آموزش الکترونیک پایه - آشنای با کمیت های الکتریکی

به طور کلی الکتریسیته بر دو نوع ساکن و جاری تقسیم می شود. الکتریسیته ساکن را در قسمت قبل توضیح داده ایم. در این قسمت به الکتریسیته جاری می پردازیم.

اگر بارهای الکتریکی (الکترون ها) در طول یک هادی جابه جا شوند، می گوییم در طول هادی جریان برقرار است. همچنین اگر در یک هادی جریانی برقرار شود حتما در آن هادی کار انجام خواهد شد. بنابراین جا به جایی بارهای الکتریکی در واحد زمان را جریان الکتریکی می نامند و آن را با حرف I نشان می دهند. شکل زیر جابجایی بارهای الکتریکی در طول یک هادی (جریان الکتریکی) را نشان می دهد.

واحد شدت جریان الکتریکی آمپر اس ت ک ه با حرف A نشان داده می شود. اگر در یک هادی تعداد

الکترون در مدت یک ثانیه عبور کند، جریان یک آمپر است. واحد های کوچ کتر از آمپر، میلی آمپر یا یک هزارم آمپر و میکرو آمپر یا یک میلیونیم آمپر است. واحد های بزرگتر از آمپر را کیلو آمپر یا 1000 آمپر می نامند.

شدت جریان الکتریکی را با حرف I نشان می دهند. برای اندازه گیری جریان الکتریکی در یک هادی از دستگاهی به نام آمپر متر استفاده می کنند.

اگر بار الکتریکی را با q (بر حسب کولن) و زمان را با t (بر حسب ثانیه) نشان دهیم، شدت جریان I (بر حسب آمپر) از رابطه زیر قابل محاسبه است:

الف- جهت قرار دادی: در گذشته فکر می کردند بارهای مثبت حرکت می کنند لذا جهت جریان را از قطب مثبت به منفی در نظر می گرفتند. امروزه این جهت جریان را مورد استفاده قرار می دهند و آن را جهت قرار دادی می نامند.

ب- جهت واقعی: چون الکترون دارای بار منفی است، لذا به سمت قطب مثبت باتری حرکت می کند. این جهت را جهت واقعی جریان الکتریکی می نامند.

نکته ی مهم: معمولا در کتاب های الکتریسیته، جهت انتخاب شدۀ جریان را که قراردادی است یا واقعی، مشخص می نمایند.

در شکل زیر جهت حرکت واقعی و قرار دادی جریان الکتریکی نشان داده شده است.

مثال 1: اگر باری برابر با 6 کولن در مدت 2 ثانیه از سیمی عبور کند، چند آمپر جریان در مدار جاری می شود؟

1-6-2 اختلاف پتانسیل الکتریکی

جسمی را که دارای بار الکتریکی مثبت است در نظر بگیرید. این جسم کمبود الکترون دارد ، لذا می خواهد از هر طریقی که مقدور باشد الکترون ها را به سمت خود جذب کند، پس دارای نیروی جاذبه است. می توان گفت دلیل وجود نیروی جاذبه، ذخیره شدن انرژی در جسم است. به این انرژی ذخیره شده «پتانسیل » می گویند.

هنگامی که جسم دارای کمبود الکترون است می گوییم دارای پتانسیل مثبت است و آن را با علامت « + » نشان می دهیم.

اگر جسمی دارای الکترون های اضافی باشد بار الکتریکی آن منفی است. در این حالت چون جسم الکترون اضافی دارد می خواهد الکترون های اضافی خود را به جسمی که کمبود الکترون دارد بدهد.

پس این جسم نیز دارای انرژی است. به عبارت دیگر مقداری انرژی در جسم ذخیره شده است که می تواند الکترون اضافی را جذب و یا دفع کند. این انرژی نهفته در جسم را، انرژی پتانسیل می گویند.

جسمی که با از دست دادن الکترون باردار شده باشد دارای پتانسیل مثبت و جسمی که با دریافت الکترون باردار شود، دارای پتانسیل منفی است. پتانسیل مثبت را با «+» و پتانسیل منفی را با «-» نشان می دهند.

وقتی روی موکت راه می روید، بدن شما دارای بار الکتریکی می شود. حال اگر با دست خود دستگیره درب اتاق را لمس کنید، احساس برق گرفتگی در شما به وجود می آید. دلیل این برق گرفتگی وجود اختلاف پتانسیل بین بدن شما و زمین است. وقتی شما درب را لمس می کنید، جریان الکتریکی از طریق بدن شما و دستگیره درب و زمین برقرار می شود.

اختلاف پتانسیل (ولتاژ ) را معمولاً با حرف E و گاهی با V نمایش می دهند . اختلاف پتانسیل الکتریکی را با دستگاهی به نام ولت متر اندازه می گیرند .

1-6-3 مقاومت

هر گاه اختلاف پتانسیل ثابتی را ابتدا به دو سر یک سیم مسی و سپس به دو سر یک سیم آهنی اعمال کنیم، شدت جریانی که از هر یک از دو سیم عبور می کند با دیگری اختلاف دارد.

سیم آهنی در مقابل عبور جریان یا به زبان دیگر در مقابل حرکت الکترون ها ایستادگی بیشتری نشان می دهد در حالی که سیم مسی در مقابل عبور جریان ایستادگی کمتری می کند. خاصیت ایستادگی جسم در مقابل حرکت الکترون ها (جریان الکتریکی) را مقاومت الکتریکی می نامند. به عبارت دیگر، مقاومت الکتریکی (Resistance) خاصیتی از ماده است که با عبور جریان مخالفت می کند.

جسم، ماده یا قطع های که در برابر عبور جریان الکتریکی ایستادگی می کند را مقاومت می نامند و آن را با حرف R (Resistor) نشان می دهند. نماد مقاومت را در شکل 26 – 1 ملاحظه می کنید.

واحد مقاومت الکتریکی اهم است. اگر به دو سر مقاومتی اختلاف پتانسیل یک ولت اتصال دهیم، چنان چه از آن جریانی برابر با یک آمپر عبور کند، مقدار آن مقاومت یک اهم است ، شکل 27 - 1 . اهم را با حرف یونانی امگا ( Ω ) نشان می دهند.

در مدارهای الکتریکی روی علامت اختصاری یا نماد مقاومت معمولا شماره و مقدار مقاومت نوشته می شود. در شکل زیر نماد یک مقاومت همراه با شماره مقاومت( R32 ) و مقدار آن نشان داده شده است.

1-7 آشنایی با قانون کولن

1-7-1 اثر اجسام باردار بر یکدیگر

اگر یک میله ی شیشه ای را به پارچه ای مالش دهیم، میله ی شیش های دارای بار مثبت می شود. چنان چه میله کائوچو را به یک تکه پشم مالش دهیم، دارای بار منفی م یشود. حال اگر میله شیشه ای باردار مثبت را به میله کائوچویی باردار منفی نزدیک کنیم، چون این دو جسم بارهای مخالف دارند، یکدیگر را جذب می کنند. در صورتی که دو میله شیشه ای که بار مثبت دارند را در مجاورت هم قرار دهیم، چون بار این دو جسم همنام است، یکدیگر را دفع می کنند.

1-7-2 قانون کولن

در قرن هجدهم یک دانشمند فرانسوی به نام کولن هنگامی که با بارهای الکتریکی آزمایش هایی را انجام می داد، قانونی در مورد نیروی جاذبه و دافعه الکترواستاتیکی کشف کرد که به آن «قانون کولن » می گویند. کولن آزمایش های خود را در دو مرحله انجام داد:

الف- ابتدا به دو کره ساکن و متحرک، بارهای الکتریکی مساوی و هم نام داد و نیروی دافعه بین آنها را در فاصله های مختلف اندازه گیری کرده و نتیجه گرفت که این نیرو با عکس مجذور فاصلۀ دو بار الکتریکی متناسب است، یعنی وقتی فاصله دو بار الکتریکی دو برابر شود، نیروی بین آنها به یک چهارم مقدار اولیه می رسد. هنگامی که فاصله بین دو بار الکتریکی نصف حالت اول شود، نیروی بین آنها 4برابر میشود.

ب- در مرحله بعد، کولن بارهای متفاوتی را به دو کره داد و نیروهای آن ها را در فاصله ی ثابت اندازه گیری کرد. او نتیجه گرفت که نیروی جاذبه یا دافعه ای که بین کره ها ایجاد می شود، به طور مستقیم با مقدار بار الکتریکی روی هر یک از کره ها متناسب است.

اگر بار الکتریکی را با q1 و q2 ، فاصله بین دو بار را با d و نیرو را با F نمایش دهیم، قانون کولن به صورت رابطه زیر نوشته می شود.

K ضریب ثابتی است که به واحدهای انتخاب شده و جنس محیطی که جسم باردار در آن قرار گرفته است، بستگی دارد. در این رابطه اگر F بر حسب نیوتون و q بر حسب کولن و d بر حسب متر باشد، k تقریبا برابر 9 ضربدر 10 به توان 9 برحسب نیوتون متر مربع بر سانتیمتر مربع می باشد. که بصورت زیر نوشته می شود.

اگر به هنگام محاسبه، بار مثبت را با علامت مثبت و بار منفی را با علامت منفی نشان دهیم، نیروی دافعه بین دو بار همنام با علامت مثبت و نیروی جاذبه بین دو بار غیر همنام با

مثال 2: دو بار الکتریکی مثبت یک کولنی در فاصله یک کیلومتر از یک دیگر قرار دارند. مقدار نیروی وارد بر هر دو بار چند نیوتون است؟

کولن (1806 – 1736)

کولن دانشمند فرانسوی در ابتدا در رشته مهندسی ارتش خدمت می کرد. در سال 1789 از ارتش استعفا کرد و به امور علمی و تحقیقی پرداخت.

کولن در الکتریسیته موفق به کشف قانون جاذبه و دافعۀ الکتریکی شد.

دنیای علم به پاس خدمات کولن واحد مقدار الکتریسیته را کولن نامید .

1-8 شدت میدان الکتریکی

نیرویی که در یک میدان الکتریکی بر واحد بار مثبت الکتریکی واقع در هر نقطه از این میدان وارد می شود، شدت میدان الکتریکی در آن نقطه نام دارد و آن را با E نمایش می دهند. اگر بار مثبت qدر نقطه ای معین از میدان الکتریکی واقع شود و بر آن نیروی F اثر کند، شدت میدان الکتریکی از رابطه زیر قابل محاسبه است:

واحد شدت میدان الکتریکی، نیوتون بر کولن است.

1-9 تبدیل واحد ها به یکدیگر

همان گونه که اشاره شد، کمیت های الکتریکی جریان (I)، ولتاژ (V) و مقاومت (R) به ترتیب دارای واحدهای آمپر (A)، ولت (V)، و اهم (Ω) هستند.

این واحد ها در مقیاس های کوچک تر یا بزرگ تر از واحد اصلی خود نیز به کار می روند.

جدول 1- 1 چگونگی تبدیل این واحد ها را به یکدیگر نشان می دهد.

مثال3: شدت جریان عبوری از یک سیم 05/0 آمپر است. این جریان معادل چند میلی آمپر است.

نکته ی مهم : هنگام ضرب اعداد با پایه های یکسان، نمادهای مثبت و یا منفی آن ها با هم جمع می شوند.

مثال 4 : شدت جریان 2/ 0 میلی آمپر معادل چند میکرو آمپر است؟

مثال 5 : شدت جریان 10 میکرو آمپر معادل چند آمپر است؟

نکته ی مهم : اگر عدد موجود در نمای ده مثبت باشد، به تعداد آن در مقابل عدد 5، صفر میگذاریم (5×103=5000) و اگر منفی باشد به تعداد آن از سمت راست عدد پنج شمرده و سپس ممیز میگذاریم.

1-10 مدار الکتریکی

مسیر عبور جریان الکتریکی را «مدار الکتریکی » می نامند. اجزای اصلی یک مدار الکتریکی ساده عبارتند از :

در شکل زیر یک مدار الکتریکی ساده نشان داده شده است.

نکته مهم : توجه داشته باشید که زمانی در یک مدار جریان برقرار میشود که مدار بسته باشد و اگر با وجود منبع انرژی در مدار جریان برقرار نباشد می گوییم مدار باز است .

2-10 قانون اهم

رابطه بین مقاومت، شدت جریان و اختلاف پتانسیل را نخستین بار فیزیکدان آلمانی به نام اهم بیان کرد. بر اساس قانون اهم، مقدار مقاومت نسبت مستقیم با ولتاژ و نسبت معکوس با جریان دارد.

در رابطه قانون اهم، مقدار ولتاژ بر حسب ولت، جریان بر حسب آمپر و مقاومت بر حسب اهم است. به عبارت دیگر در یک مدار، اگر ولتاژ ثابت باشد، هر قدر مقدار مقاومت بیش تر شود، مقدار جریان عبوری از آن کم تر میشود.

رابطه قانون اهم را به سه صورت شکل زیر می توانیم بنویسیم.

در مداری که اختلاف پتانسیل یک ولت بین دو سر مقاومت یک اهمی برقرار باشد؛ جریانی با شدت یک آمپر از مدار میگذرد، شکل زیر:

با 2 برابر شدن ولتاژ (اختالف پتانسیل) و ثابت ماندن مقاومت، شدت جریان 2 برابر میشود، شکل زیر:

اگر اختلاف پتانسیل دو سر مدار را نصف کنیم مقدار جریان نصف میشود.

با 2 برابر شدن مقاومت جریان نصف میشود ، شکل زیر:

مثال 10 : به دو سر یک مقاومت Ω 100 یک ولتاژ 10 ولت اعمال می کنیم، جریان گذرنده از مدار چند آمپر است؟

حاصل ضرب ولتاژ در جریان را توان الکتریکی می نامند و آن را با حرف P نشان می دهند:

واحد توان الکتریکی وات است که آن را با حرف W نشان می دهند. واحد های کوچک تر از وات، میلی وات ( یک هزارم ) وات و میکرو وات، یک میلیونیوم وات است.

واحد های بزرگ تر از وات را کیلو وات (هزار وات) و مگا وات ( یک میلیون وات ) می نامند.

P ، حرف اول کلمه Power به معنی توان است. توان تلف شده در دو سر یک مقاومت اهمی از رابطه زیر به دست می آید:

مثال 11 : از یک مقاومت 10 اهمی، جریانی برابر با 2 آمپر عبور می کند. چه مقدار توان در مقاومت تلف میشود؟

مثال 12 : توان یک لامپ 100 وات و ولتاژ کار آن 220 ولت است، این لامپ چه مقدار جریان از شبکه دریافت می کند؟

مثال 13 : توان تلف شده در دو سر یک مقاومت برابر با 20 وات است. اگر ولتاژ دو سر مقاومت 10 ولت باشد مقدار مقاومت چند اهم است؟

توان الکتریکی را با دستگاهی به نام وات متر اندازه می گیرند.

سوال: از یک مقاومت 100 اهمی، جریانی برابر با 1/ 0 آمپر عبور می کند. چه مقدار توان در مقاومت تلف میشود؟

1-11-2 انرژی الکتریکی

همان طور که می دانید منبع تغذیه الکتریکی مانند برق شهر یا باتری، انرژی مورد نیاز وسایل الکتریکی را تامین می کند.

وقتی یک اطوی برقی را به برق وصل می کنید، اطو انرژی الکتریکی را از شبکه برق دریافت می کند و آن را به انرژی حرارتی تبدیل می نماید. هر قدر مدت زمان وصل اطوی برقی به شبکه بیشتر باشد، گرمای بی شتری در اطو تلف میشود و انرژی بی شتری را از شبکه برق دریافت می کند. پس انرژی مصرفی رابطه مستقیم با زمان دارد و به صورت رابطه زیر تعریف میشود:

واحد انرژی الکتریکی، وات-ثانیه یا ژول است. یک ژول عبارت است از تلفات توان یک وات در مدت یک ثانیه. واحد بزرگ تر و کاربردی تر انرژی، کیلو وات ساعت است. هر کیلو وات برابر 1000 وات و هر کیلو وات ساعت برابر با 1000 وات ساعت است. معمول ترین دستگاه برای اندازه گیری انرژی الکتریکی، کنتور برق است.

کنتور برق دستگاهی است که انرژی مصرفی منازل یا کارخانجات را بر حسب کیلو وات ساعت اندازه گیری می کند.

مثال 14 : یک لامپ 100 وات را به مدت 5 دقیقه روشن می کنیم. این لامپ چند ژول انرژی مصرف کرده است؟

سوال: اگر 5 لامپ 100 واتی روزانه 5 ساعت روشن باشد، در صورتی که قیمت هر کیلو وات ساعت 100 ریال باشد ، هزینه ی انرژی مصرف کننده ها در یک ماه چه قدر است؟