الکتریسیته چیست؟

در زمان های گذشته انسان راجع به انرژی الکتریکی هیچ چیز نمی دانست، ولی امروزه زندگی بدون آن غیر قابل تصور است. یکی از ویژگی های انرژی الکتریکی این است که به راحتی به گرما و نور و شکل های دیگر انرژی تبدیل می شود. تولید روشنایی بوسیله برق در همه جای جهان متداول است. بدون الکتریسیته رادیو، تلویزیون، یخچال، فریزر، قطار برقی، اتو، بخاری برقی، ماشین لباسشویی، جاروی برقی و بسیاری از وسائل دیگر از کار می افتند و بی استفاده می شوند.

در برخی از کارخانه ها برای جلوگیری از آلودگی هوا به جای سوزاندن نفت یا زغال سنگ، از الکتریسیته برای بکار انداختن ماشین آلات استفاده می شود. الکتریسیته در صنایع شیمیایی نیز نقش موثری دارد و الکتروشیمی یکی از بخش های مهم علم شیمی است.

حدود شش قرن قبل از میلاد مسیح، «تالس» فیلسوف یونانی متوجه شد که کهربا در اثر مالش، خرده های سَبُک کاغذ را جذب می کند. در واقع واژه الکتریسیته از کلمه یونانی الکترون به معنی کهربا گرفته شده است. حتماً بارها متوجه شده اید که هر وقت شانه یا یک میله پلاستیکی را با لباس خود یا یک تکه پارچه پشمی خشک مالش می دهیم، ذرات گرد و غبار به آن می چسبند. به عاملی که باعث جذب این ذرات می شود، جاذبه الکتریکی می گویند و اجسامی که در اثر مالش، این خاصیت را پیدا می کنند، دارای الکتریسیته ساکن می شوند.

جسمی که دارای الکتریسیته ساکن است، می تواند جرقه الکتریکی تولید کند. در واقع جرقه الکتریکی جریانی از الکترون است که از جسم باردار بیرون می جهند. صاعقه نیز یک جرقه الکتریکی بسیار قوی است.

بار الکتریکی چیست؟

وقتی دو جسم مختلف به هم مالیده می شوند، هر دو، بار الکتریکی پیدا می کنند. یکی از این دو جسم دارای بار الکتریکی مثبت و دیگری دارای بار الکتریکی منفی می شود. اجسامی که بار الکتریکی یکسانی دارند، یکدیگر را دفع می کنند و اجسامی که دارای بار الکتریکی از نوع مخالف هستند، یکدیگر را می ربایند.

در برخی از اجسام، بار الکتریکی به آسانی جابجا می شود. به این اجسام، رسانا یا هادی می گویند. ولی در برخی از اجسام بارهای الکتریکی جابجا نمی شوند و یا به سختی جابجا می شوند. به این نوع اجسام، نارسانا یا عایق گفته می‌شود. نکته مهم این است که الکتریسیته هرگز از بین نمی رود زیرا مقدار بار الکتریکی هیچگاه تغییر نمی کند. در حقیقت بار الکتریکی فقط از جایی به جای دیگر می رود.

تمام فلزات، کربن و برخی مایعات رساناهای خوبی هستند. هوا و تمامی گازهای بدون رطوبت، لاستیک، شیشه، مواد پلاستیکی و… نارسانا می باشند. در اجسام رسانا، الکترون ها می توانند به آزادی از اتمی به اتم دیگر بروند. ولی در اجسام نارسانا الکترون ها به شدت به اتم های خود پیوسته اند و به راحتی جابجا نمی شوند. در واقع حرکت الکترون ها در یک جسم رسانا موجب انتقال الکتریسیته می شود.

نیروی محرکه الکتریکی چیست؟

نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive force)، جریان های الکتریکی را ایجاد می کند. الکتریسیته که ما از آن استفاده می کنیم، به صورت جریان الکتریکی در میان سیم ها جریان می یابد.

جریان الکتریسیته می تواند گرما تولید کند. اگر جریان الکتریسیته از میان یک سیم مقاومت دار عبور کند، آن را گرم و قرمز می کند. از این خاصیت گرمایشی الکتریسیته برای ساختن اتو، بخاری برقی، اجاق ها و فرهای برقی و… استفاده می شود.

آلساندرو ولتا (Alessandro Volta)، فیزیکدان ایتالیایی در اواخر قرن 18 میلادی با اختراع پیل الکتریکی راهی برای دستیابی به جریان الکتریکی پایدار یافت. پیل ولتا دارای دو تیغه از جنس مس و آهن بود. این تیغه ها داخل محلولی از نمک جای می گرفتند. وقتی که تیغه ها با یک رشته سیم به هم متصل می شدند، جریان الکتریسیته برقرار می شد.

سیر تکامل

در سال 1820 میلادی هانس کریستین اورستد (Hans Christian Ørsted)، دانشمند دانمارکی متوجه شد که بین الکتریسیته و مغناطیس رابطه ای وجود دارد. او پی برده بود که اگر یک عقربه مغناطیسی در مجاورت یک سیم حامل جریان برق قرار گیرد، از راستای خود منحرف می شود. به این ترتیب اورستد خاصیت مغناطیسی جریان الکتریسیته را کشف کرد. پس از آن با استفاده از جریان الکتریسیته، آهنربای الکتریکی ساخته شد. این کشف توجه مایکل فارادی، دانشمند انگلیسی را به خود جلب کرد.

فارادی موفق شد اصول اولیه موتورهای الکتریکی را کشف نماید. او در سال 1831 میلادی پس از مطالعات بسیار در زمینه الکترومغناطیس سرانجام موفق شد از مغناطیس، الکتریسیته تولید کند. او نشان داد که اگر آهنربایی را در نزدیکی یک سیم پیچ به حرکت در آورند، جریانی در سیم القاء می شود. به این ترتیب او توانست از طریق القاء، جریان الکتریسیته پیوسته تولید کند. در واقع فارادی اساس کار دیناموها و ژنراتورهای امروزی را کشف کرد. سال 1867 میلادی اولین ژنراتور بر پایه نظریه القای الکترومغناطیسی فارادی در آلمان ساخته شد.

در سال 1858 میلادی گروهی از محققین در ایالات متحده آمریکا از به حرکت در آوردن توربین توسط جریان آب، الکتریسیته بدست آوردند. پس از آن، نیروگاه های برقی آبی و حرارتی در سراسر جهان ساخته شدند. در طول قرن بیستم میلادی به دلیل تقاضای روز افزون برق، کشورهای بسیاری اقدام به احداث نیروگاه اتمی برای تولید جریان الکتریسیته کرده اند.

جریان DC و AC چیست؟

در باتری، الکترون ها از نظر شیمیایی تمایل دارند که در یک پایانه جمع شوند؛ زیرا بین دو سر یا پایانه باتری، اختلاف پتانسیل وجود دارد. این نوع جریان را که فقط در یک جهت برقرار می شود، جریان مستقیم یا DC (مخفف Direct Current) می نامند. اما مایکل فارادی کشف کرد که میدان مغناطیسی متغیر نیز جریان الکتریکی به وجود می آورد.

در دینام، یک سیم پیچ درون میدان مغناطیسی به دوران در می آید؛ طوری که جریان، در هر دور، در یک جهت از سیم پیچ می گذرد. میدان بطور متناوب، افزایش و کاهش می یابد و به این ترتیب، یک نیروی محرکه الکتریکی متناوب به وجود می آید که جریان را ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر حرکت می دهد. چنین جریانی را جریان متناوب یا AC (مخفف Alternating Current) می نامند.

الکتریسیته از تولید تا توزیع

الکتریسیته تولید شده در نیروگاه، معمولاً با ولتاژ بالا و جریان کم توزیع می‌شود. ترانسفورماتورهای افزاینده، خروجی ژنراتورها را به ولتاژ بالای مورد نیاز برای توزیع می رسانند. ولتاژ، فشار یا نیرویی است که الکتریسیته را در سیم به جلو می راند. در ایستگاه های فرعی، ترانسفورماتورهای کاهنده، ولتاژ را به مقدار مناسب برای مصرف در خانه ها و کارخانه ها کاهش می دهند.

الکتریسیته رسیده به خانه، ابتدا درون کنتور راه می‌یابد که مقدار مصرف آن را نشان می‌دهد. مقدار جریانی که عبور می کند، بوسیله یک جعبه فیوز کنترل می شود. اگر جریانی که در حال عبور از فیوز است خیلی بزرگ شود، فیوز می سوزد و مدار را قطع می کند. دستگاه های برقی خانگی، به پریزهایی که در نقاط مختلف خانه قرار دارند وصل می شوند تا انرژی الکتریکی را دریافت کنند.

بطور خلاصه جریان الکتریسیته با پرش الکترون از یک اتم به اتم دیگر ایجاد می شود. تعداد الکترون های هر اتم، ثابت و معین است. وقتی یک اتم الکترونی اضافه می گیرد، فوراً آن را به اتم مجاورش منتقل می کند. الکترون به این شیوه از میلیون ها اتم گذر می کند.

منابع

1. کتاب چرا، چطور، چگونه؟ دکتر سونیتا گوپتا و دکتر نینا آگراوال. ترجمه پریسا همایون روز و پریچهر همایون روز. موسسه نشر و تحقیقات ذکر. تیر 1393.
2. کتاب بخوانید و بدانید. ویراستار بی تو ساگال. ترجمه سپیده عندلیب و حسین یاسینی. انتشارات پیکان. اسفند 1384.
3. کتاب Kingfisher Science Encyclopedia. تالیف Catherine Headlam. ترجمه محمود سالک. نشر Kingfisher Books. سال 1991.