الکتریسیته ، علوم چهارم

الکتریسیته (برق) چیست ؟

برق در هر جای زندگی ما نقش مهمی را بازی می کند. به کمک برق خانه های ما روشن می شود،

غذای ما پخته می شود ، کامپیوتر ، تلویزیون و سایر وسایل برقی ما به کار می افتد . برق باتری باعث حرکت ماشین و روشن شدن چراغ قوه می شود.

حال در اینجا از طریق آزمایشی می توانید به اهمیت برق پی ببرید. از مدرسه ، خانه یا آپارتمان خود شروع به پیاده روی کنید و کلیه وسایل و لوازم خانگی و ماشینهایی را که با برق کار می کنند را یادداشت کنید، سپس متعجب خواهید شد که تعداد زیادی از وسایل روزمرة ما بستگی به برق دارند.

اما برق یا الکتریسیته چیست ؟ از کجا می آید ؟ چگونه کار می کند ؟ قبل از اینکه همة اینها را بفهمیم باید اطلاعات کمی درباره اتمها و ساختمانشان داشته باشیم. کلیة مواد از اتمها ساخته شده و اتمها نیز از ذرات کوچکتر تشکیل شده اند. سه ذره اصلی سازنده اتم عبارتند از پروتون ، نوترون و الکترون.

همانگونه که ماه به دور زمین می چرخد ، الکترونها نیز به دور مرکز یا هستة اتم می چرخند. هسته، مجموعه ای از نوترونها و پروتونها می باشد.

الکترونها دارای بار منفی و پروتونها دارای بار مثبت هستند. نوترون ها خنثی می باشند، به عبارت دیگر نه دارای بار مثبت و نه منفی هستند.

در طبیعت اتمهای مختلفی وجود دارد به گونه ای که هر نوع عنصر دارای اتم خاص خودش است. یک اتم سازندة یک عنصر است. 118 عنصر مختلف شناخته شده وجود دارد. بعضی از عناصر، مثل اکسیژنی که تنفس می کنیم، برای زندگی ضروری هستند.

هر اتم از تعداد مشخصی الکترون ، پروتون و نوترون تشکیل شده است. اما تعداد ذرات یک اتم اهمیتی ندارد. معمولاًٌ تعداد الکترونها باید برابر تعداد پروتونها باشد. اگر تعداد آنها برابر باشد، اتم را خنثی می نامند که در این حالت اتم بسیار پایدار است.

بنابراین اگر اتمی دارای 6 پروتون باشد ، تعداد الکترونهای آن نیز باید 6 عدد باشد. عنصری که دارای 6 الکترون و 6 پروتون است کربن نامیده می شود. کربن به مقدار فراوانی در خورشید ، ستارگان ، ستاره های دنباله دار ، جو اکثر سیارات و در غذایی که می خوریم وجود دارد. زغال سنگ از کربن ساخته شده است ، و الماسها نیز همینطور . بعضی از انواع اتمها دارای الکترونهایی هستند که به خوبی به هم متصل نشده اند. اتمی که الکترون از دست می دهد، پروتونهایش بیش از الکترون بوده و دارای بار مثبت است. اتمی که الکترون می گیرد دارای ذرات منفی بیشتری بوده و بار منفی دارد.

یک اتم باردار را یون می نامند.

الکترونها را می توان از یک اتم به اتم دیگری حرکت داد. هنگامی که این الکترونها بین اتمها حرکت می کنند، برق یا جریان الکتریکی تولید می شود. حرکت الکترونها از یک اتم به اتم دیگر جریان نامیده می شود. در این حالت یک اتم، الکترون گرفته و دیگری الکترون از دست می دهد.

این زنجیره مشابه گروههای آتش نشانی در زمانهای قدیم است که به کمک سطل آتش را خاموش می کردند. اما به جای اینکه سطلی را از نقطة شروع به نقطة پایان برسانند ، هر شخصی می بایست سطلی از آب برای پرکردن از سطلی به سطل دیگر داشته باشد. بدین ترتیب مقدار زیادی آب از سطل بیرون می ریخت و آب کافی برای ریختن روی آتش وجود نداشت . عبور برق از یک سیم یا یک مدار مشابهت زیادی با آنچه که در بالا گفته شد دارد. هنگام عبور برق از سیم ، بار از یک اتم به اتم دیگر عبور می کند.

دانشمندان و مهندسان راههای زیادی را برای حرکت دادن الکترونها به خارج از اتمها یافته اند. به عبارت دیگر با اضافه نمودن الکترونها و پروتونها، به جای اینکه حالت خنثی برقرار شود، شما یک پروتون اضافی خواهید داشت.

از آنجایی که کلیه اتمها می خواهند خنثی باشند ، اتمی که خنثی نیست به دنبال الکترون آزادی جهت پر نمودن محل الکترون از دست رفته می گردد. این اتم غیر خنثی دارای بار مثبت (+) است، زیرا دارای پروتونهای خیلی زیادی می باشد.

الکترون آزاد در اطراف اتم غیر خنثی منتظر مانده تا مکانی برای آن پیدا شود. الکترون آزاد دارای بار منفی است و هیچ گونه پروتونی برای خنثی سازی آن وجود ندارد . بنابراین می گوییم که این الکترون دارای بار منفی (-) است.

حال بارهای مثبت و منفی چه رابطه ای با الکتریسیته دارند؟

دانشمندان و مهندسان چندین روش را برای ایجاد تعداد زیادی اتم مثبت و الکترون آزاد منفی یافته اند. از آنجایی که اتمهای مثبت جهت خنثی شدن به دنبال الکترونهای منفی بوده ، از این رو آنها قابلیت جذب زیادی به اتمهای مثبت دارند. بدین ترتیب اتم مثبت ، الکترون منفی را جذب کرده و خنثی
می شود. هر قدر که تعداد اتمهای مثبت یا الکترونهای منفی بیشتر باشد، قدرت جذب دیگری بیشتر خواهد بود. از آنجایی که هر دو گروه مثبت و منفی یکدیگررا جذب می کنند ، جذب کلی را « بار» می نامند.

زمانیکه الکترونها در بین اتمهای ماده حرکت می کنند، جریان برق تولید می شود. این پدیده ای است که در یک قطعه سیم اتفاق می افتد. الکترونها از یک اتم به اتم دیگر عبور کرده و جریان برق را از یک طرف به طرف دیگر برقرار می کنند ، درست مثل آنچه که در حرکت تصاویر یک فیلم اتفاق می افتد.

معمولاً قابلیت هدایت جریان برق در هر یک از اشیاء متفاوت است. مقاومت هر شئ، میزان قابلیت هدایت جریان برق را نشان میدهد. بعضی از اشیاء دارای الکترونهای خیلی پیوسته به هم بوده و برق از آنها به راحتی عبور نمی کند. به این نوع اشیاء عایق می گویند . لاستیک ، پلاستیک ، شیشه و هوای خشک دارای مقاومت بالایی بوده و عایق های خوبی هستند.

سایر مواد دارای الکترونهای ناپیوسته بوده و برق به آسانی از میان آنها عبور می کند. به این دسته از مواد هادی می گویند . اکثر فلزات از قبیل مس ، آلومینیوم یا فولاد ، هادی های خوبی هستند.

کلمة «الکتریسیته یا برق » از کجا آمده است ؟

الکترونها ، الکتریسیته ، الکترونیک و سایر کلماتی که با «الکتر» شروع می شود همگی ریشه در یک کلمه ی یونانی به نام «elektor» به «معنی خورشید درخشان» دارد. در یونانی «elektron» به معنی کهرباست .

کهربا یک سنگ قهوه ای مایل به طلایی بسیار زیبایی است که در زیر نور خورشید به رنگ نارنجی و زرد می درخشد. در واقع کهربا شیرة درخت فسیل شده ای است که در فیلم پارک ژوراسیک نیز از آن استفاده گردید. میلیون ها سال قبل حشرات به شیرة این درخت چسبیدند. حشرات کوچکی که دایناسورها را نیش زده بودند دارای خونی در بدنشان بودند که اکنون در کهربا قرار داشت.

یونانیان قدیم متوجه شدند که خواص کهربا خیلی عجیب است. به عنوان مثال وقتی کهربا به خز یا سایر اشیاء مالیده می شد ،قادر بود پر را جذب کند. آنها عامل ایجاد این پدیده را نمی دانستند. اما یکی از اولین مثالهای الکتریسیته ی ساکن را یونانیان کشف کرده بودند . (رجوع به فصل 3).

کلمه لاتین «electricus» به معنی «تولید شده از کهربا توسط اصطکاک» می باشد. بنابراین کلمه ی انگلیسی الکتریسیته از کلمات یونانی و لاتینی که در مورد کهربا بوده ، گرفته شده است.

مدارها

الکترونهای دارای یک بار منفی نمی توانند از طریق هوا به یک اتم با بار مثبت منتقل شوند. آنها باید منتظر شوند تا پل یا اتصالی بین ناحیة مثبت و منفی برقرار شود. معمولاً این پل را « مدار » می نامند.

زمانیکه یک پل ایجاد می شود ، الکترونها سریعاً شروع به حرکت می کنند.براساس مقاومت مادة سازندة پل ، الکترونها تا حد ممکن سریعاً از یک طرف به طرف دیگر حرکت می کنند. اگر دقت نشود ، در یک زمان الکترونهای زیادی از این سو به آن سو رفته و پل یا مدار را خراب می کنند.

در قبل درباره الکترونها و جذب بارهای مثبت و منفی صحبت شد همچنین ما آموختیم کهمی توانیم پلی به نام مدار را بین بارهای مختلف ایجاد کنیم.

تعداد الکترونهایی که در مدار حرکت می کنند را می توان محدود نموده و صرفاً در یک زمان تعداد معینی را برای عبور در مدار قرار داد. همچنین ما می توانیم الکتریسیته را در مسیر مدار مجاب به کاری کنیم که می خواهیم. به عنوان مثال می توان الکترونها را مجاب به گرم کردن فیلامنت (filament) لامپ نموده و باعث درخشندگی و روشنایی شویم.

زمانیکه تعداد الکترونهایی که در مدار حرکت می کنند را محدود می کنیم ، می گوییم به آن مقاومت می دهیم. بدین ترتیب تعداد مشخصی الکترون مجاز به عبور از مدار می شوند. این عمل چیزی شبیه گیشة اخذ عوارض برروی پل یک بزرگراه است. سیم مسی صرفاً یکی از انواع پل هایی است که ما در مدارها از آن استفاده می کنیم.

به هرحال الکترونها می توانند، قبل از اینکه خیلی دور شوند، با یکی از اتمها در طول مسیر برخورد کنند. این باعث کاهش سرعت آنها یا حتی تغییر جهت حرکتشان می شود. در نتیجه آنها انرژی خود را به اتم ها منتقل می کنند. این انرژی به صورت گرما پدیدار می شود.

شلنگ باغ را به عنوان یک پل در نظر بگیرید . جریان الکتریسیته، آبی است که در شلنگ جریان دارد و فشار آب ، ولتاژ مدار است. قطر شلنگ عامل تعیین کننده ای برای مقاومت است.

جریان، ناشی از حرکت بارها است. در یک مدار الکتریکی ، الکترونها از قطب منفی به مثبت حرکت می کنند. اگر قطب مثبت یک منبع الکتریکی را به قطب منفی آن وصل کنیم ، می توان گفت که یک مدار ساخته ایم. زمانیکه قطبها به صورت یک مدار به هم وصل می شوند، این بار به انرژی الکتریکی تبدیل
می شود. به عنوان مثال، با اتصال دو قطب مقابل یک باطری می توان یک مدار ایجاد کرد.

در طول این مدار می توان یک لامپ و یک کلید برای خاموش – روشن کردن قرار داد. لامپ ، انرژی الکتریکی را به انرژی نوری و گرمایی تبدیل می کند.

آزمایش مدار

توماس ادیسون آزمایشگاه کوچکی را در زیرزمین خانة خود ساخت. آزمایشات اولیه اش کنجکاوی بیشتری را در او ایجاد کرد. سرتاسر زندگی او صرف تفکر دربارة این شد که چیزها چگونه کار می کنند و خواب اختراعات جدید را می دید. لامپ و پروژکتور فیلم صرفاً دو نمونه از دهها اختراعات او هستند. شما نیز می توانید مانند ادیسون، که بسیاری از کارها را با تفکر و پشتکار خود انجام داد ، یک مدار الکتریکی بسیار ساده بسازید و ببینید در زمانی که مدار باز است چه اتفاقی می افتد و آن را با زمانی که مدار بسته است مقایسه کنید.

وسایل مورد نیاز

1 – لامپ قلمی

2 – باتری چراغ قوه

3 – دو سیم روکش دار هریک به طول 6 اینچ

4 – چسب برای چسباندن سیم به باتری

5 – یک ورقة نازک فلزی کوچک به عنوان کلید خاموش – روشن کردن

6 – یک تخته کوچک

مراحل انجام کار :

1 - ساختن کلید خاموش – روشن کردن

- یک پونز را برروی تخته فشار دهید

- پونز دیگری را در ورقه ی نازک فلزی فرو ببرید

- پونز را طوری به داخل تخته فشار دهید که ورقة فلزی بتواند پونز دیگر را لمس کند

2 – سیم اولی را به یکی از پونزهای روی کلید وصل کنید

3 – لامپ را در مرکز این سیم قرار دهید

4 – انتهای سیم اولی را به یکی از قطبهای باتری بچسبانید

5 – سیم دومی را به قطب مقابل بچسبانید

6 – انتهای سیم دوم را به پونز دومی روی کلید متصل کنید

بدین ترتیب شما یک مدار الکتریکی ساخته اید.

زمانیکه کلید را فشار می دهید دو پونز به هم متصل شده و مدار بسته می شود و به دنبال آن جریان برقرار شده و لامپ روشن می گردد. زمانیکه کلید بالا باشد ، جریان قطع شده و چراغ خاموش می شود ، دقیقاً مثل آزمایشی که توماس ادیسون ممکن است انجام داده باشد.

تعداد الکترونهایی که در یک زمان از یک سو به سوی دیگر مدار حرکت کنند را جریان می نامند. برای اندازه گیری جریان از واحد آمپر یا Amps استفاده می شود.

یک آمپر معادل حرکت 1018 * 25/6 الکترون بر ثانیه در مدار می باشد.

از آنجایی که به خاطر سپردن چنین عدد بزرگی مشکل است ، به جای آن از عدد کلمب که توسط دانشمندی به نام چارلز کلمب معرفی گردید استفاده می شود. مقدار بار بین دو طرف مدار «ولتاژ» نامیده می شود. واحد اندازه گیری ولتاژ ، ولت است. کلمة ولت توسط دانشمندی به نام الکساندر ولتا که اولین باتری جهان را ساخت ، معرفی گردید.

کلمة ژول نیز توسط دانشمندی به نام جیمز پرسکات ژول معرفی گردید. آیا نام او را در فصل 2 به خاطر دارید؟ ولتاژ ، جریان و مقاومت در مدارها خیلی مهم هستند . اگر ولتاژ یا جریان خیلی بزرگ باشد ، ممکن است مدار گسیخته شود. اما اگر هر دو هم کوچک باشند ، مدار قابلیت کافی برای انجام اهداف مورد نظر ما را نخواهد داشت . به همین ترتیب اگر مقاومت خیلی زیاد باشد ، هیچ یک از الکترونها نمی توانند حرکت کنند. اما اگر مقاومت خیلی کم باشد ، همة الکترونها در یک زمان حرکت نموده و باعث گیسختگی مدار می شوند.

یک مدار الکتریکی

برق یا الکتریسیته از طریق پریزهای دیواری خانه تأمین می شود. این پریزها از طریق تیرهای برق و سیم هایی که حتی حیواناتی به اندازه ی موش روی آن حرکت می کند ، به مراکز برق رسانی متصل می گردند. سؤالی که برای خیلی از افراد وجود دارد این است که ، چرا این موشها را برق نمی گیرد؟ برای جواب دادن به این سؤال باید دقیقاً مفهوم مدار الکتریکی را متوجه شویم.

وقتی کلید را باز می کنیم، جریان الکتریسیته از طریق سیم به وسیلة برقی رسیده و از طریق فرآیندی به نام الکترولیز (تجزیة جسم به وسیله جریان برق) به ریز موجهای بسیار کوچکی تبدیل می شود. سپس در داخل میکروفر، این ریز موجها همانند زنبورانی که دور ملکه جمع می شوند در یک نقطه برروی غذا متمرکز شده و آن را سریعاً گرم می کنند. غذای مصرف شده به کمک اسیدهای آمینه قابل هضم می گردد.

پسمانهای حاصل از دفع غذا از طریق شبکة فاضلاب به تصفیه خانه های مخصوص هدایت شده و آب تصفیه شده به رودخانه ها می ریزد. این آب باعث چرخش توربینهای بزرگ شده و تولید برق می نماید. سپس این برق از طریق سیمهایی به وسیلة خانگی ما بر می گردد. بدین ترتیب یک مدار کامل می شود. «بنابراین می بینیم که موشها به هیچ وجه به برق کاری ندارند و نیازی نیست که شما برای آنها نگران باشید. خواهش می کنم قبول کنید ، آنها برای شما نگران نیستند.»

مدارهای موازی

اگر در یک مدار ، الکترونها فقط بتوانند از یک طرف به طرف دیگر حرکت کنند ، آن را «مدار سری» می گویند. اگر بخواهیم مدار دیگری را در کنار مدار اول وصل کنیم، در این حالت 2 مدار بین بارها خواهیم داشت. چنین مدارهایی را «مدارهای موازی» گویند. زیرا آنها به صورت موازی کنار هم قرار گرفته اند. شما می توانید هر اندازه مدار موازی که می خواهید داشته باشید. مدارهای موازی از یک ولتاژ استفاده می کنند، اما مسیرهای بیشتری را برای عبور الکتریسیته فراهم می آورند. به عبارت دیگر می توان تعداد کل الکترونهایی که از مدار عبور می کنند را افزایش داد، بدون اینکه در هر یک از دو مدار گسیختگی روی دهد.

مدار متوالی

هرگاه در یک مدار لامپ ها را که در مدار ما سه لامپ بود به دنبال هم یعنی پشت سر هم به طور متوالی مطابق شکل روی تخته به هم وصل کنیم هنگامی که مدار بسته است و جریان از باطری می آید به طرف لامپها همه آنها روشن می شوند و وقتی یکی از این سه لامپ خراب شود یا خاموش شود همه نیز از کار می افتند.

پس اگر در یک مدار الکتریکی شما چند لامپ را بطور متوالی مطابق شکل به هم ببندید و در مدار الکتریکی قرار دهید هنگامی که جریان از آن عبور می کند اگر یکی از لامپ ها خراب شود یا بسوزد یا خاموش گردد مشاهده خواهید نمود که بقیه لامپ ها کار نمی کنند زیرا مدار قطع شده است. گاهی وقتها شاید شاهد بوده اید که در جشنها و مراسم ها لامپ های زیادی را بصورت متوالی به هم بسته باشند. اگر یکی خاموش شود مدار قطع می گردد و سایر لامپ ها روشن نمی شود. زیرا از هر لامپ کل جریان الکتریسیته از منبع مانند باطری یا پیل عبور می کند و هر چه تعداد لامپها بیشتر شود جریان الکتریسیته با مقاومت بیشتری رو برو می شود و جریان برق کمتری از آن لامپ ها می گذرد.

الکتریسیته ، علوم چهارم

مطالب مشابه :

آموزش جدول ضرب انلاین با بازی جالی خالی

نمونه سوال

پرسش و پاسخ كليه ي در س ها ي علوم پايه ي چهارم

آهن ربا -فصل 8 - علوم چهارم

طرز ساختن رنگهاي طبيعي

دبستان غیرانتفاعی حضرت سجاد (ع)

آزمون هدیه های آسمان و قران( پایه ی چهارم)

الکتریسیته ، علوم چهارم