• بازدید : 50 views
  • بدون نظر
این فایل در ۹صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:
انسان از زمانهاي دور با پديده هايي مشابه آنچه شما ديديد آشنا بوده است. بررسي اين پديده ها براي درك علت آنها باعث پيشرفت دانش و فناوري بسيار گسترده اي در اين زمينه شده است.
به اين مبحث از دانش، الكتريسيته گفته مي شود. واژه الكتريسيته از نام يوناني «الكترون» به معناي «كهربا» گرفته شده است.
براي بررسي الكتريسيته، ابتدا بايد با كميتي به نام «بار الكتريكي» آشنا شويم.
 
وقتي ميله اي پلاستيكي را با پارچه پشمي مالش مي دهيم، به علت مالش ميله به پارچه، در ميله تغييري ايجاد مي شود و ميله خاصيت جديدي را پيدا مي كند. از اين رو تكه هاي كوچك كاغذ را جذب  مي كند. در اين صورت مي گوييم ميله داراي بار الكتريكي شده است. در واقع مالش سبب ايجاد بار الكتريكي در اجسام مي شود.
نيرويي كه اجسام داراي بار به يكديگر وارد مي كنند، نيروي الكتريكي مي ناميم.
 
بررسي و تحليل مشاهدات بالا دو واقعيت مهم را نشان مي دهد.
الف) نيروي الكتريكي موجود بين جسم هايي كه داراي بارالكتريكي هستند، گاهي ربايشي و گاهي رانشي است.
ب) دو نوع بار الكتريكي وجود دارد.
 
فرانكلين فيزيكدان آمريكايي براي تشخيص بارهاي الكتريكي از يكديگر آن ها را نامگذاري كرد:
او بار الكتريكي روي لاستيك و بادكنك (يا بارهاي مشابه) را بار الكتريكي منفي و بار الكتريكي روي شيشه، پارچه پشمي و (بارهاي مشابه آن) را بار الكتريكي مثبت ناميد.
 
دو قاعده ي اساسي الكتريسيته درباره نيروهايي كه دو جسم باردار به يكديگر وارد مي كنند.
 
۱- دو جسم كه بار الكتريكي همنام دارند(هر دو منفي، يا هردو مثبت) بر يكديگر نيروي رانشي وارد     مي كنند.
– دو جسم كه بار الكتريكي غير همنام (يكي منفي و ديگري مثبت) دارند، بر يك ديگر نيروي ربايشي وارد مي كنند.
 
 
مي دانيم كه همه مواد از اتم ساخته شده اند، هر اتم از تعدادي پروتون (p) و نوترون (n) كه هسته ي آن را مي سازند و تعدادي الكترون (e) كه به دور هسته در حال چرخش هستند، ساخته شده است.
 
بار الكتريكي مثبت به پروتون ها و بار الكتريكي منفي به الكترون ها و بار صفر به نوترون ها نسبت داده مي شود.
مقدار بار الكتريكي پروتون و الكترون يكسان است. بار الكتريكي الكترون و پروتون كه كوچكترين بارالكتريكي به شمار مي آيد بار پايه ناميده مي شود و با نماد e نمايش داده مي شود.
 
يكاي اندازه گيري بارالكتريكي كولن (c) نام دارد و مقدار آن برابر است با:      
e = ۱/۶ x ۱۰-۱۹ C              
بار الكترون با e- و بار پروتون با e+ نشان داده مي شود.
 
در يك اتم در حالت عادي پروتون ها هميشه با تعداد الكترون ها برابر است،در نتيجه، چون اتم در حالت عادي داراي دو نوع بار الكتريكي مثبت و منفي به مقدار مساوي است، اتم از نظر بارالكتريكي خنثي است.
 
اتم چگونه داراي بار الكتريكي مي شود:
الف) اگر از اتم، الكتروني جدا شود، چون تعداد پروتون هاي آن از تعداد الكترونهايش بيش تر مي شود. داراي بار الكتريكي مثبت مي شود.
ب) اگر تعدادي الكترون به يك اتم افزوده شود، چون تعداد الكترونهاي آن از تعداد پروتون هايش بيش تر  مي شود. داراي بارالكتريكي منفي مي شود.
 
نكته: اگر جسمي بر اثر دادن يا گرفتن الكترون، بار الكتريكي پيدا كند مي توان نوشت: q=n.e
q = بارالكتريكي بر حسب كولن
 n= تعداد الكترونهاي مبادله شده 
 e= باريك الكترون
تعداد الكترونهايي كه بايد از اتم گرفته شود.
 
توجه: باردار شدن اتم ها فقط از طريق انتقال الكترون انجام مي شود و پروتون ها در اين كار نقشي ندارند، زيرا پروتون ها ذرات سنگيني هستند كه با نيروي بسيار زيادي در هسته ي اتم نگه داشته شده اند و نمي توان آن ها را به راحتي الكترون از اتم جدا كرد.
 
پايستگي بار الكتريكي:
مي دانيم كه براي بارداركردن يك جسم بايد تعدادي الكترون به آن بدهيم و يا از آن بگيريم. در اين مبادله ي الكترون ها، هيچ گاه الكتروني توليد نمي شود و يا از بين نمي رود بلكه الكترون ها تنها از جسمي به جسم ديگر منتقل مي شوند. 
لذا با توجه به اينكه الكترون داراي مقدار معيني بار الكتريكي است، مي توان گفت:
“بار الكتريكي به وجود نمي آيد و از بين نمي رود، بلكه از جسمي به جسم ديگر منتقل مي شود.”
 
 اين اصل “پايستگي بار الكتريكي” ناميده مي شود.
 
مواد جامد را بر اساس رساناي الكتريكي آن به سه گروه رسانا، نيمه رسانا و نارسانا تقسيم بندي مي كنند.
 
۱- در بعضي از مواد جامد الكترونهاي آخرين لايه هر اتم (الكترونهاي آزاد) مي توانند به آساني با گرفتن اندكي انرژي از اتم خود جدا شده و در داخل ماده جامد آزادانه جابه جا شوند. جابه جايي الكترون موجب رسانش الكتريكي ماده مي شود. اين گونه مواد را رساناي الكتريكي مي ناميم. جسم هايي مانند مس و ساير فلزات كه به علت داشتن الكترون آزاد، بار الكتريكي درون آن ها شارش مي كند رسانا مي نامند.
 
۲- در مواد جامد ديگر، الكترون ها براي رها شدن از اتم يا مولكول خود، انرژي زيادي لازم دارند و چون معمولا اين انرژي را به دست نمي آورند نمي توانند آزادانه جابه جا شوند، اين گونه مواد را نارساناي الكتريكي (عايق يا دي الكتريك) مي نامند.
جسم هايي مانند ميله پلاستيكي و شيشه اي كه الكترون ها نمي توانند در آن ها آزادانه حركت كند و در نتيجه بار الكتريكي را از خود عبور نمي دهند، نارسانا مي نامند.
 
۳- دسته ديگري از مواد وجود دارند كه در آن ها مقدار كمي الكترون به دليل ارتعاش هاي گرمايي يا عوامل ديگر، انرژي لازم براي رها شدن را به دست مي آورند و در رسانش الكتريكي شركت مي كنند. اين مواد را نيمه رسانا مي ناميم.
سيليسيوم وژرمانيوم از اين گروه مواد هستند. از نيم رسانا در ساختمان ديود، ترانزيستور و مدارهاي الكتريكي استفاده مي شود.
 
نكته: وقتي به يك جسم نارسانا بار التريكي داده مي شود، بار در محل داده شده بـه جـسـم باقي       مي ماند و در جسم جابه جا نمي شود ولي وقتي به جسم رسانا بارالكتريكي داده مي شود آن بارالكتريكي در محل داده شده ساكن نمي ماند و در سطح خارجی جسم توزيع مي شود. در يك جسم رساناي باردار در مكان هاي برجسته و تيز, تجمع بار بيش تر از ساير نقاط است.
الكتروسكوپ در موارد زير مورد استفاده قرار مي گيرد:
۱- آيا جسم داراي بار الكتريكي است؟
۲- جسم چه نوع باري دارد؟
۳-جسم رساناست يا نارسانا؟
 
۱) تشخيص وجود بار در اجسام به وسيله الكتروسكوپ
جسم را به آرامي به كلاهك الكتروسكوپ بدون باري نزديك مي كنيم و نزديك كلاهك نگاه می داريم. اگر جسم داراي بار الكتريكي باشد،با نزديك كردن آن الكترونهاي آزاد الكتروسكوپ تحت تاثير نيروهاي رانش و ربايش آن جابه جا شده و ورقه ها بارهاي همنام پيدا مي كنند و از هم جدا مي شوند. در صورتيكه جسم بدون بار الكتريكي باشد در ورقه ها هيچ تغييري مشاهده نمي شود.
  • بازدید : 55 views
  • بدون نظر

این فایل در ۱۷صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

در سال ١٢٦٨ هجری خورشیدی (١٨٨٧ م) هانریش هرتز دانشمند آلمانی در حین انجام آزمایش متوجّه شد که تاباندن نور با طول موج‌های کوتاه مانند امواج فرابنفش به کلاهک فلزی الکتروسکوپ با بار منفی باعث تخلیه الکتروسکوپ می‌شود وی با انجام آزمایش‌های بعدی نشان داد که تخلیه الکتروسکوپ بخاطر جدا شدن الکترون از سطح کلاهک فلزی آن است در ادامه برای آشنایی بیشتر شما توضیحات مفصلی می دهیم
کشف اثر فوتوالکتریک
هرتز در جریان آزمایشهایی که برای تایید پیشگویی های نظری ماکسول در مورد امواج الکترومغناطیسی انجام می داد، اثر فوتوالکتریک را نیز کشف کرد. بدین معنی که هرگاه نور بر فلزات بتابد، سبب صدور الکترون از سطح فلز می شود. وقتی که فیزیکدانان به تکرار این آزمایش پرداختند، با کمال تعجب متوجه شدند که شدت نور، تاثیری بر انرژی الکترونهای صادر شده ندارد. اما تغییر طول طول موج نور بر انرژی الکترونها موثر است، مثلاً سرعتی که الکترونها بر اثر نور آبی به دست می آورند، بیشتر از سرعتی است که بر اثر تابش نور زرد به دست می آورند.
 
همچنین تعداد الکترونهایی که در نور آبی با شدت کمتر از سطح فلز جدا می شوند، کمتر از تعداد الکترونهایی است که بر اثر نور زرد شدید صادر می شوند. اما باز هم سرعت الکترونهایی که بر اثر نور آبی صادر می شوند، بیشتر از سرعت الکترونهایی است که توسط نور زرد صادر می شوند. علاوه بر آن نور قرمز، هر قدر هم که شدید باشد، نمی تواند از سطح بعضی از فلزات الکترون جدا کند.
نارسایی الکترومغناطیس کلاسیک در توجیه اثر فوتوالکتریک
 می دانیم الکترونهای ظرفیت در داخل فلز آزادی حرکت دارند، اما به فلز مقید هستند. برای جدا کردن آنها از سطح فلز بایستی انرژی به اندازه ای باشد که بتواند بر این انرژی مقید فائق آید. در صورتیکه این انرژی کمتر از مقدار لازم باشد، نمی تواند الکترون را از سطح فلز جدا کند. طبق نظریه ی الکترومغناطیس کلاسیک، انرژی الکترومغناطیسی یک کمیت پیوسته بود، لذا هر تابشی می بایست در الکترون ذخیره و با انرژی قدیمی که الکترون داشت، حمع می شد تا زمانیکه انرژی مورد نیاز تامین گردد و الکترون از فلز جدا شود. 
از طرف دیگر چون مقدار انرژی مقید الکترونهای داخل فلز هم ارز هستند، اگرانرژی لازم برای جدا شدن آنها به اندازه ی کافی می رسید، می بایست با جدا شدن یک الکترون از سطح فلز، تعداد زیادی الکترون  آزاد شود.
همچنین با توجه به اینکه انرژی پیوسته است، می بایست انرژی تابشی بین الکترونهای آزاد توزیع می شد تا هنگامیکه انرژی همه ی الکترونها به میزان لازم نمی رسید، نمی بایست انتظار جدا شدن الکترونی را داشته باشیم. به عبارت دیگر نمی بایست به محض تابش، شاهد جدا شدن الکترون از سطح فلز بود.
مشخصات اثر فوتوالکتریک 
هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود.
بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.
انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است، ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود.
گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل می‌شود. به عبارت دیگر ، تأخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از ۱۰-۹ ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است.
اثر فتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند. 
توجیه کوانتومی پدیده فوتوالکتریک توسط انیشتین

انیشتین در سال ۱۹۰۵ با استفاده از نظریه کوانتومی انرژی پدیده فوتوالکتریک را توضیح داد. بنابر نظریه ی کوانتومی امواج الکترومغناطیسی که به ظاهر پیوسته اند، کوانتومی می باشند. این کوانتومهای انرژی را که فوتون می نامند، از رابطه ی پلانک تبعیت می کنند. بنابر نظریه کوانتومی، یک باریکه ی نور با فرکانس f   شامل تعدادی فوتونهای ذره گونه است که هر یک دارای انرژی E=hf می باشد. یک فوتون تنها می تواند با یک الکترون در سطح فلز برهم کنش کند، این فوتون نمی تواند انرژی خود را بین چندین الکترون تقسیم کند. چون فوتونها با سرعت نور حرکت می کنند، بر اساس نظریه نسبیت، باید دارای جرم حالت سکون صفر باشند و تمام انرژی آنها جنبشی است. هنگامیکه ذره ای با جرم حالت سکون صفر از حرکت باز می ماند، موجودیت آن از بین می رود و تنها زمانی وجود دارد که با سرعت نور حرکت کند. از این رو وقتی فوتونی با یک الکترون مقید در سطح فلز برخورد می کند و پس از آن دیگر با سرعت منحصر بفرد نور c حرکت نمی کند، تمام انرژی hf خود را به الکترونی که با آن برخورد کرده است می دهد. اگر انرژیی که الکترون مقید از فوتون به دست می آورد از انرژی بستگی به سطح فلز بیشتر باشد، زیادی انرژی به صورت انرژی جنبشی فوتوالکترون در می آید. 
اگر فرض کنیم انرژی بستگی الکترون بر سطح فلز w  باشد که این مقدار برابر باشد با انرژی w=hf0 آنگاه یک فوتون با انرژی hf زمانی می تواند الکترون را از سطح فلز جدا کند که 
hf>w=hf0
چنانچه انرژی فوتون فرودی بیشتر از انرژی بستگی الکترون باشد، مابقی انرژی بصورت انرژی جنبشی الکترون ظاهر می شود. و خواهیم داشت 
hf=1/2 m0 v2 +hf0 
  
 
 
بهمین دلیل اگر انرژی نور تابشی کمتر از انرژی بستگی فوتون باشد، با هر شدتی که بر سطح فلز بتابد، پدیده فوتوالکتریک روی نمی دهد. علاوه بر آن به محض رسیدن فوتون با انرژی کافی بر سطح فلز، گسیل فوتوالکتریک بی درنگ اتفاق می افتد. 
هرچند در اینجا بحث در مورد اثر تابش بر سطح فلز بود، اما این اثر به فلزات محدود نمی شود. بطور کلی هرگاه فوتونی با انرژی کافی به الکترون مقید برخورد کند، الکترون را از اتم جدا می کند و اتم یونیزه می شود.
همچنین شدت موج الکترومغناطیسی در نظریه مکانیک کوانتوم مفهوم جدیدی پیدا کرد. در مکانیک کوانتوم شدت موج تکفام الکترومغناطیسی برابر است با حاصلضرب انرژی هر فوتون در تعداد فوتونهایی که در واحد زمان از واحد سطح عبور می کنند.
بررسی اثر فوتوالکتریک
برای بررسی بیشتر پدیده فوتوالکتریک می‌توان دستگاهی مطابق شکل زیر تهیه کرد و دست به آزمایش زد. این دستگاه شامل دو الکترود A و B است که داخل یک محفظه خلاء قرار دارند. این دو الکترود به یک منبع ولتاژ قابل تنظیم در خارج محفظه وصل شده اند.
 
اگر بین این دو الکترود، اختلاف پتانسیل برقرار شود، هیچ جریانی در مدار برقرار نمی‌شود؛ حتی اگر ولتاژ خیلی بالا باشد؛ ولی اگر نور تکفام با بسامد مناسب بر الکترود A بتابانیم، جریان در مدار برقرار می‌شود و افزایش ولتاژ باعث افزایش شدت جریان در مدار خواهد شد. این موضوع نشان می‌دهد که نور تابیده شده روی الکترود A باعث کنده شدن الکترون از آن شده است و ولتاژ ما بین دو الکترود نیز (با ایجاد میدان الکتریکی)، الکترون‌های آزاد شده را از کنار الکترود A  به الکترود B می‌رساند و اینچنین جریان درمدار برقرار می‌شود.
آزمایش نشان می‌دهد وقتی نوری با بسامد مناسب به الکترود  A بتابد در مدار جریان برقرار می‌شود بدون آنکه نیاز باشد اختلاف پتانسیلی بین دو الکترود برقرار گردد. با افزایش ولتاژ، شدت جریان افزایش خواهد یافت.
 
نمودار شدت جریان (I) برحسب ولتاژ دو سر الکترودها مطابق شکل زیر است.
آزمایش نشان می‌دهد که شکل منحنی برای انرژی‌های تابشی مختلف تغییر زیادی نمی‌کند و ولتاژ متوقف کننده نیز ثابت می‌ماند، ولی همانطور که در شکل زیر می‌بینید حداکثر جریان عوض می‌شود، به‌طور مثال اگر انرژی فرودی کم شود حداکثر جریان ایجاد شده در مدار کاهش می‌یابد. در شکل زیر انرژی فرودی در حالت “ب” نصف انرژی فرودی در حالت “الف” است.

عتیقه زیرخاکی گنج