دانلود تحقیق الکتریسیته و مغناطیس

مدار جاری و لامپ روشن میشود. لازم نیست که چند دقیقه، یا حتی چند ثانیه صبر کنیم تا آثار جریان را در مدار مشاهده کنیم. ضمناُ به نظر میرسد که فاصله بین کلید و لامپ، که معمولاً خیلی بیشتر از cm10 است، بر زمان بروز آثار الکتریکی تأثیر محسوسی ندارد.

نکته آن است که برای اینکه فیلامان به جریان پاسخ دهد، لازم نیست صبر کنید تا یک الکترون معین از سر باتری به لامپ برسد. وقتی که کلید را میبندیم، همه توزیع بار درون رسانات، تقریباً بلافاصله، به حرکت درمیآید؛ این موضوع شبیه ان است که آب درون یک لوله دراز بلافاصله پس از بازکردن شیر جاری میشود.

20-3 مقاومت و مقاومت ویژه

اگر سیمی بین دو قطب باتری ببندیم، بارهای مثبت از داخل این مدار خارجی جاری میشوند و از قطب مثبت به قطب منفی، یعنی، مطابق شکل20-7، از نقطه با پتانسیل بیشتر به نقطه با پتانسیل کمتر میروند. در داخل باتری جریانبارهای مثبت از قطب منفی به قطب مثبت، یعنی در خلاف جهت میدان الکتریکی، است؛ در داخل باتری، عامل حرکت بارها میدان الکترواستاتیکی نیست بلکه واکنش شیمیایی باتری است. در مدار خارجی، عامل حرکت بارها مبدان E است. به عنوان نمونهای مشابه با جریان بار در مدارهای الکتریکی میتوان از جریان آب در سیستمهای هیدرولیکی نام برد. آب در میدان گرانشی همیشه به پایین جاری میشود؛ اما ابزارهایی – مثل تلمبه – وجود دارد که با گرفتن انرژی از سایر منبعها، آب را به بالا میرانند.

اگر سیم بین قطبهای باتری، یک رسانای کامل و ایدهآل باشد که بر بارهای متحرک آن هیچ نیرویی جز نیروی الکتروستاتیکی خارج وارد نمیآید، این بارها بر اثر میدان E به طور یکنواخت شتاب میگیرند. درنتیجه، سرعت متوسط حاملهای بار در طول زمان به طور پیوسته زیاد میشود، و به همین ترتیب، جریان نیز افزایش مییابد. اما عملاً چنین نیست. جریان به سرعت به مقداری ثابت میرسد که متناسب با اختلاف پتانسیل دو سر سیم است. علت این امر آن است که سیم در برابر حرکت حاملهای بار مقاومت میکند و درنتیجه حالت پایا دست میدهد.

بنابر تعریف، مقاومت سیم عبارت است از نسبت ولتاژ به جریان؛ یعنی:

(20-5)                                                    

که R مقاومت، I جریانی که از این مقاومت میگذرد، و V افت پتانسیل در طول این مقاومت است؛ یعنی V اختلاف پتانسیل دو سر عنصر مقاومتی در شرایطی است که جریان I از آن میگذرد. واحد مقاومت اهم ، به نام گئورک سیمون اهم (1787-1854) است. هر اهم برابر است با یک ولت بر آمپر. هر عنصر مداری را که فقط مقاومت وارد مدار کند، مقاومت (خالص) مینامند.

در اکثر موارد، مقاومت عناصر مداری، دست کم در گسترهای وسیع از جریان، از جریان داخل آن مستقل است. معادله (20-5) یا رابطه معادل آن.

(20-6)                                        

را که R ثابت فرض میشود، قانون اهم مینامند.

مثال 20-2 یک مقاومت  را به قطبهای یک باتری V10 بستهاند. جریان در این مقاومت چه قدر است؟

حل: از معادله تعریف کننده R، یعنی معادله (20-5)، داریم

بدینسان:

قانوه اهم، برخلاف قوانین حرکت نیوتون، قانون دوم ترمودینامیک، یا قوانین پایستگی انرژی و اندازه حرکت، از جمله قوانین بنیادی طبعت محسوب نمیشود. بسیاری از سیستمهای مقاومتی از قانون اهم پیروی نمیکنند. این سیستمها در الکترونیک حالت جامد نقشی کلیدی بازی میکنند. اما قانون اهم برای اکثر عناصر ساده مداری، مانند سیم، گرمکن برقی و مانند آن، یا صادق است، یا دست کم تقریبی خوب به شمار میاید.

مقاومت رساناها به طول، l ، مساحت سطح مقطع، A، و یک خاصیت ذاتی ماده رسانا، یعنی مقاومت ویژه، بستگی دارد. رابطه بین مقاومت، R، و مقاومت ویژه، l، به این قرار است

(20-7)                                                    

واحد مقاومت ویژه اهم متر است.

گستره مقدار مقاومت ویژه مواد در دمای اتاق وسیع است؛ از مقادیر کم برای فلزات بسیار خالص، مثل مس و نقره، گرفته تا مقادیر بسیار بزرگ برای نارساناهای خوب، مانند شیشه، تفلون، و میلار. مقاومت ویژه چند فلز خالص، آلیاژ، نیمرسانا و نارسانا در دمای ، در جدول 20-1 درج شدهاند. گستره این مقادیر 25 دهه (مرتبه بزرگی) است.

نارسانا در دمای ، در جدول 20-1 درج شدهاند. گستره این مقادیر 25 دهه (مرتبه بزرگی) است.

علت بروز مقاومت در برابر جریان بار در رساناها این است که حاملهای بار به موانع گوناگونی برخورد میکنند که میخواهند جلوی حرکت آنها را بگیرند. حاملهای باربر اثر برخورد با این موانع انرژی و اندازه حرکتی را که، از برخورد قبلی تا حال، از میدان الکتریکی گرفته بودند، از دست می دهند. چنان که به زودی خواهیم دید، از دست رفتن انرژی باعث میشود که مقاومتی که جریان از داخل آن میگذرد گرم شود.

موانعی که الکترونهای رسانش را پراکنده میکنند، ممکن است ناخالصیهای موجود در فلزات خالص باشند، زیرا دستیابی به فلز مطلقاً خالص ناممکن است. حتی بلور فلزات مطلقاً خالص (جز ابررساناها در دمای به حد کافی پایین) مقاومتی ماصفر دارد، زیرا حرکت گرمایی اتمهای بلور فلز، الکترونهای آزاد را پراکنده میکند. چون دامنه این حرکت ارتعاشی در بلور با افزایش دما زیاد میشود، باید انتظار داشت که پراکنش الکترونهای آزاد، و درنتیجه مقاومت ویژه رساناهای فلزی، نیز با افزایش دما زیاد شود. در واقع همین پدیده را هم مشاهده میکنیم.

ضریب دمایی مقاومت ویژه را مانند ضریب انبساط گرمایی تعریف میکنند:

(20-8)                            

مقادیر  برای چند فلز خالص، آلیاژ، و کربن، که رسانایی غیرفلزی است، در جدول 20-1 درج شدهاند.

امکان پیشبینی و توصیف مقاومت ویژه نیمرساناها خیلی کمتر است. این مقاومت ویژه به شدت تابع دما و نیز غلظت ناخالصیهای موجود در ماده میزبان است (فصل 30).

20-10 رسانش عصبی

مغز را غالباً به کامپیوتر تشبیه میکنند، و این تشبیه معقول به نظر میآید. مغز نیز، مانند کامپیوتر، می تواند اطلاعات را دریافت، پردازش، و در حافظه ذخیره کند، و نیز می تواند دستوراتی به واحدهای محیطی بدهد. ب