الکتریسیته ی ساکن

الکتریسیته به دو شکل ساکن و جاری تعریف می‌شود. در مرحله‌ی اول باید با الکتریسیته ی ساکن و روش به وجود آمدن آن آشنا شد. شناخت الکتریسیته ی ساکن از بررسی مواد و اجزای تشکیل دهنده‌ی آن‌ها آغاز می شود. هر چیزی را که بتوان دید، احساس کرده و یا به کار برد، ماده نام دارد. ماده‌ها از ترکیب عناصر ساخته شده اند ولی از نظر خواص هیچ شباهتی به آن‌ها ندارند. مولکول کوچک‌ترین عضو ماده است که خواص آن را دارد. در صورت تقسیم مولکول، به عناصر سازنده‌ی ماده خواهیم رسید.

اتم

عنصر از بخش‌های کوچکتری بنام اتم تشکیل شده است. اتم، کوچکترین عضو یک عنصر است که خاصیت آن را دارد. هر اتم از سه قسمت پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده است. پروتون و نوترون در هسته‌ی اتم قرار دارند. الکترون‌ها در مدارهای خارجی و به دور هسته در گردش می‌باشند. در تصویر یک اتم کربن به همراه هسته و الکترون‌های آن را مشاهده می کنید. اتم کربن از 6 پروتون، 6 نوترون و 6 الکترون تشکیل شده است. در ادامه اجزای تشکیل دهنده‌ی اتم بیشتر بررسی شده اند.

تصویر 1: اجزای تشکیل دهنده ی اتم

پروتون

پروتون در هسته‌ی اتم وجود داشته و در انتقال انرژی الکتریکی نقش مهمی ندارد. پروتون با بار مثبت و جهت خطوط نیرو به سمت بیرون نمایش داده می‌شود. در تصویر محل قرارگیری پروتون و خطوط نیروی آن را مشاهده می‌کنید.

تصویر 2: پروتون

نوترون

نوترون در هسته‌ی اتم قرار داشته و از نظر الکتریکی خنثی است. در صورت تجزیه‌ی نوترون، یک پروتون و یک الکترون حاصل خواهد شد. با توجه به خنثی بودن نوترون می توان گفت که هسته‌ی اتم همواره مثبت است.

الکترون

الکترون در مدارهای خاصی به دور هسته در حال گردش است. الکترون ها از نظر الکتریکی منفی بوده و خطوط نیرو از همه سمت به آن ها وارد می‌شود. قطر الکترون سه برابر یک پروتون است ولی جرم آن 1840 برابر کوچک‌تر می‌باشد. انرژی الکتریکی به دو دلیل به الکترون‌ها وابسته است:

• جرم کم
• سادگی جدا شدن از ساختمان اتم

تصویر 3: الکترون

نظریه الکترونی

الکترون‌ها با سرعت زیادی در مدار خود به دور هسته‌ی اتم در حال گردش هستند. سرعت زیاد الکترون باعث تولید نیروی گریز از مرکز می‌شود. در این حالت فقط نیروی هسته آن ها را در مدار خود نگه می‌دارد. در تصویر تقابل دو نیروی جاذبه‌ی هسته و گریز از مرکز را مشاهده می‌کنید. در صورت اعمال یک نیروی خارجی به اتم می‌توان الکترون را از قید هسته جدا کرد.

تصویر 4: نیروی های وارده به الکترون و آزاد کردن آن از قید هسته

لایه های اتم

نیروی مورد نیاز برای جدا شدن الکترون از هسته به تعداد لایه‌ها و تعداد الکترون‌های اتم بستگی دارد. اتم تمام عناصر می‌توانند تا 7 لایه داشته باشند. در قسمت قبل شرح داده شد که الکترون ها منفی بوده و جذب نیروی مثبت موجود در هسته می‌شوند. هرچه لایه های اتم به هسته نزدیک تر باشد، الکترون ها تحت تاثیر نیروی بیشتری خواهند بود. به عبارت ساده‌تر، الکترون های موجود در لایه های نزدیک به هسته نیاز به نیروی شدیدتری برای آزاد شدن دارند.

بار منفی الکترون ها یکسان است ولی همه‌ی آن ها انرژی برابری ندارند. الکترون های نزدیک به هسته در مقایسه با الکترون های مدارهای دورتر، انرژی کمتری دارند. هرچه الکترون از هسته‌ی اتم دورتر باشد، انرژی آن بیشتر خواهد بود. در تصویر به ترتیب از سمت راست لایه های عناصر مس، کربن و هیدروژن را مشاهده می‌کنید. هیدروژن تنها یک لایه و یک الکترون دارد.

تصویر 5: لایه های عناصر مختلف از سمت راست مس، کربن و هیدروژن

با افزایش تعداد الکترون ها، تعداد مدارهای اطراف اتم نیز بیشتر می‌شود. مسیر چرخش الکترون ها به دور هسته را لایه یا Shell می‌نامند. هر لایه یا شل می‌تواند تعداد معینی الکترون را در خود جای دهد. نزدیک‌ترین لایه به هسته نمی تواند بیش از 2 الکترون داشته باشد. لایه ی دوم حداکثر 8 الکترون، لایه ی سوم حداکثر 18 الکترون و لایه ی چهارم حداکثر 32 الکترون خواهد‌‌‌ داشت. این روند با رابطه ی \(2n^2\) تکرار می‌شود. N در این رابطه معرف شماره‌ی لایه است. در تصویر حداکثر الکترون ها در لایه های 1 تا 3 را مشاهده می‌کنید.

 

تصویر 6: حداکثر الکترون های موجود در لایه های 1 تا 3

لایه ی والانس

آخرین لایه‌ی یک اتم با عنوان والانس شناخته می‌شود. لایه ی آخر یا والانس حداکثر 8 الکترون خواهد داشت. الکترون های موجود در آخرین لایه نیز با عنوان الکترون والانس معرفی می‌شوند. در تصویر لایه ی والانس با یک الکترون والانس را مشاهده می‌کنید. این الکترون از هسته دور بوده و انرژی بیشتری در مقایسه با دیگر الکترون های اتم دارد.

تصویر 7: لایه ی والانس و الکترون والانس

اعمال نیروی کافی به الکترون باعث جابجایی آن خواهد شد. این نیرو می‌تواند الکترون ها را از مدار خود خارج کرده و به لایه های بالاتر منتقل کند. همانطور که شرح داده شد، لایه ی والانس آخرین لایه ی اتم است. در صورتی که به الکترون والانس نیروی کافی اعمال شود، از مدار خود خارج شده و تبدیل به الکترون آزاد می‌شود. الکتریسیته با آزاد شدن الکترون ها از قید هسته و تبدیل آن ها به الکترون آزاد تولید می‌شود. لایه ی والانس حداکثر تا 8 الکترون خواهد داشت. نیروی اعمال شده به لایه ی والانس بین الکترون های آن تقسیم می شود. در صورت کمتر بودن الکترون های لایه ی والانس، نیروی بیشتری به آن ها خواهد رسید.

تصویر 8: تقسیم شدن نیروی اعمالی به لایه ی والانس بین الکترون های موجود در آن

الکترون های لایه ی والانس بعلت دور بودن از هسته و داشتن انرژی بالا، به آسانی از قید هسته جدا می شوند. هرچقدر تعداد این الکترون ها کمتر باشد، آزاد کردن آن ها ساده تر خواهد بود. مواد با توجه به تعداد الکترون های لایه ی والانس به سه گروه هادی، عایق و نیمه هادی تقسیم می‌شوند.

هادی

لایه ی والانس حداکثر می تواند 8 الکترون داشته باشد. نیروی اعمال شده به لایه ی والانس بین تمام الکترون های موجود در این لایه تقسیم می‌شود. هرچقدر تعداد الکترون های لایه ی والانس کمتر باشد، آزاد کردن آن ها از قید هسته راحت‌تر خواهد بود. آزاد کردن راحت‌تر الکترون ها از قید هسته به معنی انرژی مورد نیاز کمتر و سهولت در جابجایی الکترون ها است. ماده ای که الکترون های آن به سادگی از قید هسته جدا شوند را هادی می‌نامند. اتم های یک هادی خوب فقط 1 یا 2 الکترون والانس دارند. فلزها در مقایسه با اجسام دیگر، هادی های بهتری هستند. نقره، مس و طلا فقط یک الکترون والانس داشته و از بهترین هادی های الکتریکی محسوب می‌شوند. نقره در مقایسه با فلزهای دیگر بسیار ایده آل است. نقره در مقدار معینی از ماده دارای اتم های بیشتری نسبت به مس و طلا است. به عبارت ساده‌تر، نقره قدرت آزاد سازی الکترون های بیشتری را دارد.

تصویر 9: مقایسه ی نقره، مس و طلا

عایق

عایق ماده ای است که در برابر جاری شدن الکترون ها به شدت مقاومت می‌کند. لایه‌ی والانس این مواد دارای 4 تا 8 الکترون است. بیشتر بودن تعداد الکترون ها به معنی مقاومت کردن بیشتر آن ها در برابر آزاد شدن است. در نظر داشته باشید که آزاد کردن الکترون های والانس بیشتر، به نیروی شدیدتری نیاز دارد. عایق ها دارای 7 الکترون والانس هستند. اتم های این مواد می‌کوشند تا لایه ی آخر خود را کامل کنند. در تصویر یک اتم با 7 الکترون را مشاهده می‌کنید. این اتم با دریافت یک الکترون دیگر، لایه ی والانس خود را کامل می‌کند.

تصویر 10: اتم با 7 الکترون والانس یک عایق خوب محسوب می شود.

نیمه هادی

بین تقسیم بندی هادی و عایق از نظر تعداد الکترون های آزاد یک گروه دیگر نیز تعریف می‌شود. هادی های خوب کمتر از 4 الکترون در لایه ی والانس خود دارند. از طرفی عایق خوب دارای بیش از 4 الکترون در لایه ی والانس است. اگر اتم های یک ماده دارای 4 الکترون در لایه ی والانس باشد، می‌تواند به هادی یا عایق تبدیل شود. این مواد اصطلاحا نیمه هادی نام داشته و در صنایع الکترونیک استفاده می‌شوند. اتم نیمه هادی با کاهش الکترون به هادی و با افزایش آن به عایق تغییر می‌کند.

اتم های باردار

به صورت طبیعی تعداد الکترون ها و پروتون های هر اتم با یکدیگر مساوی است. در این حالت مجموع بارهای منفی و مثبت یکسان بوده و اتم از نظر الکتریکی خنثی است. اگر تعداد الکترون های اتم کمتر از تعداد پروتون های آن باشد، یون مثبت ایجاد می‌شود. این حالت به صورت عکس نیز صادق است. اگر تعداد الکترون های اتم از تعداد پروتون های آن بیشتر باشد، اتم دارای بار منفی خواهد بود. حالت های خنثی، یون مثبت و یون منفی را در تصویر مشاهده می‌کنید.

تصویر 11: حالت های مختلف اتم از سمت راست یون منفی، یون مثبت و خنثی

باردار شدن اجسام با تغییر در الکترون های اتم تعریف می‌شود. به عبارت ساده تر یک اتم خنثی می تواند الکترون از دست داده و یا جذب کند. باردار شدن اجسام از طریق اصطکاک، تماس و القا صورت می‌گیرد.

بارهای الکترواستاتیک

پروتون دارای بار مثبت و الکترون دارای بار منفی است. طبق قانون بارهای الکتریکی، ذرات هم نام یکدیگر را دفع و ذرات غیر هم نام یکدیگر را جذب می‌کنند. قانون بارهای الکتریکی در خصوص پروتون های موجود در هسته صدق نمی‌کند. نیروی جاذبه ی درون هسته از نیروی دافعه ی پروتون ها قوی تر بوده و مانع از هم پاشیده شدن هسته می‌شود. در تصویر حالت های دفع دو بار منفی، دفع دوبار مثبت و جذب بارهای غیر همنام را مشاهده می‌کنید.

تصویر 12: دفع بارهای همنام و جذب بارهای غیر هم نام

اختلاف پتانسیل

اگر یک جسم رسانا با بار الکتریکی منفی به زمین متصل شود، الکترون های آن به زمین منتقل خواهند شد. اگر یک جسم رسانا با بار الکتریکی مثبت به زمین متصل شود، تعدادی الکترون از زمین به آن منتقل می‌گردد. حرکت الکترون ها یا انتقال الکتریسیته بعلت وجود اختلاف پتانسیل است. اختلاف پتانسیل عامل یا شرطی برای جاری شدن الکتریسته از نقطه ای به نقطه ی دیگر است. اختلاف پتانسیل را می‌توان با اختلاف دما یا اختلاف سطح مایع مقایسه کرد.

تصویر 13: انتقال دما و انتقال سطح مایع مانند اختلاف پتانسیل هستند.

زمین و پتانسیل صفر

در اندازه گیری پتانسیل الکتریکی باید یک مبدا مقایسه ای مناسب با پتانسیل صفر انتخاب شود. زمین به عنوان مبداء مقایسه ای با پتانسیل صفر در نظر گرفته می‌شود. این انتخاب برای سادگی کار انجام شده و به معنی نبود بار الکتریکی در زمین نیست. در حقیقت زمین دارای بار منفی بوده ولی اندازه ی آن بسیار بزرگ است. بزرگی زمین باعث شده تا دادن بار یا دریافت بار از آن در پتانسیل تغییری ایجاد نکند.

تصویر 14: دریافت بار الکتریکی از زمین و انتقال بار الکتریکی به آن

پتانسیل یک جسم باردار

پتانسیل اجسام باردار نسبت به زمین سنجیده می‌شود. هنگام اتصال یک جسم باردار به زمین ممکن است یکی از حالت‌‎‌های زیر رخ دهد:

• انتقال الکترون ها از سمت زمین به جسم: جسم دارای بار مثبت است.
• انتقال الکترون ها از سمت جسم به زمین: جسم دارای بار منفی است.

اندازه‌ی پتانسیل الکتریکی یک جسم باردار با U نمایش داده می‌شود. اندازه‌ی پتانسیل الکتریکی معرف کاری است که باید انجام شود تا واحد بار الکتریکی مثبت از زمین به جسم منتقل شود. واحد پتانسیل الکتریکی ولت است. اگر برای انتقال بار مثبت q به کار w نیاز باشد، پتانسیل برابر با \(U=\frac{W}{q}\) خواهد بود.

اختلاف پتانسیل بین دو جسم باردار V1 و V2 به معنی انرژی‌ای است که باید صرف شود تا واحد بار الکتریکی مثبت از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود. اختلاف پتانسیل بین این دو جسم به صورت \(U=V2-V1\) نمایش داده می‌شود. به عنوان مثال اختلاف پتانسیل بین دو قطب باتری 12 ولتی خودرو را در نظر بگیرید. در این حالت برای انتقال یک کولن از یک قطب به قطب دیگر باتری، باید معادل 12 ژول انرژی مصرف یا آزاد شود. اگر قطب منفی باتری به زمین متصل شود، پتانسیل آن صفر و پتانسیل قطب دیگر 12+ خواهد بود. اگر قطب مثبت باتری به زمین متصل شود، پتانسیل آن صفر و پتانسیل قطب دیگر 12- می شود.

خطرات الکتریسیته ساکن

موارد مطرح شده در ایجاد یا تولید الکتریسیته ی ساکن نقش دارند. الکتریسیته ی ساکن می تواند می تواند باعث آتش‌سوزی و صدمات جبران ناپذیری شود. از خطرات مهم الکتریسیته ی ساکن می توان به صاعقه یا تخلیه در محل های با غبار و موارد قابل اشتعال اشاره کرد. برای جلوگیری از این خطرات می توان تمهیدات ویژه ای مانند صاعقه گیر، اتصال زمین، سطح های ضد الکتریسیته ی ساکن و غیره در نظر گرفت.

الکتریسیته ساکن در صنعت

از الکتریسیته ی ساکن در صنایع و سیستم های بهداشتی نیز استفاده می‌شود. به عنوان مثال خطوط رنگ یا عملکرد ماشین های چاپ، فتوکپی و غیره را در نظر بگیرید. در این تجهیزات از الکتریسیته ی ساکن استفاده می‌شود.

این وب سایت دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد اطلاعات آن غیرمجاز است. لطفا در صورت مشاهده هرگونه سوء استفاده ما را مطلع کنید.