مثال 1 - كتاب الفيزياء - الصف 12 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

الموصلات الكهربائية

Conductors

عند تطبيق فرق جهد عبر مادة ما يؤثر المجال الكهربائي الناتج بقوة في الإلكترونات، فتتسارع وتكتسب طاقة، وبذلك يبذل المجال شغلاً عليها. وعندما تكون مستويات الطاقة في المادة تكون هناك مستويات طاقة متاحة طاقاتها أكبر قليلاً من طاقة الإلكترونات في مستويات الاستقرار. ونتيجة لذلك، فإن الإلكترونات التي اكتسبت طاقة من المجال الكهربائي يمكنها أن تتحرك من ذرة إلى الذرة التالية. وتسمى حركة الإلكترونات هذه التيار الكهربائي، وتعرف العملية كاملة بالتوصيل الكهربائي. والمواد المملوئة جزئياً كالفلزات - ومنها الألمنيوم والرصاص والنحاس - توصل الكهرباء بسهولة.

الحركة العشوائية

تتحرك الإلكترونات في الموصلات بسرعة وبصورة عشوائية، حيث تصطدم بالذرات. أما إذا طبق مجال كهربائي على طول معين من السلك فستؤثر قوة محصلة تدفع الإلكترونات في اتجاه واحد. وعلى الرغم من أن حركتها لا تتأثر كثيراً، إلا أنها تتحرك حركة بطيئة وموجهة بتأثير المجال الكهربائي، كما هو موضح في الشكل 4-8. وتستمر الإلكترونات في التحرك بسرعة 10⁻⁵ m/s أو أقل في اتجاه اتجاهات عشوائية، وتتحرك ببطء شديد بسرعة تساوي 10⁻⁶ m/s أو أقل في اتجاه التيار الاصطلاحي. ويسمى هذا النموذج من الموصلات نموذج إلكترون - غاز.

وعندما ترتفع درجة الحرارة تزداد سرعة الإلكترونات، ومن ثم تزداد تصادماتها بالذرات. ولذا فإنه عندما ترتفع درجة حرارة الفلز فإن موصليته تقل، والموصلية هي مقلوب المقاومة، لذا كلما قلت موصلية المادة ازدادت مقاومتها.

كثافة الإلكترونات الحرة في موصل ما عدد الإلكترونات الحرة في السنتيمتر المكعب من النحاس (free e⁻/cm³) ؟ علماً بأن كثافة النحاس 8.96 g/cm³، والكتلة الذرية للنحاس M = 63.54 g/mol ، وعدد الذرات في كل مول هو Nₐ = 6.02×10²³ atom/mol وأن كل ذرة تشارك بإلكترون واحد.

تحليل المسألة ورسمها

حدد القيم المعلومة والقيم المجهولة.

للنحاس: إلكترون حر واحد في كل ذرة

free e⁻/cm³ = ؟

ρ = 8.96 g/cm³ M = 63.54 g/mol Nₐ = 6.02×10²³ atom/mol

الموصلات الكهربائية Conductors عند تطبيق فرق جهد عبر مادة ما يؤثر المجال الكهربائي الناتج بقوة في الإلكترونات، فتتسارع وتكتسب طاقة، وبذلك يبذل المجال شغلاً عليها. وعندما تكون مستويات الطاقة في المادة تكون هناك مستويات طاقة متاحة طاقاتها أكبر قليلاً من طاقة الإلكترونات في مستويات الاستقرار. ونتيجة لذلك، فإن الإلكترونات التي اكتسبت طاقة من المجال الكهربائي يمكنها أن تتحرك من ذرة إلى الذرة التالية. وتسمى حركة الإلكترونات هذه التيار الكهربائي، وتعرف العملية كاملة بالتوصيل الكهربائي. والمواد المملوئة جزئياً كالفلزات - ومنها الألمنيوم والرصاص والنحاس - توصل الكهرباء بسهولة. الحركة العشوائية تتحرك الإلكترونات في الموصلات بسرعة وبصورة عشوائية، حيث تصطدم بالذرات. أما إذا طبق مجال كهربائي على طول معين من السلك فستؤثر قوة محصلة تدفع الإلكترونات في اتجاه واحد. وعلى الرغم من أن حركتها لا تتأثر كثيراً، إلا أنها تتحرك حركة بطيئة وموجهة بتأثير المجال الكهربائي، كما هو موضح في الشكل 4-8. وتستمر الإلكترونات في التحرك بسرعة 10⁻⁵ m/s أو أقل في اتجاه اتجاهات عشوائية، وتتحرك ببطء شديد بسرعة تساوي 10⁻⁶ m/s أو أقل في اتجاه التيار الاصطلاحي. ويسمى هذا النموذج من الموصلات نموذج إلكترون - غاز. وعندما ترتفع درجة الحرارة تزداد سرعة الإلكترونات، ومن ثم تزداد تصادماتها بالذرات. ولذا فإنه عندما ترتفع درجة حرارة الفلز فإن موصليته تقل، والموصلية هي مقلوب المقاومة، لذا كلما قلت موصلية المادة ازدادت مقاومتها. --- SECTION: مثال 1 --- كثافة الإلكترونات الحرة في موصل ما عدد الإلكترونات الحرة في السنتيمتر المكعب من النحاس (free e⁻/cm³) ؟ علماً بأن كثافة النحاس 8.96 g/cm³، والكتلة الذرية للنحاس M = 63.54 g/mol ، وعدد الذرات في كل مول هو Nₐ = 6.02×10²³ atom/mol وأن كل ذرة تشارك بإلكترون واحد. --- SECTION: 1 --- تحليل المسألة ورسمها حدد القيم المعلومة والقيم المجهولة. --- SECTION: المعلوم --- للنحاس: إلكترون حر واحد في كل ذرة --- SECTION: المجهول --- free e⁻/cm³ = ؟ ρ = 8.96 g/cm³ M = 63.54 g/mol Nₐ = 6.02×10²³ atom/mol --- VISUAL CONTEXT --- **FIGURE**: الشكل 4-8 Description: Diagram showing electrons moving randomly within a conductor, with some directional movement indicated by an electric field. Context: Illustrates random and directed electron motion in a conductor. **DIAGRAM**: مثال 1 Description: Schematic representation of copper atoms (Cu) in a lattice structure, with free electrons (e⁻) depicted as moving between them. Shows multiple copper atoms and several free electrons. Context: Visualizes the concept of free electrons in a metallic conductor like copper, relevant to calculating electron density.