الکتریسیته از کشف تا به امروز

در الکتریسیته، بارهای الکتریکی میدان های الکترومغناطیسی را تولید می کنند و این میدان ها سایر بارها را تحت تأثیر قرار می دهند. الکتریسیته به چند دلیل مختلف فیزیکی اتفاق می افتد:

• بار الکتریکی: خاصیت برخی ذرات زیراتمی که فعل و انفعالات الکترومغناطیسی آنان را مشخص می کند. مواد باردار، میدان الکترومغناطیسی تولید می کنند و همچنین تحت تأثیر سایر میدان ها قرار می گیرند.
• میدان الکتریکی: یک نوع ساده از میدان های الکترومغناطیسی است که به وسیله بار الکتریکی ساکن یا متحرک تولید می شود. در میدان الکتریکی، به بار الکتریکی، نیرو وارد می شود.
• پتانسیل الکتریکی: توانایی میدان الکتریکی برای انجام کار بر روی یک بار الکتریکی که واحد آن ولت است.
• جریان الکتریکی: حرکت یا جریان (ذرات باردار) که واحدش آمپر است.
• آهنربای الکتریکی: بارهای متحرک یک میدان مغناطیسی تولید می کنند. جریان های الکتریکی میدان های مغناطیسی تولید می کنند و میدان های مغناطیسی متغیر جریان های الکتریکی تولید می کنند.
• در مهندسی برق از الکتریسیته برای این منظورها استفاده می شود:
• توان الکتریکی: استفاده از جریان الکتریکی برای تأمین انرژی وسایل برقی را گویند.
• الکترونیک: در حالی که با مدارهای الکتریکی در ارتباط است، شامل اجزای فعال الکتریکی از جمله لامپ های خلأ، ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع می باشد.

پدیده های الکتریکی از گذشته دور مورد مطالعه قرار گرفته اند، اما پیشرفت در درک نظری تا قرن های هفدهم و هجدهم به آرامی اتفاق افتاد. حتی آن زمان نیز کاربرد الکتریسیته اندک بود، و این موضوع تا اواخر قرن نوزدهم و زمانی که مهندسان قادر به استفاده از برق در مناطق صنعتی و مسکونی شوند، ادامه یافت. پیشرفت سریع در تکنولوژی الکتریکی صنعت و جامعه را دگرگون ساخت. کاربرد گسترده الکتریسیته سبب شد که از آن در موارد کاربردی بدون محدودیت شامل حمل و نقل، گرمایش، روشنایی، مخابرات و محاسبات استفاده شود. اکنون الکتریسیته پایه های جامعه صنعتی مدرن را تشکیل می دهد.

تاریخچه

خیلی پیشتر از هر اطلاعی از الکتریسیته، مردم از شوک های ماهی های الکتریکی آگاهی داشتند. در نوشته های مصریان باستان که از سده ۲۸ (پیش از میلاد) باقی مانده اند، نام این گونه ها را تندرگرهای نیل گذاشتند، و آن ها را محافظ سایر ماهی ها می دانستند. هزاران سال قبل، ماهی های الکتریکی به وسیله یونان باستان، امپراطوری روم و طبیعت شناسان مسلمان گزارش شده است. چند نویسنده باستانی، مانند پلنیوس و اسکریبونیوس لارگوس به وجود تأثیرات بی حس کننده شوک های الکتریکی ناشی از گربه ماهی های الکتریکی و سپرماهی سانان پی بردند و دریافتند که این شوک ها، به وسیله اشیای هادی انتقال می یابد. به بیماران مبتلا به بیماری هایی چون نقرس یا سردرد، توصیه می شد که ماهی الکتریکی را لمس کنند تا شاید نیروی قدرتمندش آن ها را درمان کند.

مردم در تمدن های کنار مدیترانه دریافته بودند که اجسامی چون کهربا، با مالش به موهای گربه می توانند اجسام سبک چون پر را جذب کنند. دانشمند و فیلسوف یونانی، تالس حدود ۶۰۰ سال پیش از میلاد، پس از مطالعاتی که بر روی الکتریسیته ساکن انجام داد، چنین برداشت کرد که مالش، کهربا را تبدیل به ماده مغناطیسی می کند و برخلاف آن، معادنی چون مگنتیت نیازی به مالش ندارند.

الکتریسیته تا سال ۱۶۰۰ به مدت چند هزار سال تنها به عنوان یک کنجکاوی ذهنی قلمداد می شد، تا اینکه ویلیام گیلبرت، دانشمند انگلیسی، مطالعات دقیقی پیرامون الکتریسیته و مغناطیس انجام داد. او تأثیر سنگ آهنربا را به وسیله مالش کهربا شناسایی کرد. او واژه electricus را به خاصیت جذب اجسام کوچک، پس از مالش، نسبت داد. پس از این رویداد، واژه الکتریسیته و الکتریکی برای اولین بار در کتاب سیودودکسیا اپیدمیکا، نوشته توماس براون چاپ شد.

بعدها افرادی چون اتو فن گریکه، رابرت بویل، استفن گری و چارلز فرانکویس این مسیر را ادامه دادند. در قرن ۱۸ام، بنجامین فرانکلین تحقیقات گسترده ای پیرامون الکتریسیته انجام داد. او با فروش دارایی های خود، هزینه کارش را فراهم کرد. مشهور است که او در سال ۱۷۵۲ یک کلید فلزی را به انتهای یک بادبادک مرطوب وصل کرد و آن را در آسمان طوفانی به هوا فرستاد. جرقه های متوالی که از کلید به پشت دستش می پریدند، نشان دادند که آذرخش قطعا پدیده ای الکتریکی در طبیعت است.

در سال ۱۷۹۱، لوییجی گالوانی اکتشاف خود در زمینه بیوالکتریک را منتشر کرد. او نشان داد که الکتریسیته واسطه ایست که به وسیله آن، سیگنال ها از سلول های عصبی به ماهیچه ها انتقال می یابند. در قرن ۱۸ام، باتری الساندرو ولتا، یا پیل ولتایی، که از روی هم قرار گرفتن لایه های متناوب روی و مس ساخته شده بود، برای دانشمندان منبع انرژی قابل اعتمادتری نسبت به ژنراتورهای الکترواستاتیکی قدیمی فراهم کرد. کشف الکترومغناطیس، یا همان وحدت پدیده های الکتریکی و مغناطیسی، بین سال های ۱۸۱۹–۱۸۲۰ به وسیله هانس کریستین اورستد و آندره ماری آمپر اتفاق افتاد. در سال۱۸۲۱، مایکل فارادی موتور الکتریکی را اختراع کرد و در سال ۱۸۲۷ گئورگ زیمون اهم از نظر ریاضی مدار الکتریکی را مورد بررسی قرار داد. در سال های ۱۸۶۱ و ۱۸۶۲ جیمز کلرک ماکسول در کتاب درباره خطوط فیزیکی نیرو، الکتریسیته و مغناطیس را به طور قطعی به هم مرتبط ساخت.

درحالی که در اوایل قرن ۱۹ام، پیشرفت های سریعی در برق اتفاق افتاد، اواخر قرن ۱۹ام، شاهد بزرگترین پیشرفت در مهندسی برق بود. با تلاش افرادی چون الکساندر گراهام بل، اتو بلاثی، توماس ادیسون، گالیله فراری، الیور هویساید، انیوس جدلیک، چارلز آلگرنون پارسونز، ویلیام تامسون، ارنست فون زیمنس، جوزف سوان، نیکولا تسلا و جرج وستینگهاوس، الکتریسیته از حس کنجکاوی علمی به ابزاری مهم در زندگی مدرن و نیروی محرکی برای انقلاب صنعتی دوم تبدیل شد.

در سال ۱۸۸۷ هاینریش هرتز الکترودهایی را کشف کرد که وسیله پرتوی فرابنفش روشن می شدند و جرقه های الکتریکی را به سادگی ایجاد می کردند. در سال ۱۹۰۵ آلبرت اینشتین مقاله ای منتشر کرد که در آن با توصیف داده های آزمایشگاهی، اثر فوتوالکتریک را به عنوان نتیجه انرژی نور نشان داد و ثابت کرد که این انرژی به وسیله بسته های کوانتمی، حمل می شود و به الکترون ها انرژی می دهد. این اکتشاف منجر به انقلاب کوانتمی شد. اینشتین در سال ۱۹۲۱ به خاطر کشف اثر فوتوالکتریک جایزه نوبل فیزیک گرفت. امروزه، از اثر فوتوالکتریک در حسگرهای نور و صفحه های خورشیدی استفاده می شود که اخیرا برای تولید الکتریسیته در سطح تجاری به کار می روند.

اولین وسیله حالت جامد، ردیاب سبیل گربه ای بود که برای اولین بار در دهه ۱۹۳۰ در گیرنده های رادیویی به کار رفت. یک سیم سبیل گربه ای به یک بلور جامد (مانند بلور ژرمانیوم) متصل است تا با استفاده از تأثیر نقطه تماس، یک سیگنال رادیویی را شناسایی کند. در جز حالت جامد، جریان الکتریکی به عناصر و ترکیبات جامد وابسته است که به منظور پر کردن کاستی الکترون هاست که حفره الکترونی نامیده می شود. مفهوم حفره های خالی و پر با توجه به فیزیک کوانتومی قابل درک است. ماده سازنده نیز اغلب یک نیم رسانای بلوریست.

وسایل حالت جامد، با اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۴۷، ارتقا یافتند. وسایل حالت جامد رایج عبارتند از: ترانزیستورها، تراشه های ریزپردازنده و حافظه دسترسی تصادفی. نوع ویژه ای از حافظه ها که حافظه فلش نام دارد، در یواس بی فلش درایوها به کار می رود و به تازگی، درایوهای حالت جامد جایگزین سیستم چرخش مکانیکی دیسک مغناطیسی در دیسک سخت شده است. وسایل حالت جامد در دهه های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ محبوبیت فراوانی کسب کردند، که مصادف با تغییر از تکنولوژی لامپ خلاء به دیودهای نیم رسانا، ترانزیستورها، مدار مجتمع و ال ئی دی بود.

مفاهیم

◄ بار الکتریکی

وجود بار الکتریکی سبب افزایش نیروی الکترواستاتیکی می شود: این بارها به یکدیگر نیرو اعمال می کنند؛ نیرویی که در گذشته شناخته شده ولی علتش نامعلوم بود. یک گوی سبک که از یک نخ آویزان است، هنگام تماس با میله شیشه ای باردار که تحت مالش با پارچه قرار گرفته، می تواند باردار شود. اگر گوی دیگری نیز با همان میله شیشه ای باردار شود، گوی قبلی را دفع می کند: بار تلاش می کند تا دو گوی را از هم دور کند. دو گوی باردار شده به وسیله میله پلاستیکی نیز یکدیگر را دفع می کنند. اما، اگر یک گوی به وسیله میله شیشه ای و گوی دیگر به وسیله یک میله پلاستیکی باردار شود، این دو گوی یکدیگر را جذب می کنند. شارل آگوستن دو کولن این پدیده را در قرن هیجدهم کشف کرد. او استنباط کرد که بار الکتریکی، خود را به دو شکل نمایان می کند. این کشف به قانون مشهوری منجر شد: اجسام با بار همنام یکدیگر را دفع و اجسام با بار غیر همنام یکدیگر را جذب می کنند.

این نیرو ذرات باردار را تحت تأثیر قرار می دهد. بنابرین بار تمایل دارد تا حد امکان به طور مساوی در یک سطح هادی پخش شود. اندازه نیروی الکترومغناطیسی، چه جاذبه باشد و چه دافعه، با استفاده از قانون کولن به دست می آید. مطابق این قانون، نیرو با حاصلضرب بار دو ذره در مجذور معکوس فاصله بین آن دو متناسب است. نیروی الکترومغناطیس بسیار نیرومند است و در واقع بعد از نیروی هسته ای قوی، نیرومندترین نیرو به شمار می آید. اما بر خلاف آن، این نیرو در تمام فواصل اعمال می شود. در مقایسه با نیروی گرانش، نیروی الکترومغناطیسی که دو الکترون را دفع می کند، ۱۰۴۲ بار قویتر از نیروی جاذبه گرانشی بین آن دو است.

مطالعات نشان می دهد که منشأ بار، انواع مخصوصی از ذرات زیراتمی هستند که ویژگی بار الکتریکی دارند. بار الکتریکی سبب تقویت نیروی الکترومغناطیسی می شود، که یکی از چهار نیروی بنیادی به حساب می آید. آشناترین حاملان بار الکتریکی، الکترون ها و پروتون ها هستند. تحقیقات حاکی از وجود قانون بقای بار الکتریکی است و این بدان معناست که در یک سیستم ایزوله، بدون توجه به هر تغییری که در سیستم روی دهد، مقدار بار کلی آن ثابت می ماند. در یک سیستم، ممکن است بار به صورت تماس مستقیم یا با عبور از یک ماده رسانا (مانند سیم) از جسمی به جسم دیگر منتقل شود. به وجود بار روی یک جسم، الکتریسیته ساکن گفته می شود که اغلب هنگام مالش دو ماده غیر همسان ایجاد می شود و بار از یکی به دیگری انتقال می یابد.

بار الکترون و پروتون مخالف همند. بنابرین، مقدار بار ممکن است مثبت یا منفی باشد. طبق قرارداد، باری که به وسیله الکترون ها حمل می شود منفی و باری که به وسیله پروتون ها حمل می شود مثبت است. این موضوع از تلاش های بنجامین فرانکلین سرچشمه گرفته است. اندازه بار را با علامت Q نشان می دهند که واحدش کولن است. هر الکترون حدودا بار 1.6022x10^-19- کولن را حمل می کند. بار پروتون نیز معادل الکترون، ولی با علامت مثبت است؛ یعنی 1.6022x10^-19 کولن. بار تنها به وسیله ماده جذب نمی شود؛ بلکه در پادماده نیز، هر پادذره باری هم اندازه و مخالف ذره مربوطه اش تحمل می کنند.
بار را می توان به وسیله ابزار گوناگونی سنجید. یک ابزار جدید برای سنجش بار الکتروسکوپ نام دارد که اگرچه هنوز در کلاس های درسی به کار می رود، جایگزین برق سنج الکترونیکی شده است.

◄ جریان الکتریکی

حرکت بارهای الکتریکی را جریان الکتریکی گویند که شدت آن با واحد آمپر سنجیده می شود. جریان می تواند شامل حرکت هر ذره بارداری باشد؛ که اکثرا الکترون ها هستند. ولی هر بار در حال حرکتی، یک جریان به حساب می آید. جریان الکتریکی می تواند در هادی های الکتریکی به حرکت درآید، اما ممکن است نتواند در عایق های الکتریکی به جریان افتد.

مطابق قرارداد تاریخی، جریان مثبت مسیری را که هر بار مثبت شامل شده ای طی کند، می پیماید یا از مثبت ترین بخش یک مدار به منفی ترین بخشش انتقال می یابد. جریانی که از این الگو پیروی کند، جریان قراردادی نام دارد. بنابرین، حرکت الکترون های دارای بار مخالف در یک مدار الکتریکی، یکی از آشناترین اشکال جریان، در خلاف جهت حرکت الکترون ها، مثبت فرض می شود. اما، بر اساس شرایط، یک جریان الکتریکی می تواند شامل یک جریان از ذرات باردار، هم در یک مسیر و هم در هر دو مسیر باشد. قرارداد مثبت به منفی برای ساده سازی این شرایط وضع شده است.

به فرایندی که در آن جریان الکتریکی از مواد عبور می کند، «رسانایی الکتریکی» گفته می شود و ذاتا با ذرات باردار و ماده ای که به وسیله آن جابجا می شوند، متفاوت است. رسانایی فلزی، که الکترون ها در ماده رسانایی مانند فلزات جریان می یابند و برق کافت، که در آن یون ها (اتم های باردار) در مایعات یا پلاسماهایی مانند جرقه های الکتریکی جریان می یابند، مثال هایی از رسانایی هستند. در حالی که ذرات به خودی خود کندند، و گاهی اوقات با سرعت رانش میانگین یک میلی متر در ثانیه پیش می روند، میدان الکتریکی که آن ها را پیش می برد، سرعت آن ها را به نزدیکی سرعت نور می رساند و سیگنال های الکتریکی را قادر می سازد که با سرعت سیم ها را بپیمایند.

برای شناسایی و اثبات وجود جریان، به طور تاریخی،به چند تأثیر قابل مشاهده آن اتکا شده است. جریان می تواند آب را تجزیه کند و این موضوع در سال ۱۸۰۰ به وسیله ویلیام نیکولسون و آنتونی کارلیسله کشف شد که امروزه با نام برق کافت شناخته می شود. در سال ۱۸۳۳، مایکل فارادی راه آنان را به خوبی ادامه داد. جریان در یک مقاومت الکتریکی سبب تجمع گرما در مقاومت می شود. در سال ۱۸۴۰، این اثر را جیمز ژول از نظر ریاضی مورد مطالعه قرار داد. یکی از مهم ترین اکتشافات مرتبط با جریان، به طور اتفاقی در سال ۱۸۲۰ به وسیله هانس کریستین اورستد صورت گرفت؛ او هنگام آماده کردن سخنرانی خود، مشاهده کرد که جریان در یک سیم، سوزن قطب نما را به حرکت درمی آورد. او الکترومغناطیس را (که یک تعامل اساسی بین الکتریسیته و مغناطیس است) کشف کرد. میزان انتشار الکترومغناطیس تولیدشده به وسیله قوس الکتریکی، برای ایجاد تداخل الکترومغناطیسی کافیست که می تواند باعث صدمه دیدن وسایل مجاور شود.

در وسایل مهندسی یا خانگی، جریان به دو دسته مستقیم و متناوب تقسیم می شود. این واژه ها به تغییرات جریان در بازه زمانی اشاره دارد. جریان مستقیم، برای مثال از یک باتری گرفته می شود و بیشتر لوازم الکترونیکی بدان نیاز دارند. این جریان یک سویه است و همواره از قسمت مثبت مدار به قسمت منفی جریان می یابد. اگر این جریان به وسیله الکترون ها حمل شود، جهت جریان در خلاف جهت گفته شده خواهد بود. جریان متناوب جریانیست که جهتش به طور مکرر تغییر می کند. این تغییر، اغلب به شکل یک موج سینوسی است. بنابراین، جریان متناوب دارای پالس عقب و جلو است و در یک رسانا بدون حرکت بارها جریان تولید می کند. ارزش میانگین زمانی یک جریان متناوب، صفر است. اما این جریان انرژی را در یک مسیر می رساند و سپس تغییر جهت می دهد. جریان متناوب تحت تأثیر ویژگی های الکتریکی در شرایط پایدار جریان مستقیم، مانند القاوری و ظرفیت خازنی قرار می گیرد. این ویژگی ها زمانی مهم می شوند که شدت جریان گذرا باشد.

◄ میدان الکتریکی

مفهوم میدان الکتریکی توسط مایکل فارادی مطرح شد. میدان الکتریکی در اطراف جسم باردار شکل می گیرد و به تمام ذرات باردار درون میدان نیرو وارد می کند. میدان الکتریکی بین دو بار، مشابه میدان جاذبه بین دو جرم عمل می کند و مانند آن در فضای بی نهایت گسترش می باید و یک رابطه مجذور معکوس با فاصله نشان می دهد. اما یک فرق اساسی با آن دارد، میدان جاذبه همیشه در نقش جذب کننده عمل می کند و می کوشد تا دو جسم را به یکدیگر برساند، در حالی که میدان الکتریکی می تواند هم سبب جذب شود و هم دفع. از آن جا که اجسام بزرگ، مانند سیاره ها، دارای بار خالص نیستند، اغلب میدان الکتریکی در اطراف آن ها صفر است. لذا نیروی جاذبه با وجود این که بسیار ضعیف تر است، در گیتی نیروی غالب به شمار می آید.

میدان الکتریکی به طور عمومی در فضا متغیر است و شدت آن در هر نقطه با نیرویی مشخص می شود که یک بار الکتریکی غیرمتحرک احساس می کند. بار فرضی، که ذره آزمون نام دارد، بسیار کوچک است تا میدان الکتریکی آن با میدان الکتریکی اصلی تداخل نداشته باشد و همچنین ثابت است تا از تأثیر میدان های مغناطیسی جلوگیری کند. از آن جا که میدان الکتریکی با واحد نیرو شناسایی می شود و نیرو نیز یک بردار اقلیدسی است، در نتیجه، یک میدان مغناطیسی یک بردار است که هم شدت دارد و هم مسیر و در واقع، یک میدان برداری است.

مطالعه میدان الکتریکی حاصل از بارهای ثابت، الکتریسیته ساکن نام دارد. میدان به وسیله مجموعه ای از خطوط فرضی نمایش داده می شود که در هر نقطه از میدان مسیر آن را نمایش می دهند. این مفهوم، به وسیله فارادی مطرح شد، که واژه خط نیرویی که او بیان کرده بود، هنوز نیز کاربرد دارد. خطوط میدان، مسیرهایی هستند که یک بار مثبت نقطه ای هنگامی که بدان نیرو وارد می شود، آن مسیرها را طی می کند. به هر حال، آن ها یک مفهوم ذهنی هستند و واقعیت فیزیکی ندارند و میدان به فضای بین خطوط نفوذ دارد. خطوط میدان ناشی از بارهای ساکن، چند ویژگی کلیدی دارند: اولا، آن ها از بارهای مثبت سرچشمه می گیرند و به بارهای منفی ختم می شوند. ثانیا، باید با زاویه ای قائم وارد اجسام رسانا شوند و ثالثا، هرگز یکدیگر را قطع نمی کنند.

یک جسم رسانای توخالی تمام بارش را در سطح خارجی خود نگه می دارد. در نتیجه میدان در تمام نقاط داخل جسم صفر است. این موضوع نقش اصلی را در قفس فاراده بازی می کند. این قفس، یک پوسته فلزی رساناست که فضای داخلی خود را از تأثیرات الکتریکی خارجی جدا می کند.

نقش الکتریسیته ساکن در طراحی آیتم های وسایل ولتاژ بالا، پررنگ است. برای شدت میدان الکتریکی که یک جسم متوسط می تواند تحمل کند، محدودیتی وجود دارد. فراتر از این نکته، شکست الکتریکی رخ می دهد و قوس الکتریکی سبب ایجاد صاعقه بین دو قسمت باردار می شود. برای مثال، هوا تمایل دارد با عبور دادن قوس الکتریکی و ایجاد شکاف، شدت میدان الکتریکی را به بیش از ۳۰ کیلوولت بر سانتی متر برساند. در شکاف های بزرگتر، شدت شکست ضعیفتر است و شاید یک کیلوولت در هر سانتیمتر باشد. مهم ترین رویداد قابل مشاهده آن، آذرخش است، که زمانی اتفاق می افتد که با افزایش ستون های هوا، بارها در ابرها جدا شوند و میدان الکتریکی هوا را افزایش دهند تا از حد تحمل، تجاوز کند. ولتاژ آذرخش های بزرگ می تواند به بزرگی ۱۰۰ مگاولت باشد و انرژی به بزرگی ۲۵۰ کیلووات ساعت را تخلیه کند.

شدت میدان تا حد زیادی تحت تأثیر اجسام رسانای نزدیک میدان قرار دارد و در اشیای نوک تیز تشدید می شود. از این موضوع در برقگیرها استفاده می شود که آذرخش، با استفاده از تیر نوک تیز مهار می شود تا ساختمان تحت محافظت، از صدمه دیدن در امان بماند.

◄ پتانسیل الکتریکی

مفهوم پتانسیل الکتریکی با میدان الکتریکی ارتباط نزدیکی دارد. به بار کوچکی که در یک میدان الکتریکی قرار می گیرد، نیرو وارد می شود، و برای حرکت دادن این بار بر خلاف نیرویی که بدان وارد می شود، به کار نیازمندیم. پتانسیل الکتریکی در هر نقطه میزان انرژی لازم برای آوردن بار آزمون از فاصله بی نهایت دور به آن نقطه است. واحد آن اغلب ولت است، و یک ولت، پتانسیلی است که با استفاده از یک ژول کار می توان یک بار یک کولنی را از فاصله بی نهایت دور، به یک نقطه آورد. توضیح پتانسیل اگرچه رسمی است، کاربرد چندان ندارد و مفهوم کاربردی تر، اختلاف پتانسیل الکتریکی است که به انرژی لازم برای به حرکت درآوردن بار آزمون بین دو نقطه مشخص گفته می شود. میدان الکتریکی پایستار است؛ به این معنا که به مسیری که بار می پیماید وابسته نیست، چون تمام مسیرهای بین دو نقطه به انرژی یکسانی نیاز دارند و بنابرین یک مقدار منحصر به فرد برای اختلاف پتانسیل مورد نیاز است. یکای ولت به عنوان واحد اندازه گیری و توصیف اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ شناخته می شود.

برای اهداف کاربردی، بهتر است نقطه ای به عنوان مبدأ انتخاب گردد و پتانسیل با توجه به آن اندازه گیری و مقایسه شود. مبدأ خیلی مناسب می تواند زمین الکتریکی باشد، که فرض بر اینست که پتانسیلش در تمام نقاط یکسان است. نام نقطه مبدأ، زمین الکتریکی است. زمین به عنوان منبع بی پایان از بارهای معادل مثبت و منفی فرض می شود و به همین دلیل، از نظر الکتریکی خنثی و غیرقابل باردار شدن است.

پتانسیل الکتریکی یک کمیت اسکالر است. به همین دلیل، تنها اندازه دارد و جهت ندارد. پتانسیل الکتریکی، مشابه بلندی است، همان طور که یک جسم رها شده به دلیل اختلاف ارتفاع، به وسیله میدان جاذبه به سمت پایین سقوط می کند، بار الکتریکی نیز به دلیل اختلاف پتانسیل ناشی از میدان مغناطیسی سقوط می کند. همان طور که در نقشه های موجود، خطوط کانتوری نقاط هم ارتفاع را نشان می دهند، می توان مجموعه خطوطی که نقاط هم پتانسیل را نشان می دهند (با نام خطوط هم پتانسیل شناخته می شود)، پیرامون یک جسم دارای بار الکترومغناطیسی رسم کرد. خطوط هم پتانسیل با تمام خطوط نیرو زاویه قائمه می سازند. همچنین آن ها با سطح رسانای الکتریکی موازی اند، در غیر این صورت، نیرویی تولید می شود که حاملان بار را به سطح پتانسیل می برد.

میدان الکتریکی به طور رسمی به عنوان نیروی وارده به واحد بار تعریف می شود. اما مفهوم پتانسیل اجازه استفاده از تعریفی مفیدتر و معادل را می دهد، میدان الکتریکی گرادیان مکانی پتانسیل الکتریکیست. واحدش اغلب ولت بر متر است و جهت بردار میدان، بزرگترین شیب پتانسیل و جایی است که خطوط هم پتانسیل در نزدیکترین حالت قرار دارند.

◄ آهنربای الکتریکی

کشف اورستد در سال ۱۸۲۱ مبنی بر وجود میدان مغناطیسی پیرامون سیم های حامل جریان الکتریکی، نشان داد که بین الکتریسیته و مغناطیس رابطه ای مستقیم وجود دارد. به نظر می رسید این فعل و انفعال با نیروی جاذبه و الکتریکی (دو نیروی طبیعت که تا آن زمان شناخته شده بودند)، متفاوت است. نیرویی که به سوزن قطب نما وارد می شد، آن را به سیم حامل جریان نه نزدیک می کرد و دور، اما با آن زاویه قائمه می ساخت. واژه های نسبتا ناآشنای اورستد این بود: «تضاد الکتریکی به روشی چرخشی عمل می کند.» این نیرو همچنین به جهت جریان نیز بستگی داشت؛ یعنی اگر جهت جریان برعکس می شد، جهت نیرو نیز معکوس می گشت.

اورستد اکتشاف خود را به طور کامل متوجه نشد، اما مشاهده کرد که آثار متقابل بودند، جریان به آهنربا و آهنربا به جریان نیرو وارد می کند. بعدها، آندره ماری آمپر این پدیده را بررسی کرد. او کشف کرد که دو سیم موازی حامل جریان به یکدیگر نیرو وارد می کنند. دو سیم که جهت جریانشان یکسان است، یکدیگر را جذب و دو سیم که جهت جریانشان مخالف هم است یکدیگر را دفع می کنند. این فعل و انفعال به واسطه میدان مغناطیسی ایجاد می شود که هر جریان تولید می کند و اساس تعریف جهانی آمپر را شکل می دهد.

رابطه بین میدان های مغناطیسی و جریان بسیار مهم است، زیرا سبب شد مایکل فارادی در سال ۱۸۲۱، موتور الکتریکی را اختراع کند. موتور تک قطبی فارادی از یک آهنربا داخل مخزن جیوه تشکیل می شد. جریان به وسیله سیمی آویزان از محور بالای آهنربا و غوطه ور در جیوه برقرار می شد. آهنربا نیرویی مماسی بر سیم وارد می کرد و برای اینکه جریان برقرار شود، آن را پیرامون آهنربا می پیچاند.

آزمایش های فارادی در سال ۱۸۳۱ نشان داد در بین دو نقطه منتهایی سیمی که عمود بر یک میدان مغناطیسی حرکت می کند، اختلاف پتانسیل ایجاد می شود. آنالیزهای متعاقب این فرایند، که با نام القای الکترومغناطیسی مشهور است، او را قادر ساخت تا قانون مشهور القای فارادی را بیان کند، قانونی که مطابق آن اختلاف پتانسیل مدار بسته، متناسب با تغییرات شار مغناطیسی حلقه است. استفاده از این کشف، او را قادر ساخت تا در سال ۱۸۳۱ اولین مولد الکتریکی را اختراع کند که انرژی مکانیکی دیسک مسی در حال چرخش را به انرژی الکتریکی تبدیل می کرد. دیسک فارادی هیچ استفاده عملی نداشت، ولی نشان داد که می توان با استفاده از مغناطیس نیروی الکتریکی تولید کرد.

◄ الکتروشیمی

توانایی واکنش شیمیایی برای تولید الکتریسیته و برعکس، توانایی الکتریسیته برای پیش بردن واکنش شیمیایی، استفاده های فراوانی دارد.

الکتروشیمی همواره بخش مهمی از الکتریسیته بوده است. از زمان اختراع پیل ولتایی، پیل های الکتروشیمیایی وارد انواع مختلف باتری ها، پیل های آبکاری و برق کافت شده است. با این روش، آلومینیم در حجم بزرگ تولید شد و انرژی بسیاری از وسایل قابل حمل با استفاده از پیل های قابل شارژ تأمین شد.

◄ مدارهای الکتریکی

مدار الکتریکی اتصالی داخلی از اجزای الکتریکی است تا بارهای الکتریکی در مسیر بسته، به منظور هدفی معین جریان یابند.

اجزای مدار الکتریکی می تواند شکل های مختلفی داشته باشد که شامل عناصری چون مقاومت ها، خازن ها، کلیدها، ترانسفورماتورها و وسایل الکترونیکی است. مدارهای الکتریکی حاوی اجزای فعال به ویژه نیم رساناها هستند و رفتاری غیر خطی نشان می دهند که نیازمند آنالیز پیچیده ای است. ساده ترین اجزای الکتریکی، اجزای غیرفعال و خطی اند که اگرچه ممکن است به طور موقت انرژی را ذخیره کنند، ولی شامل هیچ منبعی از آن نمی شوند و به تحریک ها پاسخ خطی می دهند.

شاید مقاومت ساده ترین عنصر غیرفعال مدار باشد. مقاومت، همان طور که از نامش پیداست، در مقابل جریان مقاومت نشان می دهد و انرژی را به صورت گرما هدر می دهد. مقاومت حاصل حرکت بار در رساناست. برای مثال، در فلزات، مقاومت از برخورد الکترون ها و یون ها با هم حاصل می شود. قانون اهم قانون ابتدایی نظریه مدارها است و بیان می کند که جریان گذرا از یک مقاومت، با اختلاف پتانسیل دو سر آن متناسب است. مقاومت بیشتر مواد در طیف های مختلف دما و جریان تقریبا ثابت است؛ موادی که از این شرایط پیروی می کنند، مواد «اهمی» نام دارند. اهم، واحد مقاومت است که به افتخار گئورگ زیمون اهم نامگذاری شده و علامتش حرف یونانی Ω است. یک اهم، مقاومتی است که در پاسخ به جریان یک آمپری، اختلاف پتانسیل یک ولتی ایجاد می کند.

خازن حاصل توسعه بطری لیدن و وسیله ای است که می تواند بار را به شکل انرژی الکتریکی در میدان حاصل ذخیره کند. خازن از دو صفحه رسانا ساخته شده که به وسیله عایق دی الکتریک از یکدیگر جدا شده اند. در عمل، ورقه های فلزی نازک به یکدیگر چسبیده اند تا سطح تماس در واحد حجم و در نتیجه ظرفیت خازنی را افزایش دهند. واحد ظرفیت خازن، بعد از مایکل فارادی، فاراد نامگذاری شد که با علامت F نشان داده می شود. یک فاراد، حاصل اختلاف پتانسیل یک ولتی حاصله به هنگام ذخیره یک کولن بار الکتریکی در خازن است. خازن متصل به منبع تغذیه در ابتدا به این دلیل که بار الکتریکی انباشته می کند، جریانی ایجاد می نماید. این جریان رفته رفته با پر شدن خازن کم می شود و در انتها به صفر می رسد. لذا یک خازن، جریان پایدار ایجاد نمی کند، بلکه مسیر آن را می بندد.

القاگر با قابلیت رسانش، اغلب به شکل سیم پیچ است و در میدان مغناطیسی حاصل از جریان عبوری انرژی ذخیره می کند. زمانی که جریان تغییر می کند، میدان مغناطیسی و همچنین ولتاژ بین دو سر رسانا نیز دچار تغییر و تحول می گردد. ولتاژ حاصله، با مشتق زمانی جریان متناسب است. ثابت تناسب آندوکتانس نام دارد. واحد آندوکتانس هانری است که به افتخار جوزف هانری انتخاب شده است. یک هانری، آندوکتانسی است که اگر جریان گذرا از آن القاگر در هر ثانیه یک آمپر تغییر کند، اختلاف پتانسیل یک ولتی را ایجاد می کند. از برخی جهات، رفتار القاگر برعکس خازن است. القاگر در جریان مستقیم تبدیل به مقاومت عادی می شود اما در مقابل جریان در حال تغییر ایستادگی می کند.

◄ توان الکتریکی

توان الکتریکی مقدار انرژی الکتریکی است که در واحد زمان به وسیله مدار الکتریکی جابجا می شود. واحد توان در دستگاه بین المللی یکاها وات است که با حرف P نمایش داده می شود. یک وات معادل یک ژول بر ثانیه است. توان الکتریکی مانند توان مکانیکی، سرعت انجام کار است. توان الکتریکی تولید شده به وسیله یک جریان الکتریکی، برابر است با بار Q که در هر t ثانیه از اختلاف پتانسیل V عبور می کند.

در این رابطه:

• Q بار الکتریکی با واحد کولن
• T زمان با واحد ثانیه
• I جریان الکتریکی با واحد آمپر
• V ولتاژ با واحد ولت

تولید انرژی الکتریکی اغلب به وسیله مولد الکتریکی صورت می گیرد، اما این اتفاق می تواند به وسیله باتری های شیمیایی یا سایر انواع متنوع منابع انرژی نیز اتفاق افتد. توان الکتریکی لازم برای کسب و کار و استفاده خانگی به وسیله صنعت نیرو تولید می شود. واحد فروش برق کیلووات ساعت (۳٫۶مگاژول) است که حاصل ضرب نیرو با واحد کیلووات در زمان با واحد ساعت است. شرکت های برق، میزان الکتریسته مصرفی را به وسیله کنتور اندازه گیری می کنند، که انرژی الکتریکی مصرفی مشتریان را نمایش می دهد.

◄ الکترونیک

الکترونیک با مدارهای الکتریکی در ارتباط است که شامل اجزای الکتریکی فعال مانند لامپ های خلأ، ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع می شود و با تکنولوژی های اتصال داخلی غیرفعال در ارتباط است. رفتار غیرخطی اجزای فعال و توانایی آن ها در کنترل جریان های الکترونی، سیگنال های ضعیف را تقویت می کند و در پردازش اطلاعات، مخابرات و پردازش سیگنال استفاده گسترده ای از الکترونیک صورت می گیرد. توانایی وسایل الکترونیک در عمل کردن به عنوان مدار امکان پردازش اطلاعات را فراهم می سازد. تکنولوژی های اتصال داخلی مانند فیبرهای مدار چاپی، تکنولوژی بسته بندی الکترونیک، و سایر انواع متنوع وسایل ارتباطی، قابلیت مدار را کامل کرده و اجزای مخلوط را به شکل یک سامانه کارآمد تبدیل کرده است.

امروزه، بسیاری از وسایل الکترونیکی به منظور کنترل الکترونی از مواد نیم رسانا استفاده می کنند. مطالعه وسایل نیم رسانا و تکنولوژی مرتبط با آن ها شاخه ای با نام فیزیک حالت جامد ایجاد کرده است و طراحی و ساخت مدارهای الکتریکی برای حل مسائل عملی و فنی، در زیرشاخه مهندسی الکترونیک قرار دارد.

◄ موج الکترومغناطیسی

فارادی و آمپر نشان دادند که یک میدان مغناطیسی متغیر در زمان، منبع یک میدان الکتریکی و یک میدان الکتریکی متغیر در زمان، منبع یک میدان مغناطیسی است. پس زمانی که یکی از این دو میدان در بازه زمانی تغییر می کند، دیگری ایجاد می شود. این پدیده، ویژگی های موج را دارد و به طور طبیعی با نام تابش الکترومغناطیسی یاد می شود. در سال ۱۸۶۴، جیمز کلرک ماکسول، امواج الکترومغناطیسی را از نظر تئوری بررسی کرد. ماکسول مجموعه ای از روابط را بیان کرد که قادر بودند ارتباط بین میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، بار الکتریکی و جریان الکتریکی را به روشنی نشان دهند. او همچنین ثابت کرد که این امواج، با سرعت نور حرکت می کنند، بنابراین خود نور نیز شکلی از تابش های الکترومغناطیس است. معادلات ماکسول، که نور، میدان و بار را یکپارچه می کند، یکی از بزرگترین نقاط عطف فیزیک تئوری است.
تلاش بسیاری از محققان، امکان استفاده از الکترونیک برای تبدیل سیگنال ها به جریان فرکانس بالای نوسان دار را فراهم ساخت و به وسیله رساناهای دارای شکل مناسب، الکتریسیته اجازه ارسال و دریافت این سیگنال ها را به وسیله امواج رادیویی در فاصله های بسیار دور صادر کرد.

تولید و انتقال

آزمایش های تالس با میله کهربا، اولین مطالعات پیرامون تولید انرژی الکتریکی بود. اگرچه این روش، که به اثر برق مالشی معروف است، می تواند اجسام سبک را بلند و جرقه تولید کند، اما بسیار ناموثر است. تا پیش از اختراع پیل ولتایی در قرن هجدهم، هیچ منبع الکتریسیته مداومی در دسترس نبود. پیل ولتایی و نسل مدرنش، باتری های الکتریکی، انرژی شیمیایی را ذخیره می کنند و در هنگام نیاز آن را به شکل انرژی الکتریکی در دسترس قرار می دهند. باتری، یک منبع برق همه کاره و رایج و مناسب برای بسیاری از وسایل است. ولی ذخیره انرژی آن محدود است و زمانی که شارژش تمام می شود باید تعویض یا شارژ شود. برای تقاضاهای الکتریکی عظیم باید به طور مداوم انرژی تولید و به وسیله خطوط انتقال رسانا منتقل شود.

الکتریسیته، اغلب به وسیله مولدهای الکتریکی تولید می شود که با بخار حاصل از احتراق سوخت های فسیلی، گرمای آزاد شده از رآکتورهای هسته ای یا سایر منابع انرژی مانند انرژی جنبشی حاصله از باد و جریان آب به حرکت در می آیند. توربین بخار مدرن که در سال ۱۸۸۴ توسط چارلز آلگرنون پارسونز اختراع شد، امروزه با استفاده از منابع متنوع گرما، حدود ۸۰ درصد توان الکتریکی جهان را تولید می کند. این مولدها هیچ شباهتی به مولد تک قطبی فارادی که در سال ۱۸۳۱ اختراع شد، ندارند، اما از قانون الکترومغناطیسی او پیروی می کنند که می گوید رسانایی که به میدان مغناطیسی متغیری متصل است بین دوسرش، اختلاف پتانسیل تولید می شود. اختراع ترانسفورماتور در اواخر قرن نوزدهم، بشر را قادر کرد تا نیروی الکتریکی را با ولتاژی بالاتر ولی جریانی کمتر انتقال دهد. انتقال بهینه انرژی الکتریکی بدین معنا بود که می توان الکتریسیته را در یک نیروگاه مرکزی تولید کرد و از صرفه جویی در مقیاس سود برد، آن گاه آن را برای استفاده به فاصله های دور فرستاد.

از آنجا که انرژی الکتریکی را نمی توان به اندازه ای ذخیره کرد که قادر به پاسخ گویی تقاضا در سطح ملی باشد، باید در هر زمان، به اندازه ای که لازم است، تولید شود. پس صنعت برق باید پیش بینی دقیقی از بارگذاری الکتریکی داشته باشد و ارتباط پایداری با نیروگاه های خود برقرار کند. باید همواره مقدار معینی از برق، ذخیره شود تا برای مواقع اضطراری و بروز اختلالات، تکیه گاهی محکم وجود داشته باشد.
متناسب با توسعه اقتصادی کشورها، تقاضا برای الکتریسیته با سرعت بالایی افزایش می یابد. در آمریکا، تقاضای برق در سه دهه اول سده بیستم، سالانه ۱۲ درصد افزایش می یافت. اکنون کشورهای نو ظهور در عرصه اقتصاد، مانند چین و هند با چنین افزایشی مواجهند. به طور تاریخی، افزایش تقاضای برق، از تقاضا برای سایر شکل های انرژی پیش افتاده است.

نگرانی های محیطی از تولید الکتریسیته منجر به افزایش تمرکز برای استفاده از منابع تجدیدپذیر، به خصوص توان بادی و انرژی آبی شده است. اگرچه می توان انتظار داشت که تأثیر محیطی وسایل مختلف الکتریکی ادامه می یابد، شکل نهایی آن تقریبا پاک است.

کاربردها

الکتریسیته یک راه بسیار مناسب برای انتقال انرژی و استفاده از آن، متداول و رو به افزایش است. اختراع لامپ رشته ای در دهه ۱۸۷۰ سبب شد که نورپردازی به یکی از عمومی ترین کاربردهای توان الکتریکی تبدیل شود. اگرچه برق رسانی خطرات خاص خود را دارد، جایگزین کردن شعله های عریان چراغ نفتی با آن، به طور چشم گیری حوادث آتش سوزی در خانه ها و کارخانه ها را کاهش داد. امکانات عمومی با هدف روبه رشد قرار دادن بازار نور پردازی، در بسیاری از شهرها برقرار شد.

از تأثیر گرمای ژولی در لامپ های رشته ای، استفاده های مستقیم بیشتری در گرمایش الکتریکی می شود. درحالی که پرکاربرد و قابل کنترل است، می تواند مفید نیز باشد، زیرا بیشتر تولید الکتریکی نیازمند تولید گرما در نیروگاه ها هستند. تعدادی از کشورها مانند دانمارک، در زمینه محدود کردن و ممنوعیت استفاده از گرمایش الکتریکی در ساختمان های نوساز، قانون وضع کرده اند. با این وجود، الکتریسیته یک منبع انرژی پر کاربرد برای گرمایش و خنک سازی، با تهویه مطبوع/پمپ های حرارتی است که بخش در حال توسعه ای برای تقاضای الکتریسیته به نظر می رسد و تأثیرات آن سبب شده است که صنعت برق به فکر تأمین این نیاز برآید.

یکی از اولین کاربردهای الکتریسیته، در مخابرات و تلگراف است که اولین بار در سال ۱۸۳۷ توسط ویلیام فوترگیل کوکه و چارلز ویتستون معرفی شد. با ساخت اولین تلگراف بین قاره ای و پس از آن کابل تلگراف بین قاره ای در دهه ۱۸۶۰، الکتریسیته جهان را قادر ساخت تا در مدت چند ثانیه ارتباط برقرار کند. تکنولوژی فیبر نوری و ماهواره مخابراتی به طور مشترک بازار سیستم برقراری ارتباط را به دست گرفته اند، اما به نظر می رسد الکتریسیته بخش اساسی این فرایند باقی بماند.

اثر الکترومغناطیس به طور آشکار در موتور الکتریکی به کار می رود، که ابزاری مؤثر و پاک برای توان متحرک فراهم می آورد. یک موتور بی حرکت مانند وینچ، به راحتی مقداری نیرو فراهم می آورد، اما موتوری که با کاربرد برق حرکت می کند، مانند یک ماشین برقی، باید یا یک منبع توان مانند باتری را حمل کند یا جریان را از یک اتصال کشویی مانند یک شاخک برقرسان دریافت کند. همچنین از الکتریسیته برای تأمین سوخت حمل و نقل عمومی شامل اتوبوس ها و قطارهای برقی استفاده می شود.

وسایل الکترونیک از ترانزیستور، احتمالا یکی از مهم ترین اختراعات قرن بیستم است. یک مدار مجتمع مدرن می تواند شامل چند میلیارد ترانزیستور کوچک شده در چند سانتیمتر مربع باشد.

برق و جهان طبیعی

اگر به بدن انسان ولتاژی اعمال شود، جریان الکتریکی از بافت های آن عبور می کند. با اینکه رابطه بین این ها غیر خطی است، ولی با افزایش ولتاژ جریان عبوری نیز زیاد می شود. آستانه درک انسان با توجه به فرکانس و مسیر عبوری جریان متغیر، ولی برای فرکانس اصلی (در آسیا ۶۰ هرتز) بین ۰٫۱ تا ۱ میلی آمپر متغیر است. با این وجود، یک جریان ضعیف در حد میکروآمپر در شرایط مشخصی به عنوان الکترولرزه توسط بدن تشخیص داده می شود. اگر جریان خیلی قوی باشد موجب انقباض ماهیچه ها، تا لرزه قلب و سوختگی بافت می شود. هیچ مشخصه ظاهری برای یک جسم هادی حاوی الکتریسیته وجود ندارد در نتیجه برق یک خطر منحصربفرد است. دردی که شوک الکتریکی ایجاد می کند، می تواند شدید باشد و به همین دلیل، در دوران های مختلف از آن به عنوان یک روش برای شکنجه استفاده شده است. به مرگی که ناشی از شوک الکتریکی باشد مرگ در اثر برق اطلاق می شود. در حال حاضر استفاده از این عبارت، جز در بعضی حوزه های قضایی، که در آن ها به معنی اعدام است، کاهش یافته است.

پدیده های الکتریکی در طبیعت

الکتریسیته توسط انسان اختراع نشده است و در طبیعت به شکل های مختلف وجود دارد. یک نمود همیشگی آن آذرخش است. بسیاری از تعاملات آشنا در حد ماکروسکوپیک مانند حس لامسه، اصطکاک و پیوندهای شیمیایی ناشی از تعاملات بین میدان های الکتریکی در مقیاس اتمی هستند. تصور می شود که میدان مغناطیسی زمین توسط یک دینام طبیعی ناشی از جریان های دوار در مرکز سیاره ایجاد شده است. کریستال های مشخصی مانند کوارتز و شکر زمانی که تحت فشار قرار می گیرند بین دو طرف خود اختلاف پتانسیل ایجاد می کنند. این پدیده که اثر فشاربرقی نام دارد و از واژه یونانی piezein به معنی فشار گرفته شده است، در سال ۱۸۸۰ توسط پیر کوری و ژاکس کوری کشف شده است. این اثر، دوطرفه است یعنی اگر یک ماده پیزوالکتریک را در میدان الکتریکی قرار دهیم ابعاد آن به مقدار بسیار ناچیز تغییر می کند.

بعضی از موجودات زنده مانند کوسه ها قادرند تغییرات میدان الکتریکی را حس کنند و به آن پاسخ دهند. این توانایی را دریافت الکتریسیته گویند. گونه های دیگری وجود دارند که قادرند برای شکار یا دفاع از خود ولتاژ ایجاد کنند. به این توانایی، پیدایش الکتروزیستی گویند. راسته برق ماهی سانان، که معروفترین آن ها مارماهی الکتریکی است، قادر است با ایجاد یک ولتاژ قوی توسط سلول های تغییریافته ماهیچه موسوم به الکتروسلول، طعمه خود را تشخیص دهد یا بی حس کند. همه حیوانات اطلاعات را در امتداد غشای سلولی توسط تپش های (پالس های) ولتاژ انتقال می دهند که به آن پتانسیل عمل می گویند. وظیفه آن، شامل ایجاد ارتباط بین ماهیچه ها و سلول های عصبی توسط دستگاه عصبی است. شوک الکتریکی این سیستم را تحریک می کند و موجب انقباض ماهیچه ها می شود. پتانسیل عمل در بعضی گیاهان مسئول فعالیت های هماهنگی است.

منبع: ویکی‎پدیا