اطلاع رسانی

اطلاعات اولیه

قانون کولن یکی از قوانین بنیادی در الکتروستاتیک است که از آن جهت محاسبه میدان الکتریکی حاصل از یک توزیع بار استفاده می‌شود. البته اگر تقارنی در مسئله وجود داشته باشد، در این صورت محاسبه میدان الکتریکی با استفاده از قانون گاوس راحت‌تر خواهد بود. قانون گاوس از نظر شکل ، نسبت به قانون کولن با معادلات دیگر الکترومغناطیس سازگارتر است و به ما اجازه می‌دهد که مسائل مربوط به میدان الکتریکی را در وضعیتهای با تقارن مناسب به آسانی و با دقت حل کنیم.

در مغناطیس هم وضع بر همین منوال است. میدان مغناطیسی ناشی از هر توزیع جریان را می‌توان با استفاده از قانون بیوساوار که هم ارز مغناطیسی قانون کولن است، محاسبه نمود. اما اگر به معادلات ماکسول مراجعه کنیم، چیزی تحت عنوان قانون بیوساوار در آنجا پیدا نمی‌کنیم، بلکه به جای آن قانون آمپر را ملاحظه می‌کنیم.

تاریخچه

قانون آمپر ، نخستین بار توسط آندره ماری آمپر (Andre Mari Amper) ، در سال 1775- 1835 پیشنهاد شد. همچنین یکای جریان الکتریکی در دستگاه SI نیز به نام آمپر است.

فرق قانون آمپر و قانون بیوساوار

قانون آمپر و قانون بیوساوار هر دو برای محاسبه میدان مغناطیسی حاصل از توزیع جریان بکار می‌روند، اما قانون آمپر نسبت به قانون بیوساوار ساده‌تر و از نظر شکل ریاضی با معادلات دیگر الکترومغناطیس سازگارتر است. البته لازم به توضیح است که قانون آمپر مانند قانون گاوس در الکترومغناطیس ، در مواردی که مسئله دارای تقارن است، بکار می‌رود.

محاسبه میدان مغناطیس با استفاده از قانون آمپر

فرض کنید یک سیم با شعاع معلوم حامل جریان الکتریکی است و ما می‌خواهیم میدان مغناطیسی را در داخل و خارج از سیم محاسبه کنیم. برای این کار حلقه استوانه‌ای فرض می‌کنیم، به گونه‌ای که سیم در داخل حلقه قرار گیرد. در این حالت قانون آمپر بیان می‌کند که میدان مغناطیسی حاصل از جریان در خارج از آن با جریان خالص گذرنده از درون حلقه فرضی متناسب است. به عنوان مثال ، اگر دو جریان غیر هم جهت از سیم عبور کند، در این صورت میدان مغناطیسی با تفاضل این دو جریان متناسب خواهد بود. نکته قابل توجه در اینجا انتخاب درست جهت مثبت است، تا اینکه بدانیم علامت کدام جریان مثبت و کدام یک منفی است. برای این کار از قاعده دست راست استفاده می‌کنیم.

قاعده دست راست بیان می‌کند که اگر انگشتان دست راست در جهت پیمودن حلقه آمپری خم شوند، انگشت شصت به حالت کشیده جهت مثبت جریانهای محصور در درون حلقه را نشان می‌دهد. بنابراین بعد از تعیین جهت مثبت جریان ، جریان خالص گذرنده از حلقه را تعیین نموده و از رابطه زیر مقدار B (میدان مغناطیسی) را تعیین می‌کنیم:

در رابطه فوق تراوایی مغناطیسی محیط است. بدیهی است که اگر بخواهیم میدان در داخل سیم را پیدا کنیم، حلقه فرضی را که به حلقه آمپر معروف است، باید در داخل حلقه فرضی کنیم و تمامی مراحل گفته شده در عبارت فوق را تکرار کنیم.

اهمیت قانون آمپر

از آنجا که بیشتر توزیع‌های جریان حالت متقارن دارند و نیز با توجه به اینکه محاسبه میدان با استفاده از قانون آمپر بسیار ساده‌تر از قانون بیوساوار می‌باشد، بنابراین قانون آمپر بسیار مفید است. با استفاده از قانون آمپر میدان مغناطیسی حاصل از سیملوله و چنبره به راحتی محاسبه می‌شود. در صورتی که اگر بخواهیم میدان مغناطیسی حاصل از یک سیملوله را با استفاده از قانون بیوساوار حساب کنیم، سخت خواهد بود.

مقدمه

طبق قوانین القای الکترومغناطیسی اگر شارمغناطیسی گذرا از مدار تغییر کند، نیرو محرکه الکتریکی در مدار جاری می شود. با برقراری نیرو محرکه القایی در مدار، جریان الکتریکی القایی در آن جاری می شود. طبق قانون لنز جهت جریان القایی در مدار در جهتی است که میدان مغناطیسی حاصل از آن با تغییرات شار مغناطیسی گذرا از مدار مخالفت می کند. اگر چکشی را از بالای نردبانی رها کنیم، هیچ نیازی به قاعده‌ای که بگوید چکش به طرف مرکز زمین یا در جهت مخالف آن حرکت می‌کند، نداریم. اگر در این موقع کسی از ما بپرسد که از کجا می‌دانید که چکش سقوط خواهد کرد، بهترین پاسخی که می‌توانیم بدهیم این است که بگوییم، همیشه به این صورت بوده است و اگر بخواهیم جوابمان علمی‌تر باشد، می‌توانیم بگوییم که زمانی که چکش سقوط می‌کند، انرژی پتانسیل گرانشی آن کاهش می‌یابد و برعکس انرژی جنبشی آن افزایش پیدا می‌کند.

اما اگر چکش به جای سقوط ، به طرف بالا برود، در این صورت انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل آن هر دو افزایش پیدا می‌کنند و این موضوع پایستگی یا بقای انرژی را نقض می‌کند. استدلال مشابه را می‌توان در مورد تعیین جهت نیروی محرکه الکتریکی که با تغییر شار مغناطیسی در یک مدار القا می‌شود، بکار برد، یعنی در این مورد اخیر نیروی محرکه القایی باید در جهتی باشد که با اصل پایستگی سازگار باشد و این با استفاده از قانون لنز توضیح داده می‌شود.

تاریخچه

در سال 1834 ، یعنی سه سال بعد از این که فاراده قانون القا خود را ارائه داد (قانون القا فاراده)، هاینریش فریدریش لنز (Heinrich Friedrich Lenz) قاعده معروف خود را که به قانون لنز معروف است، برای تعیین جهت جریان القایی در یک حلقه رسانای بسته ارائه داد. این قانون به صورت یک علامت منفی در قانون القای فاراده ظاهر می‌گردد. به این معنی که در رابطه نیروی محرکه القایی یک علامت منفی قرار داده و اعلام کنند که این علامت بیانگر قانون لنز است.

تشریح قانون لنز

حلقه رسانایی را در نظر بگیرید که به یک گالوانومتر حساس متصل است. حال آهنربایی را در دست گرفته و به آرامی به این حلقه ، نزدیک کنید. ملاحظه می‌گردد که با نزدیک شدن آهنربا به حلقه عقربه گالوانومتر منحرف شده و وجود جریانی را در مدار نشان می‌دهد. این جریان را جریان القایی می‌گویند. حلقه جریان ، مانند آهنربای میله‌ای ، دارای قطب‌های شمال و جنوب است.

حال اگر آهنربا را از حلقه دور کنیم، باز هم گالوانومتر منحرف می‌شود، اما این بار انحراف در جهت مخالف است و این امر نشان دهنده این مطلب است که جریان در جهت مخالف در حلقه جاری شده است. اگر میله آهنربا را سر و ته کنیم و آزمایش را تکرار کنیم، باز همان نتایج حاصل خواهد شد، جز این که جهت انحراف‌های عقربه گالوانومتر عوض خواهند شد. برای تشریح این آزمایش با استفاده از قانون لنز به صورت زیر عمل می‌کنیم:

زمانی که آهنربا را به آرامی به حلقه نزدیک می‌کنیم، تعداد خطوط شار مغناطیسی که از حلقه می‌گذرد، تغییر می‌کند و همین امر سبب ایجاد یا القا جریان در حلقه می‌شود و چون در ابتدا هیچ جریانی وجود نداشت، این جریان باید در جهتی باشد که با هل دادن آهنربا به سمت حلقه مخالفت کند. برعکس ، اگر بخواهیم آهنربا را از حلقه دور کنیم، باز جهت جریان در حلقه عوض شده و از دور کردن آن جلوگیری می‌کند. یعنی در حالت اول اگر قطب N آهنربای میله‌ای در طرف حلقه باشد، جریان القایی در حلقه به گونه‌ای خواهد بود که در برابر آن یک قطب N ایجاد کند تا مانع نزدیک شدن آهنربا شود.

حال زمانی که آهنربا را از حلقه دور می‌کنیم، حلقه جهت جریان خود را عوض نموده و با ایجاد قطب S ، آهنربا را جذب کرده و مانع از دور کردن آن می‌شود.

قانون لنز و پایستگی انرژی

اگر توضیحات فوق بر اساس قانون لنز نبوده و عکس آن چیزی که گفته شد، اتفاق بیفتد، یعنی اگر جریان القایی به تغییری که باعث بوجود آمدن آن شده است، کمک کند، قانون بقای انرژی نقض می‌شود، یعنی اگر هنگام نزدیک کردن قطب آهنربا به حلقه در برابر آن قطب مخالف S ایجاد شده و آهنربا را جذب کند، در این صورت آهنربا باید به طرف حلقه شتاب پیدا کند و رفته رفته انرژی جنبشی آن افزایش پیدا کند و در همین هنگام انرژی گرمایی نیز ظاهر می‌شود. یعنی در واقع از هیچ ، انرژی بوجود می‌آید. بدیهی است که چنین عملی هرگز نمی‌تواند درست باشد.

بنابراین می‌توان گفت که قانون لنز چیزی جز بیان اصل بقای انرژی نیست که بطور مناسب در مورد مدارهای حامل جریان القایی بکار می‌رود.

ویژگی قانون لنز

قانون لنز مربوط به جریانهای القایی است و در مورد نیروی محرکه القایی صادق نیست، یعنی این قانون فقط در مورد حلقه‌های رسانا بکار می‌رود. اگر مدار باز باشد، معمولا می‌توان تصور کرد که اگر بسته بود چه اتفاقی می‌افتاد و بدین وسیله جهت نیروی محرکه القایی را معین نمود. مثلا اگر شار مغناطیسی گذرا از مدار به صورت درون سو باشد و کاهش پیدا کند، جریان الکتریکی در مدار القا می شود، که جهت این جریان القایی به صورت ساعتگرد خواهد بود تا میدان مغناطیسی حاصل از آن باعث تقویت میدان مغناطیسی شار گذرا از مدار باشد.

و اگر این شار افزایش یابد، جهت جریان القایی در جهتی خواهد بود که میدان مغناطیسی حاصل از آن بر خلاف جهت میدان شار باشد. پس جهت جریان پاد ساعتگرد است. بنابراین برای تشخیص جهت جریان القایی کافیست، با توجه به میدان شار گذرا از مدار، جریان را در جهتی اختیار کنیم که میدان مغناطیسی حاصل از آن با برخلاف تغییرات میدان مغناطیسی شار باشد.

نیروی محرکه الکتریکی

اطلاعات اولیه

اگر در سلول دانیل ، محلولهای 1M از ZnSO₄ و 1M از CuSO₄ بکار رفته باشد، آن سلول را با نماد گذاری زیر نشان می‌دهیم:

(Zn(s)|Zn²⁺(1M)|Cu²⁺(1M)|Cu(s

که در ان ، خطوط کوتاه عمودی ، حدود فازها را نشان می‌دهند. بنابر قرارداد ، ماده تشکیل دهنده آند را اول و ماده تشکیل دهنده کاتد را در آخر می‌نویسیم و مواد دیگر را به ترتیبی که از طرف آند به کاتد با آنها برخورد می‌کنیم، میان آنها قرار می‌دهیم.

جریان الکتریکی تولید شده در یک سلول ولتایی ، نتیجه نیروی محرکه الکتریکی (emf) سلول است که بر حسب ولت اندازه گیری می‌شود. هرچه تمایل وقوع واکنش سلول بیشتر باشد، نیروی محرکه الکتریکی آن بیشتر خواهد بود. اما emf یک سلول معین ، به دما و غلظت موادی که در آن بکار رفته است، نیز بستگی دارد.

emf استاندارد

ْε یا emf استاندارد ، مربوط به نیروی محرکه سلولی است. که در آن ، تمام واکنش‌دهنده‌ها و محصولات واکنش ، در حالت استاندارد خود باشند. مقادیر ْε معمولا برای اندازه گیری‌هایی که در آن 25 درجه سانتی‌گراد به عمل آمده، معین شده است. البته حالت استاندارد یک جامد یا یک مایع ، خود آن جامد خالص یا مایع خالص است. حالت استاندارد یک گاز یا یک ماده خالص در یک محلول ، حالتی است که دارای فعالیت واحد ایده‌آل باشد. اما این حالت ایده‌آل ، به‌علت جاذبه‌های بین مولکولی و بین یونی ، عملا قابل حصول نیست. به همین علت ، تصحیحات لازم برای انحراف از حالت ایده آل بایستی به عمل آید.

در این بحث فرض می‌کنیم که بتوانیم فعالیت یونها را با غلظت مولی آنها و فعالیت گازها را با فشار آنها برحسب اتمسفر نشان دهیم. از این رو ، با درنظر گرفتن این تقریب ، یک سلول استاندارد شامل یونهای با غلظت 1M و گازهایی ( اگر وجود داشته باشند ) با فشار 1atm خواهد بود.

اندازه‌گیری emf

هرگاه بخواهیم emf یک سلول را به‌عنوان میزان قابل اطمینانی برای تمایل وقوع واکنش آن سلول بکار بگیریم، ولتاژ سلول باید بیشترین مقداری باشد که بتوان از آن سلول بدست آورد. اگر به هنگام اندازه‌گیری ، مقدار محسوسی از الکتریسیته جریان پیدا کند، ولتاژ اندازه گیری شده ، ε ، به‌علت مقاومت درون سلول کاهش خواهد یافت. علاوه بر این ، وقتی که سلول جریان تولید می‌کند، واکنشهای الکترودی موجب تغییر غلظت و در نتیجه کاهش ولتاژ می‌شود.

بنابراین ، emf یک سلول باید به طریقی اندازه‌گیری شود که الکتریسیته محسوسی در سلول جاری نشود. این کار با استفاده از پتانسیل‌سنج صورت می‌گیرد. مدار پتانسیل سنج شامل منبع جریانی با ولتاژ تغییر پذیر و وسیله ای برای اندازه‌گیری این ولتاژ است. سلول مورد مطالعه به نحوی که به مدار پتانسیل سنج متصل می‌شود که emf آن با emf منبع جریان پتانسیل سنج مقابله کند.

emf برگشت پذیر

اگر emf سلول ، بیشتر از emf پتانسیل سنج باشد، الکترونها در جهت عادی ، یعنی در جهت عادی ، یعنی در جهت تخلیه خودبخودی این نوع سلول ، جریان پیدا می‌کنند. از طرف دیگر ، اگر emf منبع جریان پتانسیل سنج بیش از emf سلول باشد، الکترونها در جهت مخالف جریان پیدا می‌کنند و این موجب می‌شود که واکنش سلول در جهت عکس صورت گیرد. هرگاه این دو نیروی محرکه الکتریکی ، دقیقا با یکدیگر برابر باشند، الکترونها جریان پیدا نمی‌کنند. این ولتاژ ، emf برگشت پذیر سلول می‌باشد. emf یک سلول دانیل استاندارد برابر با 1,10 V است.

محاسبه emf

قوانین فارادی درباره واکنشهای سلولهای ولتایی و همچنین سلولهای الکترولیتی بکار می‌آید. اما باید به این نکته توجه داشت که الکتریسیته بوسیله نیم واکنشهای اکسایش و کاهش که همزمان در کاتد و آند صورت می‌گیرند، تولید می‌شود و سلول در صورتی جریان تولید می‌کند که هر دو نیم واکنش صورت گیرند.

بنابراین ، از اکسایش 1mol فلز روی ، هنگامی دو فارادی الکتریسیته تولید می‌شود که همراه با آن ، 1mol یون ²⁺Cu در کاتد کاهش یابد. معادلات جزئی:

آند Zn → Zn²⁺ + 2e

کاتد 2e + Cu²⁺ → Cu

وقتی که برحسب مول بیان می‌شوند، نمایانگر به جریان افتادن 2N الکترون (N عدد آووگادرو است) یا تولید 2F الکتریسیته است. در یک سلول ، مقدار انرژی الکتریکی تولید شده ، برحسب ژول برابر با حاصلضرب مقدار الکتریسیته حاصل ، برحسب کولن ، در emf سلول ، برحسب ولت است. بنابراین انرژی الکتریکی تولید شده از واکنش 1mol یونهای مس II را می‌توان به‌صورت زیر حساب کرد:

96500C *2 (1,10V)=212000J = 212 KJ

یک ولت کولن یک ژول است.
Emf بکار رفته در این محاسبه ، emf برگشت پذیر ( ْε ) سلول دانیل استاندارد و از این رو ، ماکسیمم ولتاژ این سلول است. پس ، مقدار انرژی محاسبه شده (212KJ) ماکسیمم کاری است که از عملکرد این نوع سلول بدست می‌آید. بیشترین کار خالصی که می‌توان از یک واکنش شیمیایی که در فشار و دمای ثابت انجام می‌گیرد، بدست آورد، میزانی از کاهش انرژی آزاد گیبس این سیستم است. برای سلول دانیل استاندارد ، G∆ برابر -212KJ است. از این رو:

G=-nFε∆

که در آن ، n تعداد مولهای الکترون منتقل شده در واکنش (یا تعداد فارادیهای تولید شده) ، F مقدار فارادی برحسب واحدهای مناسب و ε نیروی محرکه الکتریکی برحسب ولت است. اگر F را به صورت 96485C بیان کنیم، G∆ برحسب ژول بدست می‌آید. تغییر انرژی آزادی که از emf استاندارد ، ْε حاصل می‌شود، با نماد ْG∆ مشخص می‌شود. تغییر انرژی آزاد یک واکنش ، میزان تمایل وقوع آن واکنش را نشان می‌دهد.

اگر برای ایجاد تغییبری در یک سیستم لازم باشد که بر سیستم انجام شود، آن تغییر خود بخود نخواهد بود. یک تغییر خودبخود ، در فشار و دمای ثابت ، آن گونه تغییری است که بتوانیم از آن ، کار خالص بدست آوریم. پس برای هر واکنش خودبخود ، انرژی سیستم کاهش می‌یابد، یعنی G∆ منفی است. چون G=-nFε∆ است، فقط وقتی که ε مثبت باشد، واکنش سلول خودبخود خواهد بود و سلول می‌تواند به عنوان منبع انرژی الکتریکی بکار آید.