بخشی از مقاله
الكتريسيته و مغناطيس و انرژی خورشیدی
مدار جاري و لامپ روشن ميشود. لازم نيست كه چند دقيقه، يا حتي چند ثانيه صبر كنيم تا آثار جريان را در مدار مشاهده كنيم. ضمناُ به نظر ميرسد كه فاصلة بين كليد و لامپ، كه معمولاً خيلي بيشتر از cm10 است، بر زمان بروز آثار الكتريكي تأثير محسوسي ندارد.
نكته آن است كه براي اينكه فيلامان به جريان پاسخ دهد، لازم نيست صبر كنيد تا يك الكترون معين از سر باتري به لامپ برسد. وقتي كه كليد را ميبنديم، همة توزيع بار درون رسانات، تقريباً بلافاصله، به حركت درميآيد؛ اين موضوع شبيه ان است كه آب درون يك لولة دراز بلافاصله پس از بازكردن شير جاري ميشود.
20-3 مقاومت و مقاومت ويژه
اگر سيمي بين دو قطب باتري ببنديم، بارهاي مثبت از داخل اين مدار خارجي جاري ميشوند و از قطب مثبت به قطب منفي، يعني، مطابق شكل20-7، از نقطة با پتانسيل بيشتر به نقطة با پتانسيل كمتر ميروند. در داخل باتري جريانبارهاي مثبت از قطب منفي به قطب مثبت، يعني در خلاف جهت ميدان الكتريكي، است؛ در داخل باتري، عامل حركت بارها ميدان الكترواستاتيكي نيست بلكه واكنش شيميايي باتري است. در مدار خارجي، عامل حركت بارها مبدان E است. به عنوان نمونهاي مشابه با جريان بار در مدارهاي الكتريكي ميتوان از جريان آب در سيستمهاي هيدروليكي نام برد. آب در ميدان گرانشي هميشه به پايين جاري ميشود؛ اما ابزارهايي – مثل تلمبه – وجود دارد كه با گرفتن انرژي از ساير منبعها، آب را به بالا ميرانند.
اگر سيم بين قطبهاي باتري، يك رساناي كامل و ايدهآل باشد كه بر بارهاي متحرك آن هيچ نيرويي جز نيروي الكتروستاتيكي خارج وارد نميآيد، اين بارها بر اثر ميدان E به طور يكنواخت شتاب ميگيرند. درنتيجه، سرعت متوسط حاملهاي بار در طول زمان به طور پيوسته زياد ميشود، و به همين ترتيب، جريان نيز افزايش مييابد. اما عملاً چنين نيست. جريان به سرعت به مقداري ثابت ميرسد كه متناسب با اختلاف پتانسيل دو سر سيم است. علت اين امر آن است كه سيم در برابر حركت حاملهاي بار مقاومت ميكند و درنتيجه حالت پايا دست ميدهد.
بنابر تعريف، مقاومت سيم عبارت است از نسبت ولتاژ به جريان؛ يعني:
(20-5)
كه R مقاومت، I جرياني كه از اين مقاومت ميگذرد، و V افت پتانسيل در طول اين مقاومت است؛ يعني V اختلاف پتانسيل دو سر عنصر مقاومتي در شرايطي است كه جريان I از آن ميگذرد. واحد مقاومت اهم ، به نام گئورك سيمون اهم (1787-1854) است. هر اهم برابر است با يك ولت بر آمپر. هر عنصر مداري را كه فقط مقاومت وارد مدار كند، مقاومت (خالص) مينامند.
در اكثر موارد، مقاومت عناصر مداري، دست كم در گسترهاي وسيع از جريان، از جريان داخل آن مستقل است. معادلة (20-5) يا رابطة معادل آن.
(20-6)
را كه R ثابت فرض ميشود، قانون اهم مينامند.
مثال 20-2 يك مقاومت را به قطبهاي يك باتري V10 بستهاند. جريان در اين مقاومت چه قدر است؟
حل: از معادلة تعريف كنندة R، يعني معادلة (20-5)، داريم
بدينسان:
قانوه اهم، برخلاف قوانين حركت نيوتون، قانون دوم ترموديناميك، يا قوانين پايستگي انرژي و اندازة حركت، از جملة قوانين بنيادي طبعت محسوب نميشود. بسياري از سيستمهاي مقاومتي از قانون اهم پيروي نميكنند. اين سيستمها در الكترونيك حالت جامد نقشي كليدي بازي ميكنند. اما قانون اهم براي اكثر عناصر سادة مداري، مانند سيم، گرمكن برقي و مانند آن، يا صادق است، يا دست كم تقريبي خوب به شمار ميايد.
مقاومت رساناها به طول، l ، مساحت سطح مقطع، A، و يك خاصيت ذاتي مادة رسانا، يعني مقاومت ويژه، بستگي دارد. رابطة بين مقاومت، R، و مقاومت ويژه، l، به اين قرار است
(20-7)
واحد مقاومت ويژه اهم متر است.
گسترة مقدار مقاومت ويژة مواد در دماي اتاق وسيع است؛ از مقادير كم براي فلزات بسيار خالص، مثل مس و نقره، گرفته تا مقادير بسيار بزرگ براي نارساناهاي خوب، مانند شيشه، تفلون، و ميلار. مقاومت ويژة چند فلز خالص، آلياژ، نيمرسانا و نارسانا در دماي ، در جدول 20-1 درج شدهاند. گسترة اين مقادير 25 دهه (مرتبه بزرگي) است.
جدول 20-1 مقاومت ويژه و ضريب دمايي مقاومت ويژه در
ماده مقاومت ويژه ،
ضريب دمايي ،
يا
مس 8-10×69/1 3-10×9/3
نقره 8-10×59/1 3-10×8/3
طلا 8-10×44/2 3-10×4/3
آلومينيوم 8-10×83/2 3-10×0/4
تنگستن 8-10×33/5 3-10×6/4
پلاتين 8-10×4/10 3-10×9/3
منگاتين 8-10×2/48 0
كنستانتان 8-10×9/48 6-10×2
نيكروم 8-10×100 2-10×4
كربن 5-10×5/3 4-10×5-
ژرمانيم 5/0~ 2-10×5- ~
سيليسيم 1000~ 2-10×7- ~
چوب 1014-108 -
شيشه 1014-1010 -
كوارتز بيشكل (شيشه كوارتز) 17-10×5 -
نارسانا در دماي ، در جدول 20-1 درج شدهاند. گسترة اين مقادير 25 دهه (مرتبة بزرگي) است.
علت بروز مقاومت در برابر جريان بار در رساناها اين است كه حاملهاي بار به موانع گوناگوني برخورد ميكنند كه ميخواهند جلوي حركت آنها را بگيرند. حاملهاي باربر اثر برخورد با اين موانع انرژي و اندازه حركتي را كه، از برخورد قبلي تا حال، از ميدان الكتريكي گرفته بودند، از دست مي دهند. چنان كه به زودي خواهيم ديد، از دست رفتن انرژي باعث ميشود كه مقاومتي كه جريان از داخل آن ميگذرد گرم شود.
موانعي كه الكترونهاي رسانش را پراكنده ميكنند، ممكن است ناخالصيهاي موجود در فلزات خالص باشند، زيرا دستيابي به فلز مطلقاً خالص ناممكن است. حتي بلور فلزات مطلقاً خالص (جز ابررساناها در دماي به حد كافي پايين) مقاومتي ماصفر دارد، زيرا حركت گرمايي اتمهاي بلور فلز، الكترونهاي آزاد را پراكنده ميكند. چون دامنة اين حركت ارتعاشي در بلور با افزايش دما زياد ميشود، بايد انتظار داشت كه پراكنش الكترونهاي آزاد، و درنتيجه مقاومت ويژة رساناهاي فلزي، نيز با افزايش دما زياد شود. در واقع همين پديده را هم مشاهده ميكنيم.
ضريب دمايي مقاومت ويژه را مانند ضريب انبساط گرمايي تعريف ميكنند:
(20-8)
مقادير براي چند فلز خالص، آلياژ، و كربن، كه رسانايي غيرفلزي است، در جدول 20-1 درج شدهاند.
امكان پيشبيني و توصيف مقاومت ويژه نيمرساناها خيلي كمتر است. اين مقاومت ويژه به شدت تابع دما و نيز غلظت ناخالصيهاي موجود در مادة ميزبان است (فصل 30).
20-10 رسانش عصبي
مغز را غالباً به كامپيوتر تشبيه ميكنند، و اين تشبيه معقول به نظر ميآيد. مغز نيز، مانند كامپيوتر، مي تواند اطلاعات را دريافت، پردازش، و در حافظه ذخيره كند، و نيز مي تواند دستوراتي به واحدهاي محيطي بدهد. به علاوه، در اينجا هم مانند كامپيوتر، هركدام از اين اعمال شامل انتقال تكانههاي الكتريكي است.
اصطلاح «سيستم عصبي» شامل مغز، نخاع، و نورونهاي محيطي است. عصبشناسان به نورونهاي حسي، كه سيگنالهايي از اندامهاي حسي مانند چشم و گوش به مغز ميفرستند، فرق ميگذارند. بدن انسان ميليونها نورون دارد، وگرچه جزئيات اين نورونها با هم متفاوت است، برخي مشخصههاي آنها مشترك است.
نورون از پيكرة سلولي، شامل هستة سلول، تعدادي زائدة منشعب يعني دندريتها، و دنبالهاي دراز، موسوم به تار عصبي يا اكسون، تشكيل ميشود. اكسون مانند خط انتقالي از پيكرة سلولي به سرهاي دور از پيكرة سلولي است.
فعاليت الكتريكي در سيناپسها (پيوند نوروني) آغاز ميشود. سيناپسها به دندريتها متصلاند. محرك دندريت ميتواند يك سيگنال الكتريكي باشد؛ اما، در اكثر موارد، مادهاي شيميايي است (مثل استيل كولين) كه به مدتي كوتاه پتانسيل الكتريكي دو طرف غشاي سلولي را در سيناپس تغيير ميدهد و نورون را به فعاليت وا ميدارد. سردور از پيكرة نورون (يا آكسون) نيز يك يا چند سيناپس دارد كه، در پاسخ به تحريك الكتريكي، مادهاي شيميايي آزاد ميكند.
تمامي سلولها، ازجمله نورونها، را غشايي ظريف دربرگرفته است كه اجزاي سلول (هسته، مادة ژنتيكي، ميتوكوندريها، آنزيمها، و غيره) را از مايع برون سلولي جدا مي كند و انسجام سيتوپلاسم. يعني مايع سلولي، را حفظ مي كند. غشاي نورونها مجراها يا منافذ زيادي دارد كه يونهاي پتاسيم ميتوانند با آزادي نسبي از آنها بگذرند، اما عبور يونهاي سديم از آنها منع ميشود. مجراهاي ديگري وجود دارد كه يونهاي سديم ميتوانند از آنها بگذرند، اما در شرايط عادي مولكولهايي آلي، كه مانند دروازه عمل ميكنند، اين مجراها را ميبندند. تركيب پيچيدة آلي ديگري در سطح داخلي غشا وجود دارد كه مانند تلمبه عمل ميكند، و به طور ثابت يونهاي سديم را از سيتوپلاسم ميكشد و به مايع برون سلولي ميفرستد.
در نتيجة اين عمل تلمبهزني، اختلاف پتانسيلي در دو طرف غشاي سلولي به وجود مي آيد. معمولاً داخل سلول در حدود mV70 منفي تر از بيرون آن است. اين كميت را پتانسيل استراحت سلول مينامند. به بيان ديگر، اكسون مانند يك خازن دراز استوانهاي است؛ غشاي نازك و نارساناي سلول دو ناحيه با رسانايي متوسط يوني،سيتوپلاسم و مايع برون سلولي، را از هم جدا ميكند. ظرفيت نورونها تقريباً بر سانتيمتر مربع است كه متناظر است با غشايي به ضخامت حدوداً nm10 و ثابت ديالكتريك 5، سطح داخلي غشا يك بارز خالص منفي و سطح خارجي يك بار خالص مثبت دارد.
نفوذپذيري (تراوايي) مجراهاي سديم و پتاسيم در غشا به تغييرات پتانسيل غشا حساس است. اگر، در نقطهاي در طول نرون، اختلاف پتانسيل دوطرف غشا به كمتر از استانهاي معين برسد، دروازههاي سديم به مدتي كوتاه (در حدود ms1) به سرعت گشوده ميشوند. در اين حالت يونهاي مثبت سديم، كه غلظت آنها در مايع برون سلولي بيشتر از سيتوپلاسم است، از اين دروازههاي
گشوده شده به داخل سلول هجوم ميآورند. درنتيجه، پتانسيل داخل سلول در آن نقطه به سرعت بالا ميرود و معمولاً نسبت به بيرون كمي مثبت ميشود. چون مايعهاي داخلي و خارجي سلول رساناهايي يونياند، پتانسيل دو طرف غشا در نواحي مجاور ناحية فعال نيز از استانة گشوده شدن دروازهها كمتر ميشود. دروازههاي سديم در نقاط مجاور نيز باز ميشوندا، جتي با وجودي كه دروازههاي سديم در نقطة ابتدايي بسته ميشوند، ورود يونهاي سديم را به داخل ميسر ميكنند. به اين ترتيب، اين پتانسيل كنش در راستاي اكسون نورون منتشر ميشود.
نوروني كه يك بار تحريك شود، نميتواند بلافاصله پتانسيل كنش ديگري را منتقل كند. زمان بازيابي كوتاهي، موسوم به دوره تحريكناپذيري، وجود دارد كه در خلال آن، تحريكهاي بالاتر از آستانه، پتانسيل كنش ايجاد نميكنند. دورة تجريكناپذيري نوعاً از مرتبة يك ميلي ثانيه است. و تعداد پالسهايي را كه نورون ميتواند منتقل كند به حدود هزار پالس در هر ثانيه محدود ميكند. در طول دورة تحريكپذيري، تلمبة سديم اندك يونهاي سديمي را كه، در زمان گشوده بودن دروازههاي سديم، به داخل نفوذ كرده بودند به بيرون تلمبه ميكند، و نورون براي پاسخ به تحريكهاي بالاتر از آستانة ديگر آماده ميشود.
