الکتریسیته چیست؟

تاریخچه الکتریسیته

الکتریسیته در ابتدا به عنوان یک پدیده طبیعی وجود نداشته‌است بلکه کشف و توسعه یافته است. در این فرآیند، افراد متعددی با کارهای خود نقش مهمی ایفا کرده‌اند. در اینجا به برخی از مهم‌ترین این افراد و کارهای کلیدی آنها اشاره می‌کنیم:

بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin)

فرانکلین در سال 1752 با آزمایش معروف بادبادک خود نشان داد که رعدوبرق نوعی الکتریسیته است.این آزمایش کمک کرد تا مفهوم الکتریسیته به عنوان یک پدیده طبیعی و قابل بررسی مطرح شود.

آلساندرو ولتا (Alessandro Volta)

در سال 1800، ولتا اولین باتری الکتریکی را اختراع کرد که به نام “سلول ولتایی” شناخته می‌شود.این اختراع امکان تولید جریان الکتریکی پایدار را فراهم کرد و پایه‌ای برای توسعه دستگاه‌های الکتریکی بعدی شد.

همفری دیوی (Humphry Davy)

دیوی در اوایل قرن نوزدهم اولین چراغ قوسی الکتریکی را اختراع کرد. این چراغ‌ها اولین کاربرد عملی از الکتریسیته برای روشنایی بودند.

میشل فارادی (Michael Faraday)

فارادی در دهه 1830 اصول القای الکترومغناطیسی را کشف کرد. این کشف به او اجازه داد تا مولدهای الکتریکی اولیه را بسازد که می‌توانستند جریان الکتریکی تولید کنند. اصول کار فارادی همچنان در موتورهای الکتریکی و ژنراتورها استفاده می‌شود.

نیکولا تسلا (Nikola Tesla)

تسلا روی سیستم‌های تولید و توزیع برق AC (جریان متناوب) کار کرد و همچنین موتورهای القایی AC را توسعه داد. سیستم AC که توسط تسلا ترویج شد، امروز به عنوان استاندارد جهانی برای توزیع برق استفاده می‌شود.

توماس ادیسون (Thomas Edison)

ادیسون لامپ الکتریکی قابل استفاده و سیستم توزیع برق DC (جریان مستقیم) را توسعه داد. ادیسون به خاطر نقشش در تجاری‌سازی و کاربردی کردن الکتریسیته به ویژه در زمینه روشنایی عمومی شناخته می‌شود.

جورج وستینگهاوس (George Westinghouse)

وستینگهاوس با همکاری نیکولا تسلا، سیستم توزیع برق AC را توسعه داد و در رقابت با ادیسون برای استفاده از AC به پیروزی رسید. این سیستم امکان انتقال برق به فواصل دورتر با کارایی بیشتر را فراهم کرد.

مفهوم کلی الکتریسیته

الکتریسیته به پدیده‌ای گفته می‌شود که به دلیل وجود و حرکت بارهای الکتریکی رخ می‌دهد. بارهای الکتریکی در دو نوع مثبت (پروتون‌ها) و منفی (الکترون‌ها) وجود دارند. الکتریسیته می‌تواند به دو صورت باشد:

الکتریسیته ساکن (Static Electricity)

الکتریسیته ساکن به وضعیت‌هایی اشاره دارد که در آن بارهای الکتریکی روی سطح یک جسم قرار دارند و حرکت نمی‌کنند. این نوع الکتریسیته معمولاً زمانی رخ می‌دهد که بارهای الکتریکی در یک محل تجمع کرده و تمایلی به حرکت ندارند. به بیان ساده‌تر، الکتریسیته ساکن به الکترون‌هایی اشاره دارد که بدون جریان یافتن بر روی سطح اجسام تجمع یافته‌اند.

ویژگی‌های الکتریسیته ساکن

-انباشته شدن بارهای الکتریکی: الکتریسیته ساکن از تجمع بارهای الکتریکی روی سطح یک جسم ناشی می‌شود. این تجمع معمولاً به دلیل انتقال الکترون‌ها از یک جسم به جسم دیگر رخ می‌دهد.
-تخلیه سریع بارها: زمانی که بارهای ساکن از طریق یک ماده رسانا به زمین یا یک جسم دیگر منتقل شوند، تخلیه الکتریکی به سرعت رخ می‌دهد. نمونه‌ای از این پدیده، جرقه‌ای است که هنگام لمس دستگیره فلزی پس از مالش روی فرش مشاهده می‌شود.
-تأثیرات فیزیکی: الکتریسیته ساکن می‌تواند باعث جذب یا دفع اشیای سبک شود. مثلاً مالش یک بادکنک به مو باعث می‌شود که موها به سمت بادکنک کشیده شوند.

چگونگی ایجاد الکتریسیته ساکن

الکتریسیته ساکن بیشتر از طریق اصطکاک ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، اگر یک شیء پلاستیکی را روی یک پارچه مالش دهید، الکترون‌ها از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شوند. این باعث می‌شود که یک جسم دارای بار منفی و جسم دیگر دارای بار مثبت شود.

نمونه‌های الکتریسیته ساکن

جرقه‌های کوچک: هنگامی که روی فرش راه می‌روید و سپس دستگیره در را لمس می‌کنید، یک جرقه کوچک احساس می‌شود.

بادکنک‌ها: مالش بادکنک به مو باعث می‌شود که موها به سمت بادکنک کشیده شوند.

صاعقه: صاعقه یک نمونه بزرگ از الکتریسیته ساکن است که در جو زمین رخ می‌دهد و از طریق تخلیه بارهای الکتریکی بین ابرها یا بین ابر و زمین ایجاد می‌شود.

 الکتریسیته جاری (Current Electricity)

الکتریسیته جاری به جریان پیوسته بارهای الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر از طریق یک رسانا مانند سیم گفته می‌شود. این نوع الکتریسیته بیشتر در زندگی روزمره و در دستگاه‌های الکتریکی استفاده می‌شود و اساس سیستم‌های تولید و توزیع برق است.

ویژگی‌های الکتریسیته جاری

-جریان پیوسته بارها: در الکتریسیته جاری، الکترون‌ها به طور منظم از طریق یک رسانا حرکت می‌کنند. این حرکت معمولاً به دلیل اختلاف ولتاژ بین دو نقطه رخ می‌دهد.
-منابع: منابع الکتریسیته جاری شامل باتری‌ها، ژنراتورها و سلول‌های خورشیدی است.

دنیای اتم‌ها

-پروتون‌ها: ذرات دارای بار مثبت که در هسته اتم قرار دارند.
-نوترون‌ها: ذرات بدون بار که در هسته همراه با پروتون‌ها قرار دارند.
-الکترون‌ها: ذرات با بار منفی که در مدارهایی به دور هسته حرکت می‌کنند.
در برخی مواد مانند فلزات، برخی الکترون‌ها آزاد هستند و می‌توانند درون ماده حرکت کنند. این الکترون‌های آزاد هستند که نقش مهمی در ایجاد جریان الکتریکی ایفا می‌کنند.

جریان بار الکتریکی (Electric Current)

جریان الکتریکی به جریان پیوسته بارهای الکتریکی در یک مدار گفته می‌شود. به طور معمول، این بارها به شکل الکترون‌ها هستند که در یک رسانا (مانند سیم) حرکت می‌کنند. جریان الکتریکی را می‌توان به جریان آب در لوله‌ای تشبیه کرد که آب به طور مداوم از یک نقطه به نقطه دیگر حرکت می‌کند.

واحد اندازه‌گیری

واحد اندازه‌گیری جریان الکتریکی آمپر (Ampere) یا به اختصار آمپر است که با نماد  نشان داده می‌شود. وقتی می‌گوییم جریانی برابر با 1 آمپر است، به این معنی است که در هر ثانیه یک کولن بار الکتریکی از یک نقطه عبور می‌کند.

تصور کنید که در این رودخانه چه مقدار آب در یک زمان خاص از یک نقطه عبور می‌کند. این مقدار آب که در یک زمان خاص عبور می‌کند، شبیه به جریان الکتریکی است. جریان به تعداد الکترون‌هایی که در یک زمان مشخص از یک نقطه عبور می‌کنند اشاره دارد. بنابراین، هر چه جریان بیشتر باشد، به این معنی است که تعداد بیشتری الکترون از آن نقطه عبور می‌کند.

جهت جریان

به طور قراردادی، جهت جریان الکتریکی را از قطب مثبت به قطب منفی در نظر می‌گیرند، اگرچه الکترون‌ها در واقع در جهت مخالف (از منفی به مثبت) حرکت می‌کنند. این جهت قراردادی به زمان کشف جریان الکتریکی بازمی‌گردد، زمانی که تصور می‌شد جریان بارهای مثبت است.

انواع جریان الکتریکی

1- جریان مستقیم(DC – Direct Current):
در این نوع جریان، الکترون‌ها همواره در یک جهت مشخص حرکت می‌کنند. باتری‌ها معمولاً جریان مستقیم تولید می‌کنند.

ویژگی‌های جریان مستقیم:
حرکت الکترون‌ها در یک جهت ثابت است.
بیشتر در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک، مانند گوشی‌های موبایل و لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شود.

2-جریان متناوب (AC – Alternating Current):
در این نوع جریان، جهت حرکت الکترون‌ها به طور مداوم تغییر می‌کند. برق خانگی که از پریزهای دیواری می‌گیرید، معمولاً جریان متناوب است.

ویژگی‌های جریان متناوب:
جهت جریان به صورت دوره‌ای تغییر می‌کند (معمولاً 50 یا 60 بار در ثانیه، بسته به کشور).

فرمول جریان الکتریکی

[math]I=\frac{Q}{t} [/math]

که در آن:
I: جریان الکتریکی (بر حسب آمپر A)
Q: بار الکتریکی (بر حسب کولن C)
t: زمان (بر حسب ثانیه S)
جریان الکتریکی  نشان‌دهنده مقدار بار الکتریکی است که در یک زمان معین از یک نقطه در مدار عبور می‌کند. اگر 1 کولن بار در 1 ثانیه از یک نقطه عبور کند، جریان معادل 1 آمپر خواهد بود.

ولتاژ (Voltage)

ولتاژ که گاهی به آن اختلاف پتانسیل الکتریکی نیز گفته می‌شود، به مقدار انرژی الکتریکی موجود بین دو نقطه از یک مدار الکتریکی اشاره دارد. این انرژی است که باعث حرکت الکترون‌ها در یک رسانا می‌شود. به عبارت ساده‌تر، ولتاژ نیرویی است که الکترون‌ها را به حرکت درمی‌آورد. ولتاژ برای عملکرد دستگاه‌های الکتریکی و الکترونیکی ضروری است. بدون ولتاژ، هیچ نیرویی برای حرکت الکترون‌ها وجود نخواهد داشت و بنابراین هیچ جریانی در مدار جریان نخواهد یافت. به همین دلیل، ولتاژ به عنوان “فشار” الکتریکی که باعث جریان الکتریسیته می‌شود شناخته می‌شود.

واحد اندازه‌گیری ولتاژ

واحد اندازه‌گیری ولتاژ ولت (Volt) است که با نماد   نشان داده می‌شود. اگر بین دو نقطه از مدار، اختلاف پتانسیل یک ولت وجود داشته باشد، به این معنی است که یک ژول انرژی برای حرکت یک کولن بار الکتریکی بین این دو نقطه نیاز است. فرض کنید یک رودخانه وجود دارد که در آن آب از یک نقطه بالاتر (مثلاً کوه) به یک نقطه پایین‌تر (مثلاً دریا) جریان دارد. اختلاف ارتفاع بین کوه و دریا، شبیه به ولتاژ در مدار الکتریکی است. ولتاژ به نوعی نیرویی است که باعث حرکت الکترون‌ها (مثل آب در رودخانه) در یک مدار می‌شود. هرچه این اختلاف ارتفاع بیشتر باشد (یعنی ولتاژ بالاتر باشد)، آب با قدرت بیشتری جریان پیدا می‌کند.

منبع ولتاژ

باتری‌ها: ولتاژ در باتری‌ها به دلیل اختلاف شیمیایی بین دو سر باتری ایجاد می‌شود. مثلاً باتری 1.5 ولت به این معنی است که بین دو سر باتری 1.5 ولت اختلاف پتانسیل وجود دارد.

منابع تغذیه: منابع تغذیه مانند برق شهر، ولتاژ AC (جریان متناوب) فراهم می‌کنند. این ولتاژ به طور معمول 220 ولت در بسیاری از کشورها است.

انواع ولتاژ

ولتاژ مستقیم (DC – Direct Voltage): ولتاژی است که در طول زمان ثابت می‌ماند. مثلاً ولتاژ باتری.
ولتاژ متناوب (AC – Alternating Voltage): ولتاژی که جهت و مقدار آن در طول زمان به طور دوره‌ای تغییر می‌کند. ولتاژ پریزهای برق خانگی از این نوع است.

رابطه ولتاژ و انرژی

فرمول دیگر ولتاژ که رابطه آن با انرژی و بار الکتریکی را نشان می‌دهد، به شکل زیر است:

[math]I=\frac{W}{Q} [/math]

که در آن:
V: ولتاژ (بر حسب ولت V)
 W: انرژی الکتریکی (بر حسب ژول J)
 Q: بار الکتریکی (بر حسب کولن C)
این فرمول نشان می‌دهد که ولتاژ مقدار انرژی الکتریکی است که به ازای هر کولن بار در مدار منتقل می‌شود. به عبارت دیگر، ولتاژ میزان فشار یا نیروی الکتریکی است که باعث حرکت بارهای الکتریکی در مدار می‌شود.

میدان الکتریکی (Electric Field)

میدان الکتریکی یک ناحیه اطراف یک بار الکتریکی یا در اطراف یک سیستم از بارهای الکتریکی است که در آن نیروی الکتریکی بر سایر بارهای الکتریکی وارد می‌شود. میدان الکتریکی باعث می‌شود که هر بار الکتریکی که در این ناحیه قرار گیرد، تحت تأثیر نیرویی قرار گیرد.

ویژگی میدان الکتریکی

1-شدت میدان الکتریکی: شدت میدان الکتریکی در یک نقطه خاص از فضا با مقدار نیرویی که بر یک بار الکتریکی واحد در آن نقطه وارد می‌شود تعریف می‌شود. این شدت با نماد E نشان داده می‌شود و واحد آن نیوتن بر کولن (N/C) یا ولت بر متر (V/m) است.
فرمول آن به شکل زیر است:

[math]E=\frac{F}{Q} [/math]

که در آن:
E: شدت میدان الکتریکی
F: نیروی وارد بر بار
Q: مقدار بار الکتریکی است.

2-جهت میدان الکتریکی: جهت میدان الکتریکی در یک نقطه به جهت نیرویی که بر یک بار مثبت در آن نقطه وارد می‌شود بستگی دارد. اگر بار مثبت باشد، جهت میدان الکتریکی همان جهت نیروی وارد بر بار است؛ و اگر بار منفی باشد، جهت میدان الکتریکی مخالف جهت نیروی وارد بر بار خواهد بود.

3-منبع میدان الکتریکی: هر بار الکتریکی یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند. برای یک بار مثبت، خطوط میدان الکتریکی از بار دور می‌شوند و برای یک بار منفی، خطوط میدان به سمت بار نزدیک می‌شوند.

می‌توان میدان الکتریکی را به یک میدان گرانشی تشبیه کرد:
همانطور که هر جرم باعث ایجاد یک میدان گرانشی در اطراف خود می‌شود و دیگر اجسام را به سمت خود می‌کشد، بارهای الکتریکی نیز یک میدان الکتریکی در اطراف خود ایجاد می‌کنند که بر بارهای دیگر نیرویی وارد می‌کند.

خطوط میدان الکتریکی:

خطوط میدان الکتریکی نشان‌دهنده جهت و شدت میدان هستند:
جهت خطوط: خطوط میدان از بارهای مثبت خارج می‌شوند و به بارهای منفی وارد می‌شوند.
تراکم خطوط: هرچه خطوط میدان به هم نزدیک‌تر باشند، شدت میدان الکتریکی در آن ناحیه بیشتر است.

میدان الکتریکی یکنواخت

اگر شدت و جهت میدان الکتریکی در همه نقاط یک ناحیه ثابت باشد، به آن میدان الکتریکی یکنواخت گفته می‌شود. به عنوان مثال، میدان الکتریکی بین دو صفحه موازی که به یک منبع ولتاژ متصل هستند، یکنواخت است.

اهمیت میدان الکتریکی

میدان الکتریکی نقش اساسی در بسیاری از پدیده‌های الکتریکی و الکترونیکی دارد. برای مثال:
در خازن‌ها، میدان الکتریکی بین صفحات آن‌ها انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کند.
در لوله‌های پرتو کاتدی (مثل تلویزیون‌های قدیمی)، میدان الکتریکی برای منحرف کردن و کنترل پرتوهای الکترونی استفاده می‌شود.
در الکترونیک، میدان‌های الکتریکی در ترانزیستورها و دیودها برای کنترل جریان الکتریکی استفاده می‌شوند.

پتانسیل الکتریکی (Electric Potential)

انرژی پتانسیل الکتریکی (Electric Potential Energy) نوعی انرژی ذخیره شده است که یک بار الکتریکی در یک میدان الکتریکی دارد. این انرژی نشان‌دهنده کار یا انرژی‌ای است که باید صرف شود تا یک بار الکتریکی را از یک نقطه در میدان الکتریکی به نقطه دیگری منتقل کرد.
مفهوم و فرمول:
فرض کنید یک بار الکتریکی در نزدیکی یک بار الکتریکی دیگر یا در میدان الکتریکی یک منبع قرار دارد. انرژی پتانسیل الکتریکی آن بار در یک نقطه خاص از فضا به شکل زیر تعریف می‌شود:

U=q x V

که در آن:
U: انرژی پتانسیل الکتریکی (بر حسب ژول J)
q: مقدار بار الکتریکی (بر حسب کولن C)
V: پتانسیل الکتریکی در نقطه‌ای که بار قرار دارد (بر حسب ولت V)
این انرژی به دلیل موقعیت بار در میدان الکتریکی است. وقتی بار الکتریکی در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، تحت تأثیر نیرویی قرار می‌گیرد که می‌تواند باعث حرکت آن شود. انرژی پتانسیل الکتریکی معیاری از کار لازم برای جابجایی بار الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر در میدان الکتریکی است. فرض کنید یک بار الکتریکی  در فاصله r از یک بار الکتریکی  ثابت قرار دارد. انرژی پتانسیل الکتریکی این بار  به صورت زیر محاسبه می‌شود:

U=Kq₁q₂/r²

که در آن:
U: انرژی پتانسیل الکتریکی (بر حسب ژول J)
q₁q₂: بار الکتریکی آزمون (بر حسب کولن C)
r: فاصله بین دو بار (بر حسب متر m)
K: ثابت کولن است(9×10⁹N x m² x C²)

اهمیت انرژی پتانسیل الکتریکی

حفظ انرژی: انرژی پتانسیل الکتریکی بخشی از انرژی کل سیستم است و در تحلیل مسائل مربوط به حرکت بارهای الکتریکی و دینامیک میدان‌های الکتریکی اهمیت دارد.
کار انجام‌شده توسط میدان: هنگامی که یک بار الکتریکی در میدان حرکت می‌کند، انرژی پتانسیل آن ممکن است به انرژی جنبشی تبدیل شود و کار انجام دهد.
انرژی پتانسیل الکتریکی یکی از مفاهیم اساسی در فیزیک الکتریسیته است که به درک بهتر نیروها و حرکت بارهای الکتریکی در میدان‌های الکتریکی کمک می‌کند.

رسانایی و نارسانایی

رساناها (Conductors)

رساناها موادی هستند که جریان الکتریکی را به خوبی از خود عبور می‌دهند. این مواد دارای الکترون‌های آزاد هستند که می‌توانند به راحتی حرکت کنند. مثال‌های رایج از مواد رسانا عبارتند از:
مس:ماده‌ای که در اکثر سیم‌های الکتریکی استفاده می‌شود.
آلومینیوم: رسانای سبک و ارزان که در خطوط انتقال برق کاربرد دارد.

نارساناها (Insulators)

نارساناها موادی هستند که به سختی جریان الکتریکی را عبور می‌دهند. این مواد فاقد الکترون‌های آزاد هستند و برای جلوگیری از عبور جریان الکتریکی استفاده می‌شوند. مثال‌های رایج از مواد نارسانا عبارتند از:
پلاستیک: در روکش سیم‌ها برای جلوگیری از نشت جریان.
چوب و شیشه: که در عایق‌کاری استفاده می‌شوند.