برق چیست؟ جریان الکتریسیته به زبان ساده

الکتریسیته (برق) در اطراف ماست (فناوری انرژی مانند تلفن های همراه ما ، کامپیوتر ها ، چراغ ها ، چدن های لحیم کاری و تهویه مطبوع هوا) فرار از برق در دنیای مدرن ما دشوار است. حتی وقتی می خواهید از برق فرار کنید هم نمیتوانید، زیرا برق در تمام جهان هست از رعد و برق گرفته تا سیناپس هایی که در سیستم عصبی بدن ما هستند.

اما برق چیست؟ این یک سوال بسیار پیچیده است، و هرچه بیشتر در این زمینه عمیق شوید، سوالات بیشتری برای شما پیش می آید. باید بدانید که در مورد سوال “برق چیست” یک جواب قطعی وجود ندارد. ما فقط میتوانیم نمایشی انتزاعی از نحوه ارتباط برق با محیط اطراف را بدانیم.

برق پدیده ای طبیعی است که در کل طبیعت رخ می دهد و اشکال مختلفی دارد. در این آموزش ما بر روی جریان الکتریسیته تمرکز خواهیم کرد یعنی مواردی که وسیله های الکترونیکی ما را تغذیه می کند. هدف ما این است که بفهمیم چگونه برق از طریق سیم ها ، روشن کردن LED ها ، چرخش موتور ها و تأمین انرژی دستگاه های ارتباطی از یک منبع تغذیه جریان می یابد.

حتما مقاله مخترع برق را بخوانید. برق به طور خلاصه به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می شود ، اما چیز های زیادی در پشت این جمله ساده وجود دارد. این بار های الکتریکی از کجا ناشی می شود؟ چگونه آن ها را جابجا کنیم؟ به کجا منتقل می شوند؟ چگونه بار الکتریکی باعث حرکت مکانیکی یا روشن شدن چیزها می شود؟

بنابراین سوالات زیادی وجود دارد! برای شروع به توضیح اینکه برق چیست ، ما به بزرگ نمایی بیشتر ماده و مولکول ها احتیاج داریم.

سفر به دنیای اتم ها

برای درک اصول الکتریسیته ، باید با تمرکز بر روی اتم ها (یکی از عناصر اصلی ساخت حیات و ماده) شروع کنیم. اتم ها به بیش از صد شکل مختلف به عنوان عناصر شیمیایی مانند هیدروژن ، کربن ، اکسیژن و مس وجود دارند. انواع مختلفی از اتم ها می توانند با هم ترکیب شده و مولکول تولید کنند و ماده ای را ایجاد می کنند که از نظر جسمی می توانیم آن را ببینیم و لمس کنیم.

اتم ها ریز هستند و حداکثر تا 300 پیکومتر طول دارند. یک پنی مس (اگر واقعاً از 100٪ مس ساخته شود) دارای 222/10 اتم (32،000،000،000،000،000،000،000،000،000 اتم) مس در داخل خود است.

حتی اتم آنقدر کوچک نیست که بتواند عملکرد برق را توضیح دهد. ما باید به سطح پایین تری برویم و به عناصر سازنده اتم ها نگاه کنیم: پروتون ها ، نوترون ها و الکترون ها.

بلوک های اتمی

یک اتم از ترکیب سه ذره مجزا ساخته شده است: الکترون ، پروتون و نوترون. هر اتم دارای یک هسته مرکزی است ، جایی که پروتون ها و نوترون ها به شدت متراکم شده اند. در اطراف هسته گروهی از الکترون ها در حال گردش هستند.

هر اتم باید حداقل یک پروتون در خود داشته باشد. تعداد پروتون ها در یک اتم مهم است ، زیرا مشخص می کند که این اتم چه عنصر شیمیایی را نشان می دهد. به عنوان مثال ، اتمی که فقط یک پروتون دارد هیدروژن است ، اتمی با 29 پروتون مس و اتمی با 94 پروتون پلوتونیوم است. این تعداد پروتون را عدد اتمی اتم می نامند.

هسته پروتون ها ، نوترون ها ، از یک هدف مهم پیروی می کنند. آن ها پروتون ها را در هسته نگه می دارند و ایزوتوپ یک اتم را تعیین می کنند. آن ها برای درک ما از برق حیاتی نیستند ، بنابراین بیایید برای این آموزش نگران آنها نباشیم.

الکترون ها برای کار با الکتریسیته بسیار مهم هستند (متوجه یک موضوع مشترک در نام آن ها می شوید؟) در حالت متعادل، یک اتم به همان تعداد پروتون دارای الکترون خواهد بود. همانطور که در مدل اتم بور در زیر وجود دارد ، هسته ای با 29 پروتون (که آن را به یک اتم مس تبدیل می کند) توسط 29 الکترون احاطه شده است.

الکترون های یک اتم برای همیشه به اتم وابسته نیستند. الکترون های موجود در مدار خارجی اتم را الکترون های ظرفیت می نامند. با نیروی کافی ، یک الکترون ظرفیت می تواند از مدار اتم رها شده و آزاد شود. الکترون های آزاد به ما امکان حرکت بار را می دهند ، یعنی همان چیزی که برق را تشکیل می دهد.

جریان بار الکتریکی

همانطور که در ابتدای این آموزش اشاره کردیم ، برق به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می شود. بار الکتریکی خاصیت ماده است (دقیقاً مانند جرم ، حجم یا تراکم) و قابل اندازه گیری است. همانطور که می توانید مقدار جرم چیزی را تعیین کنید ، می توانید میزان بار الکتریکی آن را نیز بسنجید. مفهوم اصلی بار الکتریکی این است که می تواند در دو نوع مثبت (+) یا منفی (-) وجود داشته باشد.

برای جابجایی بار الکتریکی ما به حامل های بار الکتریکی نیاز داریم و آنجاست که دانش ما در مورد ذرات اتمی (به ویژه الکترون ها و پروتون ها) مفید است. الکترون ها همیشه دارای بار منفی هستند ، در حالی که پروتون ها همیشه دارای بار مثبت هستند. نوترون ها (درست نسبت به نامشان) خنثی هستند و هیچ باری ندارند. الکترون ها و پروتون ها مقدار بارالکتریکی مشابهی دارند ، فقط در نوع متفاوت هستند.

بار الکترون ها و پروتون ها مهم است ، زیرا وسیله ای برای اعمال نیرو فراهم می کنند.

نیروی الکترواستاتیک

نیروی الکترواستاتیک (قانون کولن نیز نامیده می شود) نیرویی است که بین بار ها عمل می کند. نیروی الکترواستاتیک بیان می کند که بارهای الکتریکی از نوع یکسان یکدیگر را دفع میکنند ، در حالی که بار های الکتریکی از نوع مخالف یکدیگر را جذب می کنند.

میزان نیرویی که به دو بار وارد می شود بستگی به فاصله آن ها از یکدیگر دارد. هرچه دو بار به یکدیگر نزدیکتر شوند ، نیروی بیشتری (یا فشار آوردن به یکدیگر یا دفع کردن) ایجاد می شود.

به لطف نیروی الکترواستاتیک ، الکترون ها، الکترون های دیگر را دور می کنند و جذب پروتون ها می شوند. این نیرو بخشی از به اصطلاح “چسبی” است که اتم ها را در کنار هم نگه می دارد ، اما در عین حال ابزاری است که برای جریان دادن الکترون ها (و بار ها) به آن نیاز داریم!

ایجاد جریان الکتریکی

اکنون همه ابزارها را برای ایجاد جریان بار الکتریکی در اختیار داریم. الکترون های موجود در اتم ها می توانند به عنوان حامل بار ما عمل کنند ، زیرا هر الکترون بار منفی را حمل می کند. اگر بتوانیم الکترون را از یک اتم آزاد کنیم و آن را مجبور به حرکت کنیم ، می توانیم برق ایجاد کنیم.

مدل اتمی یک اتم مس ، یکی از منابع اصلی ترجیحی برای جریان بار را در نظر بگیرید. در حالت متعادل ، مس دارای 29 پروتون در هسته خود و تعداد مساوی الکترون است که به دور آن می چرخند. الکترون ها در فاصله های مختلفی از هسته اتم می چرخند. الکترون های نزدیکتر به هسته نسبت به آن هایی که در مدار های دوردست قرار دارند ، جاذبه بسیار نیرومندی نسبت به مرکز احساس می کنند. به خارجی ترین الکترون های یک اتم الکترون های ظرفیت می گویند و این الکترون ها برای آزاد شدن از یک اتم به کمترین نیرو نیاز دارند.

با استفاده از نیروی الکترواستاتیک کافی به الکترون ظرفیتی (یا آن را با بار منفی دیگری تحت فشار قرار می دهیم یا با بار مثبت آن را جذب می کنیم) می توانیم الکترون را از مدار اطراف اتم خارج کنیم و یک الکترون آزاد ایجاد کنیم.

اکنون یک سیم مسی (ماده ای که با تعداد زیادی اتم مس پر شده است) را در نظر بگیرید. همانطور که الکترون آزاد ما در فضایی بین اتم ها شناور است ، توسط بار های اطراف در آن فضا کشیده می شود. در این هرج و مرج ، الکترون آزاد در نهایت اتم جدیدی پیدا می کند تا بتواند به آن متصل شود، با این کار ، بار منفی آن الکترون، یک الکترون ظرفیت دیگر را از اتم خارج می کند. اکنون یک الکترون جدید از فضای خالی رد می شود و به دنبال انجام همان کار است. این اثر زنجیره ای می تواند به صورت مداوم ادامه داشته و الکترون های جاری، جریان الکتریکی را ایجاد کنند.

رسانایی یعنی چه؟

برخی از انواع اساسی اتم ها در آزادسازی الکترون های خود بهتر از دیگران هستند. برای دستیابی به بهترین شکل ممکن جریان الکترون می خواهیم از اتم هایی استفاده کنیم که خیلی محکم به الکترون های ظرفیت خود نمی چسبند. رسانایی یک عنصر میزان قدرت اتصال یک الکترونیک به اتم را به ما میگوید.

به عناصر با رسانایی بالا که دارای الکترون های بسیار متحرک هستند ، هادی گفته می شود. از هادی ها برای ساخت سیم و سایز اجزای مربوط به جریان الکترون استفاده میشود. فلزاتی مثل نقره، طلا، مس گزینه هایی با رسانایی خوب هستند بنابراین هادی های خوبی نیز هستند.

به عناصر با رسانایی کم عایق گفته می شود. عایق ها هدف بسیار مهمی را دنبال می کنند یعنی آنها مانع جریان الکترون می شوند. عایق های محبوب شیشه ، لاستیک ، پلاستیک و هوا هستند.

الکتریسته جاری یا ساکن

قبل از اینکه به ادامه مطالب بپردازیم، بیایید در مورد دو شکلی که الکتریسیته می تواند داشته باشد صحبت کنیم: ساکن یا جاری. در کار با الکترونیک، الکتریسیته جاری بسیار رایج تر خواهد بود، اما درک الکتریسیته ساکن نیز مهم است.

الکتریسیته ساکن

الکتریسیته ساکن هنگامی وجود دارد که بار های مخالف بر روی اجسامی که توسط یک عایق جدا شده اند وجود داشته باشد. الکتریسیته ساکن وجود دارد تا زمانی که دو گروه از بار های مخالف بتوانند مسیری بین یکدیگر پیدا کنند تا سیستم را متعادل کنند.

وقتی بارهای الکتریکی وسیله ای برای برابری پیدا می کنند، تخلیه ساکن رخ می دهد. قدرت جذب بار ها آنقدر زیاد می شود که می توانند حتی از میان بهترین عایق ها (هوا، شیشه، پلاستیک و …) عبور کنند. تخلیه های ساکن با توجه به اینکه بار ها از چه محیطی عبور می کنند و به چه سطحی منتقل می شوند، می توانند مضر باشند.

برابر شدن بارها از طریق شکاف هوا می تواند منجر به یک شوک قابل دیدن شود چون الکترون های در حال حرکت با الکترون ها در هوا برخورد می کنند، که تحریک شده و انرژی را به صورت نور آزاد می کنند.

از شکاف هوا برای ایجاد تخلیه ساکن استفاده می شود. بار های مخالف روی هر یک از رسانا ها جمع می شوند تا زمانی که جاذبه آن ها بسیار زیاد باشد و بار های زیادی بتوانند در هوا جریان یابند.

یکی از چشمگیرترین نمونه های تخلیه ساکن، رعد و برق است. هنگامی که یک گروه ابری، بار کافی را نسبت به گروه دیگری از ابرها یا زمین جمع می کند، بار ها سعی می کنند برابر شوند. با تخلیه ابر، مقادیر زیادی از بارهای مثبت (یا گاهی اوقات منفی) در هوا از زمین به ابر عبور می کنند و باعث ایجاد اثر قابل مشاهده ای می شوند که همه ما با آن آشنا هستیم.

الکتریسیته ساکن همچنین به طور کاملاً مشخصی وجود دارد وقتی ما بادکنک ها را روی سرمان می مالیم تا موهایمان به سمت بالا برود و…

در هر حالت اصطکاک حاصل از مالش، انواع مختلف الکترون ها را منتقل می کند.جسمی که الکترون های خود را ازدست می دهد به صورت مثبت باردار می شود، در حالی که جسمی که الکترون هایی بدست می آورد به صورت منفی باردار می شود. این دو جسم به یکدیگر جذب می شوند تا زمانی که از لحاظ بار الکتریکی یکسان شوند.

در کار با الکترونیک، به طور کلی نیازی به کار با الکتریسیته ساکن نیست. اما وقتی این کار را انجام می دهیم باید از اجزای حساس الکترونیکی خود در برابر تخلیه ساکن محافظت کنیم. اقدامات پیشگیرانه در برابر الکتریسیته ساکن شامل استفاده از مچ بند های دست ESD (تخلیه الکترواستاتیک) یا افزودن اجزای ویژه در مدار ها برای محافظت در برابر افزایش بار های زیاد است.

الکتریسیته جاری

الکتریسیته جاری شکلی از برق است که استفاده از همه ابزار های الکترونیکی ما را ممکن می کند. این شکل از برق هنگامی وجود دارد که بارها همیشه توانایی جریان یافتن را داشته باشند. در مقابل الکتریسیته ساکن که در آن بار های الکتریکی جمع می شوند و در حالت ساکن باقی می مانند، در الکتریسیته جاری بار های الکتریکی همیشه در حرکت هستند. ما در بقیه آموزش بر روی این شکل از برق تمرکز خواهیم کرد.

مدار ها

الکتریسیته جاری برای جریان یافتن به مدار نیاز دارد: یک حلقه بسته که از مواد رسانا باشد. یک مدار می تواند به سادگی یک سیم رسانا باشد، اما مدار های مفید معمولاً ترکیبی از سیم و اجزایی هستند که جریان برق را کنترل می کنند. تنها نکته در مورد ساخت مدار ها این است که آن ها نمی توانند هیچ شکاف عایقی در خود داشته باشند.

اگر یک سیم مسی دارید و می خواهید جریان الکترون را از آن عبور دهید، همه الکترون های آزاد به مسیری نیاز دارند که در همان جهت جریان داشته باشند. مس یک رسانای عالی و مناسب برای جریان دادن بار ها است. اگر در مدار سیم مسی شکسته باشد، بار ها نمی توانند جریان داشته باشند.

از طرف دیگر، اگر سیم از انتها به انتهای دیگر متصل باشد، همه الکترون ها  می توانند در یک جهت جریان داشته باشند.
اکنون می فهمیم که الکترون ها چگونه می توانند جریان یابند، اما در مرحله اول مهم این است که چگونه می توانیم جریان آن ها را فراهم کنیم؟ و هنگامی که الکترون ها در جریان هستند، چگونه انرژی لازم برای روشن کردن لامپ ها یا موتور های چرخشی را تولید می کنند؟ برای این منظور، باید در مورد میدان های الکتریکی بدانیم.

میدان چیست؟

ما چیز هایی در مورد اینکه چگونه جریان الکترون از طریق ماده برق ایجاد می کند می دانیم . این یک ایده کلی برای تولید برق است. اکنون ما به یک منبع برای تولید جریان الکترون نیاز داریم. این منبع جریان الکترون، از یک میدان الکتریکی حاصل می شود.

میدان ابزاری است که ما برای مدل سازی کار های فیزیکی استفاده می کنیم. میدان ها را نمی توان دید زیرا از لحاظ فیزیکی ظاهری ندارند، اما تأثیری که آن ها دارند بسیار واقعی است.

همه ما به طور ناخودآگاه با یک میدان آشنا هستیم: میدان جاذبه زمین، میدانی که اجسام را به خود جذب می کند. میدان گرانشی زمین را می توان با مجموعه ای از بردار ها که مرکز آن ها زمین است، مدل کرد. صرف نظر از اینکه در چه سطحی قرار دارید، نیرویی را احساس می کنید که شما را به سمت خود می کشد.

نیرویی که میدان ها وارد می کنند در تمام نقاط میدان یکسان نیست. هرچه از منبع میدان دورتر باشید میدان تاثیر کمتری بر شما دارد. با فاصله گرفتن از مرکز زمین، از میدان گرانشی زمین کاسته می شود.

میدان های الکتریکی شباهت زیادی به میدان گرانشی زمین دارند. میدان های گرانشی به اجسام جرم و میدان های الکتریکی به اجسام باردار نیرو وارد می کنند.

میدان های الکتریکی

میدان های الکتریکی  ابزاری مهم در درک چگونگی جریان یافتن برق است. میدان های الکتریکی نیروی کششی که بین بار ها وجود دارد را توصیف می کنند. میدان گرانشی زمین با میدان های الکتریکی یک تفاوت عمده دارند: در حالی که میدان زمین به طور کلی سایر اجسام را به خود جذب می کند، میدان های الکتریکی بار ها را به همان اندازه که جذب می کنند، دور می کنند.

جهت میدان های الکتریکی همیشه به عنوان جهتی که یک بار آزمون مثبت در میدان حرکت می کند، تعریف می شود. بار آزمون باید بی نهایت کم باشد، تا بار آن بر میدان تأثیر نگذارد.

ما می توانیم با ساخت میدان های الکتریکی برای یک بار مثبت و منفی شروع کنیم. اگر بار آزمون مثبت را نزدیک بار منفی کنید، بار آزمون به سمت بار منفی جذب می شود. بنابراین، برای یک بار منفی، فلش های میدان الکتریکی را به سمت داخل می کشیم.

همان بار آزمون را در نزدیکی بار مثبت قرار می دهیم که منجر به دافعه بیرونی می شود، بنابراین برای بار مثبت فلش هایی را به سمت خارج می کشیم.

یک بار منفی دارای یک میدان الکتریکی درونی است زیرا بار های مثبت را به خود جذب می کند. بار مثبت دارای یک میدان الکتریکی به سمت بیرون است و بار ها از آن دور می شود. گروه هایی از بار های الکتریکی را می توان برای ایجاد میدان های الکتریکی کاملی در کنار هم قرار داد.

در میدان الکتریکی نشان داده شده در بالا بار های مثبت، به سمت بار های منفی حرکت می کنند. یک بار آزمون مثبت کوچک را تصور کنید که در میدان قرار دارد. باید جهت فلش ها را دنبال کند. همانطور که دیدیم، برق معمولا جریان الکترون ها(بارهای منفی) است که در میدان الکتریکی جاری می شوند.

میدان های الکتریکی نیروی لازم برای ایجاد جریان را تأمین می کنند. یک میدان الکتریکی در مدار مانند پمپ الکترون است: منبع بزرگی از بار های منفی که از طریق مدار به سمت توده بارهای مثبت جریان می یابند.

پتانسیل الکتریکی

مدار های الکتریکی باید بتوانند انرژی را ذخیره کرده و آن را به اشکال دیگر مانند گرما، نور یا حرکت منتقل کنند. انرژی ذخیره شده یک مدار را انرژی پتانسیل الکتریکی می نامند.

انرژی پتانسیل چیست؟

برای درک انرژی پتانسیل باید انرژی را به طور کلی درک کنیم.

انژری بعنوان توانایی جسم برای انجام کار بر روی جسم دیگر است بطوری که جسم را بتوانید حرکت دهید. انرژی انواع مختلفی دارد، بعضی از آن ها را می توانیم ببینیم (مانند مکانیکی) و برخی دیگر را نمی توانیم ببینیم (مانند مواد شیمیایی یا الکتریکی). صرف نظر از اینکه به چه شکلی باشد، انرژی در یکی از دو حالت وجود دارد: جنبشی یا پتانسیل.

یک جسم در حال حرکت انرژی جنبشی دارد. مقدار انرژی جنبشی یک جسم به جرم و سرعت آن بستگی دارد. از طرف دیگر، انرژی پتانسیل، انرژی ذخیره شده در جسم ساکن است. این انرژی توصیف می کند که جسم در صورت حرکت کردن چقدر کار می تواند انجام دهد. این انرژی را به طور کلی می توانیم  کنترل کنیم. وقتی جسمی به حرکت در می آید، انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می شود.

بیایید به مثال استفاده از جاذبه برگردیم. یک توپ که در بالای یک برج بی حرکت است، دارای انرژی (ذخیره شده) زیادی است. با افتادن، توپ(که توسط میدان گرانشی کشیده می شود) به سمت زمین شتاب می گیرد. با شتاب گرفتن توپ، انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی (انرژی حاصل از حرکت) تبدیل می شود. سرانجام تمام انرژی توپ از پتانسیل به جنبشی تبدیل می شود و سپس وقتی به زمین برخورد می کند انرژی آن به زمین منتقل می شود. وقتی توپ روی زمین است، انرژی پتانسیل بسیار کمی دارد.

انرژی پتانسیل الکتریکی

درست مانند جرم که در یک میدان گرانشی دارای انرژی پتانسیل گرانشی است، بار های موجود در یک میدان الکتریکی دارای یک انرژی پتانسیل الکتریکی هستند. انرژی پتانسیل الکتریکی یک بار بیان می کند که چه مقدار انرژی ذخیره شده دارد، هنگامی که توسط یک نیروی الکترواستاتیک حرکت می کند، این انرژی می تواند جنبشی شود و بار می تواند حرکت کند.

یک بار مثبت در نزدیکی یک بار مثبت دیگر دارای انرژی پتانسیل بالایی است مانند توپی که در بالای یک برج است.درصورت جابجایی، بار به دور از بار مشابه دفع می شود. یک بار آزمون مثبت که در نزدیکی یک بار منفی قرار می گیرد، دارای انرژی پتانسیل کمی، مشابه توپ روی زمین است.

برای القای هر چیزی با انرژی پتانسیل،باید آن را بر روی یک مسیر حرکت دهیم. در مورد توپ، کار انجام شده، حمل آن تا 163 طبقه در برابر میدان جاذبه است. به طور مشابه، کار انجام شده برای یک بار مثبت باید در جهت مخالف بردار های میدان الکتریکی باشد(به سمت بار مثبت دیگر یا به دور از بار منفی). هرچه مقدار بار بیشتر باشد، کار بیشتری باید انجام دهید. به همین ترتیب، اگر می خواهید یک بار منفی را از یک بار مثبت در  یک میدان الکتریکی دور کنید، باید کار انجام دهید.

برای هر بار در یک میدان الکتریکی، انرژی پتانسیل الکتریکی آن به نوع بار(مثبت یا منفی)، اندازه بار و موقعیت آن در میدان بستگی دارد. انرژی پتانسیل الکتریکی بر حسب واحد ژول (J) اندازه گیری می شود.

پتانسیل الکتریکی

پتانسیل الکتریکی بر اساس انرژی پتانسیل الکتریکی برای تعیین میزان ذخیره انرژی در میدان های الکتریکی ایجاد می شود. این مفهوم دیگری است که به ما کمک می کند تا رفتار میدان های الکتریکی را مدلسازی کنیم. پتانسیل الکتریکی همان انرژی پتانسیل الکتریکی نیست!
در هر نقطه از یک میدان الکتریکی، پتانسیل الکتریکی مقدار انرژی پتانسیل الکتریکی تقسیم بر مقدار بار در آن نقطه است. پتانسیل الکتریکی به واحد ژول در هر کولن (J / C) ارائه می شود، که ما آن را به عنوان ولت (V) تعریف می کنیم.

در هر میدان الکتریکی دو نقطه از پتانسیل الکتریکی وجود دارد که مورد توجه ما هستند. یک نقطه در پتانسیل بالا یعنی جایی که یک بار مثبت بیشترین انرژی پتانسیل ممکن را دارد و یک نقطه نیز با پتانسیل کم، که یک بار کمترین انرژی ممکن را دارد.

یکی از رایج ترین اصطلاحاتی که ما در ارزیابی برق مورد بحث قرار می دهیم ولتاژ است. ولتاژ اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی است. ولتاژ به ما ایده می دهد که یک میدان الکتریکی چه مقدار نیروی فشار دارد.

حالا که همه چیز را در مورد انرژی پتانسیل و پتانسیل می دانیم، موارد لازم برای تولید جریان الکتریسیته را داریم پس به ادامه مطلب برویم.

وقتی که برق در مدار جاری می شود!

پس از مطالعه فیزیک ذرات، نظریه میدان و انرژی پتانسیل، اکنون ما به اندازه کافی می توانیم جریان الکتریسیته را جریان دهیم. بیایید یک مدار درست کنیم!

ابتدا مواد تشکیل دهنده مورد نیاز برای تولید برق را بررسی خواهیم کرد:

• تعریف برق، بار الکتریکی جاری شده است. معمولاً بار های ما توسط الکترون های جریان آزاد حمل می شوند.
• الکترون های دارای بار منفی به راحتی در اتم های مواد رسانا نگه داشته می شوند. با کمی نیرو می توانیم الکترون ها را از اتم ها آزاد کنیم و آن ها را در یک جهت جریان دهیم.
• مدار بسته ماده رسانا، مسیری را برای جریان پیوسته الکترون ها فراهم می کند.
• بار ها توسط یک میدان الکتریکی حرکت می کنند. ما به یک منبع پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) نیاز داریم که الکترون ها را از یک نقطه با انرژی پتانسیل کم به انرژی پتانسیل بالاتر هدایت می کند.

یک اتصال کوتاه

باتری ها منابع مشترک انرژی هستند که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. آن ها دو ترمینال دارند که به مدار متصل می شوند. در یک ترمینال بار های منفی و در ترمینال دیگر بار های مثبت وجود دارند.

اگر سیم پر از اتم های رسانای مس را به باتری وصل کنیم، میدان الکتریکی بر الکترون های آزاد دارای بار منفی در اتم های مس تأثیر می گذارد. الکترون ها به طور همزمان توسط ترمینال منفی هل داده شده و توسط ترمینال مثبت کشیده می شوند و از اتمی به اتم دیگر منتقل می شوند و جریان باری را که ما به عنوان الکتریسیته می شناسیم، ایجاد می کنند.

پس از یک ثانیه از جاری شدن جریان، با اینکه الکترون ها کمتر از یک سانتی متر حرکت کرده اند، انرژی تولید شده توسط جریان جاری بسیار زیاد است، مخصوصاً اینکه در این مدار هیچ چیزی برای کند کردن جریان یا مصرف انرژی وجود ندارد. اتصال مستقیم یک رسانای خالص به یک منبع انرژی ایده بدی است، زیرا انرژی خیلی سریع از طریق مدارحرکت می کند و در سیم به گرما تبدیل می شود، که ممکن است به سرعت سیم ذوب شود.

اضافه کردن یک لامپ به مدار برای روشنایی

به جای هدر دادن تمام این انرژی و از بین بردن باتری و سیم، بیایید یک مدار بسازیم که کار مفیدی انجام دهد! به طور کلی یک مدار الکتریکی انرژی الکتریکی را به شکلی نور، گرما و حرکت انتقال خواهد داد و اگر یک لامپ را به باتری متصل کنیم، یک مدار ساده و کاربردی داریم.

شماتیک: باتری (چپ) به لامپ (سمت راست) متصل می شود، مدار با بسته شدن سوییچ (بالا) تکمیل می شود. با بسته شدن مدار، الکترون ها می توانند از ترمینال منفی باتری از طریق لامپ به سمت ترمینال مثبت رانده شوند.

در حالی که الکترون ها با سرعت کمی حرکت می کنند، میدان الکتریکی تقریباً بلافاصله روی کل مدار تأثیر می گذارد (ما در مورد سرعت نور سریع صحبت می کنیم). الکترون ها در سراسر مدار، چه در کمترین پتانسیل، چه در بالاترین پتانسیل و چه در کنار لامپ، تحت تأثیر میدان الکتریکی هستند. وقتی سوئیچ بسته می شود و الکترون ها در معرض میدان الکتریکی قرار می گیرند، همه الکترون های مدار به ظاهر همزمان شروع به جاری شدن می کنند. این بارها یک مرحله از مدار عبور می کنند و انرژی از الکتریکی به نور (یا گرما) تبدیل می شود.

منابع و ادامه کار

در این آموزش ما فقط قسمت کوچکی را توضیح دادیم. هنوز مطالب زیادی باقی مانده است. از اینجا ما به شما توصیه می کنیم که به سراغ آموزش ولتاژ، جریان، مقاومت و قانون اهم بروید. اکنون که همه چیز را در مورد میدان های الکتریکی (ولتاژ) و الکترون های جاری (جریان) می دانید، تعاملی که بین آن ها وجود دارد را درک می کنید.

برق چیست؟

برق پدیده ای طبیعی است که در کل طبیعت رخ می دهد و اشکال مختلفی دارد.

چطور برق را تعریف کنیم؟

برق از طریق سیم یا روشن کردن LED، موتور و … از یک منبع تغذیه جریان می یابد.