خلاصه درس فصل ۹ علوم هشتم؛ درسنامه و نکات مهم

اگر بادکنک را با پارچهٔ پشمی یا موهای خشک مالش بدهی و به خرده‌های کاغذ نزدیک کنی، می‌بینی که کاغذها به سوی آن کشیده می‌شوند. این رفتار نشانهٔ باردارشدن بادکنک است. در این مالش، فقط بادکنک تغییر نمی‌کند؛ پارچه هم معمولاً باردار می‌شود و می‌تواند خرده‌های کاغذ را جذب کند. کشیده‌شدن موها به دنبال شانهٔ پلاستیکی هم نمونه‌ای از همین اثر است. برای مشاهدهٔ بهتر، وسایل باید کاملاً خشک باشند. فعلاً نکتهٔ اصلی این است: جسم باردار می‌تواند بدون تماس، به جسم دیگری نیرو وارد کند.

دو بادکنک را که هر دو با پارچهٔ پشمی مالش داده شده‌اند، به هم نزدیک کن: از هم دور می‌شوند. اما بادکنک و همان پارچه یکدیگر را جذب می‌کنند. این تفاوت نشان می‌دهد که بار الکتریکی دو نوع دارد: مثبت و منفی. در این آزمایش، بادکنک منفی و پارچهٔ پشمی مثبت می‌شود. قاعده را این‌طور به خاطر بسپار: هم‌نام‌ها دفع می‌کنند و غیرهم‌نام‌ها جذب می‌کنند. بنابراین مثبت با مثبت و منفی با منفی دافعه دارند، ولی مثبت با منفی جاذبه دارد. این نام‌ها نشانهٔ خوب یا بد بودن بار نیستند؛ فقط دو نوع بار را مشخص می‌کنند.

برای بررسی بار الکتریکی، وسیله‌ای به نام برق‌نما یا الکتروسکوپ داریم. این وسیله یک کلاهک یا گوی فلزی، یک میله و دو ورقهٔ نازک فلزی دارد. وقتی برق‌نما بدون بار است، ورقه‌ها به هم نزدیک‌اند. اگر باردار شود، ورقه‌ها بار هم‌نام پیدا می‌کنند و با دفع یکدیگر باز می‌شوند. پس حرکت ورقه‌ها سرنخی برای بررسی بار است. دقت کن که بازشدن ورقه‌ها به‌تنهایی نمی‌گوید بار مثبت است یا منفی؛ برای تعیین نوع بار به آزمایش و مقایسه با بار معلوم نیاز داریم. آزمایش‌های برق‌نما هم باید با وسایل خشک و در هوای خشک انجام شوند.

برای فهمیدن منشأ بار، به درون اتم نگاه کنیم. هسته شامل پروتون‌های مثبت و نوترون‌های بدون بار است و الکترون‌های منفی پیرامون آن قرار دارند. اندازهٔ بار یک پروتون و یک الکترون برابر است؛ پس وقتی تعدادشان برابر باشد، اثر بارها همدیگر را خنثی می‌کند. خنثی‌بودن یعنی توازن بارها، نه نبودن ذره‌های باردار. هنگام مالش، تعدادی الکترون منتقل می‌شوند، نه پروتون‌ها. در مالش پشم و میلهٔ پلاستیکی، الکترون از پشم به میله می‌رود: پشم با کمبود الکترون مثبت و میله با الکترون اضافی منفی می‌شود. پس مالش بار را از هیچ نمی‌سازد؛ الکترون‌ها را جابه‌جا می‌کند.

حالا می‌دانیم الکترون‌ها در باردارشدن نقش دارند؛ اما آیا در همهٔ مواد به‌آسانی حرکت می‌کنند؟ در رساناها بار الکتریکی به‌راحتی حرکت می‌کند. فلزها، مغز مداد، بدن انسان و محلول آب‌نمک رسانا هستند. در فلز، بعضی الکترون‌ها وابستگی کمی به هسته دارند و می‌توانند در سراسر فلز حرکت کنند؛ به آن‌ها الکترون آزاد می‌گوییم. در نارساناها مانند شیشه و پلاستیک، حرکت الکترون‌ها آسان نیست. به همین دلیل، بخش درونی سیم را فلزی و روکش آن را پلاستیکی می‌سازند. نارسانا هم می‌تواند باردار شود؛ نارسانابودن به معنی نداشتن بار یا الکترون نیست. برای آزمایش رسانایی هرگز از برق پریز استفاده نکن.

برای فهمیدن القا، اول باید بدانیم بارها در چه موادی آسان‌تر جابه‌جا می‌شوند. در رساناها، بار الکتریکی می‌تواند به‌آسانی حرکت کند؛ فلزها، گرافیتِ مغز مداد، بدن انسان و محلول آب‌نمک نمونه‌اند. در فلز، بعضی الکترون‌ها وابستگی کمی به هسته دارند و می‌توانند در سراسر فلز حرکت کنند؛ به آن‌ها الکترون آزاد می‌گوییم.

در نارساناهایی مانند پلاستیک و شیشه، الکترون‌ها چنین آزادی حرکتی ندارند. به همین دلیل، در آزمایشِ کره‌های فلزی از پایهٔ نارسانا استفاده می‌کنیم: بارها در کره امکان جابه‌جایی دارند، اما پایه راه آسانی برای خروج بار از کره فراهم نمی‌کند. پس «رسانا بودن» دربارهٔ امکان حرکت بار است، نه اینکه جسم حتماً از قبل باردار باشد.

دو کرهٔ فلزی خنثی را روی پایه‌های نارسانا و در تماس با هم تصور کن. میلهٔ پلاستیکی منفی را بدون تماس به یکی از آن‌ها نزدیک می‌کنیم. میله، الکترون‌های آزاد را دفع می‌کند؛ بنابراین تعدادی الکترون از کرهٔ نزدیک به کرهٔ دور می‌روند. کرهٔ نزدیک کمبود الکترون و کرهٔ دور الکترون اضافی پیدا می‌کند.

ترتیب کار مهم است: تا میله نزدیک است، کره‌ها را با گرفتن پایه‌هایشان جدا می‌کنیم؛ سپس میله را دور می‌کنیم. حالا کرهٔ نزدیک مثبت و کرهٔ دور منفی باقی می‌مانند. این باردارکردن بدون تماس با جسم باردار، القا نام دارد. اگر پیش از جداکردن کره‌ها میله را دور کنیم، الکترون‌ها دوباره پخش می‌شوند و هر دو کره خنثی می‌مانند. در این فرایند، بار از میله به کره‌ها منتقل نشده است.

آیا جسم خنثی هم می‌تواند جذب جسم باردار شود؟ بله؛ خنثی‌بودن یعنی بار مثبت و منفی جسم در مجموع برابر است، نه اینکه جسم هیچ باری ندارد. وقتی شانهٔ منفی را به برادهٔ خنثای آلومینیم نزدیک می‌کنیم، الکترون‌های آزاد براده به سمت دورتر رانده می‌شوند. در نتیجه، سمت نزدیک شانه کمبود الکترون پیدا می‌کند و مثبت می‌شود.

بخش مثبت به شانه نزدیک‌تر از بخش منفی است؛ پس جاذبهٔ بخش نزدیک بر دافعهٔ بخش دور غلبه می‌کند و براده جذب می‌شود. براده پیش از تماس هنوز در مجموع خنثی است؛ فقط توزیع بارهایش تغییر کرده است. بنابراین جذب‌شدن به یک جسم باردار، به‌تنهایی ثابت نمی‌کند که جسم از ابتدا بار ناهمنام داشته است.

حالا همین موضوع را در مقیاس آسمان ببین! ابرها می‌توانند در جریان حرکت خود باردار شوند. اگر بخش‌های دارای بار ناهمنامِ دو ابر به اندازهٔ کافی به هم نزدیک شوند، ممکن است الکترون‌ها میان آن‌ها بجهند. این انتقال ناگهانی، تخلیهٔ الکتریکی است و می‌تواند با جرقهٔ بزرگ، گرما و صدا همراه باشد.

ابر باردار همچنین می‌تواند در زمین بار القایی ایجاد کند؛ یعنی پیش از تماس، توزیع بارها در زمین را تغییر دهد. سپس ممکن است تخلیه میان ابر و زمین رخ دهد. پس القا و تخلیه یکی نیستند: در القا، بارهای جسم تحت اثر جسم باردار جابه‌جا می‌شوند؛ در تخلیه، الکترون‌ها میان دو ناحیه منتقل می‌شوند. انرژی این تخلیه می‌تواند آتش‌سوزی و آسیب ایجاد کند. برق‌گیرِ درست نصب‌شده، با فراهم‌کردن مسیر رسانا به زمین، به کاهش آسیب ساختمان کمک می‌کند.

شاید آذرخش را به شکل نوری ناگهانی در آسمان دیده باشی. وقتی بخش‌هایی از دو ابر بارهای ناهمنام داشته باشند و به‌اندازهٔ کافی نزدیک شوند، ممکن است الکترون‌ها از یک ابر به دیگری بجهند؛ این رویداد تخلیهٔ الکتریکی است. تخلیه می‌تواند بین ابر و زمین هم رخ دهد و با نور، گرما و صدا همراه باشد. پس جابه‌جایی بار همیشه آرام و بی‌خطر نیست؛ آذرخش می‌تواند به انسان‌ها، درختان و ساختمان‌ها آسیب بزند.

حالا به‌جای آذرخش، یک مدار کوچک با باتری و لامپ را تصور کن. باتری منبع انرژی است؛ سیم‌های رابط راه انتقال انرژی به لامپ را فراهم می‌کنند و لامپ انرژی الکتریکی را به نور و انرژی گرمایی تبدیل می‌کند. برای همین، لامپ روشن پس از مدتی گرم هم می‌شود. اگر باتری را از این مدار حذف کنیم، انرژی لازم برای ادامهٔ روشن ماندن لامپ تأمین نمی‌شود. پس نقش باتری با نقش سیم و لامپ یکسان نیست.

آب در دو ظرفِ مرتبط، بر اثر اختلاف ارتفاع سطح آب به جریان می‌افتد. در مدار هم برای شارش بارها به یک تفاوت نیاز داریم: اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ. باتری این اختلاف را ایجاد می‌کند و با کامل بودن مسیر رسانا، جریان برقرار می‌شود. یکای اختلاف پتانسیل، ولت با نماد $V$ است. برای اندازه‌گیری آن، دو سر ولت‌سنج را به دو نقطهٔ موردنظر وصل می‌کنیم؛ مثلاً نمایش $1.5\,V$ برای باتری قلمی، اختلاف پتانسیل بین دو سر آن را نشان می‌دهد، نه مقدار انرژی ذخیره‌شده‌اش را.

روی باتری، دو پایانهٔ مثبت و منفی را می‌بینی. اختلاف پتانسیل باتری مربوط به تفاوت بین همین دو سر است. انرژی لازم برای ایجاد این وضعیت از واکنش‌های شیمیایی درون باتری به دست می‌آید. این واکنش‌ها باعث می‌شوند بارهای منفی در یک سر جمع شوند و سر دیگر بار مثبت پیدا کند. باتری لیمویی هم از همین ایده استفاده می‌کند: دو تیغهٔ فلزیِ غیرهم‌جنس در محیط شیمیایی قرار می‌گیرند. بنابراین باتری بدون منبع انرژی کار نمی‌کند؛ سرچشمهٔ انرژی آن شیمیایی است.

برای روشن شدن لامپ، تنها داشتن باتری کافی نیست. مدار ساده به منبع انرژی، مصرف‌کننده، سیم‌های رابط و کلید نیاز دارد. بسته بودن کلید یعنی مسیر رسانا کامل است؛ در این حالت الکترون‌ها با گرفتن انرژی از باتری در مدار حرکت می‌کنند. باز بودن کلید، مسیر را قطع می‌کند. چراغ‌قوه نمونه‌ای آشناست: با زدن کلید، مسیر کامل یا قطع می‌شود. پس هنگام بررسی لامپ خاموش، هم وجود منبع انرژی و هم کامل بودن مسیر را بررسی کن.

باتری دو پایانه دارد: مثبت و منفی. بین این دو پایانه اختلاف پتانسیل یا ولتاژ وجود دارد. اما باتری این توانایی را از کجا می‌آورد؟ واکنش‌های شیمیایی درون آن باعث جدا شدن بارها و ایجاد اختلاف پتانسیل می‌شوند. پس سرچشمهٔ انرژی باتری، تغییرهای شیمیایی درون آن است.

باتری لیمویی را به یاد بیاور: دو تیغهٔ فلزی ناهم‌جنس در محیط شیمیایی لیمو قرار می‌گیرند. در باتری‌های دیگر هم دو تیغهٔ ناهم‌جنس در مایع یا خمیر شیمیایی مرطوبی به نام الکترولیت قرار دارند. باتری‌های گوناگون ولتاژ یکسانی ندارند؛ هر وسیله به باتری مناسب خودش نیاز دارد.

برای ساختن یک مدار ساده، به منبع انرژی، مصرف‌کننده، سیم‌های رابط و کلید نیاز داریم. در چراغ‌قوه، باتری منبع و لامپ مصرف‌کننده است. کلید بسته یعنی مسیر کامل و پیوسته است؛ کلید باز یعنی مسیر جایی قطع شده است.

وقتی مدار کامل باشد، الکترون‌ها از باتری انرژی می‌گیرند و حرکت می‌کنند. بارها هنگام عبور از مصرف‌کننده، انرژی را به آن می‌دهند؛ مثلاً لامپ آن را به نور و گرما تبدیل می‌کند. ولتاژ مشخص می‌کند هر واحد بار از باتری چقدر انرژی می‌گیرد: باتری $1.5\,\mathrm{V}$ به هر واحد بار $1.5$ ژول انرژی می‌دهد. پس ولتاژ بیشتر، یعنی انرژی بیشتر برای هر واحد بار، نه صرفاً «باتری بزرگ‌تر».

وقتی مدار بسته می‌شود، حرکت الکترون‌ها در سیم‌ها باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شود. در مسیر بیرون باتری، الکترون‌ها از پایانهٔ منفی به سوی پایانهٔ مثبت می‌روند. اما جهت قراردادی جریان را برعکس این حرکت در نظر می‌گیریم: از مثبت به منفی.

پس اگر روی یک شکل دو پیکان مخالف دیدی، لزوماً اشتباهی در کار نیست؛ شاید یکی جهت حرکت الکترون‌ها و دیگری جهت قراردادی جریان را نشان می‌دهد. برای تشخیص درست، اول نام پیکان را بخوان، بعد پایانه‌های باتری را پیدا کن. این دو جهت را با هم جابه‌جا نکن: «قراردادی» نام یک توافق برای بیان جهت جریان است.

برای فهمیدن اندازهٔ جریان، فقط نگاه کردن به روشنایی لامپ کافی نیست؛ به ابزار اندازه‌گیری نیاز داریم. این ابزار آمپرسنج است و یکای جریان، آمپر با نماد $\mathrm{A}$ است.

آمپرسنج را متوالی در مدار می‌گذاریم؛ یعنی آن را در همان مسیر عبور جریان قرار می‌دهیم تا جریان بخش موردنظر از دستگاه هم بگذرد. در یک مدار سادهٔ باتری و لامپ، می‌توان مسیر سیم را در جایی باز کرد و آمپرسنج را میان دو سر آن قرار داد. این کار را فقط در مدار آموزشی کم‌ولتاژ و با راهنمایی انجام بده؛ هرگز سراغ پریز برق نرو. جریان برق می‌تواند برای بدن خطرناک باشد.

عبور از یک راه شلوغ را تصور کن؛ حرکت به آسانیِ یک راه خلوت نیست. الکترون‌ها هم هنگام حرکت در رسانا با اتم‌های در حال نوسان برخورد می‌کنند و بخشی از انرژی دریافتی از باتری را به آنها می‌دهند. جنبش اتم‌ها بیشتر می‌شود و رسانا گرم می‌شود؛ مانند رشتهٔ درون اتو.

رسانا در برابر عبور جریان مقاومت الکتریکی دارد. مقاومت را با $R$ نشان می‌دهیم، یکایش اهم است و آن را با اهم‌سنج اندازه می‌گیرند. مقاومت همهٔ رساناها برابر نیست. دو مقایسهٔ مهم را به خاطر بسپار: اگر ولتاژ ثابت باشد، مقاومت بیشتر باعث جریان کمتر می‌شود؛ اگر مقاومت ثابت باشد، ولتاژ بیشتر باعث جریان بیشتر می‌شود.

عبور از راهروی شلوغ مدرسه را تصور کن: می‌توانی حرکت کنی، اما حضور دیگران عبور را دشوار می‌کند. در رسانا هم الکترون‌های آزاد حرکت می‌کنند، ولی این حرکت بدون مانع نیست. باتری به الکترون‌ها انرژی می‌دهد و آن‌ها هنگام برخورد با اتم‌های در حال نوسان، انرژی را به اتم‌ها منتقل می‌کنند. جنبش اتم‌ها بیشتر می‌شود و رسانا گرم می‌شود؛ مثل رشتهٔ درون اتوی برقی.

مقاومت الکتریکی نشان می‌دهد رسانا تا چه اندازه در برابر جریان مقاومت می‌کند. رساناهای مختلف مقاومت یکسانی ندارند. نماد مقاومت $R$ و یکای آن اهم، با نماد $\Omega$، است. برای اندازه‌گیری مستقیم مقاومت از اهم‌سنج استفاده می‌کنیم؛ مانند اندازه‌گیری مقاومت لامپ خاموش.

برای پیش‌بینی جریان، باید هم ولتاژ و هم مقاومت را در نظر بگیریم. اگر ولتاژ ثابت باشد، مقاومت بیشتر باعث جریان کمتر می‌شود. اگر مقاومت ثابت باشد، ولتاژ بیشتر باعث جریان بیشتر می‌شود. پس هنگام مقایسهٔ دو حالت، حواست باشد کدام کمیت را ثابت نگه داشته‌ای.

رابطهٔ این سه کمیت چنین است:

$I=\frac{V}{R}$

در این رابطه، $I$ جریان برحسب آمپر، $V$ ولتاژ برحسب ولت و $R$ مقاومت برحسب اهم است. یعنی برای پیدا کردن جریان، ولتاژ را بر مقاومت تقسیم می‌کنیم. اگر مقاومت را بخواهیم، همان رابطه را به شکل $R=\frac{V}{I}$ می‌نویسیم. تغییر مقاومت در بخش‌هایی از مدار وسایل الکترونیکی، مانند تلویزیون، راهی برای تغییر جریان آن بخش‌هاست.

برای استفاده از رابطهٔ مقاومت، باید بدانیم هر دستگاه چه چیزی را اندازه می‌گیرد. آمپرسنج جریان عبوری از مدار را نشان می‌دهد و ولت‌سنج اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت یا لامپ را اندازه می‌گیرد. وقتی این دو مقدار را داشته باشیم، می‌توانیم مقاومت را از رابطهٔ $R=\frac{V}{I}$ به دست آوریم؛ پس لازم نیست همیشه مقاومت را مستقیم با اهم‌سنج اندازه بگیریم.

برای نمایش مدار روی کاغذ، به‌جای نقاشی واقعی باتری، لامپ و دستگاه‌ها از نشانه‌های قراردادی استفاده می‌کنیم. این نقشهٔ ساده‌شده را طرحوارهٔ مدار می‌نامیم. خط راست نمایندهٔ سیم رابط است. در یک مدار ساده و کامل، بستن کلید مسیر عبور جریان را برقرار می‌کند؛ آن‌وقت می‌توان عدد دستگاه‌ها را خواند و در رابطه گذاشت.