۱۳۸۹ اسفند ۸, یکشنبه
مبانی برق
ولتاژ بین دو نقطه، نیروی الکتریکی است که جریان الکتریکی را بین آن دو نقطه برقرار می‌سازد. به عبارت دیگر ولتاژ برابر با انرژی بر واحد بار الکتریکی است. [۱] برای میدان الکترواستاتیک، ولتاژ معادل با اختلاف پتانسیل الکتریکی است، ولی در حالت کلی که میدان الکتریکی و مغناطیسی با زمان تغییر می‌کنند این دو معادل یکدیگر نیستند.[۲]
اختلاف پتانسیل برقی (الکتریکی) یا ولتاژ عبارت است از مقدار کار لازم برای جابه‌جا کردن واحد بار از نقطه‌ای به نقطهٔ دیگر: V=W/qیکای آن در دستگاه بین‌المللی یکاها برابر است با ولت (V) یا ژول بر کولن (j/c). یکای پایه‌اش نیز است کیلوگرم در مجذور متر، بر مجذور ثانیه در کولن (/s2Kg.m2)
[] ارتباط ولتاژ با میدان الکتریکی
کار انجام شده برای بار Q عبارتست از: میدان الکتریکی پیرامون × مقدار بار × فاصله : V=W/Q ٌٌٌW=F.d F=E.Q W=E.Q.d V=E.Q.d/Q V=E.d واحد میدان الکتریکی ولت بر متر است(V/m). توضیح آنکه در تعریف ولتاژ، مقدار کار خود به خودی لحاظ نمی‌شود. مثلاً اگر برای جابجایی بار q کار w خود به خود انجام شود، بایستی در تعریف آن مقدار کار w- را لحاظ کرد.
جریان الکتریکی
جریان الکتریکی به صورت نرخ تغییر بار الکتریکی نسبت به زمان تعریف شده و با نماد I نشان داده میشود. این رابطه را با مشتقات جزیی (کلی‌ترین حالت) به صورت زیر نشان می‌دهیم:
جهت قراردادی جریان از ابتدا در جهت عبور بارهای مثبت تعریف شده است. هرچند می‌دانیم که در صورت داشتن رسانای فلزی، جریان الکتریسته، ناشی از عبور بارهای منفی، یعنی الکترون‌ها، (در خلاف جهت جریان) است.
[] مشخصات جریان الکتریکی
یک سیم معمولی برای هدایت الکتریسیته، سیم مسی به هم بافته شده است
از نظر تاریخی نماد جریان I، از واژه آلمانی Intensität که به معنی شدت است، گرفته شده است. واحد جریان الکتریکی در دستگاه SI، آمپر است. به همین علت بعضی اوقات جریان الکتریکی بطور غیر رسمی و به دلیل همانندی با واژه ولتاژ، آمپراژ خوانده میشود.
[] شدت جریان در نقاط گوناگون یک رسانا
شدت جریان در هر سطح مقطع از رسانا مقدار ثابتی است و بستگی به مساحت مقطع ندارد. مانند این که مقدار آبی که در هر سطح مقطع از لوله عبور می‌کند، همواره در واحد زمان همه جا مساوی است، حتی اگر سطح مقطع‌ها مختلف باشد. ثابت بودن جریان الکتریسیته از این امر ناشی میشود که بار الکتریکی در هادی حفظ میشود. در هیچ نقطه‌ای بار الکتریکی نمی‌تواند روی هم متراکم شود و یا از رسانا بیرون ریخته شود. به عبارت دیگر در هادی چشمه یا چاهی برای بار الکتریکی وجود ندارد.[] سرعت رانش
شکل بالا نماد کاری جریان قراردادی را نشان می‌دهد. بار الکتریکی از بخش مثبت به بخش منفی میرود
میدان الکتریکی که بر روی الکترون‌های هادی اثر می‌کند، هیچ گونه شتاب برآیندی ایجاد نمی‌کند. چون الکترون‌ها پیوسته با یون‌های هادی برخورد می‌کنند. لذا انرژی حاصل از شتاب الکترون‌ها به انرژی نوسانی شبکه تبدیل میشود و الکترون‌ها سرعت جریان متوسط ثابتی (سرعت رانش) در راستای خلاف جهت میدان الکتریکی به‌دست می‌آورند. پیوستگی جریان الکتریکی در مدارهای الکتریکی، قانون جریان کیرشهف نامیده میشود.
[] اشکال مختلف جریان الکتریکی
در رساناهای فلزی، مانند سیم‌ها، جریان ناشی از عبور الکترون‌ها است، اما این امر در مورد اکثر رساناهای غیرفلزی صادق نیست. جریان الکتریکی در الکترولیت‌ها، عبور اتم‌های باردار شده به صورت الکتریکی (یون‌ها) است، که در هر دو نوع مثبت و منفی وجود دارند. برای مثال، یک پیل الکتروشیمیایی ممکن است با آب نمک (محلولی از کلرید سدیم) در یک طرف غشا و آب خالص در طرف دیگر ساخته شود. غشا به یون‌های مثبت سدیم اجازه عبور می‌دهد، اما به یون‌های منفی کلر این اجازه را نمی‌دهد. بنابراین یک جریان خالص ایجاد میشود.طبق قانون آمپر، جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی تولید می‌کند
جریان الکتریکی در پلاسما عبور الکترون‌ها، مانند یون‌های مثبت و منفی است. در آب یخ زده و در برخی از الکترولیت‌های جامد، عبور پروتون‌ها، جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. نمونه‌هایی هم وجود دارد که علیرغم اینکه در آن‌ها، الکترون‌ها بارهایی هستند که از نظر فیزیکی حرکت می‌کنند، اما تصور جریان مانند «حفره»های مثبت متحرک (نقاطی که برای خنثی شدن از نظر الکتریکی نیاز به یک الکترون دارند)، قابل فهم‌تر است. این شرایطی است که در یک نیم‌رسانای نوع p وجود دارد.
[] اندازه‌گیری جریان الکتریکی
شدت جریان الکتریکی را می‌توان مستقیماً با گالوانومتر اندازه‌گیری کرد. اما این روش نیاز به قطع مدار دارد که گاهی مشکل یا نامطلوب است. جریان را می‌توان بدون قطع مدار و با اندازه گیری میدان مغناطیسی که جریان تولید می‌کند، محاسبه کرد. ابزارهای مورد نیاز برای این کار شامل حسگرهای اثر هال، کلمپ گیره‌های جریان و سیم پیچهای روگووسکی است.[] چگالی جریان
جریان I مشخصه هر رسانای بخصوصی است و این جریان یک کمیت ماکروسکوپی مانند جرم یا حجم جسم است. کمیت میکروسکوپی مربوط، چگالی جریان J است. J یک کمیت برداری است و بیشتر مشخصه نقطه‌ای در داخل رسانا است تا تمامی آن. هر گاه جریان در سرتاسر رسانایی با سطح مقطع A به طور یکنواخت توزیع شده باشد، بزرگی چگالی جریان برای تمام نقاط واقع بر روی مقطع عبارت است از: J = I/A. چگالی جریان الکتریکی توسط قانون اهم به میدان الکتریکی مربوط میشود:J = σE
توان الکتریکی
[] تئوری
مطابق قانون اهم، اختلاف پتانسیل دو سر یک مقاومت با رابطه V = RI داده میشود که در آن I شدت جریان است که از مقاومت می‌گذرد. از طرفی مقدار انرژی مصرفی در یک مقاومت از رابطه W = RI2T محاسبه میشود. توان مصرفی که عبارت است از مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده در این مقاومت در واحد زمان، از رابطهٔ زیر محاسبه میشود:حال اگر مقدار انرژی را از فرمولش در رابطه توان جایگذاری کنیم، روابط مربوط به توان به صورت زیر بدست می‌آید:
همچنین اگر در فرمول بالا به جای RI به توجه به قانون اهم، مقدار V را بگذاریم، فرمول دوم توان نیز بدست می‌آید:
رابطه دیگری نیز می‌توانیم برای توان بدست آوریم:
مقدار توان مصرفی در مقاومت را می‌توان از یکی از روابط بالا بدست آورد. این توان مصرفی توسط یک مولد به توان P = εI تامین میگردد که در آن ε نیروی محرکه منبع می‌باشد.
انرژی الکتریکی
چنانچه جریان الکتریکی از یک مقاومت عبور کند، انرژی الکنریکی به گرما تبدیل میشود. اگر جریان از یک وسیله برقی عبور کند، مقداری از انرژی الکتریکی به انواع دیگر انرژی تبدیل میگردد (و مقداری از آن همواره با تبدیل شدن به گرما هدر میرود). مقدار انرژی یک حریان الکتریکی به روشهای مخنلف قابل بیان است
در فرمول فوق U اختلاف پتانسیل الکتریکی بر حسب ولت است
بار الکتریکی
بار الکتریکی (q) از خواص بنیادین ماده است که به ذرات نسبت داده میشود.[] علامت بار الکتریکی
بار الکتریکی فقط به صورت مضارب صحیح مثبت و منفی از بار یک الکترون ( − e) وجود دارد:که در آن C، مخفف واحد بار، کولن می‌باشد.
منابع:westerman.blogfa.com
- ترمودینامیک مهندسی شیمی، موئلف : جی ام اسمیت، اچ سی ونس؛ ترجمه منصور کلباسی
- مركز فيزيك هوپا www.hupaa.com
چنگ، دیوید کئون. الکترومغناطیس میدان و امواج. ترجمهٔ پرویز جبه‌دار مارالانی و محمد قوامی. موسسه انتشارات و چاپ دانشگاه تهران. پاییز ۱۳۷۹. چاپ
اشتراک در:
پست‌ها (Atom)