هوای مرطوب

شاید شما هم دیده باشید که برخی از آزمایش های الکتروستاتیک در هوای مرطوب به خوبی کار نمی کنند و شاید در برخی کتاب ها دیده اید که گفته شده آب موجود در هوای مرطوب باعث رسانایی هوا می شود. در واقع این اشتباه از آنجا رخ می دهد که برخی فکر می کنند که به دلیل اینکه آب ناخالص رسانا است و این رسانا در هوای مرطوب وجود دارد، باعث می شد که هوا نیز رسانا شود.

ولی اگر مقداری با مفاهیم الکتریسته آشنایی داشته باشید، می دانید که اگر بخواهیم هوا را رسانا کنیم، باید آن را پر از ذرات باردار متحرک کنیم. در حالی که بخار آب (که در هوای مرطوب وجود دارد) از ذرات باردار (یون ها) ساخته نشده و بخار آب، از لحاظ بار الکتریکی خنثی است، پس وجود بخار آب زیاد در محیط باعث زیاد شدن هدایت الکتریکی آن نمی شود. حتی قطرات معلق آب مایع که در مِه وجود دارد نیز خنثی است و تاثیری در کم یا زیاد شدن خاصیت رسانایی هوا ندارد.

رسانا، نارسانا

در برخی مواد، مانند فلزات، شیر آب و بدن انسان، مقداری الکترون می توانند تقریباً آزادانه حرکت کند. چنین موادی را رسانا می نامیم. در مواد دیگری مانند شیشه، آب خالص از نظر شیمیایی و پلاستیک، هیچ کدام از بارها نمی توانند آزادانه حرکت کنند. چنین مادی را نارسانا و یا عایق می نامیم.

اگر در حالی که یک میله مسی را در دست دارید آن را با پشم مالش دهید، نمی توانید میله را باردار کنید، چون شما و میله هر دو رسانا هستید. این مالش موجب عدم توازن بار در میله می شود، ولی بار اضافی بی درنگ از طریف بدن شما به کف (که به سطح زمین متصل است) منتقل شده و میله به سرعت خنثی می شود.

با برقراری مسیری از رساناها بین یک جسم و سطح زمین، می گوییم جسم به زمین متصل شده است. در خنثی سازی جسم، می گوییم جسم بی بار شده است. اگر به جای این که میله را در دست خود بگیرید، آن را از طریق یک عایق در دست داشته باشید، مسیر رسانا با زمین از بین می رود و تا زمانی که آن را به طور مستقیم با دست خود نگرفته اید، میله با مالش می تواند باردار شود.

خواص رساناها و عایق ها ناشی از ساختار اتمی و سرشت الکتریکی آن هاست.

اتم ها دارای پروتون هایی با بار مثبت، الکترون هایی با بار منفی و نوترون هایی با بار خنثی هستند. پروتون ها و نوترون ها در هسته مرکزی، کنار هم قرار دارند، در مدل ساده اتم، الکترون ها گرد هسته می چرخند.

بار الکترون  تنها و همچنین پروتون تنها از نظر اندازه یکسان ولی علامت آن ها مخالف یکدیگر است. از این رو اتمی که از نظر الکتریکی خنثی است، تعداد الکترون ها و پروتون های برابری دارد. الکترون ها در نزدیکی هسته ها قرار دارند. چون علامت الکتریکی آن ها مخالف با علامت پروتون های هسته است در نتیجه به سوی هسته جذب می شوند.

وقتی اتم های یک رسانا مانند مس جسم جامدی را تشکیل دهند، برخی از الکترون های لایه بیرونی (که خیلی ضعیف به آن پیوسته اند) وابسته به اتم های منفرد باقی نمی مانند و بنابراین درون جامد سرگردان می شوند و اتم های باردار مثبت ( یون های مثبت) به جا می گذارند. الکترون های در حال حرکت را الکترون های رسانش می نامیم. (در صورت وجود) تعداد الکترون های آزاد کمی در یک نارسانا وجود دارد.

نیم رساناها

نیم رساناها، مانند سیلسیم و ژرمانیم، موادی هستند که حالت میانه رساناها و عایق ها را دارند. تحول میکروالکترونیکی که زندگی ما را تغییر داده است به واسطه دستگاه هایی است که از مواد نیم رسانا ساخته شده است.

ابررساناها

بالاخره ابررساناهایی وجود دارند که در مقابل حرکت بار الکتریکی در آن ها هیچ مقاومتی از خود نشان نمی دهند. هنگامی که بار در یک ماده حرکت می کند، می گوییم جریان الکتریکی در آن ماده وجود دارد. مواد معمولی، حتی رساناهای خوب در برابر عبور بار از خود مقاومت نشان می دهند. ولی در یک ابر رسانا، مقاومت خیلی کم نیست، بلکه دقیقاً صفر است. اگر جریانی را در یک حلقه ابر رسانا برقرار کنیم، بدون اینکه باتری یا منبع دیگری از انرژی برای نگهداری این جریان لازم باشد جریان الکترون ها بدون تغییر ادامه می یابد.

آزمایشی برای تشخیص رسانایی مواد

شما می توانید با ساخت یک مدار ساده الکتریکی به بررسی خاصیت رسانایی الکتریکی مواد اطراف خود بپردازید. برای این کار نیاز به سیم، باتری و یک سرپیچ و لامپ دارید، کافی است که یک سر باتری را به وسیله سیم به یک پایه سرپیچ لامپ ببندید و به سر دیگر باتری سیمی را وصل نمائید، به سر دیگر سرپیچ لامپ نیز سیم دیگر وصل کنید، برای آزمایش مدار خود دو سر این سیم را به یکدیگر وصل کنید، مشاهده می کنید که لامپ روشن خواهد شد.

که این نشان دهنده این موضوع است که سیم مسی رسانای جریان الکتریکی است، حال این دو سیم را از هم جدا کرده  و در بین آن ها اجسام مورد نظر خود را قرار دهید، مثلاً می توانید دو سر این سیم را به یک قطعه چوب، آب، یک قطعه فلز و دیگر اجسام مورد نظر خود وصل کنید و مشاهده کنید که در کدام حالت لامپ روشن خواهد شد.

این آزمایش را در هوای مرطوب نیز انجام دهید، مثلاً مدار الکتریکی خود را به داخل یک حمام آب گرم ببرید، ببینید که وقتی مدار در این فضا قرار می گیرد آیا لامپ روشن خواهد شد یا خیر. این هم روشی دیگری است که ببنید که هوای مرطوب رسانای جریان الکتریکی نمی باشد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: علیرضا سرمدی

تنظیم: مریم فروزان کیا