الکتریسیته
الکتریسیته، برگرفته شده از کلمه یونانی: ήλεκτρον ، اثری است که به دلیل موجودیت بار الکتریکی پدید میآید و همراه با مغناطیس یکی از نیروهای پایه در فیزیک به نام الکترومغناطیس را تشکیل می‌دهد.
مفاهیم اصلی
پتانسیل الکتریکی
جریان الکتریکی
میدان الکتریکی
انرژی الکتریکی
بار الکتریکی
مدار الکتریکی
ترانسفورماتور
تاریخچه
تاریخ الکتریسیته به ایران و بین‌النهرین باستان در دوره اشکانیان برمی‌گردد و اولین باطری اختراع شده را به اشکانیان نسبت میدهند که به خاطر محل یافتش به باطری بغدادی شهرت گرفته است.[1]
الکتریسیته امروزی، توانایی‌های خودش را بیشتر مدیون زحمات فیزیکدانانی همچون، الساندر ولت، آندره آمپر، نیکلا تسلا، جرج سیمون اهم، مایکل فارادی و توماس ادیسون (به عنوان مخترع) است
خواص خطوط میدان الکتریکی
خواص عمده خطوط میدان الکتریکی در مسائل الکترواستاتیک:
به خاطر اینک میدان الکتریکی در هر نقطه از فضا وجود دارد، در هر نقطه از فضا همواره می توان یک خط میدان کشید.
برای توزیع بار های اکتریکی معلوم ، در هر نقطه میدان الکتریکی دارای بزرگی و راستای کاملا مشخصی است. به این معنا که در هر نقطه خط نیروی الکتریکی را فقط می توان در یک راستای معین یعنی بصورت تک خط کشید. به بیان دیگر خط های نیرو همدیگر را قطع نمی کنند.
خط های نیرو ممکن است تنها در بار نقطه ای یکدیگر را قطع کنند.
خط های نیرو از بار مثبت (نقطه شروع خط های میدان) خارج و به بار منفی (انتهای خطوط نیرو) نزدیک می شوند. خط های میدان الکتریکی در هیچ نقطه ای به جز بار الکتریکی پایان نمی پذیرند (ختم خطوط میدان بر سطوح هادی ها به این دلیل است که بارها در سطوح هادی ها توزیع یافته اند). آنها از بار مثبت به سوی بار منفی اند و می توانند از میان نارسانا ها عبور کنند.
چون در داخل رساناها میدان الکتریکی وجود ندارد (صفر است)، بارهای آنها در حالت تعادل به سر می برند. در داخل رساناها خط میدان الکتریکی وجود ندارد. به عبارتی خط های میدان الکتریکی از داخل رسانا ها عبور نمی کنند. و این خطوط از سطح رسانا ها شروع و به سطحشان ختم می شوند.
چون بارهای الکتریکی نقطه شروع و پایان خطوط میدان الکتریکی هستند، بارهای مثبت روی سطوحی واقع اند که خط میدان شروع می شود. در حالیکه بار های منفی روی سطوحی قراردارند، که خط میدان پایان می پذیرند.
خطوط میدان الکتریکی بر سطح رسانا عمودند:
بدیهی است خطوط میدان الکتریکی راستای نیرو های وارد بر بار را نشان می دهند. اگر این خطوط با سطح رسانا زاویه ای داشته باشند نیرو مؤلفه ای روی سطح خواهد داشت. در این صورت بارها با این مولفه روی سطح جابه جا خواهند شد. از این رو ترازمندی بارهای الکتریکی فقط هنگامی ممکن است. که خطوط میدان در امتداد عمود بر سطح رسانا ی مورد نظر باشند.
پتانسیل الکتریکی در رساناها:
چون داخل هر رسانا میدان الکتریکی صفر است، به عبارتی خطوط میدانی وجود ندارد. بنابر این بین هر دو نقطه از رسانا اختلاف پتاسیل الکتریکی صفر است. بر طبق رابطه زیر: E=U/d بنابراین U=Ed که در آن E میدان الکتریکی ، d فاصله نقطه میدان از مبدا و U اختلاف پتاسیل الکتریکی می باشد. این گفته در تمام نقاط روی رسانا نیز صدق می کند.
در نتیجه سطح رسانا سطح هم پتاسیل است. سطوح تک تک رساناها، سطوح هم پتاسیل است اما احتمال دارد بین دو سطح رسانای مستقل از هم اختلاف پتاسیل وجود داشته باشد.
شار الکتریکی
تعداد خطوط میدان الکتریکی که از سطح عمود بر مسیر خطوط عبور میکنند، را شار الکتریکی میگویند. شار یکی از خواص تمام میدانهای برداری است که آن را برای میدان الکتریکی به صورت تعریف میکنند.
مقدمه
فرض کنید یک حلقه سیم چهار گوش را در جهت جریان آب طوری قرار داده‌ایم که صفحه حلقه بر راستای جریان آب عمود است. اگر مساحت حلقه را A و سرعت جریان آب را با v نشان دهیم، در این صورت آهنگ شارش آب از درون حلقه را که با Ф نشان میدهند، به صورت Ф=Av تعریف می‌‌شود. Ф را شار میگویند.
اگر حلقه بر راستای جریان آب عمود نبوده، بلکه با بردار سرعت جریان آب زاویه θ بسازد، در این صورت شار به صورت Ф=BAcosθ در میآید. عین همین قضیه در مورد میدان الکتریکی نیز برقرار است. از الکترواستاتیک میدانیم که میدان الکتریکی حاصل از یک توزیع بار بوسیله خطوطی که به عنوان خطوط نیرو معروف هستند، نشان داده می‌‌شود. بنابراین در هر ناحیه اگر یک سطح بسته فرضی در نظر بگیریم، این سطح بوسیله یک بردار عمود بر آن مشخص میگردد. این بردار را بردار نرمال میگویند.
بنابراین اگر خطوط نیرو با بردار نرمال زاویه θ بسازند و مساحت سطح برابر A باشد، در این صورت کافی است میدان حاصل از تعداد خطوط نیرو موجود در داخل سطح را در مساحت سطح ضرب کنیم. این کار را با استفاده از انتگرال انجام میدهند، یعنی سطح را به المانهای کوچک سطح dA تقسیم میکنند. المانها چون به اندازه دلخواه کوچک انتخاب می‌‌شوند، بنابراین می‌‌توان میدان الکتریکی را در داخل المان سطح dA ثابت فرض کرد. بنابراین اگر هر المان را در E موجود در داخل آن ضرب کرده و سهم مربوط به تمام المانها را جمع کنیم، شار الکتریکی حاصل می‌‌شود و این همان تعریف انتگرال است، یعنی به زبان ریاضی می‌‌توان گفت:
مثال
فرض کنید در یک میدان الکتریکی یکنواخت E ، یک استوانه طوری قرار داده شده است که محور استوانه با میدان موازی است. سطح استوانه را می‌‌توان به سه سطح مجزا تقسیم نموده و شار مربوط به هر کدام را مجزا حساب نموده و نتیجه را با هم جمع کرد. در طرفین استوانه ، در یک طرف جهت میدان و جهت بردار عمود بر سطح در یک راستا و هم جهت هستند، بنابراین اگر مساحت آن را با A نشان دهیم، چون میدان الکتریکی یکنواخت است، لذا سهم شار مربوط به این سطح برابر EA خواهد بود.
اما در قاعده دیگر استوانه ، جهت میدان و جهت بردار عمود بر سطح با هم زاویه 180 درجه می‌‌سازند. لذا اگر مساحت آن A باشد، شار آن برابر EA- خواهد بود و بالاخره در مورد سطح جانبی استوانه بردار عمود بر سطح و میدان الکتریکی بر هم عمودند، لذا سهم شار مربوط به سطح جانبی صفر خواهد شد. به این ترتیب شار الکتریکی کل که از سطح استوانه می‌‌گذرد، صفر خواهد بود. این مساله تعجب آور نیست، چون خطوط نیرو از یک طرف وارد و از طرف دیگر خارج می‌‌شوند و اصلا از سطح جانبی شاری عبور نمی‌‌کند.