مفاهیم کلیدی: الکتریسیته، رسانا، عایق
مشاهده علمی ۱۹۸
مقدمه:
بسیاری از وسایل مورد استفاده‌ی روزانه با الکتریسیته کار می‌کنند. این وسایل از مدارهایی ساخته شده‌اند که می‌توانند از بسیار ساده (مانند لامپ تک حبابی) تا بسیار پیچیده (مانند کامپیوتر) متغیر باشند. با انجام این فعالیت علمی، یک مدار ساده بسازید و با استفاده از آن میزان رسانایی الکتریکی مواد مختلف را بررسی کنید.
پیش‌زمینه:
احتمالاً کلمه‌ی الکتریسیته را بسیار شنیده‌اید، اما معنای دقیق آن چیست؟ الکتریسیته به بیان عامیانه اشاره به ذرات باردار الکتریکی (الکترون‌ها) دارد که از طریق سیم‌های فلزی حرکت می‌کنند. این حرکت جریان نام دارد. فلزات عموماً رساناهای بسیار خوبی هستند و به جریان الکتریکی اجازه‌ی حرکت آسان می‌دهند. موادی که به جریان الکتریکی اجازه‌ی حرکت نمی‌دهند عایق نام دارند. بسیاری از مواد غیر فلزی از جمله پلاستیک، چوب و لاستیک عایق هستند. اگر تا به حال وسیله‌ای را به پریز برق متصل کرده باشید متوجه شده‌اید که دو شاخه و سیم متصل‌کننده‌ی آن فلزی هستند اما توسط پلاستیک یا لاستیک عایق شده‌اند تا از برق گرفتگی افراد جلوگیری شود.
الکتریسیته نیاز به یک حلقه‌ی کامل برای عبور جریان دارد که به آن مدار بسته گفته می‌شود. به همین دلیل پریزها دو شاخک و باتری‌ها دو ترمینال مثبت و منفی دارند. با اتصال این دو سر به یک مدار، حلقه تکمیل می‌شود. الکتریسیته تنها در مدار بسته جریان می‌یابد.
در این فعالیت علمی شما با از هم باز کردن یک چراغ قوه، مداری ساده خواهید ساخت. (برای این کار حتماً باید از بزرگتر خود اجازه بگیرید.) سپس با استفاده از این مدار، عایق یا رسانا بودن برخی مواد را بررسی خواهید کرد. اگر ماده‌ای رسانا را به مدار خود متصل کنید، یک مدار بسته ایجاد و لامپ چراغ قوه روشن می‌شود. در مقابل با اتصال یک ماده‌ی عایق، مدار باز باقی می‌ماند و چراغ قوه روشن نخواهد شد.
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک چراغ قوه که بتوانید آن را باز کنید. باتری به تعداد لازم برای روشن شدن چراغ قوه سه تکه سیم خط کش با سیستم متریک چسب برق (یا کش لاستیکی) قیچی یا چاقو (و کمک یک بزرگتر) مجموعه‌ای از مواد فلزی و غیر فلزی که در منزل دارید.
آماده‌سازی:
برای انجام این فعالیت علمی به سه تکه سیم نیاز دارید. می-توانید آنها را با اجازه‌ی بزرگترتان از وسایل برقی قدیمی جدا کنید و یا سه تکه سیم از فروشگاه‌های ابزار الکتریکی بخرید.
سه تکه سیم هر کدام با طول حداقل ۱۰سانتیمتر ببرید.
از بزرگتر خود بخواهید با استفاده از قیچی یا چاقوی تیز حدود یک سانتیمتر از هر دو سر سیم‌ها را لخت کند.
چراغ قوه را از هم باز کنید و باتری‌های آن را دربیاورید. در صورت امکان سر چراغ قوه (بخشی که لامپ در آن قرار دارد) را باز کنید و کلید روشن/خاموش را نیز بردارید. اغلب چراغ قوه‌ها به راحتی با دست باز می‌شوند، اما ممکن است در برخی موارد نیاز به استفاده از ابزار دیگر مانند پیچ گوشتی باشد. در این حالت حتماً از بزرگتر خود کمک بگیرید.
توجه: جریان برق موجود در پریزهای دیواری بسیار خطرناک و کشنده است. هرگز سیم متصل به پریز برق را نبرید و یا پوشش عایق آن را جدا نکنید.
روش کار:
داخل چراغ قوه را بررسی کنید. آیا مدار موجود در آن را تشخیص می‌دهید؟ به خاطر داشته باشید که الکتریسیته برای جریان یافتن نیاز به یک مدار بسته دارد. مدار داخل چراغ قوه معمولاً از یک سر باتری شروع می‌شود، سپس به دکمه‌ی روشن/خاموش می‌رسد و پس از گذشتن از داخل لامپ به سر دیگر باتری می‌رسد. آیا می‌توانید مدار داخل چراغ قوه را تشخیص دهید؟
اولین هدف، اتصال دو سر باتری به لامپ با استفاده از دو سیم است. آیا انجام این کار دشوار است؟
محفظه‌ی باتری دارای دو سر مثبت و منفی است. با استفاده از چسب برق دو سر سیم را به دو بخش فلزی انتهای محفظه‌ی باتری متصل کنید. سعی کنید سیم‌ها را روی دو انتهای محفظه‌ی باتری فشار دهید تا اتصال به خوبی برقرار شود. (می‌توانید پس از خارج کردن باتری‌ها از چراغ قوه با چسب یا کش باتری‌ها را در جای خود محکم کنید.)
حال دو اتصال فلزی در پایه‌ی لامپ را پیدا کنید و با استفاده از چسب برق انتهای دیگر سیم‌ها را به آنها متصل کنید. آیا می‌توانید یک مدار بسته تشکیل دهید و لامپ را روشن کنید؟
اگر اتصالات را به درستی برقرار کرده باشید لامپ روشن می‌شود. در صورت روشن نشدن لامپ نگران نباشید. برای حل مشکل موارد زیر را بررسی کنید.
ممکن است چراغ قوه‌ی شما از نوع LED باشد. LEDها نوع خاصی از لامپ هستند که مانند یک شیر یک طرفه برای الکتریسیته عمل می‌کنند. این لامپ‌ها تنها در صورتی روشن می‌شوند که انتهای مثبت و منفی آنها به درستی متصل شده باشد. می‌توانید در این حالت نحوه‌ی اتصال سیم‌ها به دو سر مجموعه‌ی باتری را برعکس کنید. آیا لامپ روشن می‌شود؟
دلیل دیگر روشن نشدن لامپ می‌تواند عدم اتصال کامل سیم‌ها با فلز در مدار چراغ قوه باشد. سعی کنید انتهای سیم‌ها را با انگشت در محل اتصال فشار دهید و یا از گیره برای وارد کردن فشار استفاده کنید.
مدار شما باید در این شرایط به خوبی کار کند. در واقع تا به اینجا شما لامپ و باتری را از محفظه‌ی چراغ قوه خارج کرده‌اید و با استفاده از دو تکه سیم مدار آن را مجدداً تشکیل داده‌اید. می‌توانید با اضافه کردن سیم سوم به این مدار، رسانایی مواد مختلف را بررسی کنید.
سر یکی از سیم‌ها را از باتری جدا کنید. با این کار مدار باز و لامپ خاموش می‌شود.
یک سر سیم سوم را به انتهای باتری متصل کنید. مدار شما اکنون باید دارای سه سیم باشد که یک سر دو تا از آنها آزاد است.
این دو سر آزاد را با هم تماس دهید. با این کار مجدداً مدار بسته تشکیل و لامپ روشن می‌شود.
با اتصال این دو سر آزاد به مواد مختلف، رسانا بودن آنها را بررسی کنید.
با قرار دادن اشیای فلزی مانند گیره یا فویل آلومینیومی در مدار چه اتفاقی می‌افتد؟ این مواد رسانا هستند یا عایق؟
با قرار دادن اشیای غیر فلزی از جمله چوب، پلاستیک یا لاستیک در مدار چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا لامپ روشن می‌شود؟
آزمایش تکمیلی:
آیا می‌توانید ماده‌ای غیر فلزی که رسانای برق باشد در منزل خود بیابید؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
ممکن است پس از خارج کردن اجزای چراغ قوه، اتصال مجدد آنها به هم کار ساده‌ای نباشد. شما باید بتوانید چراغ را بدون استفاده از کلید روشن/خاموش و تنها با اتصال مستقیم مجموعه‌ی باتری‌ها به لامپ از طریق دو سیم روشن کنید. اضافه کردن سیم سوم به مدار به شما اجازه‌ی بررسی رسانایی الکتریکی مواد مختلف را می‌دهد. هنگامی که یک جسم فلزی در مدار قرار می‌گیرد، لامپ باید همانند قبل روشن شود. فلزات رسانا هستند و در نتیجه مدار بسته‌ی لازم را ایجاد می‌کنند. در مقابل با قرار گرفتن اجسام عایق مانند چوب، پلاستیک یا لاستیک، مدار باز می‌ماند و به دلیل عدم وجود جریان لامپ روشن نمی‌شود.
یافتن مواد رسانای غیر فلزی دشوار است. استفاده از گرافیت داخل مدار ممکن است در برخی موارد نتیجه‌بخش باشد. اما مقاومت گرافیت در مقایسه با فلزات بسیار بالاست، در نتیجه لامپ بسیار کم نور خواهد بود یا اصلاً روشن نخواهد شد.
تمیز کردن:
در صورت تمایل می‌توانید چراغ قوه را مجدداً به شکل اولیه درآورید و یا مدار خود را برای بررسی مواد بیشتر نگه دارید.
منبع:
Scientific American
منابع مفید:
هدایت الکتریکی
فلزها
مدارهای الکتریکی
تاریخچه کشف سلول‌های الکتریکی
گام‌های نوی نیم رساناهای الماس پایه
باتری لیمویی
حقیقت و تصویر باتری‌ها - ۱
حقیقت و تصویر باتری‌ها - ۲
پیل سوختی
Physics for Kids
باتری - ویکی پدیا