انرژی الکتریکی چیست ؟
میدانیم که هر ماده از تعداد بسیار اتم تشکیل شده است که هر اتم نیز از سه قسمت 1-نوترون 2- پروتن 3-الکترون تشکلیل شده است تعداد الکترونها با تعداد پروتنها در حالت عادی (خنثی) برابر است الکترون دارای بار منفی و پروتن دارای بار مثبت میباشند که الکترونها به دور(( پروتن و نوترون )) (هسته اتم) با سرعت بسیار زیادی میچرخند در اثر این چرخش نیروی گریز از مرکزی بوجود می آید که مقدار این نیرو با مقدار نیروی جاذبه بین الکترونها و هسته برابر است پس این برابری نیرو الکترونها را در حالت تعادل نگه میدارد و نمیگذارد که از هسته دور شوند .
یک سیم مسی هم دارای تعداد زیادی اتم و در نتیجه الکترون است هر گاه ما بتوانیم توسط یک نیرویی الکترونهای در حال چرخش به دور هسته را از مدار خود خارج کنیم و در یک جهت معین به حرکت در آوریم جریان الکتریکی برقرار میشود.
پس این نکته را دریافتیم که جریان برق چیزی جز حرکت الکترونها نیست البته این حرکت بصورت انتقالی انجام میشود یعنی یک اتم تعدادی الکترون به اتم کناری خود میدهد و اتم کناری نیز به همین ترتیب تعدادی الکترون به اتم بعدی میدهد و بدین صورت جریان برقرار میشود. پس هر گاه که میگوئیم جریان برق کم یا زیاد است یعنی تعداد الکترونهایی که در مسیر سیم در حال حرکت هستند کم یا زیاد است .
نیروهایی که باعث جدا شدن الکترون از هسته میشوند:
1- نیروی مغناطیسی خارجی
هرگاه یک سیم را در یک میدان مغناطیسی حرکت دهیم نیروی این میدان باعث حرکت الکترونهای سیم میشود .
2- ضربه
فرض کنید یک اتوبوس کنار خیابان ایستاده و تمام مسافران آن محکم روی صندلیها نشستند بعد یک اتومبیل دیگر با سرعت زیاد به جلوی این اتوبوس برخورد میکند حال اتوبوس با سرعت به عقب پرتاب میشود و مسافران که در آنها اینرسی سکون ذخیره شده تمایل دارند که به همان حالت سکون باقی بمانند در نتیجه اتوبوس به عقب رفته ولی مسافران در همان نقطه مکانی باقی میمانند در نتیجه مسافران از صندلیهای خود جدا شده و از شیشه اتوبوس به بیرون پرتاب میشوند پس این نیروی ضربه بود که مسافران را از اتوبوس جدا کرد به همین صورت نیز ضربه میتواند الکترونها را از مدار خود خارج کند. نمونه این تولید برق در فندکها.
3- انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی نیز دارای نیرویی است که قادر است الکترونها را از مدار خود جدا کند.
4-حرارت و ...
میدانیم که حرارت باعث میشود که جنبش ملکولی اجسام زیاد شود در اثر این جنبش تعداد زیادی ملکول به شدت با هم برخورد میکنند که همان نیروی ضربه را بوجود می آوردند و باعث جدا شدن الکترون از اتم میشوند .
نکته : یک سیم مانند دالانی میماند که در یک دوره زمانی مشخص تعداد معینی از افراد میتوانند از آن عبور کنند یعنی برای اینکه در دوره زمانی مشخص مثلا در 1 دقیقه افراد بیشتری بتوانند از این دالان عبور کنند باید سرعت حرکت آنها بیشتر شود در نتیجه در اثر برخورد با هم و با دیواره دالان باعث ایجاد اصطکاک و گرما میشوند برای سیم نیز چنین اتفاقی می افتد یعنی اگر بخواهیم تعداد الکترونهای در حال حرکت را افزایش دهیم (جریان را افزایش دهیم ) سرعت حرکت الکترونها و نیز تعداد الکترونهایی که همراه با هم از مقطع سیم عبور میکنند افزایش می یابد در نتیجه اصطکاک افزایش یافته و تولید گرما میکند که اگر جریان بیش از حد مجاز خود از سیم عبور کند گرمای تولید شده باعث ذوب شدن سیم میشود (سیم میسوزد).
برداشت کلی از این قسمت : حرکت الکترونها در یک هادی (سیم) را جریان الکتریکی گویند .
تا اینجا معنی جریان را فهمیدیم اما در مورد ولتاژ چه باید گفت ؟
آیا یک منبع که ولتاژش بیشتر باشد برق بیشتری تولید میکند یا منبعی که جریانش بیشتر باشد ؟
هر گاه یک اتم الکترنهایش را از دست دهد بار منفی آن کم میشود و اصطلاحاً میگوئیم بار دار مثبت شده است میدانیم که بین بار مثبت و منفی نیروی جاذبه وجود دارد و نیروی جاذبه یک عدد الکترون با نیروی جاذبه یک عدد پروتن برابر است به همین جهت است که در اتم هر پروتن برای خود یک الکترون اختیار میکند تا اینکه بار الکتریکی اتم خنثی شود در حالت عادی تمام اتم های یک سیم از نظر بار الکتریکی خنثی هستند وقتی ما توسط نیروی خارجی الکترونهای اتمهای سیم را جدا میکنیم و آنها را به یک سمت هدایت میکنیم آن طرف سیم که الکترونها به آنجا هدایت شده اند دارای زیادی الکترون است پس بارش منفی میشود و طرف دیگر که کمبود الکترون دارد بارش مثبت میشود در نتیجه بین دوسر سیم یک اختلاف بوجود می آید این اختلاف بصورت انرژی پتانسیل در دو سر سیم ذخیره میشود تا زمانیکه راهی برای خنثی شدنش پیدا کند پس در این حالت هیچ گونه جریانی در سیم و جود ندارد و فقط یک انرژی پتانسیل دو سر سیم ذخیره شده است که به این نیروی پتانسیل ولتاژ الکتریکی گوییم حال چنانچه نیروی خارجی را قطع کنیم الکترونها به سرعت به جای قبلی خود برمیگردند و در یک لحظه چریان برقرار میشود پس متوجه شدیم تا زمانیکه نیروی خارجی وجود دارد نمیگذارد که الکترونها از مسیر همان سیم به جای خود برگردند پس باید راه دیگری پیدا کنند برای همین اگر توسط یک سیم دیگر که میدان خارجی آن را تحت تاثیر خود قرار نداده باشد دو سر سیم قبلی را به هم وصل کنیم الکترونها راهی برای حرکت به سمت مکان کمبود الکترون پیدا میکنند در نتیجه جریان در سیم برقرار میشود .
پس نتیجه گرفتیم که در یک مدار الکتریکی کار اصلی را جریان انجام میدهد و ولتاژ فقط یک نیروی ذخیره شده است که باعث به حرکت در آوردن الکترونها میشود .
حال برای اینکه بهتر متوجه شوید که ولتاژ چگونه باعث به حرکت در آوردن الکترون ها (برقراری جریان ) میشود یک مثال میزنیم .
فرض کنید دو لیوان داریم که یکی پر و دیگری نصفه است لیوانها را در کنار هم قرار میدهیم میدانیم که بین این دولیوان اختلاف مقدار آب وجود دارد همانگونه که بین دو سر سیم اختلاف مقدار الکترون وجود داشت اگر این لیوانها چندین ساعت هم در کنار هم قرار بگیرند هیچ اتفاقی نمی افتد اما چنانچه توسط یک لوله ته دو لیوان را به هم وصل کنیم آب از طرف لیوان پر تر به سمت لیوان نصفه حرکت میکند تا زمانیکه سطح آب درون دو لیوان به یک اندازه شود . پس در اینجا اختلاف آب است که باعث حرکت میشود و در آنجا اختلاف الکترون (اختلاف پتانسیل) که این اختلاف پتانسیل خود دارای مقدار است که به آن مقدار ولتاژ میگوئیم .
منبع :s-ta-p.persianblog.com
قانون بقای بار الکتریکی
یک توپ را با میله پلاستیکی و دیگر را میله شیشه‌ای باردار کنید سپس آنها را به هم بچسبانید. گاهی دوبار ناپدید میشوند و همدیگر را از بین می‌برند. برای بیان این مساله می‌توان از یک قانون ریاضی مبنی بر اینکه اگر حاصل جمع دو کمیت صفر شود، یکی از آن دو مثبت و دیگری منفی است، استفاده نمود. طبق قرارداد به میله پلاستیکی را بار منفی و میله شیشه‌ای را بار مثبت نسبت داده‌اند.
بیان ساده ای از قانون بقای بار
وقتی که یک میله پلاستیکی را با خز مالش میدهیم، میله بار منفی و خز بار مثبت پیدا میکند. آزمایش را با دو جسم خنثی شروع میکنیم، یعنی مجموع بار آن دو برابر صفر است. بعد از مالش دادن ، یکی بار مثبت و دیگری بار منفی می‌یابد که باز هم بار کل برابر صفر میشود. همچنین وقتی میله‌ای بار مثبت بیابد، بار جسم پلاستیکی که میله شیشه‌ای را با آن مالش میدهیم منفی میشود.
هیچ کس نمی تواند یکی از این دو بار را خلق کند، بدون آنکه همزمان دیگری را نیز تولید کرده باشد در یک چنین فرایندی مقدار کل بار تغییر نمی‌کند. این مطلب بیانگر قانون بقای بار الکتریکی است. این قانون همانند قوانین پایستگی جرم و انرژی ، اندازه حرکت خطی ، اندازه حرکت زاویه ای و ... در فیزیک یک قانون بنیادی است.
قانون بقای بار الکتریکی در اتم
همه اجسام دارای ذراتی با بار الکتریکی مثبت و منفی هستند. این ذرات هماناتمهایی هستند که جهان مادی را می‌سازند. ابعاد این اتمها از مرتبه آنگستروم است. چندین میلیون از این اتمها ، در کنار هم ، چیزی در حدود یک نقطه نمایان میشوند. هر اتم از لحاظ بار الکتریکی خنثی است، زیرا به تعداد مساوی بار مثبت و منفی دارد. بار مثبت اتم و تقریبا تمامی جرم آن ، در مرکز آن ، یعنی در هسته متمرکز شده است. ابعاد هسته ده هزار برابر کوچکتر از ابعاد کل اتم است. هسته یک خوشه محکم به هم چسبیده متشکل از دو نوع ذره پروتونها و نوترونهاست.
تراکم جرم در این ذرات غیر قابل تصور است. یک تفاوت مهم بین پروتونها و نوترونها این است که پروتونها دارای بار الکتریکی مثبت بوده ولی نوترونها از نظر بار الکتریکی خنثی هستند. تعداد پروتونها هسته ، عنصر شیمیایی را که هسته به آن تعلق دارد، مشخص میکند، با این حال قسمت اعظم فضای اتم خالی است، در ناحیه اطراف هسته تعدادی ذره با بار الکتریکی منفی به نام الکترون وجود دارد. جرم الکترون کم است، اما بار آن منفی و مقدارش برابر مقدار بار روی پروتون است. از اینرو در یک اتم خنثی تعداد الکترونها در فضای اطراف هسته درست برابر تعداد پروتونها در داخل هسته است. الکترونها توسط نیروی جاذبه الکتریکی در نزدیکی هسته به آن مقید میشوند.
مبادله بار و قانون بقای بار الکتریکی
گاهی یک تماس ساده میان اجسام ممکن است باعث شود که تعدادی الکترون از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود. وقتی میله پلاستیکی با خز مالش داده میشود، برخی الکترونها از خز به میله پلاستیکی منتقل میشوند. ممکن است تعداد الکترونهایی که به میله پلاستیکی منتقل میشوند، در حدود
( 9 ^ 10 ) باشد که ظاهرا زیاد است. تعداد کل الکترونهای موجود در میله پلاستیکی در حدود 24 ^ 10 است.
در فلزات بستگی الکترونها به هسته ضعیف است و الکترونها میتوانند آزادانه در داخل ماده حرکت کنند. چون بار به راحتی در داخل میله فلزی به هم وصل نماییم، هر دو کره خنثی میشوند. ماده ای که بار الکتریکی را از خود عبور میدهد رسانا نامیده میشود. در جامدات ، فقط الکترونها میتوانند حرکت کنند. اما محلول الکترولیت ، آب شور یا گاز داخل لامپ فلوئورسانس رساناهای بسیار خوبی هستند. زیرا حاملین بار مثبت و منفی هردو تحت تاثیر نیروی الکتریکی میتوانند آزادانه حرکت کنند. در تمام فرایندهای مبادله بار و انتقالات اخیر قانون بقای بار الکترکی به دقت ملاحظه میشود. به عبارتی نحوه مبادله بار به توسط قانون بقای بار صورت می‌گیرد. در واکنشهای شیمیایی این قانون همانند قانون بقای جرم ظاهر می شود و واکنش را از نظر الکتریکی مجاز می داند که در طرفین واکنش مجموع بارهای الکتریکی برابر باشند.
ابررسانایی چیست ؟
از کشف ابررسانایی در سال 1911 میلادی تا سال 1986 ، باور عموم بر آن بود که ابررسانایی فقط می تواند در فلزاتی در دماهای بسیار پایین وجود داشته باشد، که فقط در دماهای حداکثر 25 درجه بالای صفر مطلق اتفاق می افتاد. با کشف ابررسانایی در دماهای بالاتر در سال 1986 ، در موادی که تقریبا ضد فرو مغناطیسی بودند، و در هواپیماهای شامل a nearly square array of اتم های مس و اکسیژن، فصل جدیدی در علم فیزیک باز کرد. حقیقتا، درک ظاهر شدن ابررسانایی در دماهای بالا (حداکثر دمای 160 کلوین) یک مساله ی بزرگ برای بحث کردن می باشد. تا آن جا که امروزه بیش از ده هزار محقق روی این موضوع تحقیق و بررسی انجام می دهند.
پس از مقدمه ای بر مفاهیم پایه ی فلزات معمولی و مرسوم، دمای پایین، و ابررسانایی، مروری بر نتایج مشاهدات انجام شده در دهه ی گذشته خواهم داشت ، که نشان می دهند ابررساناهای دمای بالا فلزات عجیبی با خواص غیرعادی بسیار بالای ابررسانایی می باشند. سپس، پیشرفت های نظری اخیری را شرح خواهم داد که طبیعت چنین فلزات عجیب را آشکار می سازد، و به شدت این پیشنهاد را که "تعامل مغناطیسی بین تحریکات ذره ی quasi مسطح است که رفتار حالت عادی آن ها را به هم می زند و باعث روی دادن حالت ابررسانایی در دماهای بالا می شود" پشتیبانی و تایید می کنند.
مقدمه :
در سال 1911 ، H. Kamerlingh-Onnes هنگام کار کردن در آزمایشگاه دمای پایین خود کشف کرد که در دمای چند درجه بالای صفر مطلق، جریان الکتریسیته می تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا کند. او این واقعه ی منحصر به فرد را "ابررسانایی" (Superconductivity) نامید. هیچ نظریه ای برای توضیح این رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از کشف ارائه نگردید. تا وقتی که در 1957 ، در دانشگاه الینویس ، سه فیزیکدان : John Bardeen ، Leon Cooper ، و Robert Schrieffer نظریه ی میکروسکوپی خود ارائه کردن که بعدا با نام تئوری BCS (حروف ابتدایی نام محققان ) شناخته شد. سومین رخداد مهم در تاریخ ابررسانایی در سال 1986 اتفاق افتاد، وقتی که George Bednorz و Alex Mueller ، در حال کار کردن در آزمایشگاه IBM نزدیک شهر زوریخ سوئیس، یک کشف مهم دیگر کردند : ابررسانایی در دماهای بالاتر از دماهایی که قبلا برای ابررسانایی شناخته شده بودند در فلزاتی کاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می شود. این کشف باعث ایجاد زمینه ی جدید ی در علم فیزیک شد : مطالعه ابررسانایی دمای بالا، یا .
در این مقاله، که برای غیر متخصص ها تنظیم گشته است، این را که ما چقدر در فهم دمای بالا پیشرفت کرده ایم را توضیح خواهم داد و درباره چشم انداز های آینده ی توسعه ی یک نظریه ی میکروسکوپی بحث خواهم کرد. من با مروری بر برخی مفاهیم پایه ی نظریه ی فلزات شروع می کنم؛ برخی اقدامات که منجر به ارائه ی نظریه BCS گشت را توضیح می دهم؛ و کمی در باره ی تئوری BCS بحث خواهم کرد و آن را توضیح خواهم داد. سپس مختصرا در باره ی پیشرفت هایی که به فهم ما از ابررسانایی و ابرسیالی، در جهان ارائه شده است، بحث خواهم کرد، پیشرفت هایی که بوسیله الهام از تئوری BCS بدست آمده اند. که شامل کشف رده های زیادی از مواد ابرسیال می باشد، از هلیوم 3 مایع که چند میلی درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسیالی در می آید تا ماده ی نوترون موجود در پوسته ی سیاره ی نوترون، که در چند میلیون درجه به حالت ابرسیالی در می آید. سپس درباره ی تاثیرات کشف مواد ابررسانای دمای بالا بحث خواهم کرد ، و برخی نتایج تجربی کلیدی را جمع بندی خواهم کرد. سپس یک مدل برای ابررسانایی دمای بالا ارائه خواهم داد ، نزدیک به نظریه ی ضد فرومغناطیسی مایع فرمی ، که به نظر دارای توانایی ارائه ی مقدار زیادی از خواص غیرعادی حالت معمولی مواد ابررسانای سطح بالا می باشد. من با یک توضیح تجربی برای خواص جالب توجه حالت عادی ابررساناهای پیش بینی شده و در دست بررسی جمع بندی و نتیجه گیری می کنم، که یک رده جالب از مواد را معرفی می کند : مواد قابل تطبیق پیچیده . که در آن بازخورد غیرخطی طبیعی، چه مثبت و چه منفی، نقشی حیاتی در تعیین رفتار سیستم باز ی می کنند.