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 ناحیهٔ 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 مادهٔ سازندهٔ 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.
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 گیشهٔ 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 خانهٔ خود ساخت. آزمایشات اولیه اش کنجکاوی بیشتری را در او ایجاد کرد. سرتاسر زندگی او صرف تفکر دربارهٔ 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
۱) لامپ قلمی
۲) باتری چراغ قوه
۳) دو سیم روکش دار هریک به طول ۶ اینچ
۴) چسب برای چسباندن سیم به باتری
۵) یک ورقهٔ نازک فلزی کوچک به عنوان کلید خاموش – روشن کردن
۶) یک تخته کوچک
▪ مراحل انجام کار :
۱) 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 ورقهٔ فلزی بتواند پونز دیگر را لمس کند
۲) سیم اولی را به یکی از پونزهای روی کلید وصل کنید
۳) لامپ را در مرکز این سیم قرار دهید
۴) انتهای سیم اولی را به یکی از قطبهای باتری بچسبانید
۵) سیم دومی را به قطب مقابل بچسبانید
۶) 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 ۱۰۱۸ * ۲۵/۶ 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. کلمهٔ ولت توسط دانشمندی به نام الکساندر ولتا که اولین باتری جهان را ساخت ، معرفی گردید.
همانطوریکه به خاطر دارید، در فصل اول گفتیم که انرژی عبارت است از«توانایی انجام کار» . یک ولت عبارت است از مقدار بار الکتریکی مورد نیاز یک جریان یک کلمبی (۱۰۱۸ ´ ۲۵/۶ الکترون) برای انجام مقدار کار معینی برابر یک ژول
کلمهٔ ژول نیز توسط دانشمندی به نام جیمز پرسکات ژول معرفی گردید. آیا نام او را در فصل ۲ 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 ، همهٔ 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 وسیلهٔ برقی رسیده و از طریق فرآیندی به نام الکترولیز (تجزیهٔ 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 شبکهٔ 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 وسیلهٔ 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 ۲ 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.
▪ موتورهای برقی
مدارهای موجود در یک موتور برقی از نوع پیچ خوردهٔ مدور(Wound round) و مدور است. این مدارهای پیچ خورده بین آهنرباهایی معلق هستند.
یک موتور براساس پدیدهٔ الکترومغناطیس (پدیدهٔ ایجاد قوهٔ آهنربایی به وسیلهٔ جریان الکتریسیته و همچنین تأثیر قوهٔ آهنربایی بر جریان برق) کار می کند. یک موتور شامل یک سیم پیچ (مدار) بوده که بین قطب های شمال و جنوب یک آهنربا قرار می گیرد. زمانی که جریان از مدار مارپیچ عبور می کند ، میدان مغناطیسی دیگری به وجود می آید . قطب شمال آهنربا، قطب جنوب سیم پیچ را جذب می کند. اما دو قطب شمال یکدیگر را دفع می کنند . موتور طوری نصب می شود که عمل جذب و دفع باعث چرخش قسمت مرکزی همراه با سیم پیچ می شود.