ساعت ٩:۱٦ ‎ق.ظ روز ۱۳٩٠/۱۱/٢٦   کلمات کلیدی:

فیزیک 1 فصل 3

       

 

 الکتریسیته

 الکتریسیته از کلمه یونانی الکترون به معنی کهربا گرفته شده است.چرا که هرگاه کهربا را با پارچه پشمی مالش دهیم، اجسام سبکی مانند کاه را به خود جذب می کند.

 ماهیت الکتریسیته



 ماهیت الکتریسیته به دلیل وجود بارهای الکتریکی در اتمهای ماده است. در نظریه امروزی اتمی، اتم تشکیل یافته است از یک هسته مرکزی که دارای دو نوع ذره پروتون با بار مثبت و نوترون بدون بار است و ذرات بسیار ریزی بنام الکترون با بار منفی که به دور هسته می چرخند.

 

 

 

 

انواع الکتریسیته

الکتریسیته  دو نوع است : الکتریسیته ساکن و الکتریسیته جاری.

س: الکتریسیته ساکن چگونه است؟

ج: هر گاه الکتریسیته تولید شده در محل تولید باقی بماند آنرا الکتریسیته ساکن می نامند.

س: الکتریسیته جاری چگونه است؟

ج: از حرکت الکترونها، الکتریسیته جاری به وجود می آید.

س: بار الکتریکی چیست؟

ج: چرخش الکترون به دور هسته در اثر وجود نیروی الکتریکی بین آنهاست و نیز بعضی از اجسام تحت شرایط خاصی بر هم نیروی جاذبه یا دافعه الکتریکی وارد می کنند. عامل این نیروها به سبب خاصیتی است که بطور ذاتی در الکترونها وجود دارد. لذا آن کمیت فیزیکی که این خاصیت را توصیف و بزرگی نیروی حاصل از آنها را تعیین می کند، بار الکتریکی نامیده می شود.

 

 

 

Eتذکر: ماهیت بار الکتریکی تا کنون شناخته نشده است.

    وسیله های آزمایش : دو تیغه ی شیشه ای - دو تیغه ی پلاستیکی - پارچه پشمی و ابریشمی - نخ - پایه دو عدد برای آویزان کردن تیغه ها .
    ١- تیغه ی شیشه ای را با پارچه ی ابریشمی مالش دهید و به خرده های کاغذ نزدیک کنید  . چه اتفاقی رخ می دهد ؟
    ٢- همین آزمایش را با تیغه ی پلاستیکی انجام دهید و مشاهده های خود را بیان کنید .

 
 
 

    ٣- تیغه ی شیشه ای را با پارچه ی ابریشمی مالش دهید و آن را از گرانیگاه به وسیله ی نخ خشک آویزان کنید .
سپس تیغه ی شیشه ای دیگری را با پارچه ی ابریشمی مالش داده و به تیغه ی شیشه ای آویخته شده نزدیک کنید ، چه اتفاقی رخ می دهد ؟  

 

 

    ۴- همین آزمایش را با دو تیغه ی پلاستیکی که با پارچه ی پشمی مالش داده اید تکرار کنید و مشاهده های خود را بیان کنید. 

 
 
 

    ۵- آزمایش را با یک تیغه ی شیشه ای و یک تیغه ی پلاستیکی انجام دهید .
نتیجه های تجربه ها ی انجام شده را بنویسید و ربایشی یا رانشی بودن نیرو ها را مشخص کنید .

 

جواب :

1: تیغه شیشه ای خرده های کاغذ را می رباید و اندکی بعد آنها را رها می سازد.

2- تیغه پلاستیکی نیز ابتدا خرده های کاغذ را می رباید و بعد از مدتی آنها را رها می سازد.

3- بعلت هم نوع بودن بار تیغه های شیشه ای( هر دو مثبت) تیغه آویخته توسط تیغه دیگر رانده می شود.

4- مثل حالت قبل تیغه های پلاستیکی که هر دو بار منفی دارند یکدیگر را می رانند.

5- در این حالت به دلیل غیر هم نوع بودن بارهای تیغه ها، یکدیگر را می ربایند.

 

 

 قانون پایستگی بار الکتریکی

 بار الکتریکی از هیچ به وجود نمی آید و از بین هم نمی رود، فقط از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شود. این بیان را پایستگی بار الکتریکی می نامند.

س: چند نوع بار الکتریکی وجود دارد؟

ج: دو نوع: بار منفی( بار الکترون با علامت e- ) و بار مثبت ( بار پروتون با علامت e+ ).

س: بارهای الکتریکی الکترون و پروتون چه فرقی با هم دارند؟

ج: از نظر مقدار یکی هستند اما علامتهای مخالف هم دارند. توجه کنید که در نظر گرفتن علامتهای منفی و مثبت برای بارهای الکتریکی الکترون و پروتون یک اتمی قراردادی است و برای طبیعت این علامتها مفهومی ندارند.

               

 

 

 

 

س: کمترین مقدار بار الکتریکی در طبیعت چقدر است؟

ج: اندازه بار الکتریکی یک الکترون( یا یک پروتون) به عنوان یکای طبیعی بار الکتریکی یعنی کوچکترین بار الکتریکی موجود در ماده در نظر گرفته می شود و مقدار آن برابر است با:

 

به این ترتیب هر بار الکتریکی( مثل q) مضرب صحیحی از این بار پایه خواهد بود یعنی:

 

n یک عدد صحیح و مثبت است.

س: از رابطه q=n e چه نتیجه اساسی در فیزیک حاصل می شود؟

ج: این رابطه نشان می دهد بار الکتریکی نیز مانند ماده ساختمان دانه ای دارد. یعنی همانطور که ماده از ذرات ریزی بنام اتم درست شده است، بار الکتریکی نیز از ذراتی بنام الکترون(یا پروتون) تشکیل یافته است.

 یکای بار الکتریکی در سیستم SI

 یکای بار الکتریکی در SI کولن است که با حرف C نشان می دهند.

س: بار الکتریکی خالص یعنی چه؟

ج: یک اتم در حالت عادی از نظر الکتریکی خنثی است. یعنی تعداد بارهای مثبت و منفی آن با هم برابرند. اگر این تعادل را با گرفتن یا دادن الکترون به اتمهای یک جسم برهم بزنیم، دیگر جسم از نظر بار الکتریکی خنثی نخواهد بود. در این  حالت می گوییم جسم دارای بار الکتریکی خالص است. به عبارت دیگر بارهای الکتریکی خنثی نشده یک جسم را بار الکتریکی خالص می نامند.

Eتذکر: توجه کنید وقتی که یک اتم الکترون اضافی دریافت می کند دارای بار الکتریکی خالص منفی می شود و اگر الکترون از دست بدهد به دلیل وجود پروتونهای اضافی خنثی نشده،بار الکتریکی خالص آن مثبت خواهد بود.

س: نیروی الکتریکی چگونه است؟

ج: نیرویی را که اجسام دارای بار الکتریکی به یکدیگر وارد میکنند، نیروی الکتریکی می نامند.

س: قانون بنیادی الکتریسیته ساکن چگونه است؟

ج: بارهای الکتریکی همنوع یکدیگر را می رانند و بارهای الکتریکی نا همنوع یکدیگر را می ربایند. به عبارت دیگر دو بار مثبت و منفی یکدیگر را می ربایند و دو بار مثبت یا دو بار منفی یکدیگر را می رانند.

                   

س: روشهای تولید الکتریسیته ساکن کدامند؟

 

ج: به دو روش می توان الکتریسیته ساکن تولید کرد: روش مالش و روش القاء.

 

س: تولید الکتریسیته ساکن یا باردار کردن به طریقه مالش چگونه است؟

ج: این روش مناسب اجسام نا رسانا است. هنگامی که دو جسم نارسانا بر روی هم مالیده می شوند، به علت اصطکاک و گرمای تولید شده، الکترونهای آن جسمی که سست ترند از اتمهای خود کنده شده و بر روی جسم دیگر منتقل می شوند. در این حالت در جسمی که الکترون از دست داده بار مثبت(+) و در جسمی که الکترون گرفته است، بنا به قانون پایستگی بار الکتریکی، به همان مقدار بار منفی(-) به وجود می آید. مثلاً در صورتی که یک میله پلاستیکی( یا ابونیتی) را به پارچه پشمی مالش  دهیم، الکترونها از پارچه به میله پلاستیکی منتقل شده و میله بار منفی و پارچه بار مثبت خالص پیدا می کند. یا اگر به جای میله پلاستیکی از میله شیشه ای استفاده کنیم، برعکس حالت قبل شیشه بار مثبت و پارچه بار منفی پیدا می کند.

 

 

 

 

 

  پاسخ به سوال شما

چرا وقتی که میله شیشه ای را به پارچه ابریشمی مالش میدهیم شیشه دارای بار مثبت ولی وقتی میله پلاستیکی را به پارچه پشمی مالش میدهیم میله پلاستیکی دارای بار منفی میشود؟

جواب: 

میدانیم که: جسمی که انرژی یونیزاسیون آن کمتر است ، الکترون  از دست می دهد و بار الکتریکی آن مثبت می شود.

لذا ،میله شیشه ای در اثر مالش با پارچه ابریشمی بار مثبت می گیرد ، زیرا انرژی یونیزاسیون میله شیشه ای کمتراز پارچه ابریشمی است.

میله پلاستیکی نیز در اثر مالش با پارچه پشمی بار منفی میگیرد ؛ چون انرژی یونیزاسیون آن از پارچه پشمی بیشتر است.

 

در شکل مقابل بجای میله ابونیتی از ورقه PVC که همان خاصیت را دارد استفاده شده است .

 

 

نتیجه های 5 آزمایش شماره 1  را تفسیر کنید و چگونگی باردار شدن تیغه ها و رانده شدن تیغه های همنوع را از یکدیگر و ربایش تیغه های غیر همنوع را توضیح دهید.

پاسخ: هنگام مالش تیغه ها به پارچه، الکترونها از تیغه شیشه ای به پارچه و از پارچه به تیغه پلاستیکی منتقل می شوند. در نتیجه تیغه شیشه ای بار مثبت و تیغه پلاستیکی بار منفی پیدا می کنند. به این ترتیب وقتی دو تیغه شیشه ای  یا دو تیغه پلاستیکی را به هم نزدیک می کنیم یکدیگر را می رانند، اما تیغه های غیر همنوع یعنی شیشه ای و پلاستیکی یکدیگر را می ربایند.

 وسیله های آزمایش : بادکنک - شانه ی پلاستیکی - نخ - پارچه ی پشمی .
    ١- چگونه می توانید بادکنکی را بدون استفاده از هر نوع چسبی به دیوار بچسبانید ؟ 
برای آنکه بادکنک زمان بیشتری به دیوار بچسبد چه می کنید ؟ 
    ٢- یک شانه ی پلاستیکی را با یک پارچه ی پشمی مالش دهید و نزدیک شیر آبی که آب با فشار کم از آن خارج می شود نگه دارید .چه مشاهده می کنید ؟
مشاهدهای فوق را بنویسید و به کلاس گزارش کنید .


 
                              

 

جواب:

1: بادکنک را که از جنس پلاستیک است به پارچه پشمی مالش می دهیم تا باردار شود و سپس آنرا به دیوار می چسبانیم در اثر القای الکتریکی بادکنک به دیوار می چسبد. برای اینکه بادکنک مدت بیشتری بر روی دیوار بماند باید آنرا به دفعات بیشتری به پارچه پشمی مالش دهیم.

2- در اثر مالش شانه با پارچه پشمی در آن بار الکتریکی منفی ایجاد می شود. در این حالت اگر شانه را به باریکه آب نزدیک کنیم در اثر القای الکتریکی آنرا بطرف خود می کشد.

 

 

الف- موهای تمیز و خشک خود را با یک شانه پلاستیکی خشک شانه کنید چرا موهای شما مرتب نمی شوند و به دنبال شانه بلند می شوند؟

ب- با یک پارچه خشک، صفحه تلویزیون را تمیز کنید. چرا پرزهای پارچه به صفحه تلویزیون می چسبند؟

پ- در تاریکی لباس خود را از تن بیرون آورید، چرا جرقه زده می شود؟

 
   

 

پاسخ الف: در اثر تماس شانه با مو، شانه بار منفی و مو بار مثبت پیدا می کنند.  به این علت موها به طرف شانه کشیده شده و از حالت مرتب خارج می شوند.

پاسخ ب:  صفحه تلویزیون از جنس شیشه است. هنگام تمیز کردن، الکترونها از پارچه به صفحه تلویزیون منتقل می شوند. در نتیجه به علت غیر همنوع بودن بار این دو، پرزهای پارچه به صفحه تلویزیون می چسبند.

پاسخ پ: هنگام درآوردن لباس در اثر مالش لباس های رویی با لباسهای زیری، الکترونها رد و بدل شده و موجب زدن جرقه می شوند.

 

س: اجسام رسانا و نارسانای الکتریکی چگونه اند؟

ج: پاره ای از مواد مثل فلزات به راحتی الکتریسیته را از خود عبور می دهند. در این مواد الکترونها با دریافت اندکی انرژی از اتمهای خود کنده شده و به حرکت در می آیند. این مواد را رسانای الکتریکی می نامند. اما پاره ای مواد دیگر مثل چوب و پلاستیک الکتریسیته را به راحتی از خود عبور نمی دهند. الکترونهای این مواد برای کنده شده از اتمهایشان به انرژی زیادی نیاز دارند و به این علت به حرکت در آوردن آنها خیلی مشکل است. اینگونه مواد را نارسانای الکتریکی می گویند.


    وسیله های آزمایش : میله ی مسی - پارچه - الکترو سکوپ .
    یک میله ی مسی کوچک را گرفته و تلاش کنید که با مالش دادن آن توسط یک پارچه ، در آن بار الکتریکی ایجاد کنید . آیا بار الکتریکی در آن ایجاد می شود ؟ چرا ؟ برای اطمینان ، میله ی مسی را پس از مالش ، به کلاهک الکتروسکوپ بدون باری تماس دهید و مشاهده ی خود را بنویسید .

جواب: در اثر مالش میله مسی با پارچه در آن بار الکتریکی ایجاد می شود. اما به دلیل رسانا بودن میله و نیز دست ما، بارهای آن از طریق دست و بدن ما به زمین منتقل می شوند. در این حالت اگر میله را به کلاهک الکتروسکوپ بدون باری تماس دهیم ورقه های آن حرکت نمی کنند.

 الکترون آزاد

 در اجسام فلزی الکترونها به راحتی از اتمهای خود جدا می شوند و در درون جسم به حرکت در می آیند و موجب رسانایی الکتریکی می شوند. این الکترونها را الکترنهای آزاد می نامند.

 

 

1- چرا آزمایش های الکتریسیته ساکن در روزهای سرد و خشک، نتیجه بهتری می دهد؟

2- چرا در بعضی مواد مانند پلاستیک و نایلون بهتر از سایر مواد می توان بار الکتریکی ایجاد کرد؟

جواب 1: آب اندکی خاصیت رسانایی دارد و به این علت هوای مرطوب نیز کمی خاصیت رسانایی پیدا می کند. در هوای گرم، رطوبت هوا زیاد می شود. در این حالت الکتریسیته ای که در اثر مالش در یک جسم ایجاد شده است، از طریق هوای مرطوب به اجسام دیگر منتقل می شود و مانع از انجام مطلوب آزمایش ها می گردد. در هوای سرد از رطوبت هوا کاسته می شود و رسانایی هوا ناچیز می گردد. در این حال آزمایش های مربوط به الکتریسیته ساکم را بهتر می توان انجام داد.

جواب 2: موادی مثل پلاستیک و نایلون نارسانای الکتریکی هستند. بنابراین هنگامی که در اثر مالش در آنها بار الکتریکی ایجاد می شود، این بار را در خود نگه داشته و به اجسام دیگر منتقل نمیکنند.

 

 

 

جمله های زیر را کامل کنید:

1- وقتی دو جسم به یکدیگر ............ داده می شود. بین آنها الکترون مبادله می شود.

2- با جا به جا شدن الکترونهای آزاد، بار الکتریکی درون ............... شارش می کند.

3- در یک جسم.............بار الکتریکی در محل ایجاد شده باقی می ماند.

4- نیرویی که بارهای الکتریکی همنوع بر یکدیگر وارد می کنند .............. و نیرویی که بارهای الکتریکی غیر همنوع بر یکدیگر وارد می کنند..............است.

پاسخ 1: وقتی دو جسم به یکدیگر مالش داده می شود. بین آنها الکترون مبادله می شود.

پاسخ 2:  با جا به جا شدن الکترونهای آزاد، بار الکتریکی درون جسم از یک نقطه به نقطه دیگر آن شارش می کند.

پاسخ 3:  در یک جسم نارسانا بار الکتریکی در محل ایجاد شده باقی می ماند.

پاسخ 4: نیرویی که بارهای الکتریکی همنوع بر یکدیگر وارد می کنند رانشی و بارهای الکتریکی غیر همنوع  یکدیگر را می ربایند

١- می دانیم که تعداد الکترون های آزاد موجود در رسانا ها بسیار زیاد است .
به عنوان مثال در یک سانتیمتر مکعب مس درحدود ٢٢ ١٠ الکترون آزاد وجود دارد . 
آیا بزرگی این عدد را می توانید تصور کنید ؟ برای آنکه به بزرگی این عدد پی ببرید ، فرض کنید بخواهید این تعداد الکترون را بشمارید . شما در هر ثانیه قادر به شمارش چه تعداد الکترون هستید ؟ ٢، ١٠، ١٠٠، ١٠٠٠٠،… فرض کنید که در هر ثانیه بتوانید یک تریلیون یعنی١٢ ١٠ الکترون را بشمارید . چه مدت طول می کشد تا تمام الکترون های آزاد موجود در یک سانتیمتر مکعب مس را بشمارید ؟ برای محاسبه یک سال را تقریبا" برابر ٧ ١٠ *  ٣ ثانیه در نظر بگیرید .
٢- برای آنکه در جسم بدون باری ، بار الکتریکی  ( C ۶- ١٠ * ۴/۶ + ) ایجاد شود ، چه تعداد الکترون باید از آن گرفته شود ؟ 
٣- به تعداد پروتون های موجود در هسته ی اتم ، عدد اتمی گفته می شود و آن را با z نشان می دهند . عدد اتمی مس برابر ٢٩ است . بار الکتریکی هسته اتم مس چه اندازه است ؟  اتم مس چه اندازه بار الکتریکی منفی دارد ؟ بار الکتریکی اتم مس چه اندازه است ؟

جواب الف:                                                                 

 

سال

ب: بار یک الکترون  است. نتیجه می شود:

الکترون 

پ: بار یک پروتون برابر است با:   .نتیجه می شود:

بار هسته   

در اتم مس تعداد الکترونها با تعداد پروتونها برابر است. الکترونها نیز به همان اندازه پروتونها بار الکتریکی دارند اما با علامتمنفی. بنابراین بار الکتریکی منفی اتم مس برابر   است. از طرفی چون در اتم مس مقدار بار الکتریکی مثبت پروتونها با مقدار بار الکتریکی منفی الکترونها برابر است، پس اتم مس از نظر بار الکتریکی خنثی خواهد بود.

 

س: القاء بار الکتریکی چگونه است؟

ج: تعریف: ایجاد بار در رساناها بدون تماس به یکدیگر، القاء بار نامیده می شود.

 

 وسیله های آزمایش : دو کره ی فلزی - پایه های عایق - تیغه ی پلاستیکی - تیغه ی شیشه ای .
    ١- دو کره ی فلزی را که روی پایه های نارسانا ( چوبی ) قرار دارند مطابق شکل ( ٣-٢ الف ) در تماس با یک دیگر قرار دهید . اگر این وسیله ها را در اختیار ندارید می توانید دو تیغه ی فلزی کوچک را انتخاب و آن ها را توسط دو نخ خشک آویزان کنید و یا دو کاسه زنگ دوچرخه را روی پایه های نارسانا (مثلا" چوبی) نصب کنید . با تماس دست به آن ها مطمئن شوید که بدون بار الکتریکی اند .
    ٢- یک تیغه ی پلاستیکی را با پارچه ی پشمی مالش دهید . چه نوع بار الکتریکی پیدا می کند ، منفی یا مثبت ؟ 
    ٣- مطابق شکل ( ٣-٢ ب ) تیغه ی پلاستیکی را به کره ی A نزدیک کنید . 

 

 

شکل ٣-٢- بار دار کردن به روش القا

 ۴- بدون آنکه مکان تیغه ی پلاستیکی را تغییر دهید ، پایه ی چوبی کره ها را گرفته و دو را از هم جدا کنید . 
    ۵- تیغه ی شیشه ای را با پارچه مالش دهید و از گرانیگاه به وسیله ی نخ خشکی آویزان کنید . تیغه ی شیشه ای دارای چه نوع بار الکتریکی است ؟ 
    ۶- هر یک از دو کره ی A و B را به طور جداگانه به تیغه ی شیشه ای نزدیک کنید .آنچه را که مشاهده می کنید یاد داشت کنید . 

جواب 1و2و3و4: در اثر مالش تیغه پلاستیکی با پارچه پشمی در آن بار منفی ایجاد می شود. وقتی این تیغه را کنار کره های فلزی بهم چسبیده قرار دهیم،در اثر القای الکتریکی، بارهای منفی کره A رانده شده و به سطح دورتر کره B می روند و در عوض بارهای مثبت در کره A و در سطح مقابل تیغه جمع می شوند. اگر در این حالت کره ها را از هم جدا کنیم، در کرهA بار خالص مثبت و در کره Bبار خالص منفی ایجاد می شوند.

5و6: در اثر مالش تیغه شیشه ای با پارچه پشمی در آن بار مثبت ایجاد می شود. اگر آنرا آویزان کنیم و کره ها را به ترتیب به تیغه نزدیک نماییم مشاهده می کنیم کره A تیغه را می راند و کره B تیغه را می رباید. این امر تأیید می کند که کره A بار مثبت و کره B بار منفی دارد.

س: تولید الکتریسیته ساکن به طریقه القاء چگونه است؟

 

ج: مطابق شکل روبرو، میله باردار( S ) را به کره فلزی با پایه عایق نزدیک می کنیم. دراثر نیروی الکتریکی بارهای مثبت و منفی آن از هم جدا می شوند.سپس با تماس کره به زمین توسط انگشت، بارهای منفی آن را تخلیه می کنیم. بعد تماس کره با زمین را قطع کرده و میله ( S )  را از آن دور می نماییم. در کره بار خالص مثبت باقی می ماند. (در صورتی کهبار میله مثبت باشد، بار ایجاد شده در کره منفی خواهد بود).

 

 

 

روش قبل را با دو کره فلزی نیز می توان انجام داد. در اشکال زیر مراحل انجام این عمل نشان داده شده است:

 

با نزدیک شدن میله باردار( با بار منفی) به کره ها، به علت نیروی الکتریکی، بارهای مثبت و منفی کره ها  از هم دور می شوند. سپس کره ها را از هم جدا می کنیم و بعد میله را نیز دور می کنیم. ملاحظه می شود در کره A بار خالص منفی و در کره B بار خالص مثبت ایجاد می شود.

س: الکتروسکوپ یا برق نما چیست؟

ج: وسیله ای است که بر اساس القاء الکتریکی عمل می کند و موارد استفاده آن عبارتند از:

1- پی بردن به وجود بارهای الکتریکی کم و ضعیف در یک جسم.

2- تعیین نوع بار الکتریکی در یم جسم.

3- تعیین رسانایی یا نارسانایی یک جسم.

الکتروسکوپ تشکیل شده است از یک میله فلزی که در یک طرف آن کلاهکی فلزی و در طرف دیگر ورق نازک طلا( یا یک فلز دیگر) نصب شده و مجموعه در داخل یک جعبه شیشه ای قرار دارد.

 

فعالیت 2: الف-  هرگاه جسمی را که دارای بارالکتریکی است به کلاهک یک الکتروسکوپ بدون بار تماس دهید، چه اتفاقی می افتد؟ آیا ورقه طلا از تیغه فلزی دور می شود؟ چرا؟ علت را توضیح دهید.

 

ب- می خواهیم در یک جسم رسانای بدون بار الکتریکی ( یک الکتروسکوپ یا یک کره رسانا) بار الکتریکی القا کنیم. برای انجام این کار یک تیغه پلاستیکی که دارای بار الکتریکی منفی است در اختیار شما است. مراحل مختلف کار را شرح دهید. اگر به جای تیغه پلاستیکی، تیغه شیشه ای را که دارای بار مثبت است بکار برید، نوع بار الکتریکی القا شده چه تغییری می کند؟

جواب الف:  هر گاه جسمی مثل یک میله ابونیتی با بار منفی را به کلاهک الکتروسکوپ تماس دهیم، در اثر القاء الکتریکی، بارهای مثبت جذب میله شده و در روی کلاهک جمع می شوند و نیز بارهای منفی از میله رانده شده و به روی ورقه طلا و تیغه فلزی می روند. در این حالت تیغه فلزی ورقه طلا را به علت داشتن بارهای همنوع رانده و از خود دور می کند.

   

جواب ب: ابتدا تیغه پلاستیکی را که بار منفی دارد به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک می کنیم تا ورقه طلا به اندازه دلخواه از تیغه فلزی دور شود. در همین حال الکتروسکوپ را به وسیله تماس با انگشت در مدت کوتاهی به زمین وصل می کنیم. سپس انگشت را برداشته و تیغ پلاستیکی را از الکتروسکوپ دور می کنیم. ملاحظه می شود ورقه طلا همچنان در حال انحراف باقی می ماند زیرا در الکتروسکوپ بار خالص مثبت ایجاد شدهاست.

اگر همین آزمایش را با تیغه شیشه ای که بار مثبت دارد انجام دهیم، بار ایجاد شده در الکتروسکوپ منفی خواهد بود.

 

 

 

 

 

 

 

 چگونه با یک الکتروسکوپ که از قبل بارالکتریکی دارد می توانید پی ببرید جسمی که در اختیار شماست:

الف- بار الکتریکی دارد یا خیر؟

ب- رساناست یا نارسانا.

جواب الف- جسم را به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک می کنیم( یا به آن تماس می دهیم) . اگر ورقه طلا انحراف پیدا کند، جسم بار الکتریکی دارد. در این حالت میزان انحراف ورقه طلا متناسب با بارالکتریکی جسم است.

 

جواب ب-  ابتدا جسم را به پارچه پشمی می مالیم. سپس آن را با دست گرفته و به کلاهک نزدیک می کنیم. اگر ورقه طلا دور شود، جسم نا رسانا است. زیرا بار الکتریکی ایجاد شده در خود را حفظ کرده است. اما اگر انحرافی در ورقه طلا مشاهده نشد، جسم رسانا است، زیرا بارالکتریکی خود را از طریق دست به زمین منتقل کرده است و دیگر باری ندارد تا در الکتروسکوپ القا بار کند.

 

 

 

 

 

1- با دم پایی پلاستیکی تمیز روی فرش راه بروید و سعی کنید دم پایی روی فرش مالش داده شود. سپس با نوک انگشت خود، گوش و یا نوک بینی یک نفر را که در اتاق است، لمس کنید، چه اتفاقی می افتد؟علت را توضیح دهید.

2- با چه پدیده های مشابه دیگری آشنا هستید؟ آیا ممکن است این پدیده ها خطرناک باشند؟

3- چرا زیر تانکرهای مخصوص حمل سوخت، زنجیر آویزان می کنند؟

4- آیا این پدیده در مورد هواپیما در هنگام پرواز ایجاد می شود؟ در مورد هواپیما چه تدبیری به کار برده می شود؟

جواب1: در اثر راه رفتن و مالش دم پایی پلاستیکی با فرش، بار الکتریکی منفی در کفش و بدن ایجاد می شود. هنگام تماس نوک انگشت با گوش یک نفر، با زدن یک جرقه کوچک، این بار الکتریکی به بدن او منتقل می شود.

جواب 2: اگر با لباس پشمی در داخل اتومبیل بنشینید و مدتی حرکت کنید، هنگام پایین آمدن و گرفتن دستگیره برای بستن اتومبیل، بین دست شما و دستگیره جرقه زده می شود. در محل های مسدودی مثل اتاق عمل بیمارستان و یا تعمیرگاه های اتومبیل که گازهای اشتعال زا مثل اتر جمع می شود، وقوع یک جرقه کوچک می تواند به آتش سوزی و سانحه منجر شود.

جواب 3: هنگام حرکت تانکر، در اثر مالش بدنه آن با هوا مقدار زیادی بار الکتریکی در آن جمع می شود. تجمع این بار و انتقال آن به زمین یا اجسام مجاور دیگر می تواند همراه با جرقه باشد و سوخت تانکر را منفجر کند. وجود زنجیر باعث می شود تا بارهای الکتریکی ایجاد شده به طور مداوم به زمین منتقل شوند و در بدنه تانکر جمع نگردند به این ترتیب از ایجاد جرقه جلوگیری می شود.

جواب 4: هنگام پرواز هواپیما نیز در اثر مالش بدنه آن با هوا مقدار زیادی بار الکتریکی در آن ایجاد می شود. این بار می تواند برای سوخت هواپیما بسیار خطرناک باشد. برای رفع این مشکل باتری های مخصوصی در هواپیما قرار می دهند تا بارهای ایجاد شده در اثر مالش را جمع و در خود ذخیره نماید. ضمناً مقداری از این بار نیز خودبخود از محل نوک تیز هواپیما دوباره به هوا منتقل می شود.

 

اختلاف پتانسیل الکتریکی

تعریف: عاملی را که موجب جریان یا شارش بارهای الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر می شود،اختلاف پتانسیل الکتریکی می نامند.

 

بنابراین بار الکتریکی می تواند خودبخود از نقطه ای با پتانسیل الکتریکی بیشتر به نقطه ای با پتانسیل الکتریکی کمتر شارش نماید. اما برای شارش بار الکتریکی از پتانسیل کمتر به پتانسیل بیشتر باید کار انجام داد( مثل شارش آب بین دو نقطه که با هم اختلاف ارتفاع دارند). اختلاف پتانسیل الکتریکی را با نمادV نشان می دهند. و یکای آن ولت است.

تذکر: انرژی پتانسیل واحد جرم را پتانسیل گرانشی می نامند و مقدار آن برابر است با:

 

 تعریف پتانسیل الکتریکی

 انرژی پتانسیل واحد بار را پتانسیل الکتریکی می نامند.

س: وسیله اندازه گیری اختلاف پتانسیل چیست و چگونه در مدار قرار می گیرد؟

 

ج: ولت سنج است. این وسیله با قسمتی از مدار که می خواهیم اختلاف پتانسیل دو سر آن را اندازه بگیریم، به صورت موازی قرار داده می شود. برای اندازه گیری دقیق، مقاومت داخلی ولت سنج باید خیلی زیاد باشد تا از آن جریانی عبور نکند.

 

 

 

 

س: مولد یا باتری چیست؟

 

ج: وسیله ای است که با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی، بین دو نقطه اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود آورده و سبب شارش بارهای الکتریکی می شود. در واقع مولد به بارهای الکتریکی انرژی می دهد تا شارش نمایند. پیل یا مولد را با علامت  نشان  می دهند.(|+ نمایانگر پایانه مثبت و -| نمایانگر پایانه منفی مولد است.)

 

 

س: تعریف نیروی محرکه مولد؟

ج: بیشترین اختلاف پتانسیلی که مولد می تواند به وجود آورد نیروی محرکه آن نامیده می شود.

مولد الکتریکی بسازید.

 

جواب: اگر مطابق دستور عمل کنیم مولدی حاصل می شود که نیروی محرکه آن حداکثر یک ولت است.

 

توان الکتریکی

 انرژی الکتریکی را که توسط یک دستگاه در یک ثانیه به مصرف می رسد، توان الکتریکی آن دستگاه می نامند و با نماد P نشان می دهند.

س: توان مصرفی از چه رابطه ای محاسبه می شود؟

 

نکته : اگر دو لامپ 60 واتی و 100 واتی را یک بار بطور متوالی و یک با بطور موازی به ولتاژ یکسان وصل نماییم ، در حالت موازی نور لامپ 100 واتی بیشتر می باشد . ولی در حالت متوالی نور لامپ 60 واتی. زیرا در حالت متوالی چون جریانها یکسان است ، لامپ 60 واتی ، ولتاژ بیشتری را از مولد دریافت می دارد . بنابراین نورش بیشتر است .

 
 
 
P=VI

 

 مقاومت الکتریکی یک رسانا   است. اگر شدت جریان 0.5A   از آن عبور کند، توان مصرفی رسانا چقدر خواهد بود؟

 

 

 

اختلاف پتانسیل 220 ولت در دو سر یک لامپ برقرار است و شدت جریان 0.25A از آن می گذرد. توان لامپ را تعیین کنید.

 

 

 

در دو سر یک رسانا با مقاومت الکتریکی  اختلاف پتانسیل 100V برقرار است، توان مصرفی رسانا را حساب کنید.

        P=V2/R=1002/20=500 W           

 

 

 

الف- با کار کردن مداوم یک باتری، از انرژی آن کاسته می شود یا خیر؟ آیا می توان به طریقی انرژی از دست رفته را تأمین کرد؟

ب- در چه نوع باتری هایی( مولدها) این عمل امکان پذیر است؟

ج- درون باتری( مولد) چه اتفاقی رخ می دهد که بار الکتریکی ظاهر می شود؟

جواب الف-با کار کردن مداوم یک باتری از انرژی آن کاسته می شود. در برخی از باتری ها توسط شارژ کننده می توان انرژی کاسته شده را دوباره به باتری برگرداند.

جواب ب- در باتری های سربی خودروها و نیز باتری های خشک از نوع (نیکل- کادمیم) امکان شارژ مجدد وجود دارد.

جواب ج- هر باتری دارای دو قطب مثبت و منفی است. در اثر تغییرات شیمیایی مواد داخل باتری، مقداری الکترون در قطب منفی و به همان اندازه یون مثبت در قطب مثبت باتری جمع می شوند. هنگامی که باتری در مدار قرار می گیرد، اکترون های قطب منفی از طریق مدار به طرف یونهای مثبت قطب مثبت به حرکت در می آیند.

 

 

برای محاسبه توان، کدام یک از رابطه های P=RI یا P=VI را بکار می بریم؟

آیا می توانید رابطه دیگری برای توان الکتریکی بنویسید؟

جواب: با توجه به داده های مسئله می توان هر دو رابطه را بکار برد. اگر طرف دوم رابطه P=RI را در کسر  ضرب کنیم خواهیم داشت:

 

از برابری R2I2=V2 نتیجه می شود:

 

 

بهای انرژی الکتریکی مصرفی:

بهای انرژی الکتریکی مصرفی را که باید برای مصرف انرژی الکتریکی بپردازیم از حاصلضرب توان مصرفی در مدت زمان استفاده شده از دستگاه بستگی دارد.

W=Pt

اگر توان مصرفی بر حسب وات باشد انرژی مصرفی بر حسب وات ثانیه خواهد بود.
اگر توان مصرفی بر حسب کیلووات باشد انرژی مصرفی بر حسب کیلووات ساعت خواهد بود. (kwh)
که معمولاً از حالت دوم استفاده می‎شود.

(قیمت هر کیلو وات ساعت) * 

30 *

زمان *

 توان

 = بهای انرژی الکتریکی مصرفی ماهیانه

(بر حسب ریال)

 (تعداد روز)

(بر حسب ساعت)

(برحسب وات)

بر حسب ریال

مسئله: یک باتری 12 ولتی جریانی حدود 210 آمپر از آن می‎گذرد. در هر 10 ثانیه چه مقدار انرژی مصرف می شود ؟

W=VIt
W=10*210*12 =25200 Jol

مسئله: یک سماور برقی دارای توان مصرفی 2 کیلووات می‎باشد اگر به ولتاژ 220 ولت وصل شود چه جریانی از آن می‏گذرد.

P=VI
1000*2=220 I ==> I =100/11 A

مسئله : اگر یک لامپ 100 واتی در یک شبانه ‎روز 8 ساعت روشن باشد بهای برق مصرفی ماهیانه چقدر می‎شود (بهای هر کیلو وات ساعت 100 ریال فرض کنید)
توجه وات را به کیلو وات تبدیل می‎کنیم :

( قیمت به ریال)* (30 ) *  p *t = بهای برق مصرفی ماهیانه
ریال 2400 = 100* 30 * (1000/100) * 8  = بهای برق

Eتذکر: در مراکز مسکونی یا صنعتی که مصرف انرژی الکتریکی زیاد است، برای محاسبه هزینه لازم، زمان مصرف را بر حسب ساعت( h) و توان مصرفی را بر حسب کیلو وات( kw ) در نظر می گیرند. در این صورت با توجه به رابطه W=Pt ، انرژی مصرفی بر حسب کیلو وات ساعت ( kwh ) بوده و شمارنده ها( کنتورها) انرژی الکتریکی را بر حسب کیلووات ساعت مشخص می کنند که برابر است با:

 

 

یک کتری الکتریکی با توان 2kw که با ولتاژ 220v کار می کند، اگر از آب سرد پر شود 12 دقیقه طول می کشد تا به جوش آید.

الف) مقاومت الکتریکی قسمت گرماده آن چند اهم است؟

ب) اگر کتری به طور متوسط روزی سه بار برای جوش آوردن آب سرد بکار رود، قیمت مصرف متوسط برق ماهیانه آن از قرار هر کیلووات ساعت 40 ریال چقدر خواهد شد؟

جواب الف)

 

ب)

مصرف انرژی برای یک بار جوشیدن آب برابر است با:

 

و برای سه بار جوشیدن:

 

و برای یک ماه برابر خواهد شد با:

 

با در نظر گرفتن مبلغ 40 ریال برای هر کیلووات ساعت نتیجه می شود:

 

 

س: برای صرفه جویی در مصرف انرژی الکتریکی چه باید کرد؟

ج: به طور کلی باید در مصرف کلیه وسایلی که با انرژی الکتریکی کار می کنند، مثل تلویزیون، لامپ روشنایی، اتو، یخچال، لباسشویی و غیره استفاده بهینه کرد. یعنی ازمصرف غیر ضروری آنها خودداری نمود. به خصوص هنگام اوایل شب که مصرف برق زیاد است، نباید از وسایل پر مصرفی چون اتو و لباسشویی و کولر استفاده کرد. و همچنین می توان برای روشنایی، لامپ های مخصوص کم مصرف گازی یا مهتابی را به کار برد.

    

خلاصه فصل سوم

1- ماهیت الکتریسیته به دلیل وجود بارهای الکتریکی در اتمهای ماده است. در اتم دو ذره با بار الکتریکی وجود دارد. پروتون با بار مثبت که در داخل هسته قرار دارد و الکترون که بار منفی دارد و به دور هسته می چرخد.

مقدار بار الکتریکی پروتون و الکترون با هم برابر اما از نظر علامت مخالف هم هستند. به این علت هسته یک اتم در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی می باشد مقدار بار یک پروتون یا یک الکترون برابر است با:                                                  

2- هر مقدار بار الکتریکی مثل( q ) را می توان مضرب صحیحی از بار یک الکترون( یا یک پروتون) در نظر گرفت. یعنی:

 

n عدد صحیح و مثبت است.

3-الکتریسیته بر دو نوع است: الکتریسیته ساکن و الکتریسیته جاری.

هرگاه الکتریسیته تولید شده در محل تولید باقی بماند آنرا الکتریسیته ساکن می نامند و اگر بارهای تولیدشده شارش نمایند، الکتریسیته جاری می گویند.

4-بنا به قانون پایستگی بار الکتریکی، بار الکتریکی از هیچ به وجود نمی آید و از بین هم نمی رود، فقط از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شود.

5- یکای بار الکتریکی کولن است و آنرا با نماد C نشان می دهند.

6- بارهای الکتریکی خنثی نشده یک جسم را بار الکتریکی خالص می نامند. بطوریکه اگر اتمی الکترون اضافی دریافت کند، بار خالص منفی بدست می آورد و اگر الکترون از دست بدهد بار خالص مثبت پیدا می کند.

7- بنا به قانون الکتریسیته ساکن، بارهای همنوع یکدیگر را می رانند و بارهای غیر همنوع یکدیگر را می ربایند.

8- به دو روش مالش و القا می توان الکتریسیته ساکن به وجود آورد.

9- در روش مالش با مالیدن دو جسم نارسا بر هم بارهای الکتریکی از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شوند و در آنها بارهایی مساوی اما با علامت مخالف ایجاد می شود. مثلاً در اثر مالش میله لاکی به پارچه پشمی، الکترون از پارچه به روی میله منتقل می شوند و در این عمل میله بار خالص منفی و پارچه بار خالص مثبت پیدا می کنند.

10- در روش القا با نزدیک کردن یک جسم باردار به یک جسم رسانای بدون بار درآن بار الکتریکی ایجاد می شود. مثلاًاگر یک میله لاکی باردار( با بار منفی) را به یک کره فلزی که بر روی پایه عایقی قرار دارد نزدیک کنیم، بارهای منفی کره از میله رانده می شوند. اگر کره را به زمین اتصال دهیم تا بارهای منفی به زمین بروند و سپس میله را دور کنیم، در کره بار خالص مثبت باقی می ماند.

11- اجسامی که به راحتی الکتریسیته را از خود عبور می دهند رسانای الکتریکی و اجسامی که الکتریسیته را از خود عبور نمی دهند، نارسانای الکتریکی می نامند.

12- در رساناهای فلزی، الکترونها می توانند به راحتی از اتمهای خود جدا شده و با حرکت در درون جسم موجی رسانش شوند. این الکترون ها را الکترون های آزاد می نامند.

13- الکتروسکوپ یا برقنما وسیله ای است که بر اساس القا بار الکتریکی عمل میکند و کاربرد آن عبارتند از:

الف- پی بردن به وجود بارهای الکتریکی کم و ضعیف در یک جسم.

ب-  تعیین نوع بار الکتریکی در یک جسم.

پ- تعیین رسانایی یا نارسانایی الکتریکی یک جسم.

الکتروسکوپ تشکیل شده است از یک میله فلزی که در یک طرف آن کلاهکی فلزی و در طرف دیگر ورق نازک طلا( یا یک فلز دیگر) نصب شده و مجموعه در داخل  یک جعبه شیشه ای قرار دارد.

14- اختلاف پتانسیل الکتریکی عامل جریان یا شارش بارهای الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر است.اختلاف پتانسیل را نماد V نشان می دهند و یکای آن ولت است.

15- وسایلی مثل باتری، دینامو، ژنراتور می توانند با ایجاد اختلاف پتانسیل بین دو نقطه موجب جریان الکتریکی بین آن دو نقطه شوند. در باتری های خشک معمولی انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

16- مدار الکتریکی، مسیر بسته ای است که جریان الکتریکی را برقرار می کند.

یک مدار الکتریکی ساده، تشکیل شده است از یک مولد اختلاف پتاسیل ( مثل یک باتری) یک مصرف کننده الکتریسیته( مثل یک لامپ) که با سیم های نازکی به هم وصل شده اند.

17- بیشترین اختلاف پتانسیلی که یک مولد یا باتری می تواند به وجود آورد، نیروی محرکه آن نامیده می شود.

18- وسیله اندازه گیری اختلاف پتانسیل در مدار ولت سنج است و این وسیله با قسمتی از مدار که می خواهیم اختلاف پتانسیل دو سر آن را اندازه بگیریم، به صورت موازی قرار می گیرد.

19- جهت قراردادی جریان الکتریکی در یک مدار از قطب مثبت به  طرف قطب منفی باتری در نظر گرفته می شود.

20 آهنگ شارش بار الکتریکی( یعنی بار شارش شده در یک ثانیه) را شدت جریان الکتریکی می نامند. شدت جریان را با نماد I نشان می دهند و یکای آن آمپر (A ) است.

21- مقدار شدت جریان در یک مدار از نسبت بار الکتریکی شارش شده به زمان شارش به دست می آید:                                        

22- از رابطه بالا نتیجه می شود بار الکتریکی شارش شده توسط شدت جریان I در زمان t برابر است با:                                                 

23- از رابطه q=It نتیجه می شود یک کولن برابر یک «آمپر-  ثانیه» است. به عبارت دیگر یک کولن مقدار بار الکتریکی است که توسط جریانی به شدت یک آمپر در مدت یک ثانیه در مدار شارش می شود.

24- مقاومت اجسام و مواد مختلف در مقابل عبور جریان الکتریکی از خود را مقاومت الکتریکی می گویند. مقاومت الکتریکی را با نماد Rنشان میدهند و یکای آن اهم   است.

25- بنا به قانون اهم نسبت اختلاف پتانسیل دو سر یک رسانا (V ) به شدت جریانی که از آن می گذرد(I ) ، مقدار ثابتی است. این مقدار ثابت برابر مقاومت الکتریکی رسانا است . یعنی:

 

26- انرژی الکتریکی نسبت به سایر انرژی ها سالم تر بوده و انتقال و تبدیل آن آسان تر است.

27- انرژی الکتریکی تبدیل شده( یا مصرف شده) در یک وسیله الکتریکی با عامل های زیر متناسب است:

الف- مقاومت الکتریکی رسانا(R).

ب- زمان عبور جریان الکتریکی( t).

پ- مجذور شدت جریان الکتریکی2(I) .

28- با توجه به عامل های بند قبل مصرف انرژی الکتریکی( W) در یک وسیله الکتریکی از رابطه زیر محاسبه می شود:

    W=RI2t

29- انرژی الکتریکی را که توسط یک دستگاه در یک ثانیه به مصرف می رسد توان الکتریکی آن دستگاه می نامند و بانماد P نشان می دهند و یکای آن وات است. توان مصرفی از رابطه زیر محاسبه می شود:                                                        P=RI2

با توجه به رابطه اهم یعنی V=RI برای توان مصرفی رابطه های زیر را نیز می توان به دست آورد:

P=VI          و           P= V2/R

30- با توجه به تعریف توان مصرفی، انرژی الکتریکی مصرف شده(W) در یک وسیله الکتریکی در زمان(t ) از رابطه زیر بدست می آید:

W=Pt

31-برای محاسبه انرژی الکتریکی مصرف شده در مراکز مسکونی یا صنعتی و تجاری، مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده در یک ساعت بر حسب کیلووات ساعت را به عنوان یکا یا مبنای محاسبه در نظر می گیرند و آن را با نماد kwh نشان می دهند.

پاسخ های تمرین های فصل سوم

1- میله نارسانایی با بار  منفی و کره ای رسانا و بدون بار روی پایه ای نا رسانا در اختیار دارید . با رسم شکل نشان دهید چگونه می توان کره را :

الف ) دارای بار مثبت کرد ؟

 

جواب :

 

 

 

 

ب) دارای بار منفی کرد؟

جواب : برای این منظور لازم است میله را با کره تماس دهیم که در آن صورت تعدادی از بارهای میله وارد کره می شوند.


2- دو جسم بدون بار را چگونه می توان بار دار کرد؟ آیا در این روش لازم است به جنس اجسام توجه کرد ؟

جواب : به روش مالش . یعنی با مالش پارچه پشمی به میله پلاستیکی یا پارچه ابریشمی به میله شیشه ای.

بله ، چون نوع بارها به جنس پارچه ها بستگی دارد .


3- آزمایش زیر را انجام دهید:

1-1- شیر آب سرد را کمی باز کنید تا باریکه ای از آب تشکیل شود.

1-2- با یک شانه پلاستیکی چند بار سر خود را شانه بزنید.

1-3- شانه را به باریکه آب نزدیک کنید. آیا مسیر آب منحرف می شود؟ علت را بنویسید.

جواب: مولکول های آب از نظرتوزیع بار الکتریکی متقارن یعنی یکنواخت نیستند و به صورت دو قطبی می باشند به طوری که یک طرف آنها بیشتر خاصیت مثبت و طرف دیگر آنها بیشتر خاصیت منفی دارد. هنگامی که شانه باردار( با بار منفی) را به باریکه آب نزدیک می کنیم به علت نیروی ربایشی که بین بارهای منفی شانه و جهت مثبت مولکولهای دو قطبی آب ظاهر می شود، باریکه آب از مسیر مستقیم خود خارج شده و به سمت شانه کشیده می شود.


4- آزمایش زیر را انجام دهید:

3-1- یک حباب صابون درست کنید و روی پتوی پشمی قرار دهید.

3-2- با شانه پلاستیکی چند بار سر خود را شانه کنید.

3-3- شانه را به حباب صابون نزدیک کنید. مشاهده می کنید که شانه، حباب صابون را به طرف خود می کشد. دلیل خود را بنویسید.

جواب: حباب صابون مخلوطی از آب و صابون است. به همان دلیلی که در پاسخ سؤال قبل گفته شد، در اثر نیروی ربایشی بین طرف مثبت مولکولهای آب در حبای و بارهای منفی شانه، حباب به طرف شانه کشیده می شود.


5- در کدامیک از وسیله های منزل لازم است بار الکتریکی ایجاد شده را کاهش دهیم ( و یا کنترل کنیم ) ؟

جواب :

  1. شانه سر ( زیرا اگر با ر آن تخلیه نشود یا از جنس مناسب انتخاب نشود ، موها بطور مناسب حالت نمی گیرند .)

  2. شمعک اجاق گاز ( زیرا چنانچه اختلاف پتاسیل مورد نظر کنترل نشود ، سبب آتش سوزی یا برق گرفته گی می شود .

  3. برق گیر منزل ( جهت انتقال رعد و برق به زمین )

  4. ماشین لباس شویی ( باید سیم انتقال بار به زمین داشته باشد .) و

  5. ........


6- با توجه به شکل ( 3-17) کتاب درسی ،چند مورد از مشاهده های خود که با الکتریسیته ء ساکن ارتباط دارد را بنویسید .

جواب : بدن بیمار به زمین وصل می شود - کفش های نا رسانا -  چرخ های ارابه رسانا هستند.


7- بحث کنید :

اگر دو سر باطری مشابه را بطور مخالف به هم ببندیم ( پایانه های مثبت به هم و یا پایانه های منفی به هم وصل باشد ) و دو سر مجموعه را به یک لامپ ببندیم چه اتفاقی می افتد ؟

جواب :  لامپ روشن نمی شود . زیرا با اینکار اختلاف پتانسیل لازم برای جاری شدن الکترونها  را ازبین برده ایم .

8- مقاومت لامپی 200 اهم است و جریان   0/2A از آن می گذرد.

الف- بار الکتریکی که در مدت 5/2 دقیقه از لامپ می گذرد چند کولن است؟

ب- اختلاف پتانسیل دو سر لامپ چند ولت است؟

    الف)

                                             

ب( 

 


9- روی لامپی دو عدد 50 وات و 110 ولت نوشته شده است. اختلاف پتانسیل 110 ولت را به لامپ وصل می کنیم.

الف- مقاومت لامپ را حساب کنید.

ب- چه جریانی از آن عبور می کند؟

پ- در مدت یک دقیقه چند ژول انرژی الکتریکی توسط لامپ مصرف می شود؟

 الف)

     

 

 

 (ب                              

               

 

 

                              

 


10- تحقیق کنید:

الف- مصرف ماهانه رادیو- تلویزیون و یکی از لامپ های اتاق را حساب کنید.( فرض کنید که هر کدام روزانه 8 ساعت با اختلاف پتانسیل 220 ولت روشن باشند).

ب- بهای برق مصرفی هر یک از وسیله های بالا از قرار هر کیلووات ساعت 100 ریال چقدر می شود؟

پ- اگر در شهر شما هر یک از خانه ها در هر شب یک لامپ 100 وات اضافی را به مدت 3 ساعت روشن کنند، در یک ماه چند کیلووات ساعت انرژی اضافی مصرف می شود؟ بهای آن چند ریال می شود؟ اگر این مبلغ صرفه جویی شود براب مردم شهر چه کارهای مفیدی می توان انجام داد؟

جواب الف- فرض کنیم توان مصرفی وسایل مورد نظربه ترتیب زیر باشند:

P1=5W رادیو

P2=80W تلویزیون

P3=100W لامپ

زمان مصرف ماهانه هر کدام از وسایل فوق برابر است با:

 

در این صورت خواهیم داشت:

 

ب)                                                               بهای مصرفی رادیو

بهای مصرفی تلویزیون

بهای مصرفی لامپ

پ) فرض کنیم تعداد خانه های یک شهر با بزرگی متوسط    باب باشد. بنابراین تعداد لامپ هایی که اضافه روشن می شوند به همان تعداد خواهد بود. زمان مصرف اضافی ماهانه هر لامپ برابر می شود با:

 

مصزف اضافی انرژی ماهانه یک لامپ برابر است با:

 

در این صورت مصرف اضافی انرژی ماهانه تمام لامپ ها برابر خواهد بود با:

 

در نتیجه :

ریال بهای مصرف اضافی تمام لامپ ها

این مبلغ معادل 5/4 میلیون تومان است و با آن می توان تقریباً 4 کیلومتر خیابان را آسفالت کرد.

11- تفسیر کنید :

11-1- نمودار شکل زیرمربوط به لامپی است که در یک مدار قرار دارد.

الف- چه رابطه ای بین شرت جریان و اختلاف پتانسیل می توانید پیدا کنید؟

ب- به کمک نمودار، مقاومت لامپ را پیدا کنید.

پ- هرگاه جریان عبوری از لامپ 5/2 آمپر باشد، اختلاف پتانسیل دو سر لامپ چند ولت می شود؟

 

جواب الف: در نمودار فوق به ازای یک مقدار اختلاف پتانسیل معین یک شدت جریان متناظر با آن وجود دارد. مثلاً برای اختلاف پتانسیل 50 ولت شدت جریان متناظر با آن 5 آمپر است. نسبت این دو برابر می شود با:

 

اگر از مقادیر دیگر اختلاف پتانسیل و شدت جریان های متناظر با آنها نیز استفاده کنیم، همین مقدار ثابت یعنی 10 به دست خواهد آمد. بنابراین رابطه بین اختلاف پتانسیل و شدت جریان به صورت زیر خواهد بود:

 

ب) با توجه به قانون اهم نسبت اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از مدار به شدت جریان مقدار ثابتی است و این مقدار مقاومت الکتریکی آن قسمت از مدار است. بنابراین مقاومت الکتریکی لامپ برابر  است.

پ)                                                                        


11-2- در رابطه های 

الف- نمادهای V وR و P و I هر کدام نماینده چه کمیتی هستند و یکای آنها چیست؟

ب- کاربرد هر یک از رابطه ها را شرح دهید.

جواب الف- نماد V نماینده اختلاف پتانسیل و یکای آن ولت است. R نماینده مقاومت الکتریکی و یکای آن اهم است. P نماینده توان مصرفی و یکای آن وات است. I نماینده شدت جریان و یکای آن آمپر  است.

ب- این رابطه ها برای محاسبه توان مصرفی وسایل الکتریکی کختلف بکار می روند. به طوری که اگر ولتاژ مصرفی یک وسیله و مقاومت الکتریکی آن معلوم باشد رابطه     و اگر ولتاژ مصرفی با شدت جریان در دست باشد رابطه P=VI و اگر مقاومت الکتریکی و شدت جریان معلوم باشند رابطه P=RI مورد استفاده قرار می گیرد.


11-3- در مدار شکل مقابل (شکل کتاب ) به تدریج دمای مقاومت( R ) را بالا می بریم. در این صورت:

الف- مقاومت، افزایش می یابد، کاهش می یابد و یا تغییر نمی کند؟

ب- شدت جریان در مدار، افزایش می یابد، کاهش می یابد و یا تغییر نمی کند؟ پاسخ خود را در هر مورد با دلیل بنویسید.

جواب الف: با افزایش دما مقاومت الکتریکی R افزایش می یابد زیرا در دمای بیشتر انرژی درونی و در نتیجه انرژی جنبشی بارهای شارش شد بیشتر شده و به تعداد دفعات بیشتری با هم برخورد می کنند. در نتیجه عبور بارها مشکل تر می شود و مقاومت الکتریکی افزایش می یابد.

جواب ب: با توجه به توضیح بند( الف) با افزایش دما و مقاومت R ، شدت جریان کاهش پیدا می کند. زیرا شدت جریان با مقاومت الکتریکی نسبت وارون دارد.

Eتذکر: در بعضی از رساناها مثل کربن با افزایش دما، مقاومت کاهش می یابد و در بعضی نیز مثل آلیاژهای کنیتانتان و مانگانین افزایش دما تأثیر چندانی بر مقاومت الکتریکی جسم ندارد.


12- روی یک آسیاب برقی دو عدد 700W و 220V نوشته شده است. این آسیاب برقی را به اختلاف پتانسیل 220V وصل می کنیم حساب کنید:

12-1- شدت جریانی که از آن می گذرد.

12-2- انرژی الکتریک

فیزیک 1 فصل 3

 

       

 

 الکتریسیته

 الکتریسیته از کلمه یونانی الکترون به معنی کهربا گرفته شده است.چرا که هرگاه کهربا را با پارچه پشمی مالش دهیم، اجسام سبکی مانند کاه را به خود جذب می کند.

 ماهیت الکتریسیته

 ماهیت الکتریسیته به دلیل وجود بارهای الکتریکی در اتمهای ماده است. در نظریه امروزی اتمی، اتم تشکیل یافته است از یک هسته مرکزی که دارای دو نوع ذره پروتون با بار مثبت و نوترون بدون بار است و ذرات بسیار ریزی بنام الکترون با بار منفی که به دور هسته می چرخند.

 

 

 

 

انواع الکتریسیته

الکتریسیته  دو نوع است : الکتریسیته ساکن و الکتریسیته جاری.

س: الکتریسیته ساکن چگونه است؟

ج: هر گاه الکتریسیته تولید شده در محل تولید باقی بماند آنرا الکتریسیته ساکن می نامند.

س: الکتریسیته جاری چگونه است؟

ج: از حرکت الکترونها، الکتریسیته جاری به وجود می آید.

س: بار الکتریکی چیست؟

ج: چرخش الکترون به دور هسته در اثر وجود نیروی الکتریکی بین آنهاست و نیز بعضی از اجسام تحت شرایط خاصی بر هم نیروی جاذبه یا دافعه الکتریکی وارد می کنند. عامل این نیروها به سبب خاصیتی است که بطور ذاتی در الکترونها وجود دارد. لذا آن کمیت فیزیکی که این خاصیت را توصیف و بزرگی نیروی حاصل از آنها را تعیین می کند، بار الکتریکی نامیده می شود.

 

 

 

Eتذکر: ماهیت بار الکتریکی تا کنون شناخته نشده است.

    وسیله های آزمایش : دو تیغه ی شیشه ای - دو تیغه ی پلاستیکی - پارچه پشمی و ابریشمی - نخ - پایه دو عدد برای آویزان کردن تیغه ها .
    ١- تیغه ی شیشه ای را با پارچه ی ابریشمی مالش دهید و به خرده های کاغذ نزدیک کنید  . چه اتفاقی رخ می دهد ؟
    ٢- همین آزمایش را با تیغه ی پلاستیکی انجام دهید و مشاهده های خود را بیان کنید .

 
 
 

    ٣- تیغه ی شیشه ای را با پارچه ی ابریشمی مالش دهید و آن را از گرانیگاه به وسیله ی نخ خشک آویزان کنید .
سپس تیغه ی شیشه ای دیگری را با پارچه ی ابریشمی مالش داده و به تیغه ی شیشه ای آویخته شده نزدیک کنید ، چه اتفاقی رخ می دهد ؟  

 

 

    ۴- همین آزمایش را با دو تیغه ی پلاستیکی که با پارچه ی پشمی مالش داده اید تکرار کنید و مشاهده های خود را بیان کنید. 

 
 
 

    ۵- آزمایش را با یک تیغه ی شیشه ای و یک تیغه ی پلاستیکی انجام دهید .
نتیجه های تجربه ها ی انجام شده را بنویسید و ربایشی یا رانشی بودن نیرو ها را مشخص کنید .

 

جواب :

1: تیغه شیشه ای خرده های کاغذ را می رباید و اندکی بعد آنها را رها می سازد.

2- تیغه پلاستیکی نیز ابتدا خرده های کاغذ را می رباید و بعد از مدتی آنها را رها می سازد.

3- بعلت هم نوع بودن بار تیغه های شیشه ای( هر دو مثبت) تیغه آویخته توسط تیغه دیگر رانده می شود.

4- مثل حالت قبل تیغه های پلاستیکی که هر دو بار منفی دارند یکدیگر را می رانند.

5- در این حالت به دلیل غیر هم نوع بودن بارهای تیغه ها، یکدیگر را می ربایند.

 

 

 قانون پایستگی بار الکتریکی

 بار الکتریکی از هیچ به وجود نمی آید و از بین هم نمی رود، فقط از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شود. این بیان را پایستگی بار الکتریکی می نامند.

س: چند نوع بار الکتریکی وجود دارد؟

ج: دو نوع: بار منفی( بار الکترون با علامت e- ) و بار مثبت ( بار پروتون با علامت e+ ).

س: بارهای الکتریکی الکترون و پروتون چه فرقی با هم دارند؟

ج: از نظر مقدار یکی هستند اما علامتهای مخالف هم دارند. توجه کنید که در نظر گرفتن علامتهای منفی و مثبت برای بارهای الکتریکی الکترون و پروتون یک اتمی قراردادی است و برای طبیعت این علامتها مفهومی ندارند.

               

 

 

 

 

س: کمترین مقدار بار الکتریکی در طبیعت چقدر است؟

ج: اندازه بار الکتریکی یک الکترون( یا یک پروتون) به عنوان یکای طبیعی بار الکتریکی یعنی کوچکترین بار الکتریکی موجود در ماده در نظر گرفته می شود و مقدار آن برابر است با:

 

به این ترتیب هر بار الکتریکی( مثل q) مضرب صحیحی از این بار پایه خواهد بود یعنی:

 

n یک عدد صحیح و مثبت است.

س: از رابطه q=n e چه نتیجه اساسی در فیزیک حاصل می شود؟

ج: این رابطه نشان می دهد بار الکتریکی نیز مانند ماده ساختمان دانه ای دارد. یعنی همانطور که ماده از ذرات ریزی بنام اتم درست شده است، بار الکتریکی نیز از ذراتی بنام الکترون(یا پروتون) تشکیل یافته است.

 یکای بار الکتریکی در سیستم SI

 یکای بار الکتریکی در SI کولن است که با حرف C نشان می دهند.

س: بار الکتریکی خالص یعنی چه؟

ج: یک اتم در حالت عادی از نظر الکتریکی خنثی است. یعنی تعداد بارهای مثبت و منفی آن با هم برابرند. اگر این تعادل را با گرفتن یا دادن الکترون به اتمهای یک جسم برهم بزنیم، دیگر جسم از نظر بار الکتریکی خنثی نخواهد بود. در این  حالت می گوییم جسم دارای بار الکتریکی خالص است. به عبارت دیگر بارهای الکتریکی خنثی نشده یک جسم را بار الکتریکی خالص می نامند.

Eتذکر: توجه کنید وقتی که یک اتم الکترون اضافی دریافت می کند دارای بار الکتریکی خالص منفی می شود و اگر الکترون از دست بدهد به دلیل وجود پروتونهای اضافی خنثی نشده،بار الکتریکی خالص آن مثبت خواهد بود.

س: نیروی الکتریکی چگونه است؟

ج: نیرویی را که اجسام دارای بار الکتریکی به یکدیگر وارد میکنند، نیروی الکتریکی می نامند.

س: قانون بنیادی الکتریسیته ساکن چگونه است؟

ج: بارهای الکتریکی همنوع یکدیگر را می رانند و بارهای الکتریکی نا همنوع یکدیگر را می ربایند. به عبارت دیگر دو بار مثبت و منفی یکدیگر را می ربایند و دو بار مثبت یا دو بار منفی یکدیگر را می رانند.

                   

س: روشهای تولید الکتریسیته ساکن کدامند؟

 

ج: به دو روش می توان الکتریسیته ساکن تولید کرد: روش مالش و روش القاء.

 

س: تولید الکتریسیته ساکن یا باردار کردن به طریقه مالش چگونه است؟

ج: این روش مناسب اجسام نا رسانا است. هنگامی که دو جسم نارسانا بر روی هم مالیده می شوند، به علت اصطکاک و گرمای تولید شده، الکترونهای آن جسمی که سست ترند از اتمهای خود کنده شده و بر روی جسم دیگر منتقل می شوند. در این حالت در جسمی که الکترون از دست داده بار مثبت(+) و در جسمی که الکترون گرفته است، بنا به قانون پایستگی بار الکتریکی، به همان مقدار بار منفی(-) به وجود می آید. مثلاً در صورتی که یک میله پلاستیکی( یا ابونیتی) را به پارچه پشمی مالش  دهیم، الکترونها از پارچه به میله پلاستیکی منتقل شده و میله بار منفی و پارچه بار مثبت خالص پیدا می کند. یا اگر به جای میله پلاستیکی از میله شیشه ای استفاده کنیم، برعکس حالت قبل شیشه بار مثبت و پارچه بار منفی پیدا می کند.

 

 

 

 

 

  پاسخ به سوال شما

چرا وقتی که میله شیشه ای را به پارچه ابریشمی مالش میدهیم شیشه دارای بار مثبت ولی وقتی میله پلاستیکی را به پارچه پشمی مالش میدهیم میله پلاستیکی دارای بار منفی میشود؟

جواب: 

میدانیم که: جسمی که انرژی یونیزاسیون آن کمتر است ، الکترون  از دست می دهد و بار الکتریکی آن مثبت می شود.

لذا ،میله شیشه ای در اثر مالش با پارچه ابریشمی بار مثبت می گیرد ، زیرا انرژی یونیزاسیون میله شیشه ای کمتراز پارچه ابریشمی است.

میله پلاستیکی نیز در اثر مالش با پارچه پشمی بار منفی میگیرد ؛ چون انرژی یونیزاسیون آن از پارچه پشمی بیشتر است.

 

در شکل مقابل بجای میله ابونیتی از ورقه PVC که همان خاصیت را دارد استفاده شده است .

 

 

نتیجه های 5 آزمایش شماره 1  را تفسیر کنید و چگونگی باردار شدن تیغه ها و رانده شدن تیغه های همنوع را از یکدیگر و ربایش تیغه های غیر همنوع را توضیح دهید.

پاسخ: هنگام مالش تیغه ها به پارچه، الکترونها از تیغه شیشه ای به پارچه و از پارچه به تیغه پلاستیکی منتقل می شوند. در نتیجه تیغه شیشه ای بار مثبت و تیغه پلاستیکی بار منفی پیدا می کنند. به این ترتیب وقتی دو تیغه شیشه ای  یا دو تیغه پلاستیکی را به هم نزدیک می کنیم یکدیگر را می رانند، اما تیغه های غیر همنوع یعنی شیشه ای و پلاستیکی یکدیگر را می ربایند.

 وسیله های آزمایش : بادکنک - شانه ی پلاستیکی - نخ - پارچه ی پشمی .
    ١- چگونه می توانید بادکنکی را بدون استفاده از هر نوع چسبی به دیوار بچسبانید ؟ 
برای آنکه بادکنک زمان بیشتری به دیوار بچسبد چه می کنید ؟ 
    ٢- یک شانه ی پلاستیکی را با یک پارچه ی پشمی مالش دهید و نزدیک شیر آبی که آب با فشار کم از آن خارج می شود نگه دارید .چه مشاهده می کنید ؟
مشاهدهای فوق را بنویسید و به کلاس گزارش کنید .


 
                              

 

جواب:

1: بادکنک را که از جنس پلاستیک است به پارچه پشمی مالش می دهیم تا باردار شود و سپس آنرا به دیوار می چسبانیم در اثر القای الکتریکی بادکنک به دیوار می چسبد. برای اینکه بادکنک مدت بیشتری بر روی دیوار بماند باید آنرا به دفعات بیشتری به پارچه پشمی مالش دهیم.

2- در اثر مالش شانه با پارچه پشمی در آن بار الکتریکی منفی ایجاد می شود. در این حالت اگر شانه را به باریکه آب نزدیک کنیم در اثر القای الکتریکی آنرا بطرف خود می کشد.

 

 

الف- موهای تمیز و خشک خود را با یک شانه پلاستیکی خشک شانه کنید چرا موهای شما مرتب نمی شوند و به دنبال شانه بلند می شوند؟

ب- با یک پارچه خشک، صفحه تلویزیون را تمیز کنید. چرا پرزهای پارچه به صفحه تلویزیون می چسبند؟

پ- در تاریکی لباس خود را از تن بیرون آورید، چرا جرقه زده می شود؟

 
   

 

پاسخ الف: در اثر تماس شانه با مو، شانه بار منفی و مو بار مثبت پیدا می کنند.  به این علت موها به طرف شانه کشیده شده و از حالت مرتب خارج می شوند.

پاسخ ب:  صفحه تلویزیون از جنس شیشه است. هنگام تمیز کردن، الکترونها از پارچه به صفحه تلویزیون منتقل می شوند. در نتیجه به علت غیر همنوع بودن بار این دو، پرزهای پارچه به صفحه تلویزیون می چسبند.

پاسخ پ: هنگام درآوردن لباس در اثر مالش لباس های رویی با لباسهای زیری، الکترونها رد و بدل شده و موجب زدن جرقه می شوند.

 

س: اجسام رسانا و نارسانای الکتریکی چگونه اند؟

ج: پاره ای از مواد مثل فلزات به راحتی الکتریسیته را از خود عبور می دهند. در این مواد الکترونها با دریافت اندکی انرژی از اتمهای خود کنده شده و به حرکت در می آیند. این مواد را رسانای الکتریکی می نامند. اما پاره ای مواد دیگر مثل چوب و پلاستیک الکتریسیته را به راحتی از خود عبور نمی دهند. الکترونهای این مواد برای کنده شده از اتمهایشان به انرژی زیادی نیاز دارند و به این علت به حرکت در آوردن آنها خیلی مشکل است. اینگونه مواد را نارسانای الکتریکی می گویند.


    وسیله های آزمایش : میله ی مسی - پارچه - الکترو سکوپ .
    یک میله ی مسی کوچک را گرفته و تلاش کنید که با مالش دادن آن توسط یک پارچه ، در آن بار الکتریکی ایجاد کنید . آیا بار الکتریکی در آن ایجاد می شود ؟ چرا ؟ برای اطمینان ، میله ی مسی را پس از مالش ، به کلاهک الکتروسکوپ بدون باری تماس دهید و مشاهده ی خود را بنویسید .

جواب: در اثر مالش میله مسی با پارچه در آن بار الکتریکی ایجاد می شود. اما به دلیل رسانا بودن میله و نیز دست ما، بارهای آن از طریق دست و بدن ما به زمین منتقل می شوند. در این حالت اگر میله را به کلاهک الکتروسکوپ بدون باری تماس دهیم ورقه های آن حرکت نمی کنند.

 الکترون آزاد

 در اجسام فلزی الکترونها به راحتی از اتمهای خود جدا می شوند و در درون جسم به حرکت در می آیند و موجب رسانایی الکتریکی می شوند. این الکترونها را الکترنهای آزاد می نامند.

 

 

1- چرا آزمایش های الکتریسیته ساکن در روزهای سرد و خشک، نتیجه بهتری می دهد؟

2- چرا در بعضی مواد مانند پلاستیک و نایلون بهتر از سایر مواد می توان بار الکتریکی ایجاد کرد؟

جواب 1: آب اندکی خاصیت رسانایی دارد و به این علت هوای مرطوب نیز کمی خاصیت رسانایی پیدا می کند. در هوای گرم، رطوبت هوا زیاد می شود. در این حالت الکتریسیته ای که در اثر مالش در یک جسم ایجاد شده است، از طریق هوای مرطوب به اجسام دیگر منتقل می شود و مانع از انجام مطلوب آزمایش ها می گردد. در هوای سرد از رطوبت هوا کاسته می شود و رسانایی هوا ناچیز می گردد. در این حال آزمایش های مربوط به الکتریسیته ساکم را بهتر می توان انجام داد.

جواب 2: موادی مثل پلاستیک و نایلون نارسانای الکتریکی هستند. بنابراین هنگامی که در اثر مالش در آنها بار الکتریکی ایجاد می شود، این بار را در خود نگه داشته و به اجسام دیگر منتقل نمیکنند.

 

 

 

جمله های زیر را کامل کنید:

1- وقتی دو جسم به یکدیگر ............ داده می شود. بین آنها الکترون مبادله می شود.

2- با جا به جا شدن الکترونهای آزاد، بار الکتریکی درون ............... شارش می کند.

3- در یک جسم.............بار الکتریکی در محل ایجاد شده باقی می ماند.

4- نیرویی که بارهای الکتریکی همنوع بر یکدیگر وارد می کنند .............. و نیرویی که بارهای الکتریکی غیر همنوع بر یکدیگر وارد می کنند..............است.

پاسخ 1: وقتی دو جسم به یکدیگر مالش داده می شود. بین آنها الکترون مبادله می شود.

پاسخ 2:  با جا به جا شدن الکترونهای آزاد، بار الکتریکی درون جسم از یک نقطه به نقطه دیگر آن شارش می کند.

پاسخ 3:  در یک جسم نارسانا بار الکتریکی در محل ایجاد شده باقی می ماند.

پاسخ 4: نیرویی که بارهای الکتریکی همنوع بر یکدیگر وارد می کنند رانشی و بارهای الکتریکی غیر همنوع  یکدیگر را می ربایند

١- می دانیم که تعداد الکترون های آزاد موجود در رسانا ها بسیار زیاد است .
به عنوان مثال در یک سانتیمتر مکعب مس درحدود ٢٢ ١٠ الکترون آزاد وجود دارد . 
آیا بزرگی این عدد را می توانید تصور کنید ؟ برای آنکه به بزرگی این عدد پی ببرید ، فرض کنید بخواهید این تعداد الکترون را بشمارید . شما در هر ثانیه قادر به شمارش چه تعداد الکترون هستید ؟ ٢، ١٠، ١٠٠، ١٠٠٠٠،… فرض کنید که در هر ثانیه بتوانید یک تریلیون یعنی١٢ ١٠ الکترون را بشمارید . چه مدت طول می کشد تا تمام الکترون های آزاد موجود در یک سانتیمتر مکعب مس را بشمارید ؟ برای محاسبه یک سال را تقریبا" برابر ٧ ١٠ *  ٣ ثانیه در نظر بگیرید .
٢- برای آنکه در جسم بدون باری ، بار الکتریکی  ( C ۶- ١٠ * ۴/۶ + ) ایجاد شود ، چه تعداد الکترون باید از آن گرفته شود ؟ 
٣- به تعداد پروتون های موجود در هسته ی اتم ، عدد اتمی گفته می شود و آن را با z نشان می دهند . عدد اتمی مس برابر ٢٩ است . بار الکتریکی هسته اتم مس چه اندازه است ؟  اتم مس چه اندازه بار الکتریکی منفی دارد ؟ بار الکتریکی اتم مس چه اندازه است ؟

جواب الف:                                                                 

 

سال

ب: بار یک الکترون  است. نتیجه می شود:

الکترون 

پ: بار یک پروتون برابر است با:   .نتیجه می شود:

بار هسته   

در اتم مس تعداد الکترونها با تعداد پروتونها برابر است. الکترونها نیز به همان اندازه پروتونها بار الکتریکی دارند اما با علامتمنفی. بنابراین بار الکتریکی منفی اتم مس برابر   است. از طرفی چون در اتم مس مقدار بار الکتریکی مثبت پروتونها با مقدار بار الکتریکی منفی الکترونها برابر است، پس اتم مس از نظر بار الکتریکی خنثی خواهد بود.

 

س: القاء بار الکتریکی چگونه است؟

ج: تعریف: ایجاد بار در رساناها بدون تماس به یکدیگر، القاء بار نامیده می شود.

 

 وسیله های آزمایش : دو کره ی فلزی - پایه های عایق - تیغه ی پلاستیکی - تیغه ی شیشه ای .
    ١- دو کره ی فلزی را که روی پایه های نارسانا ( چوبی ) قرار دارند مطابق شکل ( ٣-٢ الف ) در تماس با یک دیگر قرار دهید . اگر این وسیله ها را در اختیار ندارید می توانید دو تیغه ی فلزی کوچک را انتخاب و آن ها را توسط دو نخ خشک آویزان کنید و یا دو کاسه زنگ دوچرخه را روی پایه های نارسانا (مثلا" چوبی) نصب کنید . با تماس دست به آن ها مطمئن شوید که بدون بار الکتریکی اند .
    ٢- یک تیغه ی پلاستیکی را با پارچه ی پشمی مالش دهید . چه نوع بار الکتریکی پیدا می کند ، منفی یا مثبت ؟ 
    ٣- مطابق شکل ( ٣-٢ ب ) تیغه ی پلاستیکی را به کره ی A نزدیک کنید . 

 

 

شکل ٣-٢- بار دار کردن به روش القا

 ۴- بدون آنکه مکان تیغه ی پلاستیکی را تغییر دهید ، پایه ی چوبی کره ها را گرفته و دو را از هم جدا کنید . 
    ۵- تیغه ی شیشه ای را با پارچه مالش دهید و از گرانیگاه به وسیله ی نخ خشکی آویزان کنید . تیغه ی شیشه ای دارای چه نوع بار الکتریکی است ؟ 
    ۶- هر یک از دو کره ی A و B را به طور جداگانه به تیغه ی شیشه ای نزدیک کنید .آنچه را که مشاهده می کنید یاد داشت کنید . 

جواب 1و2و3و4: در اثر مالش تیغه پلاستیکی با پارچه پشمی در آن بار منفی ایجاد می شود. وقتی این تیغه را کنار کره های فلزی بهم چسبیده قرار دهیم،در اثر القای الکتریکی، بارهای منفی کره A رانده شده و به سطح دورتر کره B می روند و در عوض بارهای مثبت در کره A و در سطح مقابل تیغه جمع می شوند. اگر در این حالت کره ها را از هم جدا کنیم، در کرهA بار خالص مثبت و در کره Bبار خالص منفی ایجاد می شوند.

5و6: در اثر مالش تیغه شیشه ای با پارچه پشمی در آن بار مثبت ایجاد می شود. اگر آنرا آویزان کنیم و کره ها را به ترتیب به تیغه نزدیک نماییم مشاهده می کنیم کره A تیغه را می راند و کره B تیغه را می رباید. این امر تأیید می کند که کره A بار مثبت و کره B بار منفی دارد.

س: تولید الکتریسیته ساکن به طریقه القاء چگونه است؟

 

ج: مطابق شکل روبرو، میله باردار( S ) را به کره فلزی با پایه عایق نزدیک می کنیم. دراثر نیروی الکتریکی بارهای مثبت و منفی آن از هم جدا می شوند.سپس با تماس کره به زمین توسط انگشت، بارهای منفی آن را تخلیه می کنیم. بعد تماس کره با زمین را قطع کرده و میله ( S )  را از آن دور می نماییم. در کره بار خالص مثبت باقی می ماند. (در صورتی کهبار میله مثبت باشد، بار ایجاد شده در کره منفی خواهد بود).

 

 

 

روش قبل را با دو کره فلزی نیز می توان انجام داد. در اشکال زیر مراحل انجام این عمل نشان داده شده است:

 

با نزدیک شدن میله باردار( با بار منفی) به کره ها، به علت نیروی الکتریکی، بارهای مثبت و منفی کره ها  از هم دور می شوند. سپس کره ها را از هم جدا می کنیم و بعد میله را نیز دور می کنیم. ملاحظه می شود در کره A بار خالص منفی و در کره B بار خالص مثبت ایجاد می شود.

س: الکتروسکوپ یا برق نما چیست؟

ج: وسیله ای است که بر اساس القاء الکتریکی عمل می کند و موارد استفاده آن عبارتند از:

1- پی بردن به وجود بارهای الکتریکی کم و ضعیف در یک جسم.

2- تعیین نوع بار الکتریکی در یم جسم.

3- تعیین رسانایی یا نارسانایی یک جسم.

الکتروسکوپ تشکیل شده است از یک میله فلزی که در یک طرف آن کلاهکی فلزی و در طرف دیگر ورق نازک طلا( یا یک فلز دیگر) نصب شده و مجموعه در داخل یک جعبه شیشه ای قرار دارد.

 

فعالیت 2: الف-  هرگاه جسمی را که دارای بارالکتریکی است به کلاهک یک الکتروسکوپ بدون بار تماس دهید، چه اتفاقی می افتد؟ آیا ورقه طلا از تیغه فلزی دور می شود؟ چرا؟ علت را توضیح دهید.

 

ب- می خواهیم در یک جسم رسانای بدون بار الکتریکی ( یک الکتروسکوپ یا یک کره رسانا) بار الکتریکی القا کنیم. برای انجام این کار یک تیغه پلاستیکی که دارای بار الکتریکی منفی است در اختیار شما است. مراحل مختلف کار را شرح دهید. اگر به جای تیغه پلاستیکی، تیغه شیشه ای را که دارای بار مثبت است بکار برید، نوع بار الکتریکی القا شده چه تغییری می کند؟

جواب الف:  هر گاه جسمی مثل یک میله ابونیتی با بار منفی را به کلاهک الکتروسکوپ تماس دهیم، در اثر القاء الکتریکی، بارهای مثبت جذب میله شده و در روی کلاهک جمع می شوند و نیز بارهای منفی از میله رانده شده و به روی ورقه طلا و تیغه فلزی می روند. در این حالت تیغه فلزی ورقه طلا را به علت داشتن بارهای همنوع رانده و از خود دور می کند.

   

جواب ب: ابتدا تیغه پلاستیکی را که بار منفی دارد به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک می کنیم تا ورقه طلا به اندازه دلخواه از تیغه فلزی دور شود. در همین حال الکتروسکوپ را به وسیله تماس با انگشت در مدت کوتاهی به زمین وصل می کنیم. سپس انگشت را برداشته و تیغ پلاستیکی را از الکتروسکوپ دور می کنیم. ملاحظه می شود ورقه طلا همچنان در حال انحراف باقی می ماند زیرا در الکتروسکوپ بار خالص مثبت ایجاد شدهاست.

اگر همین آزمایش را با تیغه شیشه ای که بار مثبت دارد انجام دهیم، بار ایجاد شده در الکتروسکوپ منفی خواهد بود.

 

 

 

 

 

 

 

 چگونه با یک الکتروسکوپ که از قبل بارالکتریکی دارد می توانید پی ببرید جسمی که در اختیار شماست:

الف- بار الکتریکی دارد یا خیر؟

ب- رساناست یا نارسانا.

جواب الف- جسم را به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک می کنیم( یا به آن تماس می دهیم) . اگر ورقه طلا انحراف پیدا کند، جسم بار الکتریکی دارد. در این حالت میزان انحراف ورقه طلا متناسب با بارالکتریکی جسم است.

 

جواب ب-  ابتدا جسم را به پارچه پشمی می مالیم. سپس آن را با دست گرفته و به کلاهک نزدیک می کنیم. اگر ورقه طلا دور شود، جسم نا رسانا است. زیرا بار الکتریکی ایجاد شده در خود را حفظ کرده است. اما اگر انحرافی در ورقه طلا مشاهده نشد، جسم رسانا است، زیرا بارالکتریکی خود را از طریق دست به زمین منتقل کرده است و دیگر باری ندارد تا در الکتروسکوپ القا بار کند.

 

 

 

 

 

1- با دم پایی پلاستیکی تمیز روی فرش راه بروید و سعی کنید دم پایی روی فرش مالش داده شود. سپس با نوک انگشت خود، گوش و یا نوک بینی یک نفر را که در اتاق است، لمس کنید، چه اتفاقی می افتد؟علت را توضیح دهید.

2- با چه پدیده های مشابه دیگری آشنا هستید؟ آیا ممکن است این پدیده ها خطرناک باشند؟

3- چرا زیر تانکرهای مخصوص حمل سوخت، زنجیر آویزان می کنند؟

4- آیا این پدیده در مورد هواپیما در هنگام پرواز ایجاد می شود؟ در مورد هواپیما چه تدبیری به کار برده می شود؟

جواب1: در اثر راه رفتن و مالش دم پایی پلاستیکی با فرش، بار الکتریکی منفی در کفش و بدن ایجاد می شود. هنگام تماس نوک انگشت با گوش یک نفر، با زدن یک جرقه کوچک، این بار الکتریکی به بدن او منتقل می شود.

جواب 2: اگر با لباس پشمی در داخل اتومبیل بنشینید و مدتی حرکت کنید، هنگام پایین آمدن و گرفتن دستگیره برای بستن اتومبیل، بین دست شما و دستگیره جرقه زده می شود. در محل های مسدودی مثل اتاق عمل بیمارستان و یا تعمیرگاه های اتومبیل که گازهای اشتعال زا مثل اتر جمع می شود، وقوع یک جرقه کوچک می تواند به آتش سوزی و سانحه منجر شود.

جواب 3: هنگام حرکت تانکر، در اثر مالش بدنه آن با هوا مقدار زیادی بار الکتریکی در آن جمع می شود. تجمع این بار و انتقال آن به زمین یا اجسام مجاور دیگر می تواند همراه با جرقه باشد و سوخت تانکر را منفجر کند. وجود زنجیر باعث می شود تا بارهای الکتریکی ایجاد شده به طور مداوم به زمین منتقل شوند و در بدنه تانکر جمع نگردند به این ترتیب از ایجاد جرقه جلوگیری می شود.

جواب 4: هنگام پرواز هواپیما نیز در اثر مالش بدنه آن با هوا مقدار زیادی بار الکتریکی در آن ایجاد می شود. این بار می تواند برای سوخت هواپیما بسیار خطرناک باشد. برای رفع این مشکل باتری های مخصوصی در هواپیما قرار می دهند تا بارهای ایجاد شده در اثر مالش را جمع و در خود ذخیره نماید. ضمناً مقداری از این بار نیز خودبخود از محل نوک تیز هواپیما دوباره به هوا منتقل می شود.

 

اختلاف پتانسیل الکتریکی

تعریف: عاملی را که موجب جریان یا شارش بارهای الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر می شود،اختلاف پتانسیل الکتریکی می نامند.

 

بنابراین بار الکتریکی می تواند خودبخود از نقطه ای با پتانسیل الکتریکی بیشتر به نقطه ای با پتانسیل الکتریکی کمتر شارش نماید. اما برای شارش بار الکتریکی از پتانسیل کمتر به پتانسیل بیشتر باید کار انجام داد( مثل شارش آب بین دو نقطه که با هم اختلاف ارتفاع دارند). اختلاف پتانسیل الکتریکی را با نمادV نشان می دهند. و یکای آن ولت است.

تذکر: انرژی پتانسیل واحد جرم را پتانسیل گرانشی می نامند و مقدار آن برابر است با:

 

 تعریف پتانسیل الکتریکی

 انرژی پتانسیل واحد بار را پتانسیل الکتریکی می نامند.

س: وسیله اندازه گیری اختلاف پتانسیل چیست و چگونه در مدار قرار می گیرد؟

 

ج: ولت سنج است. این وسیله با قسمتی از مدار که می خواهیم اختلاف پتانسیل دو سر آن را اندازه بگیریم، به صورت موازی قرار داده می شود. برای اندازه گیری دقیق، مقاومت داخلی ولت سنج باید خیلی زیاد باشد تا از آن جریانی عبور نکند.

 

 

 

 

س: مولد یا باتری چیست؟

 

ج: وسیله ای است که با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی، بین دو نقطه اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود آورده و سبب شارش بارهای الکتریکی می شود. در واقع مولد به بارهای الکتریکی انرژی می دهد تا شارش نمایند. پیل یا مولد را با علامت  نشان  می دهند.(|+ نمایانگر پایانه مثبت و -| نمایانگر پایانه منفی مولد است.)

 

 

س: تعریف نیروی محرکه مولد؟

ج: بیشترین اختلاف پتانسیلی که مولد می تواند به وجود آورد نیروی محرکه آن نامیده می شود.

مولد الکتریکی بسازید.

 

جواب: اگر مطابق دستور عمل کنیم مولدی حاصل می شود که نیروی محرکه آن حداکثر یک ولت است.

 

توان الکتریکی

 انرژی الکتریکی را که توسط یک دستگاه در یک ثانیه به مصرف می رسد، توان الکتریکی آن دستگاه می نامند و با نماد P نشان می دهند.

س: توان مصرفی از چه رابطه ای محاسبه می شود؟

 

نکته : اگر دو لامپ 60 واتی و 100 واتی را یک بار بطور متوالی و یک با بطور موازی به ولتاژ یکسان وصل نماییم ، در حالت موازی نور لامپ 100 واتی بیشتر می باشد . ولی در حالت متوالی نور لامپ 60 واتی. زیرا در حالت متوالی چون جریانها یکسان است ، لامپ 60 واتی ، ولتاژ بیشتری را از مولد دریافت می دارد . بنابراین نورش بیشتر است .

 
 
 
P=VI

 

 مقاومت الکتریکی یک رسانا   است. اگر شدت جریان 0.5A   از آن عبور کند، توان مصرفی رسانا چقدر خواهد بود؟

 

 

 

اختلاف پتانسیل 220 ولت در دو سر یک لامپ برقرار است و شدت جریان 0.25A از آن می گذرد. توان لامپ را تعیین کنید.

 

 

 

در دو سر یک رسانا با مقاومت الکتریکی  اختلاف پتانسیل 100V برقرار است، توان مصرفی رسانا را حساب کنید.

        P=V2/R=1002/20=500 W           

 

 

 

الف- با کار کردن مداوم یک باتری، از انرژی آن کاسته می شود یا خیر؟ آیا می توان به طریقی انرژی از دست رفته را تأمین کرد؟

ب- در چه نوع باتری هایی( مولدها) این عمل امکان پذیر است؟

ج- درون باتری( مولد) چه اتفاقی رخ می دهد که بار الکتریکی ظاهر می شود؟

جواب الف-با کار کردن مداوم یک باتری از انرژی آن کاسته می شود. در برخی از باتری ها توسط شارژ کننده می توان انرژی کاسته شده را دوباره به باتری برگرداند.

جواب ب- در باتری های سربی خودروها و نیز باتری های خشک از نوع (نیکل- کادمیم) امکان شارژ مجدد وجود دارد.

جواب ج- هر باتری دارای دو قطب مثبت و منفی است. در اثر تغییرات شیمیایی مواد داخل باتری، مقداری الکترون در قطب منفی و به همان اندازه یون مثبت در قطب مثبت باتری جمع می شوند. هنگامی که باتری در مدار قرار می گیرد، اکترون های قطب منفی از طریق مدار به طرف یونهای مثبت قطب مثبت به حرکت در می آیند.

 

 

برای محاسبه توان، کدام یک از رابطه های P=RI یا P=VI را بکار می بریم؟

آیا می توانید رابطه دیگری برای توان الکتریکی بنویسید؟

جواب: با توجه به داده های مسئله می توان هر دو رابطه را بکار برد. اگر طرف دوم رابطه P=RI را در کسر  ضرب کنیم خواهیم داشت:

 

از برابری R2I2=V2 نتیجه می شود:

 

 

بهای انرژی الکتریکی مصرفی:

بهای انرژی الکتریکی مصرفی را که باید برای مصرف انرژی الکتریکی بپردازیم از حاصلضرب توان مصرفی در مدت زمان استفاده شده از دستگاه بستگی دارد.

W=Pt

اگر توان مصرفی بر حسب وات باشد انرژی مصرفی بر حسب وات ثانیه خواهد بود.
اگر توان مصرفی بر حسب کیلووات باشد انرژی مصرفی بر حسب کیلووات ساعت خواهد بود. (kwh)
که معمولاً از حالت دوم استفاده می‎شود.

(قیمت هر کیلو وات ساعت) * 

30 *

زمان *

 توان

 = بهای انرژی الکتریکی مصرفی ماهیانه

(بر حسب ریال)

 (تعداد روز)

(بر حسب ساعت)

(برحسب وات)

بر حسب ریال

مسئله: یک باتری 12 ولتی جریانی حدود 210 آمپر از آن می‎گذرد. در هر 10 ثانیه چه مقدار انرژی مصرف می شود ؟

W=VIt
W=10*210*12 =25200 Jol

مسئله: یک سماور برقی دارای توان مصرفی 2 کیلووات می‎باشد اگر به ولتاژ 220 ولت وصل شود چه جریانی از آن می‏گذرد.

P=VI
1000*2=220 I ==> I =100/11 A

مسئله : اگر یک لامپ 100 واتی در یک شبانه ‎روز 8 ساعت روشن باشد بهای برق مصرفی ماهیانه چقدر می‎شود (بهای هر کیلو وات ساعت 100 ریال فرض کنید)
توجه وات را به کیلو وات تبدیل می‎کنیم :

( قیمت به ریال)* (30 ) *  p *t = بهای برق مصرفی ماهیانه
ریال 2400 = 100* 30 * (1000/100) * 8  = بهای برق

Eتذکر: در مراکز مسکونی یا صنعتی که مصرف انرژی الکتریکی زیاد است، برای محاسبه هزینه لازم، زمان مصرف را بر حسب ساعت( h) و توان مصرفی را بر حسب کیلو وات( kw ) در نظر می گیرند. در این صورت با توجه به رابطه W=Pt ، انرژی مصرفی بر حسب کیلو وات ساعت ( kwh ) بوده و شمارنده ها( کنتورها) انرژی الکتریکی را بر حسب کیلووات ساعت مشخص می کنند که برابر است با:

 

 

یک کتری الکتریکی با توان 2kw که با ولتاژ 220v کار می کند، اگر از آب سرد پر شود 12 دقیقه طول می کشد تا به جوش آید.

الف) مقاومت الکتریکی قسمت گرماده آن چند اهم است؟

ب) اگر کتری به طور متوسط روزی سه بار برای جوش آوردن آب سرد بکار رود، قیمت مصرف متوسط برق ماهیانه آن از قرار هر کیلووات ساعت 40 ریال چقدر خواهد شد؟

جواب الف)

 

ب)

مصرف انرژی برای یک بار جوشیدن آب برابر است با:

 

و برای سه بار جوشیدن:

 

و برای یک ماه برابر خواهد شد با:

 

با در نظر گرفتن مبلغ 40 ریال برای هر کیلووات ساعت نتیجه می شود:

 

 

س: برای صرفه جویی در مصرف انرژی الکتریکی چه باید کرد؟

ج: به طور کلی باید در مصرف کلیه وسایلی که با انرژی الکتریکی کار می کنند، مثل تلویزیون، لامپ روشنایی، اتو، یخچال، لباسشویی و غیره استفاده بهینه کرد. یعنی ازمصرف غیر ضروری آنها خودداری نمود. به خصوص هنگام اوایل شب که مصرف برق زیاد است، نباید از وسایل پر مصرفی چون اتو و لباسشویی و کولر استفاده کرد. و همچنین می توان برای روشنایی، لامپ های مخصوص کم مصرف گازی یا مهتابی را به کار برد.

    

خلاصه فصل سوم

1- ماهیت الکتریسیته به دلیل وجود بارهای الکتریکی در اتمهای ماده است. در اتم دو ذره با بار الکتریکی وجود دارد. پروتون با بار مثبت که در داخل هسته قرار دارد و الکترون که بار منفی دارد و به دور هسته می چرخد.

مقدار بار الکتریکی پروتون و الکترون با هم برابر اما از نظر علامت مخالف هم هستند. به این علت هسته یک اتم در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی می باشد مقدار بار یک پروتون یا یک الکترون برابر است با:                                                  

2- هر مقدار بار الکتریکی مثل( q ) را می توان مضرب صحیحی از بار یک الکترون( یا یک پروتون) در نظر گرفت. یعنی:

 

n عدد صحیح و مثبت است.

3-الکتریسیته بر دو نوع است: الکتریسیته ساکن و الکتریسیته جاری.

هرگاه الکتریسیته تولید شده در محل تولید باقی بماند آنرا الکتریسیته ساکن می نامند و اگر بارهای تولیدشده شارش نمایند، الکتریسیته جاری می گویند.

4-بنا به قانون پایستگی بار الکتریکی، بار الکتریکی از هیچ به وجود نمی آید و از بین هم نمی رود، فقط از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شود.

5- یکای بار الکتریکی کولن است و آنرا با نماد C نشان می دهند.

6- بارهای الکتریکی خنثی نشده یک جسم را بار الکتریکی خالص می نامند. بطوریکه اگر اتمی الکترون اضافی دریافت کند، بار خالص منفی بدست می آورد و اگر الکترون از دست بدهد بار خالص مثبت پیدا می کند.

7- بنا به قانون الکتریسیته ساکن، بارهای همنوع یکدیگر را می رانند و بارهای غیر همنوع یکدیگر را می ربایند.

8- به دو روش مالش و القا می توان الکتریسیته ساکن به وجود آورد.

9- در روش مالش با مالیدن دو جسم نارسا بر هم بارهای الکتریکی از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شوند و در آنها بارهایی مساوی اما با علامت مخالف ایجاد می شود. مثلاً در اثر مالش میله لاکی به پارچه پشمی، الکترون از پارچه به روی میله منتقل می شوند و در این عمل میله بار خالص منفی و پارچه بار خالص مثبت پیدا می کنند.

10- در روش القا با نزدیک کردن یک جسم باردار به یک جسم رسانای بدون بار درآن بار الکتریکی ایجاد می شود. مثلاًاگر یک میله لاکی باردار( با بار منفی) را به یک کره فلزی که بر روی پایه عایقی قرار دارد نزدیک کنیم، بارهای منفی کره از میله رانده می شوند. اگر کره را به زمین اتصال دهیم تا بارهای منفی به زمین بروند و سپس میله را دور کنیم، در کره بار خالص مثبت باقی می ماند.

11- اجسامی که به راحتی الکتریسیته را از خود عبور می دهند رسانای الکتریکی و اجسامی که الکتریسیته را از خود عبور نمی دهند، نارسانای الکتریکی می نامند.

12- در رساناهای فلزی، الکترونها می توانند به راحتی از اتمهای خود جدا شده و با حرکت در درون جسم موجی رسانش شوند. این الکترون ها را الکترون های آزاد می نامند.

13- الکتروسکوپ یا برقنما وسیله ای است که بر اساس القا بار الکتریکی عمل میکند و کاربرد آن عبارتند از:

الف- پی بردن به وجود بارهای الکتریکی کم و ضعیف در یک جسم.

ب-  تعیین نوع بار الکتریکی در یک جسم.

پ- تعیین رسانایی یا نارسانایی الکتریکی یک جسم.

الکتروسکوپ تشکیل شده است از یک میله فلزی که در یک طرف آن کلاهکی فلزی و در طرف دیگر ورق نازک طلا( یا یک فلز دیگر) نصب شده و مجموعه در داخل  یک جعبه شیشه ای قرار دارد.

14- اختلاف پتانسیل الکتریکی عامل جریان یا شارش بارهای الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر است.اختلاف پتانسیل را نماد V نشان می دهند و یکای آن ولت است.

15- وسایلی مثل باتری، دینامو، ژنراتور می توانند با ایجاد اختلاف پتانسیل بین دو نقطه موجب جریان الکتریکی بین آن دو نقطه شوند. در باتری های خشک معمولی انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

16- مدار الکتریکی، مسیر بسته ای است که جریان الکتریکی را برقرار می کند.

یک مدار الکتریکی ساده، تشکیل شده است از یک مولد اختلاف پتاسیل ( مثل یک باتری) یک مصرف کننده الکتریسیته( مثل یک لامپ) که با سیم های نازکی به هم وصل شده اند.

17- بیشترین اختلاف پتانسیلی که یک مولد یا باتری می تواند به وجود آورد، نیروی محرکه آن نامیده می شود.

18- وسیله اندازه گیری اختلاف پتانسیل در مدار ولت سنج است و این وسیله با قسمتی از مدار که می خواهیم اختلاف پتانسیل دو سر آن را اندازه بگیریم، به صورت موازی قرار می گیرد.

19- جهت قراردادی جریان الکتریکی در یک مدار از قطب مثبت به  طرف قطب منفی باتری در نظر گرفته می شود.

20 آهنگ شارش بار الکتریکی( یعنی بار شارش شده در یک ثانیه) را شدت جریان الکتریکی می نامند. شدت جریان را با نماد I نشان می دهند و یکای آن آمپر (A ) است.

21- مقدار شدت جریان در یک مدار از نسبت بار الکتریکی شارش شده به زمان شارش به دست می آید:                                        

22- از رابطه بالا نتیجه می شود بار الکتریکی شارش شده توسط شدت جریان I در زمان t برابر است با:                                                 

23- از رابطه q=It نتیجه می شود یک کولن برابر یک «آمپر-  ثانیه» است. به عبارت دیگر یک کولن مقدار بار الکتریکی است که توسط جریانی به شدت یک آمپر در مدت یک ثانیه در مدار شارش می شود.

24- مقاومت اجسام و مواد مختلف در مقابل عبور جریان الکتریکی از خود را مقاومت الکتریکی می گویند. مقاومت الکتریکی را با نماد Rنشان میدهند و یکای آن اهم   است.

25- بنا به قانون اهم نسبت اختلاف پتانسیل دو سر یک رسانا (V ) به شدت جریانی که از آن می گذرد(I ) ، مقدار ثابتی است. این مقدار ثابت برابر مقاومت الکتریکی رسانا است . یعنی:

 

26- انرژی الکتریکی نسبت به سایر انرژی ها سالم تر بوده و انتقال و تبدیل آن آسان تر است.

27- انرژی الکتریکی تبدیل شده( یا مصرف شده) در یک وسیله الکتریکی با عامل های زیر متناسب است:

الف- مقاومت الکتریکی رسانا(R).

ب- زمان عبور جریان الکتریکی( t).

پ- مجذور شدت جریان الکتریکی2(I) .

28- با توجه به عامل های بند قبل مصرف انرژی الکتریکی( W) در یک وسیله الکتریکی از رابطه زیر محاسبه می شود:

    W=RI2t

29- انرژی الکتریکی را که توسط یک دستگاه در یک ثانیه به مصرف می رسد توان الکتریکی آن دستگاه می نامند و بانماد P نشان می دهند و یکای آن وات است. توان مصرفی از رابطه زیر محاسبه می شود:                                                        P=RI2

با توجه به رابطه اهم یعنی V=RI برای توان مصرفی رابطه های زیر را نیز می توان به دست آورد:

P=VI          و           P= V2/R

30- با توجه به تعریف توان مصرفی، انرژی الکتریکی مصرف شده(W) در یک وسیله الکتریکی در زمان(t ) از رابطه زیر بدست می آید:

W=Pt

31-برای محاسبه انرژی الکتریکی مصرف شده در مراکز مسکونی یا صنعتی و تجاری، مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده در یک ساعت بر حسب کیلووات ساعت را به عنوان یکا یا مبنای محاسبه در نظر می گیرند و آن را با نماد kwh نشان می دهند.

پاسخ های تمرین های فصل سوم

1- میله نارسانایی با بار  منفی و کره ای رسانا و بدون بار روی پایه ای نا رسانا در اختیار دارید . با رسم شکل نشان دهید چگونه می توان کره را :

الف ) دارای بار مثبت کرد ؟

 

جواب :

 

 

 

 

ب) دارای بار منفی کرد؟

جواب : برای این منظور لازم است میله را با کره تماس دهیم که در آن صورت تعدادی از بارهای میله وارد کره می شوند.


2- دو جسم بدون بار را چگونه می توان بار دار کرد؟ آیا در این روش لازم است به جنس اجسام توجه کرد ؟

جواب : به روش مالش . یعنی با مالش پارچه پشمی به میله پلاستیکی یا پارچه ابریشمی به میله شیشه ای.

بله ، چون نوع بارها به جنس پارچه ها بستگی دارد .


3- آزمایش زیر را انجام دهید:

1-1- شیر آب سرد را کمی باز کنید تا باریکه ای از آب تشکیل شود.

1-2- با یک شانه پلاستیکی چند بار سر خود را شانه بزنید.

1-3- شانه را به باریکه آب نزدیک کنید. آیا مسیر آب منحرف می شود؟ علت را بنویسید.

جواب: مولکول های آب از نظرتوزیع بار الکتریکی متقارن یعنی یکنواخت نیستند و به صورت دو قطبی می باشند به طوری که یک طرف آنها بیشتر خاصیت مثبت و طرف دیگر آنها بیشتر خاصیت منفی دارد. هنگامی که شانه باردار( با بار منفی) را به باریکه آب نزدیک می کنیم به علت نیروی ربایشی که بین بارهای منفی شانه و جهت مثبت مولکولهای دو قطبی آب ظاهر می شود، باریکه آب از مسیر مستقیم خود خارج شده و به سمت شانه کشیده می شود.


4- آزمایش زیر را انجام دهید:

3-1- یک حباب صابون درست کنید و روی پتوی پشمی قرار دهید.

3-2- با شانه پلاستیکی چند بار سر خود را شانه کنید.

3-3- شانه را به حباب صابون نزدیک کنید. مشاهده می کنید که شانه، حباب صابون را به طرف خود می کشد. دلیل خود را بنویسید.

جواب: حباب صابون مخلوطی از آب و صابون است. به همان دلیلی که در پاسخ سؤال قبل گفته شد، در اثر نیروی ربایشی بین طرف مثبت مولکولهای آب در حبای و بارهای منفی شانه، حباب به طرف شانه کشیده می شود.


5- در کدامیک از وسیله های منزل لازم است بار الکتریکی ایجاد شده را کاهش دهیم ( و یا کنترل کنیم ) ؟

جواب :

  1. شانه سر ( زیرا اگر با ر آن تخلیه نشود یا از جنس مناسب انتخاب نشود ، موها بطور مناسب حالت نمی گیرند .)

  2. شمعک اجاق گاز ( زیرا چنانچه اختلاف پتاسیل مورد نظر کنترل نشود ، سبب آتش سوزی یا برق گرفته گی می شود .

  3. برق گیر منزل ( جهت انتقال رعد و برق به زمین )

  4. ماشین لباس شویی ( باید سیم انتقال بار به زمین داشته باشد .) و

  5. ........


6- با توجه به شکل ( 3-17) کتاب درسی ،چند مورد از مشاهده های خود که با الکتریسیته ء ساکن ارتباط دارد را بنویسید .

جواب : بدن بیمار به زمین وصل می شود - کفش های نا رسانا -  چرخ های ارابه رسانا هستند.


7- بحث کنید :

اگر دو سر باطری مشابه را بطور مخالف به هم ببندیم ( پایانه های مثبت به هم و یا پایانه های منفی به هم وصل باشد ) و دو سر مجموعه را به یک لامپ ببندیم چه اتفاقی می افتد ؟

جواب :  لامپ روشن نمی شود . زیرا با اینکار اختلاف پتانسیل لازم برای جاری شدن الکترونها  را ازبین برده ایم .

8- مقاومت لامپی 200 اهم است و جریان   0/2A از آن می گذرد.

الف- بار الکتریکی که در مدت 5/2 دقیقه از لامپ می گذرد چند کولن است؟

ب- اختلاف پتانسیل دو سر لامپ چند ولت است؟

    الف)

                                             

ب( 

 


9- روی لامپی دو عدد 50 وات و 110 ولت نوشته شده است. اختلاف پتانسیل 110 ولت را به لامپ وصل می کنیم.

الف- مقاومت لامپ را حساب کنید.

ب- چه جریانی از آن عبور می کند؟

پ- در مدت یک دقیقه چند ژول انرژی الکتریکی توسط لامپ مصرف می شود؟

 الف)

     

 

 

 (ب                              

               

 

 

                              

 


10- تحقیق کنید:

الف- مصرف ماهانه رادیو- تلویزیون و یکی از لامپ های اتاق را حساب کنید.( فرض کنید که هر کدام روزانه 8 ساعت با اختلاف پتانسیل 220 ولت روشن باشند).

ب- بهای برق مصرفی هر یک از وسیله های بالا از قرار هر کیلووات ساعت 100 ریال چقدر می شود؟

پ- اگر در شهر شما هر یک از خانه ها در هر شب یک لامپ 100 وات اضافی را به مدت 3 ساعت روشن کنند، در یک ماه چند کیلووات ساعت انرژی اضافی مصرف می شود؟ بهای آن چند ریال می شود؟ اگر این مبلغ صرفه جویی شود براب مردم شهر چه کارهای مفیدی می توان انجام داد؟

جواب الف- فرض کنیم توان مصرفی وسایل مورد نظربه ترتیب زیر باشند:

P1=5W رادیو

P2=80W تلویزیون

P3=100W لامپ

زمان مصرف ماهانه هر کدام از وسایل فوق برابر است با:

 

در این صورت خواهیم داشت:

 

ب)                                                               بهای مصرفی رادیو

بهای مصرفی تلویزیون

بهای مصرفی لامپ

پ) فرض کنیم تعداد خانه های یک شهر با بزرگی متوسط    باب باشد. بنابراین تعداد لامپ هایی که اضافه روشن می شوند به همان تعداد خواهد بود. زمان مصرف اضافی ماهانه هر لامپ برابر می شود با:

 

مصزف اضافی انرژی ماهانه یک لامپ برابر است با:

 

در این صورت مصرف اضافی انرژی ماهانه تمام لامپ ها برابر خواهد بود با:

 

در نتیجه :

ریال بهای مصرف اضافی تمام لامپ ها

این مبلغ معادل 5/4 میلیون تومان است و با آن می توان تقریباً 4 کیلومتر خیابان را آسفالت کرد.

11- تفسیر کنید :

11-1- نمودار شکل زیرمربوط به لامپی است که در یک مدار قرار دارد.

الف- چه رابطه ای بین شرت جریان و اختلاف پتانسیل می توانید پیدا کنید؟

ب- به کمک نمودار، مقاومت لامپ را پیدا کنید.

پ- هرگاه جریان عبوری از لامپ 5/2 آمپر باشد، اختلاف پتانسیل دو سر لامپ چند ولت می شود؟

 

جواب الف: در نمودار فوق به ازای یک مقدار اختلاف پتانسیل معین یک شدت جریان متناظر با آن وجود دارد. مثلاً برای اختلاف پتانسیل 50 ولت شدت جریان متناظر با آن 5 آمپر است. نسبت این دو برابر می شود با:

 

اگر از مقادیر دیگر اختلاف پتانسیل و شدت جریان های متناظر با آنها نیز استفاده کنیم، همین مقدار ثابت یعنی 10 به دست خواهد آمد. بنابراین رابطه بین اختلاف پتانسیل و شدت جریان به صورت زیر خواهد بود:

 

ب) با توجه به قانون اهم نسبت اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از مدار به شدت جریان مقدار ثابتی است و این مقدار مقاومت الکتریکی آن قسمت از مدار است. بنابراین مقاومت الکتریکی لامپ برابر  است.

پ)                                                                        


11-2- در رابطه های 

الف- نمادهای V وR و P و I هر کدام نماینده چه کمیتی هستند و یکای آنها چیست؟

ب- کاربرد هر یک از رابطه ها را شرح دهید.

جواب الف- نماد V نماینده اختلاف پتانسیل و یکای آن ولت است. R نماینده مقاومت الکتریکی و یکای آن اهم است. P نماینده توان مصرفی و یکای آن وات است. I نماینده شدت جریان و یکای آن آمپر  است.

ب- این رابطه ها برای محاسبه توان مصرفی وسایل الکتریکی کختلف بکار می روند. به طوری که اگر ولتاژ مصرفی یک وسیله و مقاومت الکتریکی آن معلوم باشد رابطه     و اگر ولتاژ مصرفی با شدت جریان در دست باشد رابطه P=VI و اگر مقاومت الکتریکی و شدت جریان معلوم باشند رابطه P=RI مورد استفاده قرار می گیرد.


11-3- در مدار شکل مقابل (شکل کتاب ) به تدریج دمای مقاومت( R ) را بالا می بریم. در این صورت:

الف- مقاومت، افزایش می یابد، کاهش می یابد و یا تغییر نمی کند؟

ب- شدت جریان در مدار، افزایش می یابد، کاهش می یابد و یا تغییر نمی کند؟ پاسخ خود را در هر مورد با دلیل بنویسید.

جواب الف: با افزایش دما مقاومت الکتریکی R افزایش می یابد زیرا در دمای بیشتر انرژی درونی و در نتیجه انرژی جنبشی بارهای شارش شد بیشتر شده و به تعداد دفعات بیشتری با هم برخورد می کنند. در نتیجه عبور بارها مشکل تر می شود و مقاومت الکتریکی افزایش می یابد.

جواب ب: با توجه به توضیح بند( الف) با افزایش دما و مقاومت R ، شدت جریان کاهش پیدا می کند. زیرا شدت جریان با مقاومت الکتریکی نسبت وارون دارد.

Eتذکر: در بعضی از رساناها مثل کربن با افزایش دما، مقاومت کاهش می یابد و در بعضی نیز مثل آلیاژهای کنیتانتان و مانگانین افزایش دما تأثیر چندانی بر مقاومت الکتریکی جسم ندارد.


12- روی یک آسیاب برقی دو عدد 700W و 220V نوشته شده است. این آسیاب برقی را به اختلاف پتانسیل 220V وصل می کنیم حساب کنید:

12-1- شدت جریانی که از آن می گذرد.

12-2- انرژی الکتریکی مصرفی ماهانه ی این دستگاه را در صورتی که هفته ای یک بار و هر بار به مدت 20 دقیقه مورد استفاده قرار می گیرد.

جواب 1:                                                    

2)                                                         


13- اختلاف پتانسیل دو سر باتری اتومبیل های سواری برابر 12V است. اگر 8 باتری قلمی 5/1 ولتی به طور متوالی به یکدیگر وصل کنیم، اختلاف پتانسیل دو سر مجموعه آنها نیز برابر 12V می شود. تحقیق کنید که چرا در اتومبیل ها به جای باتری اتومبیل از 8 باتری قلمی استفاده نمی شود؟

جواب: میزان بار الکتریکی ذخیره شده در باتری های قلمی بسیارکمتر از انرژی الکتریکی ذخیره شده در باتری اتومبیل است. لذا باتری های قلمی شدت جریان لازم برای راه اندازی موتور و سایر وسایل الکتریکی اتومبیل را نمی توانند تأمین کنند.

 

ی مصرفی ماهانه ی این دستگاه را در صورتی که هفته ای یک بار و هر بار به مدت 20 دقیقه مورد استفاده قرار می گیرد.

جواب 1:                                                    

2)                                                         


13- اختلاف پتانسیل دو سر باتری اتومبیل های سواری برابر 12V است. اگر 8 باتری قلمی 5/1 ولتی به طور متوالی به یکدیگر وصل کنیم، اختلاف پتانسیل دو سر مجموعه آنها نیز برابر 12V می شود. تحقیق کنید که چرا در اتومبیل ها به جای باتری اتومبیل از 8 باتری قلمی استفاده نمی شود؟

جواب: میزان بار الکتریکی ذخیره شده در باتری های قلمی بسیارکمتر از انرژی الکتریکی ذخیره شده در باتری اتومبیل است. لذا باتری های قلمی شدت جریان لازم برای راه اندازی موتور و سایر وسایل الکتریکی اتومبیل را نمی توانند تأمین کنند.