تبیان، دستیار زندگی

            انرژی الکتریکی چیست؟

میدانیم كه هر ماده از تعداد بسیار اتم تشكیل شده است كه هر اتم نیز از سه قسمت 1-نوترون 2- پروتن 3-الكترون تشكلیل شده است تعداد الكترونها با تعداد پروتنها در حالت عادی (خنثی) برابر است الكترون دارای بار منفی و پروتن دارای بار مثبت میباشند كه الكترونها به دور(( پروتن و نوترون )) (هسته اتم) با سرعت بسیار زیادی میچرخند در اثر این چرخش نیروی گریز از مركزی بوجود می آید كه مقدار این نیرو با مقدار نیروی جاذبه بین الكترونها و هسته برابر است پس این برابری نیرو الكترونها را در حالت تعادل نگه میدارد و نمیگذارد كه از هسته دور شوند .

یك سیم مسی هم دارای تعداد زیادی اتم و در نتیجه الكترون است هر گاه ما بتوانیم توسط یك نیرویی الكترونهای در حال چرخش به دور هسته را از مدار خود خارج كنیم و در یك جهت معین به حركت در آوریم جریان الكتریكی برقرار میشود.

پس این نكته را دریافتیم كه جریان برق چیزی جز حركت الكترونها نیست البته این حركت بصورت انتقالی انجام میشود یعنی یك اتم تعدادی الكترون به اتم كناری خود میدهد و اتم كناری نیز به همین ترتیب تعدادی الكترون به اتم بعدی میدهد و بدین صورت جریان برقرار میشود. پس هر گاه كه میگوئیم جریان برق كم یا زیاد است یعنی تعداد الكترونهایی كه در مسیر سیم در حال حركت هستند كم یا زیاد است .

نیروهایی كه باعث جدا شدن الكترون از هسته میشوند:

1- نیروی مغناطیسی خارجی

هرگاه یك سیم را در یك میدان مغناطیسی حركت دهیم نیروی این میدان باعث حركت الكترونهای سیم میشود .

2- ضربه

فرض كنید یك اتوبوس كنار خیابان ایستاده و تمام مسافران آن محكم روی صندلیها نشستند بعد یك اتومبیل دیگر با سرعت زیاد به جلوی این اتوبوس برخورد میكند حال اتوبوس با سرعت به عقب پرتاب میشود و مسافران كه در آنها اینرسی سكون ذخیره شده تمایل دارند كه به همان حالت سكون باقی بمانند در نتیجه اتوبوس به عقب رفته ولی مسافران در همان نقطه مكانی باقی میمانند در نتیجه مسافران از صندلیهای خود جدا شده و از شیشه اتوبوس به بیرون پرتاب میشوند پس این نیروی ضربه بود كه مسافران را از اتوبوس جدا كرد به همین صورت نیز ضربه میتواند الكترونها را از مدار خود خارج كند. نمونه این تولید برق در فندكها.

3- انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی نیز دارای نیرویی است كه قادر است الكترونها را از مدار خود جدا كند.

4-حرارت و ...

میدانیم كه حرارت باعث میشود كه جنبش ملكولی اجسام زیاد شود در اثر این جنبش تعداد زیادی ملكول به شدت با هم برخورد میكنند كه همان نیروی ضربه را بوجود می آوردند و باعث جدا شدن الكترون از اتم میشوند .

نكته : یك سیم مانند دالانی میماند كه در یك دوره زمانی مشخص تعداد معینی از افراد میتوانند از آن عبور كنند یعنی برای اینكه در دوره زمانی مشخص مثلا در 1 دقیقه افراد بیشتری بتوانند از این دالان عبور كنند باید سرعت حركت آنها بیشتر شود در نتیجه در اثر برخورد با هم و با دیواره دالان باعث ایجاد اصطكاك و گرما میشوند برای سیم نیز چنین اتفاقی می افتد یعنی اگر بخواهیم تعداد الكترونهای در حال حركت را افزایش دهیم (جریان را افزایش دهیم ) سرعت حركت الكترونها و نیز تعداد الكترونهایی كه همراه با هم از مقطع سیم عبور میكنند افزایش می یابد در نتیجه اصطكاك افزایش یافته و تولید گرما میكند كه اگر جریان بیش از حد مجاز خود از سیم عبور كند گرمای تولید شده باعث ذوب شدن سیم میشود (سیم میسوزد).

برداشت كلی از این قسمت : حركت الكترونها در یك هادی (سیم) را جریان الكتریكی گویند .

تا اینجا معنی جریان را فهمیدیم اما در مورد ولتاژ چه باید گفت ؟

آیا یك منبع كه ولتاژش بیشتر باشد برق بیشتری تولید میكند یا منبعی كه جریانش بیشتر باشد ؟

هر گاه یك اتم الكترنهایش را از دست دهد بار منفی آن كم میشود و اصطلاحاً میگوئیم بار دار مثبت شده است میدانیم كه بین بار مثبت و منفی نیروی جاذبه وجود دارد و نیروی جاذبه یك عدد الكترون با نیروی جاذبه یك عدد پروتن برابر است به همین جهت است كه در اتم هر پروتن برای خود یك الكترون اختیار میكند تا اینكه بار الكتریكی اتم خنثی شود در حالت عادی تمام اتمهای یك سیم از نظر بار الكتریكی خنثی هستند وقتی ما توسط نیروی خارجی الكترونهای اتمهای سیم را جدا میكنیم و آنها را به یك سمت هدایت میكنیم آن طرف سیم كه الكترونها به آنجا هدایت شده اند دارای زیادی الكترون است پس بارش منفی میشود و طرف دیگر كه كمبود الكترون دارد بارش مثبت میشود در نتیجه بین دوسر سیم یك اختلاف بوجود می آید این اختلاف بصورت انرژی پتانسیل در دو سر سیم ذخیره میشود تا زمانیكه راهی برای خنثی شدنش پیدا كند پس در این حالت هیچ گونه جریانی در سیم و جود ندارد و فقط یك انرژی پتانسیل دو سر سیم ذخیره شده است كه به این نیروی پتانسیل ولتاژ الكتریكی گوییم حال چنانچه نیروی خارجی را قطع كنیم الكترونها به سرعت به جای قبلی خود برمیگردند و در یك لحظه چریان برقرار میشود پس متوجه شدیم تا زمانیكه نیروی خارجی وجود دارد نمیگذارد كه الكترونها از مسیر همان سیم به جای خود برگردند پس باید راه دیگری پیدا كنند برای همین اگر توسط یك سیم دیگر كه میدان خارجی آن را تحت تاثیر خود قرار نداده باشد دو سر سیم قبلی را به هم وصل كنیم الكترونها راهی برای حركت به سمت مكان كمبود الكترون پیدا میكنند در نتیجه جریان در سیم برقرار میشود .

پس نتیجه گرفتیم كه در یك مدار الكتریكی كار اصلی را جریان انجام میدهد و ولتاژ فقط یك نیروی ذخیره شده است كه باعث به حركت در آوردن الكترونها میشود .

حال برای اینكه بهتر متوجه شوید كه ولتاژ چگونه باعث به حركت در آوردن الكترونها (برقراری جریان ) میشود یك مثال میزنیم .

فرض كنید دو لیوان داریم كه یكی پر و دیگری نصفه است لیوانها را در كنار هم قرار میدهیم میدانیم كه بین این دولیوان اختلاف مقدار آب وجود دارد همانگونه كه بین دو سر سیم اختلاف مقدار الكترون وجود داشت اگر این لیوانها چندین ساعت هم در كنار هم قرار بگیرند هیچ اتفاقی نمی افتد اما چنانچه توسط یك لوله ته دو لیوان را به هم وصل كنیم آب از طرف لیوان پر تر به سمت لیوان نصفه حركت میكند تا زمانیكه سطح آب درون دو لیوان به یك اندازه شود . پس در اینجا اختلاف آب است كه باعث حركت میشود و در آنجا اختلاف الكترون (اختلاف پتانسیل) كه این اختلاف پتانسیل خود دارای مقدار است كه به آن مقدار ولتاژ میگوئیم .