الکتریسیته چیست و جریان الکتریکی چگونه ایجاد می‌شود؟

الکتریسیته چیست و جریان الکتریکی چگونه ایجاد می‌شود؟ الکتریسیته یا برق به بخش جدایی ناپذیری از زندگی بشر امروزی تبدیل شده است. در این مطلب با نیروی الکتریکی و کاربردهای آن آشنا خواهید شد.

برق یا الکتریسیته تمام اطراف ما را فرا گرفته است. فقط کافی است نگاهی به پیرامون خود بیاندازید تا انرژی الکتریکی را در همه جای زندگی خود ببینید. کامپیوترها، گوشی های هوشمند، چراغ‌ها، سیستم های تهویه مطبوع و اکثر دستگاه های صنعتی با نیروی برق کار می‌کنند. دشوار است که در زندگی امروزی بتوانید از نیروی الکتریکی فرار کنید.

حتی اگر بخواهید برای فرار از برق، از شهر و روستای خودتان به طبیعت پناه ببرید باز هم نیروی الکتریسیته شما را رها نخواهد کرد. از رعد و برق گرفته تا سیناپس درون بدنتان به این انرژی خارق العاده متکی هستند.

اما برای اینکه بدانید دقیقا برق چیست و چگونه تولید می‌شود، نیاز دارد تا به شکلی عمیق تر به این موضوع بپردازیم و سوالات بیشتری مطرح کنیم. حقیقت این است که برای پاسخ به این سوال یک تعریف دقیق و قاطع وجود ندارد، بلکه این یک تعریف انتزاعی است از تاثیری که الکتریسیته بر ما و محیط اطرافمان می‌گذارد.

برق یا الکتریسیته چیست

برق یا الکتریسیته یک پدیده طبیعی است که به حضور و جریان بار الکتریکی وابسته است. الکتریسیته نوعی از انرژی بوده و در واقع جریان الکترون ها است. برق یک پدیده طبیعی است که در سرتاسر طبیعت رخ می‌دهد، اما در این مطلب ما به دنبال تعریف برق تولید شده توسط انسان هستیم. هدف این است که بدانیم برق چگونه تولید می‌شود و به چه طریق انتقال می‌یابد.

الکتریسیته به طور خلاصه به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می‌شود، اما در پشت این تعریف ساده چیزهای زیادی نهفته است. این نیرو از کجا آمده است و چگونه ما می‌توانیم آن را منتقل کنیم؟ بار الکتریکی چگونه باعث حرکت مکانیکی شده و همه چیز را روشن می‌کند و ده‌ها سوال دیگر!

اما برای توضیح اینکه الکتریسیته چیست ما باید از طریق ماده و مولکول به دنیای اتم ها وارد شویم. این مطلب به تعریف الکتریسیته در فیزیک می‌پردازد و اگر قصد دارید که همه چیز درباره برق را بدانید، مطمئنا بد نیست که به منابع دیگری هم رجوع کنید.

اتم ها، بلوک های ساختار پایه هر ماده را تشکیل می‌دهند و به بیش از 100 شکل مختلف به عنوان عناصر شیمیایی همچون هلیوم، هیدروژن، اکسیژن و غیره وجود دارند، اما برای توضیح اینکه برق چگونه کار می‌کند باز هم لازم است تا به اجزای کوچکتری نفوذ کنیم.

هر اتم از سه ذره متمایز به نام الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. در هسته مرکزی پروتون ها و نوترون ها وجود دارند و الکترون ها در اطراف هسته در گردش هستند. تعداد پروتون ها برای یک اتم حایز اهمیت است، چرا که مشخص می‌کند با چه عنصر شیمیایی سر و کار داریم.

به عنوان مثال اتمی که تنها یک پروتون دارد، هیدروژن بوده و اتمی که 29 پروتون دارد، مس است. در واقع تعداد پروتون ها عدد اتمی عناصر را مشخص می‌کنند، اما برای اینکه بدانیم الکتریسیته چیست هیچ نیازی به پروتون ها و یا نوترون ها نداریم. این دو ذره هیچ تاثیری در شناخت ما از برق نخواهند داشت.

برای تعریف الکتریسیته و چگونگی عملکرد آن به الکترون ها نیاز داریم (متوجه اشتراک بین نام آنها شده‌اید؟) در حالت پایدار و متعادل، اندازه پروتون ها و الکترون ها در یک اتم با یکدیگر برابر خواهد بود. به عنوان مثال مس با عدد اتمی 29، دارای 29 الکترون است.

الکترون ها در یک اتم برای همیشه به آن متصل نخوااهند بود. الکترون ها در لایه بیرونی اتم قرار دارند و به الکترون های والانس معروف هستند. این الکترون ها می‌توانند از مدار اتم خارج شده و به شکل آزاد به حرکت درآیند. این الکترون های آزاد همان چیزهایی هستند که باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شوند.

جریان الکتریکی چیست

در ابتدای این مقاله در تعریف الکتریسیته به جریان بارهای الکتریکی اشاره کردیم. بار الکتریکی نیز درست به مانند جرم، حجم و یا چگالی قابل اندازه گیری است. بار الکتریکی در دو نوع مثبت و منفی وجود دارد.

پروتون ها دارای بار مثبت بوده و الکترون ها بار منفی دارند، اما نوترون ها خنثی هستند. پروتون ها نمی توانند هسته اتم را ترک کنند، اما این موضوع برای الکترون ها صادق نیست؛ در شرایطی الکترون ها قادرند تا اتم خود را ترک کنند.

الکتریسیته در واقع همین الکترون هایی هستند که اتم هایشان را ترک کرده تا به اتم دیگری پیوند بخورند. این جریان الکترون ها در حقیقت پاسخی خواهد بود به این سوال که الکتریسیته چیست

برخی اتم ها به راحتی الکترون های خود را از دست می‌دهند و برای برخی دیگر این مساله با سختی بیشتری همراه است. این موضوع به تعداد الکترون ها در لایه بیرونی آن اتم بستگی دارد. به عنوان مثال اتم مس در بیرونی ترین لایه خود تنها یک الکترون دارد و این مساله باعث می‌شود تا الکترون های اتم مس به راحتی از هسته اتم جدا شوند. به همین دلیل مس یک رسانای خوب برق به حساب می‌آید.

بار الکترون ها و پروتون ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است، چرا که باعث بوجود آمدن نیروی بین آنها خواهد شد، نیرویی که به الکترواستاتیک معروف است.

نیروی الکترواستاتیک چیست

نیروی الکترواستاتیک (قانون کولن نیز نامیده می‌شود)، نیرویی است که بین بارهای الکتریکی عمل می‌کند. این نیرو به الکتریسیته ساکن یا ایستا برق نیز معروف است.

الکترواستاتیک به بیان ساده می‌گوید که بارهای هم نوع یکدیگر را دفع می‌کنند، در حالی که بارهای مخالف به یکدیگر جذب می‌شوند.

مقدار نیرویی که روی دو بار الکتریکی اثر می‌گذارد، به فاصله بین آنها بستگی دارد. دو بار الکتریکی که به یکدیگر نزدیکتر باشند نیروی بیشتری (یا یکدیگر را جذب کرده و یا دفع می‌کنند) به هم اعمال می‌کنند.

بر همین اساس قانون کولن -بعضا به اشتباه کولمب گفته می‌شود- تعریف می‌شود. معادله پایه الکتروستاتیک، قانون کولن است که نیروی بین دو بار نقطه‌ای را توصیف می‌کند.

اندازه نیروی الکترومغناطیس بین دو بار الکتریکی نقطه‌ای با حاصلضرب اندازه بارها نسبت مستقیم، و با مربع فاصله بین دو بار نسبت معکوس دارد.

در فرمول کولن بالا، Q۱ و Q۲ اندازه بارها و r فاصله بین دو بار بوده و ε۰ ثابت گذردهی خلأ نامیده می‌شود. مقدار ثابت گذردهی خلأ برابر است با “مقدار برابر با ۸ ضرب در ده به توان ۹”

جریان برق چگونه ایجاد می‌شود

اکنون همه ابزارها برای ایجاد جریان الکتریکی وجود دارد. الکترون ها می‌توانند به عنوان یک حامل بار الکتریکی در اتم ها عمل کنند؛ چراکه آنها دارای بار منفی هستند. اکنون اگر بتوانیم یک الکترون را به حرکت درآوریم، پس خواهیم توانست که برق تولید کنیم.

برای دانستن روند جریان تولید برق به مدل اتمی اتم مس توجه کنید. در حالت متعادل اتم مس دارای 29 پروتون در هسته بوده و به همین تعداد الکترون در اطراف هسته ان در حال گردش هستند. این الکترون ها در فواصل مختلفی نسبت به هسته قرار دارند. الکترون هایی که به هسته نزدیکتر می‌شوند، جاذبه قوی تری نسبت به الکترون های لایه های بیرونی دارند.

همان طور که گفتیم الکترون های لایه بیرونی را الکترون های والانس یا الکترون های ظرفیت می‌نامند. این الکترون ها برای جدا شدن از اتم به نیروی بسیار کمتری نیاز دارند، پس برای تولید برق بهترین ذرات خواهند بود.

با استفاده از نیروی الکترواستاتیک کافی روی الکترون والانس -با دور کردن آن توسط یک بار منفی دیگر و یا جذب آن توسط یک بار مثبت- قادر خواهیم بود تا الکترون را از مدار اطراف اتم رها کنیم و در این حالت ما یک الکترون آزاد خواهیم داشت.

حال یک سیم مسی را در نظر بگیرید. این سیم پر است از اتم های بی‌شمار مس که الکترون های آزاد ما قادر خواهند بود تا با نیرویی که به آنها وارد می‌شود، در فضای بین این اتم ها شناور شده و به اطراف حرکت کنند.

در این شرایط الکترون آزاد در نهایت یک اتم جدید را برای پیوند پیدا خواهد کرد. این زنجیره به طور مداوم تکرار شده و جریانی را بوجود می‌آورد که ما آن را با نام جریان برق یا جریان الکتریکی می‌شناسیم.

رسانای الکتریکی چیست

برخی از اتم ها در آزاد کردن الکترون های خود بهتر از دیگر اتم ها عمل می‌کنند. اینها همان موادی هستند که در نگه داشتن الکترون های لایه والانس خود خساست به خرج نداده و به اسانی اجازه می‌دهند تا این الکترون ها با نیرویی کم به اتم های دیگر پیوند بخورند.

به هر ماده‌ای که بتواند جریان الکتریسیته را به خوبی از خود عبور دهد، رسانا یا هادی می‌گویند. این مواد برای ساخت سیم و یا اجزای دیگری که برای انتقال برق مورد استفاده قرار می‌گیرند، بسیار مفید خواهند بود.. فلزاتی چون مس، نقره و طلا رسانای الکتریکی بوده و معمولا بهترین گزینه ها برای انتقال برق هستند.

عناصر با رسانایی کم، عایق نامیده می‌شوند. عایق ها هدف بسیار مهمی را دنبال می‌کنند. آنها از جریان الکتریکی جلوگیری کرده و نقش مهمی را در صنعت برق ایفا می‌کنند. موادی همچون شیشه، پلاستیک، لاستیک و هوا عایق های بسیار خوبی هستند.

الکتریسیته ساکن یا الکتریسیته جاری

حال که می‌دانیم الکتریسیته چیست و چگونه یک جریان الکتریکی بوجود می‌آید، اکنون نوبت به صحبت درباره دو شکل از الکتریسیته است که می‌توانیم آن را در اختیار داشته باشیم. الکتریسیته ساکن و الکتریسیته جاری.

اگرچه در حال حاضر ما بیشتر با الکتریسیته جاری سر و کار داریم، اما الکتریسیته ساکن نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. پس هر دو نوع را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

الکتریسیته ساکن

عدم تعادل بارهای الکتریکی روی سطح یک ماده یا داخل آن را الکتریسیته ساکن گویند. الکتریسیته ساکن در مقابل الکتریسیته جاری یا جریان الکتریکی قرار می‌گیرد. الکتریسیته ساکن تا زمانی وجود دارد که دو بار مخالف بتوانند راهی برای تعادل پیدا کنند.

اکثر مردم با الکتریسیته ساکن آشنا هستند. در هنگام شانه کردن موها با یک شانه پلاستیکی و یا در هنگام پوشیدن لباس های پشمی حتما دیده‌اید که چگونه موها به سمت بالا حرکت کرده و احتمالا با جرقه های ضعیفی نیز همراه شده‌اند. این همان الکتریسیته ساکن است.

الکتریسیته جاری

همان شکلی از الکتریسیته است که به تمام وسایل و ابزارآلات برقی ما جان می‌دهد. الکتریسیته جاری زمانی وجود دارد که بارهای الکتریکی یک جریان مداوم را تشکیل دهند. اگر در الکتریسیته ساکن بارها به شکل ایستا و ثابت وجود دارند، در الکتریسیته جاری این بارها در حال حرکت هستند و این موضوع تفاوت این دو نوع را شامل می‌شود.

مدار الکتریکی چیست

برای تولید جریان برق الکتریسیته جاری نیاز به یک مدار الکتریکی دارد. این مدار شامل یک حلقه بسته و یکپارچه از یک ماده رساناست. یک مدار الکتریکی ساده می‌تواند از یک سیم رسانا تشکیل شود که سر و ته آن به هم متصل شده است، اما معمولا مدارهای الکتریکی مفید و مورد استفاده، ترکیبی از سیم و اجزای دیگری است که کنترل جریان برق را برای ما امکان‌پذیر می‌کنند.

تنها قانون برای داشتن یک مدار الکتریکی این است که هیچ فاصله یا شکافی بین اجزای آن مدار وجود نداشته باشد.

اگر شما یک سیم مسی داشته باشید، الکترون های ازاد اتم مس می‌توانند در طول این سیم جریان یابند. مس یک رسانای خوب الکتریسیته بوده و برای ساختن مدارهای الکتریکی بسیار مناسب است. اگر یک مدار سیم مسی قطع شود، بارها قادر نخواهند بود تا از طریق هوا جریان پیدا کنند، اما از سوی دیگر اگر هر دو انتهای سیم به یکدیگر متصل باشند، تمام الکترون ها یک اتم همسایه خواهند داشت که از طریق آن می‌توانند در همان جهت کلی جریان یابند.

هر مدار الکتریکی از اجزای زیر تشکیل شده‌ است:

  1. یک منبع تغذیه مانند باتری یا مولد
  2. سیم‌ها یا نوارهای ارتباط دهنده مدار که از یک ماده رسانای الکتریسیته خوب مانند مس ساخته می‌شوند.
  3. قطعات مداری همچون خازن، مقاومت، القاگر، دیود، ترانزیستور و …

اکنون ما می‌دانیم که جریان الکتریکی چگونه ایجاد شده و الکترون ها به شکلی می‌توانند جریان پیدا کنند، اما ما چگونه می‌توانیم این جریان را به یک سمت هدایت کنیم و هنگامی که این الکترون ها به حرکت درآمدند، چگونه انرژی لازم برای روشن کردن لامپ های الکتریکی و یا موتورهای گردشی را تامین می‌کنند. برای درک این موضوع ما باید میدان الکتریکی را بشناسیم.

میدان الکتریکی چیست

تا اینجا ما همه چیز درباره الکتریسیته و جریان الکترون ها برای تولید برق را فهمیدیم. این موضوع بسیار خوب است، اما همه چیز نخواهد بود. اکنون برای هدایت الکترون ها در یک مسیر مشخص ما به یک منبع نیاز خواهیم داشت. اغلب اوقات این منبع جریان الکترون از یک میدان الکتریکی نشات می‌گیرد.

میدان های الکتریکی را نمی‌توان دید، چرا که آنها یک ظاهر فیزیکی ندارند، اما اثرات آن به خوبی قابل مشاهده است.

همه ما ناخودآگاه با یک میدان خاص به نام میدان گرانشی زمین آشنا هستیم. میدان گرانشی زمین را می‌توان با بردارهایی که به سمت مرکز کره کشیده شده است، مدل سازی کرد.

میدان الکتریکی نیز یک کمیت برداری است و خاصیتی است که هر بار الکتریکی در اطراف خود ایجاد می کند. این میدان یک ابزار مهم برای درک این موضوع است که برق چگونه تولید می شود و به چه شکلی جریان می‌یابد.

یک بار منفی دارای میدان الکتریکی به سمت داخل است و یک بار مثبت دارای میدان الکتریکی به سمت خارج است. یک منبع الکتریکی از همین قانون استفاده می‌کند. یک سر آن مثبت و سر دیگر منفی است پس میدان الکتریکی ایجاد می شود که سر مثبت آن نیروی برداری به سمت خارج دارد و سر منفی در حال جذب این نیرو است. همین موضوع جریان برق را ایجاد می کند و این جریان از طریق یک مدار الکتریکی قابل انتقال است.

در حال حاضر می‌توانید تعریف درستی از برق و جریان الکتریسیته داشته باشید. همه چیز به الکترون های آزاد و میدان الکتریکی بستگی دارد و اکنون شما اطلاعات نسبتا کاملی از آن دارید.

.

منبع: sparkfun



ارسال نظر