هر آنچه باید درمورد الکتریسیته و ماهیت آن بدانید

زوميت/ الکتريسيته يکي از قديمي‌ترين، کاربردي‌ترين و کليدي‌ترين پديده‌هاي زندگي بشر بوده است. انسان‌ها رابطه‌ي صميمانه‌اي با الکتريسيته دارند؛ تا جايي که جدا کردن آنها از همديگر غيرممکن است. مطمئنا شما مي‌توانيد بدون برق زندگي کنيد، ولي حتي اگر به دورافتاده‌ترين جاي دنيا هم برويد، الکتريسيته آنجا حضور دارد. الکتريسيته حتي اگر رعدوبرق ابر بالاي سر شما نباشد يا در جرقه ايستاي نوک انگشت شما جريان نداشته باشد، ولي باز هم قطعا در سيستم عصبي، مغز، نفس کشيدن و حتي ضربان قلب شما وجود خواهد داشت. وقتي همين نيروي اسرارآميز به لمس عاشقانه، نور و ظروف غذاي الکتريکي انرژي مي‌دهد، يک دوگانگي کنجکاوانه به‌وجود مي‌آيد: ما در يک لحظه آن را زياد مهم نمي‌دانيم و در لحظه‌ي بعدي محو قدرتش مي‌شويم. بيش از دو و نيم قرن از گفته بنجامين فرانکلين و بقيه درخصوص اثبات رعدوبرق به‌عنوان شکلي از الکتريسيته مي‌گذرد، ولي با اين حال باز هم وقتي رعدوبرقي را تماشا مي‌کنيم، شگفت‌زده مي‌شويم. اين در حالي است که کسي نسبت‌ به شارژر تلفن همراه حس شاعرانه يا شگفت‌انگيزي ندارد. الکتريسيته به دنيا و بدن ما قدرت مي‌بخشد. کنترل و بهره‌برداري از انرژي الکتريسيته هم مانند دنياي جادو شگفت‌انگيز است و هم مانند زندگي روزمره خسته‌کننده (از امپراطور پالپاتين و شخصيت لوک اسکاي‌واکر در جنگ ستارگان گرفته تا خارج کردن ديسک فيلم از کامپيوتر). اکثر مردم با وجود آشنا بودن با اثرات الکتريسيته، ماهيت اصلي و دقيق آن را نمي‌دانند ( شکلي از انرژي موجود در همه‌جا که درنتيجه حرکت ذرات باردار مثل الکترون‌ها به‌وجود مي‌آيد.) وقتي درمورد ماهيت الکتريسيته سوال مي‌شود، حتي شخصيت‌ها و مخترعان برجسته‌اي مثل توماس اديسون هم آن را تنها به‌عنوان حالتي از حرکت و يک سيستم ارتعاش تعريف مي‌کنند. ما در اين مقاله سعي در ارائه پاسخي ساده‌تر داريم و ماهيت، منشأ و نحوه‌ي استفاده از آن توسط انسان‌ها را توضيح خواهيم داد. در اولين نقطه توقف، سراغ يونان مي‌رويم که مردم باستان آن کشور هنگام دست زدن به يک وسيله فلزي بعد از کشيدن آن به فرش در يک روز سرد و خشک، گيج مي‌شدند. مردم باستان با اينکه الکتريسيته را کامل درک نمي‌کردند، ولي درمورد آن مطالبي مي‌دانستند. تالس، فيلسوف يوناني که به يکي از فرزندگان هفت‌گانه يونان معروف است، شايد اولين کسي باشد که در مورد الکتريسيته مطالعاتي در حوالي قرن هفتم قبل از ميلاد مسيح انجام داده باشد. او با ماليدن کهربا (صمغ فسيل‌شده درخت) با خز توانست گرد و غبار، پرها و ساير اشياي سبک وزن را جذب کند. چنين آزمايشي اولين آزمايش در نوع خود در زمينه‌ي الکترواستاتيک است. الکترواستاتيک عبارت است از مطالعه روي بارهاي الکتريکي ساکن يا الکتريسيته ساکن. درواقع کلمه الکتريسيته از واژه‌ي يوناني الکترون (elektron) به‌معناي کهربا گرفته شده است. الکتريسيته و قانون کلن بعد از اين جريان ديگر تا قرن ۱۷ آزمايشي انجام نشد تا اينکه ويليام گيلبرت، فيزيکدان انگليسي و دانشمند آماتور، شروع‌ به مطالعه‌ي مغناطيس و الکتريسيته‌ي ساکن کرد. او آزمايش تالس را تکرار کرد و اشيا‌ را به همديگر ماليد و با اصطکاک و مالش آنها را باردار کرد. وقتي جسمي، جسم ديگر را جذب و يا دفع کرد، او از واژه‌ي الکتريک براي توصيف نيروي جاذبه و دافعه استفاده کرد. او دليل وجود نيرو را حذف شدن جريان از يکي از اشيا‌ به‌وسيله‌ي مالش دانست و گفت مالش يک اتمسفر دور اشيا به‌وجود مي‌آورد. مفهوم وجود الکتريسيته به‌عنوان يک جريان تا قرن ۱۸ ادامه يافت تا اينکه در سال ۱۷۲۹، استفن گري، دانشمند انگليسي مشاهده کرد که بعضي از مواد مثل ابريشم الکتريسيته را عبور نمي‌دهند. توضيح گري اين بود که جريان اسرارآميزي که توسط گيلبرت ارائه شده بود مي‌تواند از اشيا عبور کند يا از عبورش ممانعت به‌عمل آيد. دانشمندان حتي شيشه‌هايي براي نگه داشتن جريان و مطالعه روي اثرات آن ساختند. اوالد فون کلايست و پيتر فن موسخنبروک، شيشه‌ي ليدن را ساختند. شيشه‌ي ليدن حاوي آب و يک ميخ است و مي‌تواند بار الکتريکي را ذخيره کند. اولين باري که موسخنبروک از شيشه استفاده کرد، شوک زيادي دريافت کرد. جامعه‌ي دانشمندان در اواخر قرن ۱۸ شروع‌ به دريافت تصويري واضح‌تر از چگونگي کارکرد الکتريسيته کرد. بنجامين فرانکلين، آزمايش بادبادک معروف خود را در سال ۱۷۵۲ اجرا کرد و ثابت کرد که رعدوبرق در ذات خود يک نيروي الکتريکي است. او همچنين ايده‌ي عناصر مثبت و منفي الکتريسيته و اينکه جريان از مثبت به‌‌سمت منفي حرکت مي‌کند را مطرح کرد. حدود ۳۰ سال بعد، دانشمندي فرانسوي به‌نام چارلز آگوستين د کولن چندين آزمايش براي مشخص کردن متغيرهاي اثرگذار بر نيروي الکتريکي انجام داد. کار او باعث به‌وجود آمدن قانون کولن شد. طبق قانون کولن، بزرگي نيروي دو بار جاذبه و دافعه به بزرگي هر يک از بارها بستگي دارد و همچنين با مجذور فاصله ميان دو بار رابطه‌‌ي عکس دارد. قانون کولن، محسابه نيروي الکترواستاتيک بين دو شي باردار را امکان‌پذير کرد، ولي ماهيت اساسي بارها را مشخص نکرد. منبع و منشا بارهاي منفي و مثبت چه هستند؟ دانشمندان در قرن ۱۹ به اين سوال پاسخ دادند. الکتريسيته و ساختار اتمي در اواخر قرن نوزدهم دانش با سرعت زيادي در حال پيشرفت بود. اتومبيل‌ و هواپيما درحال تغيير دادن دنيا بودند و قدرت الکتريسيته نيز راهش را براي ورودبه خانه‌هاي بيشتر باز مي‌کرد. با اين حال حتي دانشمندان آن زمان هم الکتريسيته را مانند موردي مبهم و اسرارآميز مي‌ديدند. سرانجام در سال ۱۸۹۷ دانشمندان الکترون را کشف کردند و اين زمان، تاريخ شروع عصر الکتريسيته مدرن است. همان‌طور که مي‌دانيد، ماده از اتم تشکيل شده است. اگر مواد را به کوچک‌ترين بخش‌ها تقسيم کنيد، هسته‌اي وجود دارد که يک يا چندين الکترون به‌دور آن مي‌چرخند و بار آنها منفي است. الکترون‌ها در بسياري از مواد پيوند محکمي با اتم دارند. چوب، شيشه، پلاستيک، سراميک، هوا و پنبه، آن دسته از موادي هستند که الکترون در آنها پيوند محکمي با اتم دارد. چون اتم‌هاي اين مواد براي به‌اشتراک‌گذاري الکترون بي‌ميل هستند، نمي‌توانند به‌خوبي الکتريسيته را منتقل يا هدايت کنند (اگر اصلا بتوانند). به اين مواد، عايق الکتريکي يا نارسانا مي‌گويند. اما برخلاف اين مواد، اکثر فلزها الکترون‌هايي جدا از اتم دارند که به دور آنها مي‌چرخند. اين الکترون‌ها، الکترون‌هاي آزاد نام دارند. الکترون‌هاي آزاد، عبور جريان الکتريسيته از ميان مواد را آسان مي‌کنند، براي همين به آنها، رساناي الکتريکي مي‌گويند. الکترون‌ها، الکتريسيته را هدايت مي‌کنند. حرکت الکترون‌ها، انرژي الکتريکي را از يک نقطه به نقطه ديگر انتقال مي‌دهد.اتم‌ها را مي‌توان به‌عنوان سگ‌هاي خانگي درنظر گرفت که الکترون‌ها کک‌هاي آنها هستند. سگ‌هايي که داخل فنس زندگي مي‌کنند کک‌ها را با خودشان نگه مي‌دارند و مانند عايق الکتريکي عمل مي‌کنند. در نقطه مقابل سگ‌هاي ولگرد وجود دارند که کک‌ها را همه‌جا با خودشان مي‌برند و مانند رساناي الکتريکي عمل مي‌کنند. اگر قرار باشد شما درمعرض کک‌ها قرار بگيريد، به‌نظرتان کدام گروه از سگ‌ها احتمال بيشتري براي انتقال کک‌ها دارند؟ بنابراين الکتريسيته براي حرکت و انتقال به يک رسانا يا هادي نياز دارد. همچنين بايد موردي جريان الکتريسيته را از يک نقطه به نقطه ديگر از طريق رسانا عبور دهد. يکي از راه‌هاي ايجاد جريان الکتريسيته استفاده از ژنراتور است. ساختار ژنراتورهاي الکتريکي اگر تا به حال گيره‌ي کاغذ را با استفاده از آهن‌ربا حرکت داده باشيد يا تراشه‌ي فلزي را در يک عروسک وولي ويلي مرتب کنيد وارد اساسي‌ترين اصول ژنراتورهاي الکتريکي شده‌ايد. ميدان مغناطيسي براي جمع کردن تراشه‌هاي فلزي کوچک براساس حرکت الکترون‌ها کار مي‌کند. وقتي آهن‌ربا را به‌سمت گيره کاغذ مي‌بريد و آن را حرکت مي‌دهيد، درواقع الکترون‌هاي گيره را مجبوربه حرکت مي‌کنيد. همين‌طور وقتي الکترون‌ها از داخل يک سيم فلزي عبور مي‌کنند، يک ميدان مغناطيسي دور سيم تشکيل مي‌شود. مشخصا يک رابطه بين الکتريسيته و مغناطيس وجود دارد. يک ژنراتور به‌عبارت ساده دستگاهي است که مغناطيس نزديک سيم را براي ايجاد يک جريان ثابت از الکترون‌ها حرکت مي‌دهد. همين عمل ساده منشا بسياري از حرکت‌ها است: از ميل لنگ دستي و موتور بخار گرفته تا هم‌جوشي هسته‌اي، ولي اصول کار همه يکسان است. يک راه ساده براي درک ژنراتور، تصور آن مانند يک پمپ آب براي لوله است، با اين تفاوت که ژنراتور به‌جاي حرکت دادن آب، از آهن‌ربا براي حرکت دادن الکترون‌ها استفاده مي‌کند. البته جريان کمي پيچيده‌تر از اين حرف‌هاست، ولي همين تصوير کمک زيادي به درک خواص و نحوه عملکرد ژنراتور مي‌کند. پمپ آب مقدار مشخصي از مولکول‌هاي آب را حرکت مي‌دهد و فشار معيني به آنها وارد مي‌کند. آهن‌ربا هم به همين منوال، تعداد مشخصي از الکترون‌ها را حرکت مي‌دهد و فشار معيني هم به آنها وارد مي‌کند. تعداد الکترون‌هاي درحال حرکت در يک مدار الکتريکي ميزان آمپر يا جريان ناميده مي‌شود و واحد اندازه‌گيري آن آمپر است. فشار وارد شده به الکترون‌ها هم ولتاژ ناميده مي‌شود و واحد اندازه‌گيري آن ولت است. به‌عنوان مثال، ژنراتوري که در هر دقيقه هزار بار مي‌چرخد مي‌تواند ۱ آمپر با ولتاژ ۶ ولت توليد کند. ۱ آمپر، تعداد الکترون‌هاي درحال حرکت است (۱ آمپر از نظر فيزيکي به‌معناي حرکت ۶/۲۴×۱۰۱۸ الکترون در سيم در هر ثانيه است) و ولتاژ نيز مقدار فشار پشت الکترون‌هاست. ژنراتورها، قلب نيروگاه‌هاي برق مدرن را تشکيل مي‌دهند. اکنون به نحوه‌ي عملکرد نيروگاه‌ها مي‌پردازيم. ايجاد الکتريسيته در ژنراتور مايکل فارادي، سيم‌پيچ‌هاي مسي بين قطب‌هاي يک آهن‌ربا مي‌چرخند و يک جريان ثابت از الکتريسيته توليد مي‌کنند. يکي از راه‌هاي چرخاندن ديسک، چرخاندن دستي است، اما اين کار راهي عملي براي توليد الکتريسيته نيست. راه ديگر، استفاده از يک توربين است. توربين بايد از ساير منابع انرژي براي چرخاندن ژنراتور استفاده کند. آبشار‌ها مي‌توانند منبع چنين انرژي براي توربين‌ها باشند. درواقع يکي از منابع نيروهاي اصلي براي استفاده از انرژي جنبشي، آبشار نياگارا است. جورج وستينگهاوس درسال ۱۸۹۵ کارخانه توليد برق نياگارا را افتتاح کرد، اما اصول عملياتي نيروگاه از آن زمان تا‌به حال تغيير نکرده است. ابتدا مهندسان يک سد جلوي رودخانه ساختند تا مخزني از آب‌هاي ذخيره داشته باشند. آنها يک ورودي براي آب در پايين ديوار سد ساختند که باعث عبور آب از مخزن به‌سمت کانال باريکي به‌نام آبگير (دريچه‌ي مخصوص تنظيم جريان آب) مي‌شود. توربين مانند يک پروانه‌ي بزرگ در انتهاي آبگير قرار داده شده است. شفت توربين به ژنراتور در بالاي خود وصل است. وقتي آب از داخل توربين حرکت مي‌کند، آن را مي‌چرخاند؛ چرخش باعث چرخيدن شفت و درنتيجه چرخيدن سيم‌پيچ‌هاي مسي ژنراتور مي‌شود. با چرخيدن سيم‌پيچ‌هاي مسي در آهن‌ربا‌ها، الکتريسيته توليد مي‌شود. خطوط برق متصل‌ به ژنراتور، الکتريسيته را از نيروگاه به خانه‌ها و کارخانه‌جات منتقل مي‌کنند. نيروگاه آبشار نياگارا قادر بود تا الکتريسيته را تا بيش از ۳۲۲ کيلومتر انتقال دهد. همه‌ي نيروگاه‌هاي برق به آبشارها متکي نيستند و بسياري از آنها از بخار استفاده مي‌کنند. بخار مانند يک جريان عمل مي‌کند و مي‌تواند انرژي را به توربين و در نهايت به ژنراتور منتقل کند. معروف‌ترين شيوه براي توليد بخار، داغ کردن آب با سوزاندن زغال‌سنگ است. همچنين مي‌توان با استفاده از واکنش‌هاي هسته‌اي کنترل‌شده، آب را به بخار تبديل کرد. شما مي‌توانيد درمورد نحوه‌ي کارکرد انواع نيروگاه‌ها بيشتر مطالعه کنيد: مثلا اينکه نيروگاه‌هاي هيدروالکتريک، بادي و هسته‌اي چگونه کار مي‌کنند. فقط به‌خاطر داشته باشيد که اصول ابتدايي آنها براي تبديل انرژي مکانيکي (چرخش توربين و تبديل انرژي آن به انرژي الکتريکي) يکسان است. البته استفاده کردن از ژنراتور براي توليد الکتريسيته تنها شروع کار است. وقتي الکترون‌ها به حرکت دربيايند، به يک مدار الکتريکي براي استفاده از آنها نياز است. وقتي شما باتري را داخل يک وسيله الکتريکي مي‌گذاريد، الکتريسيته خودبه خود وارد عمل نمي‌شود. الکترون‌هاي با بار منفي تمايل دارند به‌سمت قسمت مثبت باتري حرکت کنند. به‌عبارت ساده‌تر جريان حرکت بارها، مانند جريان آب است که چرخ آب را مجبوربه حرکت از نقطه الف به نقطه ب مي‌‌کند. در استفاده‌ از باتري، پيل سوختي و يا سلول خورشيدي براي توليد الکتريسيته، سه اصل هميشه ثابت و يکسان است: ۱. منبع الکتريسيته بايد دو پايانه داشته باشد: پايانه مثبت و پايانه منفي ۲. منبع الکتريسيته (چه ژنراتور باشد و چه باتري و يا هر مورد ديگري) خواستار حرکت دادن الکترون‌هاي پايانه منفي با ولتاژي مشخص خواهد بود. به‌عنوان مثال، يک باتري قلمي معمولا الکترون‌ها را با شدت ۱/۵ ولت انتقال مي‌دهد. ۳. الکترون‌ها براي حرکت از پايانه‌ي منفي به‌سمت پايانه‌ي مثبت به يک سيم مسي يا ساير مواد رسانا نياز خواهند داشت. وقتي راهي براي انتقال از منفي به‌سمت مثبت وجود دارد، شما يک مدار داريد و الکترون‌ها مي‌توانند از طريق سيم جريان پيدا کنند. شما مي‌توانيد از هرگونه بار الکتريکي که مي‌خواهيد مثل لامپ يا موتور در وسط مدار استفاده کنيد. منبع الکتريسيته، نيروي مورد نياز وسيله را فراهم خواهد کرد و وسيله هرگونه وظيفه‌اي را که به آن محول شده باشد، انجام خواهد داد؛ مثلا چرخاندن شفت براي توليد نور. مدارهاي الکتريکي مي‌توانند بسيار پيچيده شوند، ولي منبع الکتريسيته (مثل باتري)، وسيله و دو سيمي که الکتريسيته را انتقال دهند هميشه وجود خواهد داشت. الکترون‌ها از منبع حرکت مي‌کنند، به وسيله مي‌رسند و دوباره به منبع برمي‌گردند. الکترون‌هاي درحال حرکت، انرژي دارند. وقتي الکترون‌ها از نقطه‌اي به نقطه‌ي ديگر مي‌روند، وظيفه‌شان را انجام مي‌دهند. به‌عنوان مثال در يک لامپ رشته‌اي، انرژي الکترون‌ها صرف توليد گرما مي‌شود و خود گرما هم براي توليد نور مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در يک موتور الکتريکي، انرژي الکترون‌ها، يک ميدان مغناطيسي ايجاد مي‌کند و ميدان نيز با ديگر مغناطيس‌ها و آهن‌رباها براي ايجاد حرکت و جنبش، تعامل دارد (تعامل ازطريق جذب و دفع مغناطيسي صورت مي‌گيرد.) چون موتورها براي فعاليت‌هاي روزمره مهم هستند و از طرفي هم اساسا يک ژنراتور هستند که برعکس کار مي‌کند، به بررسي آنها مي پردازيم. موتورهاي الکتريکي همان‌طور که قبلا گفتيم، ژنراتور انرژي مکانيکي را به الکتريسيته تبديل مي‌کند. موتور هم طبق همين اصول کار مي‌کند، اما در جهت برعکس؛ يعني موتور انرژي الکتريکي را به انرژي مکانيکي تبديل مي‌کند. موتور براي انجام چنين کاري به يک نوع مغناطيس خاص به‌نام الکترومغناطيس نياز دارد. الکترومغناطيس در ساده‌ترين حالت از يک ميله و محور آهني تشکيل شده است که دور آن سيم‌پيچي شده است. اگر جريان را از سيم عبور دهيد، يک ميدان مغناطيسي در ميله‌ي آهني تشکيل مي‌شود و آن را تبديل به آهن‌ربايي با قطب مثبت و منفي مي‌کند. قطع کردن جريان باعث متوقف شدن خواص مغناطيسي مي‌شود. الکترومغناطيس‌ها به‌تنهايي هم بسيار مفيد هستند. شما مي‌توانيد از آنها براي برداشتن اشياي فلزي، حمل آنها و انداختن آنها تنها با قطع جريان، استفاده کنيد. به‌عنوان مثال، افرادي که روي پشت‌بام کار مي‌کنند مي‌توانند از آنها براي برداشتن ميخ‌هايي که به‌طور تصادفي در حياط مي‌افتند، استفاده کنند. در قبرستان‌هاي خودروها هم از جرثقيل‌هاي الکترومغناطيس براي جابه‌جايي ماشين‌ها استفاده مي‌شود. الکترومغناطيس‌ها وقتي روي يک محور و بين دو مغناطيس و آهن‌رباي ثابت قرار مي‌گيرند، بسيار به‌کار مي‌آيند. اگر قطب جنوبي الکترومغناطيس روبروي قطب جنوبي يکي از آهن‌رباهاي ثابت قرار بگيرد و قطب شمال آن هم روبروي قطب شمال آهن‌رباي ديگر قرار بگيرد، الکترومغناطيس شروع‌به چرخيدن مي‌کند. چنين امري نمي‌تواند زياد مفيد باشد، مگر اينکه قطبيت الکترومغناطيس وابسته‌به جهت جريان باشد. انتقال جريان الکتريکي در يک جهت باعث قرار گرفتن قطب شمال آهن‌ربا به يک طرف خواهد شد؛ و با برعکس شدن جريان، قطب شمال در جهت خلاف قرار خواهد گرفت. در موتورها، دستگاهي به‌نام کموتاتور يا جابه‌جاگر جهت جريان الکتريکي را عوض مي‌کند. با تغيير قطب‌هاي الکترومغناطيس، آهن‌ربا بدون هيچ دخالتي شروع‌به چرخيدن مي‌کند. اين‌ها توضيحي مختصر از نحوه‌ي کار الکترومغناطيس بود؛ براي جزئيات بيشتر بايد نحوه عملکرد موتورهاي الکتريکي را مطالعه کنيد. الکترومغناطيس نعلي‌شکل بزرگ که توسط مايکل فارادي، شيميدان و فيزيکدان انگليسي در حوالي سال ۱۸۳۰ استفاده مي‌شد. همان‌طور که گفتيم، انرژي مکانيکي توليد شده در يک موتور الکتريکي مي‌تواند در ماشين‌ها و دستگاه‌هاي مختلفي مورد استفاده قرار بگيرد. بسياري از ابزار گاراژ، وسايل خانگي و اسباب‌بازي‌ها براساس همين موتورها کار مي‌کنند. برخي از اين موتورها نيازمند جرياني بسيار قوي براي کار کردن هستند. برخي از آنها هم مثل موتورهاي جريان مستقيم مورد استفاده در ربات‌ها و مدل‌ها به ولتاژ و جريان بسيار کمي نياز دارند. اکنون به ولتاژ و جريان مي‌پردازيم. ولتاژ، جريان، و مقاومت همان‌طور که قبلا ذکر شد، تعداد الکترون‌هاي درحال حرکت در يک مدار، جريان ناميده مي‌شوند و واحد اندازه‌گيري جريان، آمپر است. فشار پشت الکترون‌ها هم ولتاژ است و واحد اندازه‌گيري ولتاژ، ولت است. اگر در آمريکا زندگي مي‌کنيد، پريز برق خانه يا آپارتمان شما، ۱۲۰ ولت است. اين مقدار براي برخي کشورها ۲۲۰ ولت [از جمله ايران] و براي برخي کشورها ۱۱۰ ولت است. براي مشخص کردن مقدار الکتريسيته مصرفي، از واحدهايي به‌نام‌هاي وات‌ساعت يا کيلووات‌ساعت استفاده مي‌شود. اگر شما دوشاخه‌ي يک هيتر و وسيله‌ي گرمايي را به پريز بزنيد که مقدار جريان الکتريسيته آن ۱۰ آمپر است؛ يعني هيتر شما يک وسيله ۱۲۰۰ واتي است. اگر مقدار ولت را در آمپر ضرب کنيد، مقدار برق برحسب وات را به‌دست مي‌آوريد. در اين نمونه، ولتاژ خانگي ۱۲۰ ولت بود و جريان هم ۱۰ آمپر: ۱۲۰×۱۰ =۱۲۰۰ وات. چنين فرمولي براي تمامي وسايل برقي صدق مي‌کند. اگر جريان لامپ نيم (۰/۵) آمپر باشد، مقدار برق مصرفي لامپ ۶۰ وات مي‌شود (۰.۵×۱۲۰=۶۰). حال اگر موقع زدن دوشاخه‌ي هيتر به برق، به کنتور نگاه کنيد متوجه مي‌شويد که کنتور مجموع مقدار برق مصرفي را اندازه‌گيري مي‌کند و درنهايت طبق عدد به‌دست‌آمده‌ي کلي از کنتور، مشترک پول پرداخت خواهد کرد. حال اگر فرض را بر اين بگيريم که تنها وسيله‌ي برقي روشن همان هيتر باشد و وسيله ديگري روشن نباشد، کنتور فقط برق مصرفي هيتر را اندازه‌گيري مي‌کند. هيتر از ۱/۲ کيلووات (۱۲۰۰ وات) برق استفاده مي‌کند. اگر هيتر به‌مدت ۱ ساعت روشن باشد، شما ۱/۲ کيلووات‌ساعت برق مصرف کرده‌ايد. اگر هزينه هر کيلووات‌ساعت، ۱۰ سنت باشد، فرد مصرف‌کننده بايد به‌ازاي هر يک ساعت روشن گذاشتن هيتر، مبلغ ۱۲ سنت را پرداخت کند. مقامت الکتريکيمقاومت در کنار جريان و ولتاژ يکي از ۳ واحد اصلي در الکتريسيته است. طبق توضيح زير، مي‌توان با استفاده از رشته درخشان در يک لامپ رشته‌اي، ميزان مقاومت را در عمل مشاهده کرد. حالا يک عامل ديگر را به ولتاژ و جريان اضافه مي‌کنيم: مقاومت. واحد اندازه‌گيري مقاومت، اهم است. ما مي‌توانيم از آب به‌عنوان مثالي براي توضيح مقاومت استفاده کنيم. اگر ولتاژ، مقدار فشار آب و جريان هم مقدار سرعت جريان آب باشد، مقاومت، اندازه‌ي لوله خواهد بود. معادله مهندسي الکتريکي به‌نام قانون اهم ارتباط سه عامل را نشان مي‌دهد. جريان برابر است با ولتاژ تقسيم‌بر مقاومت: I = V/R I: جريان (به آمپر) V: ولتاژ (به ولت) R: مقاومت (به اهم) فرض کنيد مخزني از آب فشار متصل‌به يک شلنگ داريد که مي‌خواهيد با آن باغ‌تان را آبياري کنيد. اگر فشار آب را زياد کنيد، آب با فشار بيشتري از مخزن خارج مي‌شود. درمورد سيستم الکتريکي هم همين‌گونه است: افزايش ولتاژ باعث افزايش شدت جريان مي‌شود. حال اگر قطر شلنگ آب را افزايش دهيد، آب بيشتري از شلنگ خارج مي‌شود. در سيستم الکتريکي اين کار مانند کاهش مقاومت الکتريکي است که بازهم باعث افزايش شدت جريان مي‌شود. شما مي‌توانيد از مثال آب و شلنگ براي بررسي لامپ رشته‌اي هم استفاده کنيد. رشته‌ي لامپ، يک سيم بسيار نازک است. اين سيم نازک در مقابل جريان الکترون‌ها مقاومت مي‌کند. شما مي‌توانيد مقاومت سيم را با استفاده از معادله مقاومت به‌دست بياوريد. اگر لامپ شما ۱۲۰ وات باشد يا به‌عبارت ديگر ولتاژ آن ۱۲۰ ولت و جريان آن ۱ آمپر باشد، شما مي‌توانيد طبق معادله زير مقدار مقاومت رشته را محاسبه کنيد: R = V/I درنتيجه مقاومت لامپ شما ۱۲۰ اهم مي‌شود. جداي از اين مفاهيم اساسي در مورد الکتريسيته دو نوع جريان اصلي داريم که با يکديگر متفاوت‌اند: جريان مستقيم و جريان متناوب. جريان مستقيم دربرابر جريان متناوب باتري‌ها، پيل‌ سوختي و سلول‌هاي خورشيدي همگي جريان مستقيم توليد مي‌کنند. پايانه‌هاي مثبت و منفي باتري هميشه به‌ترتيب مثبت و منفي هستند. جريان هميشه در يک جهت يکسان بين دو پايانه حرکت مي‌کند. اما برقي که از نيروگاه نشئت مي‌گيرد، جريان متناوب نام دارد. جهت و مسير جريان برعکس است و به‌صورت تناوبي تغيير مي‌کند؛ در آمريکا در هر ثانيه ۶۰ بار و در اروپا در هر ثانيه ۵۰ بار. برق موجود در پريز برق آمريکا ۱۲۰ ولت به‌همراه جريان متناوب ۶۰ سيکلي است. مزيت بزرگ جريان متناوب براي شبکه‌ي برق، تغيير دادن آسان ولتاژ برق با استفاده از يک ترانسفورماتور است. شرکت‌هاي برق از اين طريق برق زيادي ذخيره مي‌کنند و با استفاده از ولتاژهاي بسيار بالا، برق را به مناطق بسيار دور مي‌فرستند. اما نحوه‌ي کار کردن آن چگونه است؟ فرض مي‌کنيم نيروگاهي داريم که مي‌تواند ۱ ميليون وات برق توليد کند. يکي از راه‌هاي انتقال برق فرستادن يک ميليون آمپر با ولتاژ ۱ ولت است. راه ديگر فرستادن برق، انتقال آن با جريان ۱ آمپر و ولتاژ ۱ ميليون ولتي است. فرستادن ۱ آمپر نيازمند سيم نازکي است و برق زيادي هنگام فرستادن به گرما تبديل نمي‌شود (هدر نمي‌رود). فرستادن ۱ ميليون آمپر هم نيازمند سيم بزرگ ضخيمي است. بنابراين شرکت‌هاي برق براي فرستادن آن، جريان متناوب را به ولتاژهاي بسيار بالا (مثلا يک ميليون ولت) تبديل مي‌کنند؛ سپس موقع توزيع آن را به ولتاژهاي کوچک‌تر (مثلا هزار ولت) تبديل مي‌کنند؛ و درنهايت آن را به ۱۲۰ ولت مي‌رسانند تا براي مصرف خانگي ايمن باشد. مسلما کشته شدن يک نفر با ۱۲۰ ولت بسيار سخت‌تر از يک ميليون ولت است ( و امروزه تقريبا با استفاده از پريزهاي قطع‌کننده مدار زمين، مرگي به‌دليل برق‌گرفتگي اتفاق نمي‌افتد). براي کسب اطلاعات بيشتر بايد چگونگي کارکرد شبکه‌هاي برق را مطالعه کنيد. اکنون قصد داريم به يکي ديگر از مفاهيم اصلي درمورد الکتريسيته يعني زمين الکتريکي، بپردازيم. وقتي صحبت از الکتريسيته مي‌شود شايد درمورد زمين و يا اتصال‌به زمين مواردي به گوش‌تان خورده باشد. به‌عنوان مثال شايد روي يک ژنراتور الکتريکي نوشته شده باشد: قبل از استفاده از اتصال‌به زمين مطمئن شويد؛ يا اينکه روي وسايل خانگي نوشته شده باشد: بدون اتصال‌به زمين استفاده نکنيد. بنابراين شرکت‌هاي برقي از زمين به‌عنوان يکي از سيم‌هاي سيستم برق استفاده مي‌کند. سياره‌ي زمين يک هادي برق خوب است و از طرفي هم بسيار بزرگ است؛ بنابراين مي‌تواند مسير خوبي براي بازگشت الکترون‌ها فراهم کند. منظور از زمين در شبکه‌ي توزيع برق، تمام زمين‌هايي است که روي آنها راه مي‌رويد و مي‌تواند خاک، گل، صخره، سنگ، آب زيرزميني و غيره باشد. الکتريسيتهسيستم‌هاي توزيع برق چندين بار به زمين متصل مي‌شوند. به سيم پايين آمده از تير برق توجه کنيد اگر تابه حال به تيرهاي برق نگاه کرده باشيد، شايد يک سيم لخت آويزان از آنها را ديده باشيد. اين سيم، سيم‌هاي بالا را مستقيما به زمين متصل مي‌کند. تمامي تيرهاي برق جهان چنين سيم لختي دارند. اگر نصب تير برق را ديده باشيد، شرکت نصب‌کننده سيم لخت را به سيم‌پيچي از تير وصل مي‌کند. سيم‌پيچ با زمين تماس مستقيم دارد و بين ۲ تا ۳ متر زير زمين نفوذ مي‌کند. اگر تير برق را بادقت بررسي کنيد متوجه خواهيد شد که سيم مستقيما به زمين متصل است. همين‌طور در نزديکي کنتور برق خانه يا آپارتمان يک ميله مسي دراز ۲ متري داخل زمين است. برق زمين و تمامي پريز‌هاي خنثي خانه شما به اين ميله مسي وصل است. شما مي‌توانيد براي اطلاعات بيشتر، پيرامون کارکرد شبکه‌هاي برق مطالعه کنيد. همراهان عزيز، آخرين خبر را بر روي بسترهاي زير دنبال کنيد: آخرين خبر در سروش http://sapp.ir/akharinkhabar آخرين خبر در ايتا https://eitaa.com/joinchat/88211456C878f9966e5 آخرين خبر در آي گپ https://igap.net/akharinkhabar آخرين خبر در ويسپي http://wispi.me/channel/akharinkhabar آخرين خبر در بله https://bale.ai/invite/#/join/MTIwZmMyZT آخرين خبر در گپ https://gap.im/akharinkhabar