع جریان، خازن از طریق مقاومت تخلیه می‌شود.

قوانین کیرشهف در مدارهای انشعابی:

• قانون اول (جریان): مجموع جبری شدت جریان‌ها در هر گره برابر صفر است که نشان‌دهنده پایستگی بار الکتریکی است.
• قانون دوم (ولتاژ): در یک حلقه بسته، مجموع جبری اختلاف پتانسیل‌ها برابر صفر است.

اتصال مولدها:

• اتصال سری: n عدد پیل مشابه با نیروی محرکه E و مقاومت داخلی r، نیروی محرکه معادل nE و مقاومت داخلی معادل nr ایجاد می‌کنند.
• اتصال موازی: n عدد پیل مشابه به صورت موازی، نیروی محرکه معادل E و مقاومت داخلی معادل r/n ایجاد می‌کنند.

مغناطیس: نیروی پنهان در حرکت الکترون‌ها

محور مغناطیس: محوری است که دو قطب آهن‌ربا را به هم وصل می‌کند و خاصیت مغناطیسی اطراف آن کاملاً متقارن است.

منشأ تولید مغناطیس: حرکت الکترون‌ها! به عبارت دیگر، هرگاه الکترونی جابجا شود، در اطراف آن خاصیت مغناطیسی ایجاد می‌شود. دوقطبی مغناطیسی به میدان مغناطیسی حاصل از حرکت یک الکترون گفته می‌شود. در یک ماده، تعداد زیادی دوقطبی مغناطیسی وجود دارد که در حالت عادی حرکت کاتوره‌ای دارند. اگر بتوان این دوقطبی‌ها را منظم و هم‌سو کرد، خاصیت مغناطیسی در ماده مشهود می‌شود.

انواع مواد مغناطیسی: مواد به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1. مواد غیرمغناطیسی: موادی که تحت هیچ شرایطی نمی‌توان در آن‌ها خاصیت مغناطیسی ایجاد کرد (مانند شیر و چوب).
2. مواد مغناطیسی: موادی که تحت شرایط معینی می‌توان دوقطبی‌های آن‌ها را منظم کرده و خاصیت مغناطیسی در آن‌ها به وجود آورد (مانند آهن).

مواد مغناطیسی خود به سه دسته تقسیم می‌شوند:

• فرومغناطیس نرم (Soft Ferromagnetic): مانند آهن خالص. این مواد به سرعت در میدان مغناطیسی، خاصیت مغناطیسی قوی پیدا کرده و به محض حذف میدان، خاصیت خود را از دست می‌دهند (کاربرد در زنگ اخبار و هسته سیم‌لوله‌ها).
• فرومغناطیس سخت (Hard Ferromagnetic): مانند فولاد. این مواد به کندی در میدان مغناطیسی، خاصیت پیدا می‌کنند اما پس از حذف میدان، خاصیت مغناطیسی آن‌ها پایدار می‌ماند (کاربرد در قطب‌نماها، بلندگوها).
• پارامغناطیس (Paramagnetic): این مواد در میدان مغناطیسی بسیار قوی، تعداد اندکی از دوقطبی‌هایشان منظم شده و خاصیت مغناطیسی ضعیفی ایجاد می‌کنند که به محض حذف میدان، از بین می‌رود (مانند پلاتین، آلومینیوم).

اشباع مغناطیسی: خاصیت مغناطیسی یک آهن‌ربا را نمی‌توان تا بی‌نهایت افزایش داد. زمانی که تمام دوقطبی‌های موجود در حوزه ها کاملاً هم‌سو شوند، آهن‌ربا به حالت اشباع مغناطیسی می‌رسد.

از بین بردن خاصیت مغناطیسی آهن‌ربا:

1. روش حرارت و ضربه: با گرم کردن و ضربه زدن به آهن‌ربا، دوقطبی‌های منظم شده از حالت نظم خارج شده و به حالت کاتوره‌ای برمی‌گردند.
2. استفاده از سیم‌پیچ حامل جریان متناوب: قرار دادن آهن‌ربا در یک سیم‌لوله حامل جریان متناوب (در راستای شرق-غرب برای جلوگیری از تأثیر میدان مغناطیسی زمین) باعث از بین رفتن خاصیت مغناطیسی می‌شود.

میدان مغناطیسی: فضای محدود اطراف یک آهن‌ربا است که در آن، خاصیت مغناطیسی قابل حس است. این میدان را می‌توان با خطوط نیرو نمایش داد:

• طیف مغناطیسی توسط براده آهن: براده‌های آهن در اطراف آهن‌ربا، مسیرهای خطوط میدان را نشان می‌دهند.
• حرکت چوب پنبه در آب یا عقربه مغناطیسی: با استفاده از یک سوزن آهن‌ربا شده (روی چوب پنبه شناور) یا عقربه مغناطیسی، می‌توان جهت و مسیر خطوط میدان را نقطه به نقطه مشخص کرد. طبق قرارداد، خطوط میدان مغناطیسی از قطب N (شمال‌یاب) خارج شده و به قطب S (جنوب‌یاب) وارد می‌شوند.

آهن‌ربا کردن یک میله مغناطیسی:

1. القایی: نزدیک کردن یک آهن‌ربای معلوم به میله، باعث القای خاصیت مغناطیسی در میله می‌شود.
2. سیم‌پیچ حامل جریان مستقیم: قرار دادن میله در داخل یک سیم‌لوله حامل جریان مستقیم، باعث هم‌سو شدن دوقطبی‌ها و آهن‌ربا شدن میله می‌شود.

جهت انحراف یک ذره باردار متحرک در میدان مغناطیسی (قاعده دست راست/چپ): هنگامی که یک ذره باردار در میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، نیرویی بر آن وارد می‌شود که باعث انحراف آن می‌گردد. جهت این نیرو به نوع بار، جهت میدان و جهت حرکت ذره بستگی دارد.

• اندازه نیروی وارد بر ذره متحرک (نیروی لورنتس): F = qvB sinθ
  • اگر ذره موازی میدان حرکت کند (θ=۰ یا ۱۸۰)، نیرویی وارد نمی‌شود.
  • اگر ذره عمود بر میدان حرکت کند (θ=۹۰)، نیروی بیشینه وارد می‌شود.
• تعریف تسلا (واحد شدت میدان مغناطیسی): یک تسلا، شدت میدان مغناطیسی است که اگر یک کولن بار الکتریکی عمود بر خطوط آن میدان با سرعت یک متر بر ثانیه حرکت کند، نیرویی به اندازه یک نیوتن بر آن وارد می‌شود.

تعیین جهت انحراف یک سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی: اگر سیمی حامل جریان در میدان مغناطیسی قرار گیرد، نیرویی بر آن وارد شده و باعث انحراف آن می‌شود. جهت این نیرو به جهت جریان و جهت میدان بستگی دارد (با استفاده از قاعده دست راست).

• اندازه نیروی وارد بر سیم حامل جریان: F = BIL sinθ
  • آزمایش اورستد: یک سیم حامل جریان، اطراف خود میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که توسط عقربه مغناطیسی یا براده‌های آهن قابل مشاهده است. خطوط میدان اطراف سیم، دایره‌ای‌شکل هستند و شدت میدان نزدیک سیم بیشتر و در فواصل دورتر کمتر است.

شدت میدان مغناطیسی یک سیم حامل جریان: B = (μ₀I) / (2πr)

• μ₀: قابلیت گذردهی مغناطیسی هوا.

میدان حاصل از دو یا چند سیم راست: میدان حاصل در هر نقطه، برآیند میدان‌های حاصل از هر یک از سیم‌ها است.

• اگر جریان‌ها هم‌جهت باشند، میدان‌ها در بین دو سیم خلاف جهت هم و در خارج هم‌جهت هستند.
• نقاط با شدت میدان صفر: اگر جریان‌ها هم‌جهت باشند، بین دو سیم؛ و اگر خلاف جهت باشند، خارج از دو سیم، ممکن است نقاطی با شدت میدان صفر وجود داشته باشد.

شدت میدان مغناطیسی در مرکز یک سیم‌پیچ مسطح: B = (μ₀NI) / (2R)

• N: تعداد دور سیم‌پیچ، R: شعاع سیم‌پیچ.

میدان مغناطیسی یکنواخت: فضای داخل یک سیم‌لوله که در آن، خطوط میدان مغناطیسی موازی و شدت میدان در هر نقطه ثابت است.

• شدت میدان مغناطیسی در داخل سیم‌لوله: B = μ₀nI (n: تعداد دور در واحد طول).

القای الکترومغناطیس و جریان متناوب

جریان القایی و قانون لنز: اگر آهن‌ربایی مقابل سیم‌پیچی حرکت کند، شار مغناطیسی عبوری از حلقه‌های سیم‌پیچ تغییر کرده و نیرویی بر الکترون‌های آزاد وارد می‌شود که باعث حرکت آن‌ها و ایجاد جریان القایی و نیروی محرکه القایی در دو سر سیم‌پیچ می‌گردد.

• قانون القای الکترومغناطیس فارادی: نیروی محرکه القایی در یک سیم‌پیچ بستگی به سرعت تغییر شار مغناطیسی در سیم‌پیچ دارد و مقدار متوسط آن برابر است با تغییرات شار در واحد زمان (ε = -N ΔΦ/Δt).
• قانون لنز: جریان القایی همواره چنان است که با تغییر شار (عامل بوجود آورنده خود) مخالفت می‌کند. (علامت منفی در قانون فارادی).

القای متقابل: هرگاه دو سیم‌پیچ مجاور یکدیگر قرار گیرند و شدت جریان در یکی تغییر کند، در دیگری جریانی القا می‌شود.

القاگر (Inductor) و ضریب خود القایی: هر جزئی از مدار که خاصیت خودالقایی داشته باشد، القاگر نامیده می‌شود. هنگامی که جریان در سیم‌لوله تغییر می‌کند، نیروی محرکه خودالقایی در دو سر آن القا می‌شود که طبق قانون لنز، با عامل تغییر مخالفت می‌کند. وجود هسته آهنی این اثر را تقویت می‌کند.

• نیروی محرکه خودالقایی: ε = -L ΔI/Δt
• ضریب خودالقایی (L): مقداری ثابت برای سیم‌پیچ که نشان‌دهنده توانایی آن در تولید نیروی محرکه القایی است. واحد آن هانری (H) است.
• انرژی الکتریکی ذخیره شده در سیم‌پیچ: E = ½ LI²

مولد جریان متناوب (AC Generator): اگر قابی در یک میدان مغناطیسی یکنواخت به دوران درآید، بر اثر تغییر شار مغناطیسی در قاب، نیروی محرکه‌ای القا می‌شود که اساس کار مولدهای جریان متناوب است. این جریان به صورت متناوب جهت خود را تغییر می‌دهد.

مطالعه بیشتر