آموزش ها

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 کیست 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.

میتوان گفت این مطلب، کامل ترین مقاله ای است که در مورد برق میتوانید بیابید، ممکن است خواندن این مطلب طول بکشد اما بعد از خواندن آن به مفهوم برق کاملا مسلط خواهید شد. تمام موارد مربوط به ماهیت برق از ابتدا تا انتها گفته خواهد شد.

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.

اگر میخواهید آردوینو را به صورت اصولی و پروژه محور (برنامه نویسی حرفه ای، ارتباط آردوینو با اندروید، ساخت ربات با آردوینو) یاد بگیرید، روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.
سفر به دنیای اتم ها برای درک برق
یک مدل اتمی بسیار ساده. این مقیاس بندی نیست بلکه برای درک چگونگی ساخت یک اتم مفید است. هسته اصلی پروتون ها و نوترون ها توسط الکترون های در حال چرخش احاطه شده اند.

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.

تصویر اتم های یک الکترون
همانطور که درک ما از اتم ها تکامل یافته است ، روش ما برای مدل سازی آنها نیز تغییر کرده است. مدل بور برای درک برق بسیار مفید 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.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

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.

جریان بار های الکتریکی
یک مدل اتم لیتیوم (3 پروتون) با بارهای برچسب خورده.

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.

ایجاد جریان الکتریکی اتم مس
این یک نمودار اتم مس است: 29 پروتون در هسته ، که توسط باند هایی از الکترون های گردشی احاطه شده است. حذف الکترون های نزدیکتر به هسته به سختی انجام می شود در حالی که الکترون ظرفیت (حلقه بیرونی) برای خارج شدن از اتم به انرژی نسبتاً کمی نیاز دارد.

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.

نحوه ایجاد جریان الکترونیکی
یک مدل بسیار ساده از بار هایی که برای ایجاد جریان در اتم ها جریان دارند.

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.

این مقاله به مراتب تکمیل خواهد شد.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید
امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید
محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. مالکیتی بر مطالب ارائه شده ندارم. اکثر فعالیت بنده در زمینه ترجمه است. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *