شار الکتریکی

مقدمه

فرض کنید یک حلقه سیم چهار گوش را در جهت جریان آب طوری قرار داده‌ایم که صفحه حلقه بر راستای جریان آب عمود است. اگر مساحت حلقه را A و سرعت جریان آب را با v نشان دهیم، در این صورت آهنگ شارش آب از درون حلقه را که با Ф نشان می‌‌دهند، به صورت Ф=Av تعریف می‌‌شود. Ф را شار می‌‌گویند.

اگر حلقه بر راستای جریان آب عمود نبوده، بلکه با بردار سرعت جریان آب زاویه θ بسازد، در این صورت شار به صورت Ф=BAcosθ در می‌‌آید. عین همین قضیه در مورد میدان الکتریکی نیز برقرار است. از الکترواستاتیک می‌‌دانیم که میدان الکتریکی حاصل از یک توزیع بار بوسیله خطوطی که به عنوان خطوط نیرو معروف هستند، نشان داده می‌‌شود. بنابراین در هر ناحیه اگر یک سطح بسته فرضی در نظر بگیریم، این سطح بوسیله یک بردار عمود بر آن مشخص می‌‌گردد. این بردار را بردار نرمال می‌‌گویند.

بنابراین اگر خطوط نیرو با بردار نرمال زاویه θ بسازند و مساحت سطح برابر A باشد، در این صورت کافی است میدان حاصل از تعداد خطوط نیرو موجود در داخل سطح را در مساحت سطح ضرب کنیم. این کار را با استفاده از انتگرال انجام می‌‌دهند، یعنی سطح را به المانهای کوچک سطح dA تقسیم می‌‌کنند. المانها چون به اندازه دلخواه کوچک انتخاب می‌‌شوند، بنابراین می‌‌توان میدان الکتریکی را در داخل المان سطح dA ثابت فرض کرد. بنابراین اگر هر المان را در E موجود در داخل آن ضرب کرده و سهم مربوط به تمام المانها را جمع کنیم، شار الکتریکی حاصل می‌‌شود و این همان تعریف انتگرال است، یعنی به زبان ریاضی می‌‌توان گفت:

مثال

فرض کنید در یک میدان الکتریکی یکنواخت E ، یک استوانه طوری قرار داده شده است که محور استوانه با میدان موازی است. سطح استوانه را می‌‌توان به سه سطح مجزا تقسیم نموده و شار مربوط به هر کدام را مجزا حساب نموده و نتیجه را با هم جمع کرد. در طرفین استوانه ، در یک طرف جهت میدان و جهت بردار عمود بر سطح در یک راستا و هم جهت هستند، بنابراین اگر مساحت آن را با A نشان دهیم، چون میدان الکتریکی یکنواخت است، لذا سهم شار مربوط به این سطح برابر EA خواهد بود.

اما در قاعده دیگر استوانه ، جهت میدان و جهت بردار عمود بر سطح با هم زاویه 180 درجه می‌‌سازند. لذا اگر مساحت آن A باشد، شار آن برابر EA- خواهد بود و بالاخره در مورد سطح جانبی استوانه بردار عمود بر سطح و میدان الکتریکی بر هم عمودند، لذا سهم شار مربوط به سطح جانبی صفر خواهد شد. به این ترتیب شار الکتریکی کل که از سطح استوانه می‌‌گذرد، صفر خواهد بود. این مساله تعجب آور نیست، چون خطوط نیرو از یک طرف وارد و از طرف دیگر خارج می‌‌شوند و اصلا از سطح جانبی شاری عبور نمی‌‌کند.

شار الکتریکی و قانون گاوس در الکتریسیته

با فهمیدن مفهوم شار الکتریکی می‌‌توان قانون گاوس را به زبان شار الکتریکی بیان نمود. به بیان دیگر ، اگر سطح گاوسی بیانگر سطحی باشد که شار الکتریکی در داخل آن مورد نظر باشد، قانون گاوس را می‌‌توان این گونه بیان نمود که شار الکتریکیی که از داخل یک سطح بسته مفروض عبور می‌‌کند، برابر q/ε_0 است. ε_0 گذردهی الکتریکی خلا می‌‌باشد.

یکای شار الکتریکی

از آنجا که شار الکتریکی را به صورت حاصلضرب مساحت سطح در میدان الکتریکی جاری شده از داخل آن تعریف کردیم، لذا چون یکای میدان الکتریکی را نیوتن بر کولن در نظر می‌‌گیریم، بنابراین یکای شار الکتریکی نیز برابر نیوتن در متر مربع بر کولن خواهد بود که به اختصار به صورت نشان داده می‌‌شود.

فیوز

مقاومت الکتریکی و جریان در مدار:

جریان الکتریکی در رسانای متصل به مدار بنابر قانون اهم از روی مقاومت رسانا و ولتاژ دو سر آن معین می شود. برای یک ولتاژ معین ، هر چه مقاومت رسانای داده شده بیشتر باشد جریان کمتر است. مثلاً مقاومت لامپ های التهابی معمولی نسبتاًزیاد است ( صدها اهم ). و از این رو جریانی که از آنها می گذرد کم است (چند دهم آمپر) .

کوتاه شدگی مدار:

اگر سیم ها را با اتصال فرعی به لامپ متصل کنیم. مدار فرعی با مقاومت بسیار کم بدست می آید. و جریان خیلی شدید می شود. در این مورد گفته می شود که مدار کوتاه بوجود آمده است. مدار کوتاه بطور عام هر اتصال کم مقاومتی در دو سر منبع جریان الکتریکی است. جریان های شدیدی که در مدار کوتاه ظاهر می شود فوق العاده خطرناک هستند و به علت آنکه سیم ها شدیداً گرم می شوند برای منبع جریان بسیار زیان آورند.

محافظت سیم ها از کوتاه شدگی مدار:

برای محافظت سیم ها از کوتاه شدگی مدار ، فیوز استفاده می شود فیوز ها سیم های نازک مسی اند یا سیم هایی که از فلزات زود گداخت مثل سرب ساخته شده اند. که به طور سری به مدار حامل جریان متصل می شوند. و طوری در نظرگرفته می شوند که اگر جریان از مقدار مشخص شده بیشتر شود ذوب می شود. نمودار طرح وار زیر طرز کار فیوز را شرح می دهد وقتی که سیم ها توسط تکه سیم مسی متصل شوند مدار کوتاه فیوز بطور سریع ذوب شده و مدار قطع می شود.

ساختمان فیوز فشنگی با توپی پیچی:

این فیوز رایجترین نوع از فیوزهاست که به کار برده می شود. منشا اصلاح فیوزی به توپی چینی(1) که در سطح بیرونی فیوز قراردارد، مربوط است، که سیم(2) با نقطه ذوب پایین در آن قراردارد. توپی مانند سرپیچ لامپ در سر پیچ(3) پیچانده می شود و پس در هر کوتاه شدن مدار تعویض می شود.

معمولا ، یک فیوز یا دسته فیوزهایی به اتصال های تامین کننده جریان در یک ساختمان یا هر آپارتمانی متصل می شود. گاهی فیوزها را در جعبه مستقلی قرارمی دهند. فیوزپریزی در ساختمان جعبه فیوز وجود دارد که باید با عبور جریان 3تا 5A ذوب می شود، فیوز آپارتمان با عبور جریان 15تا 20A ذوب می شود. در حالیکه فیوز یک ساختمان برای جریانهای خیلی شدیدتر چند صد آمپر تنظیم می شود.

ساختمان فیوز با توپی پیچی:

1. توپی چینی
2. سیم با نقطه ذوب پائین
3. جای فیوز