الکتریسیته

اِلِکْتریسیته (electricity)

اِلِکْتريسيته

اِلِکْتريسيته

اِلِکْتريسيته

همۀ پدیده‌های ناشی از بار الکتریکی. الکتریسیته دو نوع است: ساکن و جاری. بار الکتریکی بر اثر زیادی یا کمبود الکترون در مواد باردار ایجاد می‌شود و جریان الکتریکی حرکت بار الکتریکی در ماده است. موادی که تعداد بارهای مثبت و منفی آن‌ها مساوی است خنثی نامیده می‌شوند، زیرا این بارها یکدیگر را خنثی می‌کنند. بعضی از مواد، نظیر فلزات، رسانای الکتریسیته‌اند؛ یعنی عبور بار الکتریکی در آن‌ها آسان است. برخی دیگر، مانند لاستیک، عایق‌اند یعنی‌ رساناهای بسیار ضعیف‌اند. موادی با رسانایی نسبتاً ضعیف که با بالارفتن دما، تابش نور رسانایی آن‌ها افزایش می‌یابد، نیمه‌رسانا نامیده می‌شوند. جریان‌ الکتریکی از اعصاب اندام‌های زنده نیز عبور می‌کند، مثلاً عصب بینایی انسان سیگنال‌های الکتریکی را از چشم به مغز می‌رساند. الکتریسیته را نمی‌توان دید، اما آثار آن به وضوح دیده می‌شود. مانند جرقه‌های کوچکی که با مالش روی لباس نایلونی ایجاد می‌شوند. در جوامع، برای به‌کارانداختن وسایل برقیِ خانه، اداره و صنعت، همچنین وسایل ارتباطی، مانند دستگاه‌های نمابر، تلفن، رایانه و ماهواره از انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند.

خواص الکتریکی جامدات. نخستین پدیدۀ الکتریکی مصنوعی بررسی‌شده آن بود که وقتی بعضی مواد طبیعی مانند کهربا را با پارچه مالش می‌دادند، چیزهای کوچکی مثل گردوغبار و خرده‌کاغذ را جذب می‌کرد. مالش اشیاء موجب پیدایش بار الکتریکی، الکترونِ اضافی یا کمبودِ آن، می‌شود. بر اثر مالش کهربا به پارچه، الکترون‌هایی از پارچه به آن منتقل می‌شوند، درنتیجه کهربا دارای الکترون اضافی و بار منفی می‌شود و پارچه کمبود الکترون و بار مثبت پیدا می‌کند. این تجمع بار الکتریکی الکتریسیتۀ ساکن نام دارد. وجود بار الکتریکی در جسم سبب ایجاد میدان الکتریکی در فضای اطرافِ آن می‌شود و جسم اجسام دیگر را جذب یا دفع می‌کند. فقط دو نوع بار الکتریکی وجود دارد: مثبت و منفی که یکدیگر را خنثی می‌کنند. اجسامِ دارای بارهای همنام یکدیگر را دفع، و اجسامِ دارای بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. اجسام خنثی (مانند تکه‌های کاغذ) از طریق القای الکتریکی جذب اجسام باردار می‌شوند. مثلاً بار الکتریکی جسمی با بار منفی سبب جدایی بار الکتریکی از اجسام خنثی می‌شود. بارهای مثبت به حرکت در جهت مقابل، یعنی جسم با بار منفی، و بارهای منفی در جهت مخالفِ آن جسم گرایش دارند. درنتیجه، جسم خنثی، بر اثر پدیدۀ القا، به‌صورت ضعیف به‌طرف جسم باردار کشیده می‌شود. الکتروسکوپ یا برق‌نما، اختراع مایکل فارادی، وسیلۀ آشکارسازی حضور بارهای الکتریکی و تعیین اندازه و مثبت یا منفی‌بودن آن‌هاست.

جریان الکتریکی، بار الکتریکی و انرژی. جریان الکتریکی در ماده، عبور بار الکتریکی از آن است. در فلزات و سایر مواد رسانا، بار الکتریکی را الکترون‌های آزادی حمل می‌کنند که با اتم‌ها پیوند محکم ندارند و می‌توانند در ماده حرکت کنند. برای آن‌که بار الکتریکی در مدار جریان یابد، باید بین دو سر مدار اختلاف پتانسیل (pd) باشد. اختلاف پتانسیل غالباً به‌وسیلۀ باتری، با دو قطب مثبت و منفی، ایجاد می‌شود. بر اثر اختلاف پتانسیل، الکترون‌ها از قطب منفی مدار دفع و به‌سوی قطب مثبت باتری جذب می‌شوند. درنتیجه، جریان ثابتی از الکترون‌ها در اطراف مدار تولید می‌شود. جریان گذرنده از مدار را با آمپرسنج و برحسب آمپر اندازه‌گیری می‌کنند. واحد اندازه‌گیری بار الکتریکی کولن (c)، به افتخار شارل اوگوستین دو کولن، نامیده شده است. کولن باری است که وقتی جریان دقیقاً یک آمپر باشد، در هر ثانیه از هر نقطه از سیم عبور می‌کند. جریان مستقیم (dc) پیوسته به یک‌سو برقرار است، اما جریان متناوب (ac) به ‌تناوب در دو سو برقرار می‌شود. انرژی لازم برای جریان‌یافتن بار الکتریکی در مدار را باتری تأمین می‌کند. مقدار انرژی‌ای که به هر واحد بار می‌رسد نیروی محرکۀ الکتریکی (emf) نام دارد. واحد اندازه‌گیری نیروی محرکۀ الکتریکی ولت (V) است. وقتی باتری بتواند به هر واحد بار الکتریکی یک ژول انرژی بدهد، نیروی محرکۀ الکتریکی آن یک ولت است. با استفاده از انرژی‌ای که بارهای الکتریکی حمل می‌کنند، کار انجام می‌شود و مثلا ً می‌توان لامپی را روشن کرد، جریان الکتریکی را از مقاومت عبور داد، و نور یا گرما تولید کرد. وقتی با استفاده از انرژی همراه جریان الکتریکی کار انجام شود، بین دو سر جزء موردنظر از مدار، اختلاف پتانسیلی ایجاد می‌شود که می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد. برای اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل از ولت‌سنج یا اسیلوسکوپ پرتو کاتدی (سی‌آردی)‌ استفاده می‌کنند. واحد اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل نیز ولت است. توان، که بر حسب وات اندازه‌گیری می‌شود، برابر است با حاصل ضرب جریان و ولتاژ. اختلاف پتانسیل و شدت جریان با یکدیگر رابطۀ مستقیم دارند. این رابطه را گئورگ اهم کشف کرد و آن را قانون اهم می‌نامند: جریانی که از سیم عبور می‌کند، با اختلاف پتانسیل بین دو سر سیم متناسب است. در هر قطعه سیم، نسبت اختلاف پتانسیل به شدت جریان مقداری ثابت است که مقاومت نام دارد.

رسانش در مایعات و گازها. در مایعات، با حرکت یون‌های باردار در محلول یا نمک مذاب (الکترولیت) جریان الکتریکی برقرار می‌شود. درنتیجه یون‌ها به‌طرف الکترودها حرکت می‌کنند. یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) به طرف الکترود منفی (کاتد)، و یون‌های منفی (آنیون‌ها) به طرف الکترود مثبت (آند) می‌روند. این فرآیند الکترولیز نام دارد و نشان‌دهندۀ جریان دوسویۀ بار الکتریکی است، زیرا بارهای الکتریکی به طرف الکترودهایی با بار مخالف می‌روند. در فلزات، فقط الکترون‌های آزاد بار الکتریکی حمل می‌کنند، بنابراین بار الکتریکی فقط در یک جهت حرکت می‌کند.

الکترومغناطیس. رساناهای حامل جریان یا آهنرباهای دایم، میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند. در سیم‌های حامل جریان، خطوط میدان مغناطیسی دایره‌های هم‌مرکزی دور سیم‌اند که جهت آن‌ها به جهت جریان و شدت آن‌ها به مقدار جریان بستگی دارد. با حرکت سیم رسانا در میدان مغناطیسی، این میدان بر الکترون‌های آزاد داخل سیم اثر می‌گذارد، آن‌ها را جابه‌جا می‌کند، و جریان ایجاد می‌شود. اگر سیم بر خطوط میدان مغناطیسی عمود باشد، نیروی وارد بر الکترون‌ها به حداکثر می‌رسد. طبق قاعدۀ دست چپ جهت جریان را تشخیص می‌دهند. تولید جریان الکتریکی در نتیجۀ حرکت نسبی رسانا در میدان مغناطیسی را القای الکترومغناطیسی می‌نامند که اساس کار دینام است.تولید الکتریسیته. الکتریسیته مفیدترین و مناسب‌ترین صورت انرژی است. به ‌آسانی به گرما و نور تبدیل می‌شود و برای به‌کار انداختن ماشین‌های مختلف به کار می‌رود. از آن‌جا که به آسانی در سیم جریان می‌یابد، می‌توان آن را در محلی تولید و به محلی دیگر منتقل کرد. با مهار انرژی مناسب در نیروگاه توربینها به‌کار می‌افتند، مولدهای برق را می‌چرخانند و الکتریسیته ایجاد می‌شود. منابع متداول انرژی مصرفی در نیروگاه‌ها عبارت‌اند از زغال‌سنگ، نفت، آب (برقِ آبی)، گاز طبیعی، و انرژی هسته‌ای. برای استفادۀ بیشتر از باد، جزر و مد، انرژی خورشیدی و انرژی زمین‌گرمایی در تولید برق، تحقیقاتی صورت می‌گیرد. تجربه نشان داده است که تولید برق با استفاده از سوخت هسته‌ای بسیار پرهزینه‌ است و پرتوزایی آن مانع توسعۀ نیروگاه‌های هسته‌ای می‌شود. در نیروگاه‌ها، الکتریسیته با ولتاژی حدود ۲۵هزار ولت تولید می‌شود که برای انتقال به راه دور مناسب نیست. برای به حداقل رساندن اتلاف توان الکتریکی، الکتریسیته با ولتاژی بسیار بالا (۴۰۰هزار ولت یا بیشتر) منتقل می‌شود. بنابراین، ولتاژ برق تولیدی در نیروگاه را با ترانسفورماتور افزاینده افزایش می‌دهند. سپس، الکتریسیتۀ ولتاژبالای حاصل را وارد کابل‌های اصلی شبکۀ انتقال برق می‌کنند، شبکه‌ای متّصل از نیروگاه‌ها و مراکز توزیع برق که بخش وسیعی را پوشش می‌دهند. پس از انتقال برق به پُستِ فرعی محلی، با کاهش ولتاژ با ترانسفورماتور کاهنده، برق بین مصرف‌کنندگان توزیع می‌شود. یکی از بهترین واحدهای تخصصی که انرژی را مستقیماً و بدون دخالت مکانیسم‌های متحرک به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، مبدل گرمایونی است که در آن سوخت‌های معمولی از جمله گاز پروپان به‌کار می‌رود، واحدهای سیار تولید برق در ارتش از این نوع‌اند. در صورتی که سوخت‌گیری مجدد عملی نباشد، مثلاً در وسایل کمک‌ناوبری و فضاپیماهای بی‌سرنشین، از سوخت‌های رادیواکتیو استفاده می‌کنند.

 

---