الکتریسیته مجموعه ای از پدیده های فیزیکی مرتبط با حضور و حرکت ماده است که دارای خاصیت بار الکتریکی است. الکتریسیته با مغناطیس مرتبط است، هر دو بخشی از پدیده الکترومغناطیس هستند، همانطور که توسط معادلات ماکسول توضیح داده شده است. پدیده های رایج مختلفی به الکتریسیته مربوط می شود، از جمله رعد و برق، الکتریسیته ساکن، گرمایش الکتریکی، تخلیه الکتریکی و بسیاری دیگر.
وجود بار الکتریکی که می تواند مثبت یا منفی باشد، میدان الکتریکی ایجاد می کند. حرکت بارهای الکتریکی یک جریان الکتریکی است و میدان مغناطیسی ایجاد می کند.
وقتی باری در مکانی با میدان الکتریکی غیر صفر قرار می گیرد، نیرویی بر آن وارد می شود. بزرگی این نیرو را قانون کولن می دهد. اگر بار حرکت کند، میدان الکتریکی روی بار الکتریکی کار می کند. بنابراین ما می توانیم از پتانسیل الکتریکی در یک نقطه خاص در فضا صحبت کنیم، که برابر با کاری است که توسط یک عامل خارجی در حمل یک واحد بار مثبت از یک نقطه مرجع به طور دلخواه به آن نقطه بدون هیچ شتابی انجام می شود و معمولاً با ولت اندازه گیری می شود. .
الکتریسیته قلب بسیاری از فناوری های مدرن است که برای موارد زیر استفاده می شود:
- نیروی الکتریکی که در آن از جریان الکتریکی برای انرژی دادن به تجهیزات استفاده می شود.
- الکترونیک که به مدارهای الکتریکی می پردازد که شامل اجزای الکتریکی فعال مانند لوله های خلاء، ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع و فناوری های اتصال غیرفعال مرتبط است.
پدیده های الکتریکی از دوران باستان مورد مطالعه قرار گرفته اند، اگرچه پیشرفت در درک نظری تا قرن هفدهم و هجدهم کند بود. تئوری الکترومغناطیس در قرن نوزدهم توسعه یافت و در پایان آن قرن برق توسط مهندسان برق مورد استفاده صنعتی و مسکونی قرار گرفت. گسترش سریع فناوری برق در این زمان صنعت و جامعه را متحول کرد و به نیروی محرکه انقلاب صنعتی دوم تبدیل شد. تطبیق پذیری فوق العاده الکتریسیته به این معنی است که می توان آن را در مجموعه تقریباً بی حد و حصری از کاربردها قرار داد که شامل حمل و نقل، گرمایش، روشنایی، ارتباطات و محاسبات می شود. برق اکنون ستون فقرات جامعه صنعتی مدرن است.
مفاهیم
شارژ الکتریکی
یک گنبد شیشه ای شفاف دارای یک الکترود خارجی است که از طریق شیشه به یک جفت برگ طلا متصل می شود. یک میله شارژ شده الکترود خارجی را لمس می کند و باعث دفع برگ ها می شود.
شارژ در الکتروسکوپ ورقه طلا باعث می شود که برگ ها به طور قابل مشاهده یکدیگر را دفع کنند
وجود بار باعث ایجاد نیروی الکترواستاتیکی می‌شود: بارها بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند، اثری که در دوران باستان شناخته شده بود، اگرچه شناخته نشده بود. آن را با یک میله شیشه ای که خود با مالش با پارچه شارژ شده است. اگر یک توپ مشابه توسط همان میله شیشه ای شارژ شود، مشخص می شود که اولین میله را دفع می کند: بار باعث می شود تا دو توپ از هم جدا شوند. دو توپ که با یک میله کهربایی مالیده شده شارژ می شوند نیز یکدیگر را دفع می کنند. با این حال، اگر یک توپ توسط میله شیشه ای شارژ شود، و دیگری توسط یک میله کهربایی، دو توپ یکدیگر را جذب می کنند. این پدیده ها در اواخر قرن هجدهم توسط چارلز آگوستین دو کولمب مورد بررسی قرار گرفت، که نتیجه گرفت که نظریه خود را به دو شکل متضاد نشان می دهد. این کشف منجر به این اصل معروف شد: اجسام دارای بار مشابه دفع می کنند و اجسام دارای بار مخالف جذب می شوند.
این نیرو روی ذرات باردار وارد می شود، بنابراین بار تمایل دارد تا حد امکان به طور یکنواخت روی یک سطح رسانا پخش شود. مقدار نیروی الکترومغناطیسی، اعم از جاذبه یا دافعه، توسط قانون کولن به دست می‌آید، که نیرو را به حاصل ضرب بارها مرتبط می‌کند و با فاصله بین آنها رابطه معکوس مربع دارد. نیروی الکترومغناطیسی بسیار قوی است و بعد از برهمکنش قوی تنها از نظر قدرت دوم است، اما برخلاف آن نیرو در تمام فواصل عمل می کند. در مقایسه با نیروی گرانشی بسیار ضعیفتر، نیروی الکترومغناطیسی که دو الکترون را از هم دور می‌کند، 1042 برابر نیروی جاذبه گرانشی است که آنها را به هم می‌کشد.
بار از انواع خاصی از ذرات زیر اتمی سرچشمه می گیرد که آشناترین حامل آن ها الکترون و پروتون هستند. بار الکتریکی نیروی الکترومغناطیسی را که یکی از چهار نیروی اساسی طبیعت است، ایجاد می کند و با آن برهم کنش می کند. آزمایش نشان داده است که بار یک کمیت حفظ شده است، یعنی بار خالص در یک سیستم ایزوله الکتریکی همیشه بدون توجه به تغییراتی که در آن سیستم رخ می دهد ثابت می ماند.در داخل سیستم، بار ممکن است بین اجسام منتقل شود، یا از طریق تماس مستقیم، یا با عبور از یک ماده رسانا، مانند یک سیم. ‘) بار روی بدن که معمولاً زمانی ایجاد می شود که مواد غیر مشابه به هم مالیده می شوند و بار را از یکی به دیگری منتقل می کنند.
بار الکترون‌ها و پروتون‌ها با علامت مخالف است، بنابراین مقداری از بار ممکن است منفی یا مثبت بیان شود. طبق قرارداد، بار حمل شده توسط الکترون‌ها منفی و پروتون‌ها مثبت تلقی می‌شوند، سنتی که از کار بنجامین فرانکلین سرچشمه می‌گیرد. مقدار بار معمولاً با نماد Q داده می شود و بر حسب کولن بیان می شود. پروتون دارای باری برابر و مخالف است و بنابراین 1.6022×10-19 کولن است. نه فقط ماده، بلکه ضد ماده نیز دارای بار است، هر پادذره باری برابر و مخالف با ذره مربوط به خود دارد.
بار را می‌توان با روش‌های مختلفی اندازه‌گیری کرد، یک ابزار اولیه الکتروسکوپ ورقه‌ای طلا است، که اگرچه هنوز برای نمایش کلاس درس استفاده می‌شود، اما توسط الکترومتر الکترونیکی جایگزین شده است.
جریان الکتریسیته
حرکت بار الکتریکی به عنوان جریان الکتریکی شناخته می شود که شدت آن معمولاً بر حسب آمپر اندازه گیری می شود. جریان می تواند از هر ذره باردار متحرک تشکیل شود. معمولاً اینها الکترون هستند، اما هر بار در حال حرکت یک جریان را تشکیل می دهد. جریان الکتریکی می تواند از طریق برخی چیزها، رساناهای الکتریکی، جریان یابد، اما از طریق یک عایق الکتریکی جریان نخواهد یافت.
طبق قرارداد تاریخی، جریان مثبت به این صورت تعریف می شود که دارای جهت جریان یکسانی با هر بار مثبتی باشد که در آن وجود دارد، یا از مثبت ترین قسمت مدار به سمت منفی ترین قسمت جریان یابد. جریان تعریف شده به این صورت جریان معمولی نامیده می شود. بنابراین، حرکت الکترون‌های با بار منفی در اطراف یک مدار الکتریکی، یکی از آشناترین شکل‌های جریان، در جهت مخالف الکترون‌ها مثبت تلقی می‌شود. با این حال، بسته به شرایط، یک جریان الکتریکی می تواند شامل جریانی از ذرات باردار در هر دو جهت یا حتی در هر دو جهت در یک زمان باشد. قرارداد مثبت به منفی به طور گسترده برای ساده کردن این وضعیت استفاده می شود.
دو سیم فلزی شکل بالا معکوس را تشکیل می دهند. یک قوس الکتریکی نارنجی-سفید کورکورکننده بین نوک آنها جریان دارد.
یک قوس الکتریکی نمایشی پرانرژی از جریان الکتریکی ارائه می دهد.
فرآیندی که طی آن جریان الکتریکی از یک ماده عبور می‌کند، هدایت الکتریکی نامیده می‌شود و ماهیت آن با ذرات باردار و موادی که از طریق آن حرکت می‌کنند، متفاوت است. نمونه‌هایی از جریان‌های الکتریکی عبارتند از رسانایی فلزی، جایی که الکترون‌ها از طریق رسانایی مانند فلز جریان می‌یابند، و الکترولیز، جایی که یون‌ها (اتم‌های باردار) از طریق مایعات یا از طریق پلاسما مانند جرقه‌های الکتریکی جریان می‌یابند. در حالی که خود ذرات می توانند بسیار آهسته حرکت کنند، گاهی اوقات با سرعت رانش متوسط فقط کسری از میلی متر در ثانیه، میدان الکتریکی که خود آنها را به حرکت در می آورد با سرعت نزدیک به نور منتشر می شود و سیگنال های الکتریکی را قادر می سازد به سرعت عبور کنند. در امتداد سیم ها.
جریان باعث ایجاد چندین اثر قابل مشاهده می شود که از لحاظ تاریخی وسیله ای برای تشخیص حضور آن بوده است. این که آب می تواند توسط جریان یک شمع ولتایی تجزیه شود توسط نیکلسون و کارلایل در سال 1800 کشف شد، فرآیندی که اکنون به عنوان الکترولیز شناخته می شود. کار آنها توسط مایکل فارادی در سال 1833 بسیار گسترش یافت. جریان از طریق یک مقاومت باعث گرمایش موضعی می شود، اثری که جیمز پرسکات ژول در سال 1840 به صورت ریاضی مطالعه کرد. هانس کریستین اورستد در سال 1820، زمانی که هنگام آماده کردن یک سخنرانی، شاهد جریانی در سیم بود که سوزن قطب‌نمای مغناطیسی را مختل می‌کرد. سطح انتشارات الکترومغناطیسی تولید شده توسط قوس الکتریکی به اندازه کافی بالا است تا تداخل الکترومغناطیسی ایجاد کند، که می تواند برای عملکرد تجهیزات مجاور مضر باشد.
در کاربردهای مهندسی یا خانگی، جریان اغلب به صورت جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) توصیف می‌شود. این اصطلاحات به چگونگی تغییر جریان در زمان اشاره دارد. جریان مستقیم، همانطور که به عنوان مثال از یک باتری تولید می شود و توسط اکثر دستگاه های الکترونیکی مورد نیاز است، یک جریان یک طرفه از قسمت مثبت مدار به سمت منفی است. ، آنها در جهت مخالف سفر خواهند کرد. جریان متناوب هر جریانی است که به طور مکرر جهت را معکوس کند. تقریباً همیشه این حالت به شکل یک موج سینوسی است. بنابراین جریان متناوب در یک هادی به جلو و عقب می زند بدون اینکه بار در طول زمان هیچ فاصله خالصی را جابجا کند. مقدار میانگین زمانی یک جریان متناوب صفر است، اما انرژی را ابتدا در یک جهت و سپس در جهت معکوس ارائه می کند. جریان متناوب تحت تأثیر خواص الکتریکی است که تحت جریان مستقیم حالت پایدار مشاهده نمی شود، مانند اندوکتانس و خازن.
میدان الکتریکی
مفهوم میدان الکتریکی توسط مایکل فارادی معرفی شد. یک میدان الکتریکی توسط یک جسم باردار در فضایی که آن را احاطه کرده است ایجاد می‌شود و منجر به نیرویی می‌شود که بر هر بار دیگری که درون میدان قرار می‌گیرد، وارد می‌شود. میدان الکتریکی بین دو بار به شیوه ای مشابه عمل می کند که میدان گرانشی بین دو جرم عمل می کند و مانند آن تا بی نهایت امتداد می یابد و رابطه مربع معکوس با فاصله را نشان می دهد. با این حال، یک تفاوت مهم وجود دارد. گرانش همیشه در جاذبه عمل می کند و دو جرم را به هم می کشد، در حالی که میدان الکتریکی می تواند منجر به جاذبه یا دافعه شود. از آنجایی که اجرام بزرگ مانند سیارات معمولاً بار خالص ندارند، میدان الکتریکی در فاصله معمولاً صفر است. بنابراین گرانش نیروی غالب در فاصله در جهان است، علیرغم اینکه بسیار ضعیفتر است.
خطوط میدانی که از یک بار مثبت در بالای یک هادی صفحه ایجاد می شوند
یک میدان الکتریکی به طور کلی در فضا متفاوت است، و قدرت آن در هر نقطه به عنوان نیرویی (به ازای هر واحد بار) تعریف می‌شود که توسط یک بار ثابت و ناچیز اگر در آن نقطه قرار گیرد، احساس می‌شود. بار مفهومی که «بار آزمایشی» نامیده می‌شود، باید به شدت کوچک باشد تا از ایجاد اختلال در میدان الکتریکی خود در میدان اصلی جلوگیری کند و همچنین باید ثابت باشد تا از تأثیر میدان‌های مغناطیسی جلوگیری کند. از آنجایی که میدان الکتریکی بر حسب نیرو تعریف می‌شود، و نیرو یک بردار است که هم قدر و هم جهت دارد، بنابراین میدان الکتریکی یک میدان برداری است.
به مطالعه میدان های الکتریکی ایجاد شده توسط بارهای ثابت، الکترواستاتیک می گویند. میدان ممکن است با مجموعه ای از خطوط خیالی که جهت آنها در هر نقطه با میدان یکسان است، تجسم شود. این مفهوم توسط فارادی معرفی شد که اصطلاح «خطوط نیرو» هنوز گاهی اوقات کاربرد دارد. خطوط میدان مسیرهایی هستند که یک بار مثبت نقطه ای به دنبال حرکت در داخل میدان است. با این حال، آنها یک مفهوم خیالی بدون وجود فیزیکی هستند، و میدان در تمام فضای بین خطوط نفوذ می کند. خطوط میدانی که از بارهای ثابت سرچشمه می‌گیرند چندین ویژگی کلیدی دارند: اول اینکه از بارهای مثبت منشأ می‌گیرند و در بارهای منفی خاتمه می‌یابند. دوم این که باید وارد هر هادی خوب با زاویه قائمه شوند و سوم اینکه هرگز از خود عبور نکنند و به خود نزدیک نشوند.
یک جسم رسانای توخالی تمام بار خود را روی سطح بیرونی خود حمل می کند. بنابراین میدان در تمام نقاط داخل بدن صفر است. این اصل کار قفس فارادی است، یک پوسته فلزی رسانا که داخل آن را از اثرات الکتریکی بیرونی جدا می‌کند.
اصول الکترواستاتیک هنگام طراحی اقلام تجهیزات ولتاژ بالا مهم است. حد محدودی برای قدرت میدان الکتریکی وجود دارد که ممکن است توسط هر رسانه ای تحمل شود. فراتر از این نقطه، شکست الکتریکی رخ می دهد و یک قوس الکتریکی باعث فلاش اوور بین قطعات باردار می شود. به عنوان مثال، هوا تمایل دارد در میان شکاف های کوچک با شدت میدان الکتریکی که بیش از 30 کیلو ولت بر سانتی متر است قوس شود. در شکاف‌های بزرگ‌تر، قدرت شکست آن ضعیفتر است، شاید 1 کیلوولت بر سانتی‌متر. قابل مشاهده‌ترین رخداد طبیعی این رعد و برق است که زمانی ایجاد می‌شود که بار در ابرها توسط ستون‌های بالارونده هوا جدا می‌شود و میدان الکتریکی را بالا می‌برد. در هوا بیش از آن که بتواند تحمل کند. ولتاژ یک ابر رعد و برق بزرگ ممکن است تا 100 مگا ولت باشد و انرژی تخلیه آن به 250 کیلووات ساعت برسد.
قدرت میدان به شدت تحت تأثیر اجسام رسانای مجاور قرار می گیرد، و به ویژه هنگامی که مجبور می شود در اطراف اجسام نوک تیز خمیده شود، شدیدتر می شود. این اصل در رسانای صاعقه مورد استفاده قرار می گیرد، سنبله تیز آن به جای ساختمانی که برای محافظت از آن استفاده می کند، باعث تشویق صاعقه به آنجا می شود.
پتانسیل الکتریکی
دو باتری قلمی هر کدام یک علامت مثبت در یک انتها دارند.
یک جفت سلول AA. علامت + قطبیت اختلاف پتانسیل بین پایانه های باتری را نشان می دهد.
مفهوم پتانسیل الکتریکی ارتباط نزدیکی با مفهوم میدان الکتریکی دارد. بار کوچکی که در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، نیرویی را تجربه می‌کند، و رساندن آن بار به آن نقطه در برابر نیرو، نیازمند کار است. پتانسیل الکتریکی در هر نقطه به عنوان انرژی مورد نیاز برای رساندن بار آزمایشی واحد از فاصله بی نهایت به آرامی به آن نقطه تعریف می شود. معمولاً در ولت اندازه‌گیری می‌شود و یک ولت پتانسیلی است که باید برای آن یک ژول کار صرف شود تا بار یک کولن را از بی‌نهایت به ارمغان بیاورد. کاربرد، و مفهوم مفیدتر آن تفاوت پتانسیل الکتریکی است و انرژی مورد نیاز برای حرکت یک بار واحد بین دو نقطه مشخص است. یک میدان الکتریکی خاصیت خاصی دارد که محافظه کار است، به این معنی که مسیر طی شده توسط بار آزمایشی نامربوط است: همه مسیرهای بین دو نقطه مشخص انرژی یکسانی را مصرف می‌کنند و بنابراین ممکن است یک مقدار منحصر به فرد برای اختلاف پتانسیل بیان شود. ولت به‌قدری قوی به عنوان واحد انتخابی برای اندازه‌گیری و توصیف اختلاف پتانسیل الکتریکی شناخته می‌شود که اصطلاح ولتاژ استفاده روزمره بیشتری را می‌بیند.
برای اهداف عملی، تعریف یک نقطه مرجع مشترک که پتانسیل ها را می توان بیان و مقایسه کرد مفید است. در حالی که این می تواند در بی نهایت باشد، مرجع بسیار مفیدتر خود زمین است، که فرض می شود در همه جا در پتانسیل یکسانی است. این نقطه مرجع به طور طبیعی نام زمین یا زمین را می گیرد. فرض بر این است که زمین منبع نامحدودی از مقادیر مساوی بار مثبت و منفی است، و بنابراین از نظر الکتریکی بدون بار و غیر قابل شارژ است.
پتانسیل الکتریکی یک کمیت اسکالر است، یعنی فقط قدر دارد و جهت ندارد. ممکن است شبیه به ارتفاع در نظر گرفته شود: همانطور که یک جسم رها شده از طریق اختلاف ارتفاع ناشی از یک میدان گرانشی سقوط می‌کند، بنابراین یک بار در ولتاژ ناشی از یک میدان الکتریکی «سقوط» خواهد داشت. از آنجایی که نقشه‌های برجسته خطوط خطوطی را نشان می‌دهند که نقاط با ارتفاع برابر را نشان می‌دهند، مجموعه‌ای از خطوط نشان‌دهنده نقاط با پتانسیل برابر (معروف به پتانسیل‌های برابر) ممکن است در اطراف یک جسم باردار الکترواستاتیک ترسیم شوند. هم پتانسیل ها از تمام خطوط نیرو در زوایای قائم عبور می کنند. آنها همچنین باید به موازات سطح رسانا قرار گیرند، در غیر این صورت نیرویی ایجاد می کند که حامل های بار را به سمت پتانسیل سطح حرکت می دهد.
میدان الکتریکی به طور رسمی به عنوان نیرویی که به ازای هر واحد بار اعمال می‌شود، تعریف می‌شود، اما مفهوم پتانسیل برای تعریف مفیدتر و معادل‌تری امکان‌پذیر است: میدان الکتریکی گرادیان محلی پتانسیل الکتریکی است. معمولاً بر حسب ولت بر متر بیان می‌شود، جهت برداری میدان، خط بیشترین شیب پتانسیل است، و جایی که پتانسیل‌های همسان نزدیک‌ترین نقطه به هم قرار دارند.
الکترومغناطیس
مدارهای الکتریکی
یک مدار الکتریکی اولیه منبع ولتاژ V در سمت چپ، جریان I را در اطراف مدار به حرکت در می آورد و انرژی الکتریکی را به مقاومت R می رساند. از مقاومت، جریان به منبع باز می گردد و مدار را کامل می کند.
مدار الکتریکی یک اتصال متقابل از اجزای الکتریکی است به گونه‌ای که بار الکتریکی در یک مسیر بسته (مدار) جریان می‌یابد که معمولاً برای انجام کارهای مفیدی انجام می‌شود.
اجزای یک مدار الکتریکی می توانند اشکال مختلفی داشته باشند که می تواند شامل عناصری مانند مقاومت، خازن، کلید، ترانسفورماتور و الکترونیک باشد. مدارهای الکترونیکی شامل اجزای فعال، معمولاً نیمه هادی ها هستند و معمولاً رفتار غیر خطی از خود نشان می دهند که نیاز به تجزیه و تحلیل پیچیده دارند. ساده‌ترین اجزای الکتریکی آنهایی هستند که غیرفعال و خطی نامیده می‌شوند: در حالی که ممکن است به طور موقت انرژی ذخیره کنند، هیچ منبعی از آن را ندارند و پاسخ‌های خطی به محرک‌ها نشان می‌دهند.
مقاومت شاید ساده ترین عنصر مدار غیرفعال باشد: همانطور که از نامش پیداست، در برابر جریان عبوری مقاومت می کند و انرژی آن را به صورت گرما تلف می کند. مقاومت نتیجه حرکت بار از طریق یک هادی است: برای مثال در فلزات، مقاومت در درجه اول به دلیل برخورد بین الکترون ها و یون ها است. قانون اهم یک قانون اساسی تئوری مدار است که بیان می کند که جریان عبوری از مقاومت با اختلاف پتانسیل در آن نسبت مستقیم دارد. مقاومت بیشتر مواد در محدوده دما و جریان نسبتاً ثابت است. مواد تحت این شرایط به عنوان “اهمی” شناخته می شوند. اهم، واحد مقاومت، به افتخار گئورگ اهم نامگذاری شد و نماد آن با حرف یونانی Ω است. 1 Ω مقاومتی است که در پاسخ به جریان یک آمپر اختلاف پتانسیل یک ولت ایجاد می کند.
خازن ساخته شده از شیشه لیدن است و وسیله ای است که می تواند شارژ را ذخیره کند و در نتیجه انرژی الکتریکی را در میدان حاصل ذخیره کند. این شامل دو صفحه رسانا است که توسط یک لایه دی الکتریک عایق نازک از هم جدا شده اند. در عمل، فویل های فلزی نازک به هم پیچیده می شوند و سطح در واحد حجم و در نتیجه ظرفیت خازنی را افزایش می دهند. واحد ظرفیت خازن فاراد است که به نام مایکل فارادی نامگذاری شده است و با علامت F: یک فاراد ظرفیتی است که با ذخیره یک کولن بار اختلاف پتانسیل یک ولت ایجاد می کند. خازن متصل به منبع ولتاژ در ابتدا باعث ایجاد جریان در هنگام تجمع شارژ می شود. این جریان با پر شدن خازن به مرور زمان کاهش می یابد و در نهایت به صفر می رسد. بنابراین یک خازن اجازه جریان حالت ثابت را نمی دهد، بلکه آن را مسدود می کند.
سلف یک رسانا است که معمولا یک سیم پیچ است که انرژی را در یک میدان مغناطیسی در پاسخ به جریان عبوری از آن ذخیره می کند. وقتی جریان تغییر می کند، میدان مغناطیسی نیز تغییر می کند و ولتاژی بین انتهای هادی القا می کند. ولتاژ القایی متناسب با نرخ زمانی تغییر جریان است. ثابت تناسب را اندوکتانس می گویند. واحد اندوکتانس، هنری است که به نام جوزف هنری، یکی از معاصران فارادی نامگذاری شده است. یک هانری اندوکتانسی است که اگر جریان عبوری از آن با سرعت یک آمپر در ثانیه تغییر کند، اختلاف پتانسیل یک ولت را القا می کند. رفتار سلف از برخی جهات با رفتار خازن متعارض است: جریان بدون تغییر را آزادانه اجازه می دهد، اما با جریانی که به سرعت در حال تغییر است مخالف است.
برق
توان الکتریکی سرعتی است که انرژی الکتریکی توسط یک مدار الکتریکی منتقل می شود. واحد SI توان وات است، یک ژول در ثانیه.
توان الکتریکی، مانند توان مکانیکی، سرعت انجام کار است که بر حسب وات اندازه گیری می شود و با حرف P نشان داده می شود. اصطلاح وات در عامیانه به معنای «قدرت الکتریکی بر حسب وات» استفاده می شود. توان الکتریکی بر حسب وات تولید شده توسط یک جریان الکتریکی I متشکل از یک بار Q کولن در هر t ثانیه که از اختلاف پتانسیل (ولتاژ) الکتریکی V می گذرد.
P= کار انجام شده در واحد زمان =QV/t =IV
جایی که
Q بار الکتریکی بر حسب کولن است
t زمان در ثانیه است
I جریان الکتریکی بر حسب آمپر است
V پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ بر حسب ولت است
برق عموماً توسط صنعت برق به مشاغل و خانه ها عرضه می شود. برق معمولاً با کیلووات ساعت (3.6 مگا ژول) فروخته می شود که حاصل ضرب توان بر حسب کیلووات در زمان کار در ساعت است. شرکت های برق قدرت را با استفاده از کنتورهای برق اندازه گیری می کنند، که مجموع انرژی الکتریکی تحویل داده شده به مشتری را حفظ می کند. برخلاف سوخت‌های فسیلی، الکتریسیته یک شکل انرژی با آنتروپی کم است و می‌تواند به حرکت یا بسیاری از اشکال دیگر انرژی با راندمان بالا تبدیل شود.
الکترونیک
الکترونیک به مدارهای الکتریکی می پردازد که شامل اجزای الکتریکی فعال مانند لوله های خلاء، ترانزیستورها، دیودها، اپتوالکترونیک، حسگرها و مدارهای مجتمع و فناوری های اتصال غیرفعال مرتبط است. رفتار غیرخطی اجزای فعال و توانایی آنها در کنترل جریان الکترون، تقویت سیگنال های ضعیف را ممکن می کند و الکترونیک به طور گسترده در پردازش اطلاعات، مخابرات و پردازش سیگنال استفاده می شود. توانایی دستگاه های الکترونیکی برای عمل به عنوان سوئیچ، پردازش اطلاعات دیجیتال را ممکن می سازد. فن‌آوری‌های اتصال مانند بردهای مدار، فناوری بسته‌بندی الکترونیکی و سایر اشکال متنوع زیرساخت‌های ارتباطی، عملکرد مدار را کامل می‌کنند و اجزای ترکیبی را به یک سیستم کار معمولی تبدیل می‌کنند.
امروزه اکثر دستگاه های الکترونیکی از اجزای نیمه هادی برای کنترل الکترون استفاده می کنند. مطالعه دستگاه های نیمه هادی و فناوری مربوط به آن شاخه ای از فیزیک حالت جامد در نظر گرفته می شود، در حالی که طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی برای حل مسائل عملی تحت مهندسی الکترونیک قرار دارد.
موج الکترومغناطیسی
کار فارادی و آمپر نشان داد که یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان یک میدان الکتریکی ایجاد می کند و یک میدان الکتریکی متغیر با زمان یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. بنابراین، هنگامی که هر یک از میدان ها در زمان تغییر می کند، میدان دیگری همیشه القا می شود. این تغییرات یک موج الکترومغناطیسی هستند. امواج الکترومغناطیسی توسط جیمز کلرک ماکسول در سال 1864 مورد تجزیه و تحلیل نظری قرار گرفت. او علاوه بر این می‌توانست ثابت کند که در خلاء، چنین موجی با سرعت نور حرکت می‌کند و بنابراین نور خود شکلی از تابش الکترومغناطیسی است. قوانین ماکسول، که نور، میدان ها و بار را متحد می کند، یکی از نقاط عطف بزرگ فیزیک نظری است.
کار بسیاری از محققان استفاده از الکترونیک را برای تبدیل سیگنال‌ها به جریان‌های نوسانی فرکانس بالا امکان‌پذیر کرد و از طریق رساناهایی با شکل مناسب، الکتریسیته اجازه انتقال و دریافت این سیگنال‌ها را از طریق امواج رادیویی در فواصل بسیار طولانی می‌دهد.
تولید، ذخیره سازی و استفاده
تولید و انتقال
دینام اوایل قرن بیستم ساخته شده در بوداپست، مجارستان، در سالن تولید برق یک ایستگاه برق آبی (عکس توسط پروکودین-گورسکی، 1905-1915).
در قرن ششم قبل از میلاد، فیلسوف یونانی تالس اهل میلتوس با میله‌های کهربا آزمایش کرد: این اولین مطالعات در زمینه تولید برق بود. در حالی که این روش، که اکنون به عنوان اثر تریبوالکتریک شناخته می شود، می تواند اجسام سبک را بلند کند و جرقه ایجاد کند، بسیار ناکارآمد است. تا زمانی که شمع ولتایی در قرن هجدهم اختراع شد، منبع قابل دوام برق در دسترس قرار نگرفت. شمع ولتایی، و نسل مدرن آن، باتری الکتریکی، انرژی را به صورت شیمیایی ذخیره می کند و آن را در صورت تقاضا به شکل برق در دسترس قرار می دهد.
توان الکتریکی معمولاً توسط ژنراتورهای الکترومکانیکی تولید می شود. اینها می توانند توسط بخار حاصل از احتراق سوخت فسیلی یا گرمای آزاد شده از واکنش های هسته ای هدایت شوند، اما همچنین مستقیماً از انرژی جنبشی باد یا آب جاری. توربین بخار که توسط سر چارلز پارسونز در سال 1884 اختراع شد هنوز برای تبدیل انرژی حرارتی بخار به یک حرکت چرخشی استفاده می شود که می تواند توسط ژنراتورهای الکترومکانیکی استفاده شود. چنین ژنراتورهایی هیچ شباهتی به ژنراتور دیسک همقطبی فارادی در سال 1831 ندارند، اما همچنان بر اصل الکترومغناطیسی او تکیه می کنند که رسانایی که یک میدان مغناطیسی در حال تغییر را به هم متصل می کند، اختلاف پتانسیل را در انتهای آن ایجاد می کند. الکتریسیته تولید شده توسط صفحات خورشیدی بر مکانیزم متفاوتی متکی است: تابش خورشیدی با استفاده از اثر فتوولتائیک مستقیماً به برق تبدیل می‌شود.
مزرعه بادی از حدود دوازده توربین بادی سه پره سفید.
انرژی باد در بسیاری از کشورها اهمیت فزاینده ای دارد.
با مدرن شدن یک کشور و توسعه اقتصاد آن، تقاضا برای برق با سرعت زیادی رشد می کند. ایالات متحده در طول هر سال از سه دهه اول قرن بیستم 12 درصد افزایش تقاضا را نشان داد، نرخ رشدی که اکنون توسط اقتصادهای نوظهور مانند هند یا چین تجربه شده است.
نگرانی های زیست محیطی با تولید برق، به ویژه سهم سوخت فسیلی در تغییرات آب و هوایی، منجر به افزایش تمرکز بر تولید از منابع تجدید پذیر شده است. در بخش برق، باد و خورشید مقرون به صرفه شده‌اند و انتقال انرژی را از سوخت‌های فسیلی سرعت می‌بخشند.
انتقال و ذخیره سازی
اختراع ترانسفورماتور در اواخر قرن نوزدهم به این معنی بود که توان الکتریکی را می توان با ولتاژ بالاتر اما جریان کمتر به طور موثرتر منتقل کرد. انتقال کارآمد الکتریکی به نوبه خود به این معنی است که برق می تواند در نیروگاه های متمرکز تولید شود، جایی که از صرفه جویی در مقیاس بهره می برد، و سپس به فواصل نسبتاً طولانی به جایی که مورد نیاز بود ارسال شود.
به طور معمول، تقاضای برق باید با عرضه مطابقت داشته باشد، زیرا ذخیره سازی برق دشوار است. مقدار معینی از تولید همیشه باید در ذخیره نگه داشته شود تا از یک شبکه برق در برابر اختلالات و تلفات اجتناب ناپذیر محافظت شود. با افزایش سطوح انرژی تجدیدپذیر متغیر (انرژی بادی و خورشیدی) در شبکه، تطبیق عرضه و تقاضا چالش برانگیزتر شده است. ذخیره سازی نقش فزاینده ای در پر کردن این شکاف ایفا می کند. چهار نوع فن‌آوری ذخیره‌سازی انرژی وجود دارد که هر کدام در حالت‌های آمادگی فناوری متفاوت هستند: باتری‌ها (ذخیره‌سازی الکتروشیمیایی)، ذخیره‌سازی شیمیایی مانند هیدروژن، حرارتی یا مکانیکی (مانند نیروگاه آبی پمپ‌شده).
برنامه های کاربردی
الکتریسیته راه بسیار مناسبی برای انتقال انرژی است و با استفاده های فراوان و رو به رشدی سازگار شده است. اختراع یک لامپ رشته ای عملی در دهه 1870 منجر به تبدیل شدن نور به یکی از اولین کاربردهای برق در دسترس عموم شد. اگرچه برق‌رسانی خطرات خاص خود را به همراه داشت، جایگزینی شعله‌های برهنه روشنایی گاز تا حد زیادی خطرات آتش‌سوزی را در خانه‌ها و کارخانه‌ها کاهش داد. خدمات عمومی در بسیاری از شهرها با هدف بازار رو به رشد روشنایی برق راه اندازی شد. در اواخر قرن بیستم و در دوران مدرن، روند در جهت مقررات زدایی در بخش برق جریان یافت.
اثر گرمایش ژول مقاومتی به کار رفته در لامپ های رشته ای نیز کاربرد مستقیم بیشتری در گرمایش الکتریکی دارد. در حالی که این همه کاره و قابل کنترل است، می توان آن را بیهوده دید، زیرا بیشتر تولیدات الکتریکی قبلاً به تولید گرما در یک نیروگاه نیاز داشته است. تعدادی از کشورها، مانند دانمارک، قوانینی را صادر کرده اند که استفاده از گرمایش الکتریکی مقاومتی در ساختمان های جدید را محدود یا ممنوع کرده است. با این حال، الکتریسیته هنوز یک منبع انرژی بسیار کاربردی برای گرمایش و تبرید است، با پمپ‌های تهویه مطبوع/حرارت نشان دهنده بخش رو به رشدی برای تقاضای برق برای گرمایش و سرمایش است، که تأثیرات آن شرکت‌های برق به طور فزاینده‌ای ملزم به پاسخگویی به آن هستند. [نیاز به به‌روزرسانی] انتظار می‌رود که برق‌سازی نقش عمده‌ای در کربن‌زدایی بخش‌هایی داشته باشد که به سوزاندن مستقیم سوخت فسیلی متکی هستند، مانند حمل‌ونقل (با استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی) و گرمایش (با استفاده از پمپ‌های حرارتی).
اثرات الکترومغناطیس به طور مشهودی در موتور الکتریکی به کار می رود که وسیله ای تمیز و کارآمد برای نیروی محرکه فراهم می کند. یک موتور ثابت مانند یک وینچ به راحتی با منبع تغذیه تامین می شود، اما موتوری که با استفاده از آن حرکت می کند، مانند یک وسیله نقلیه الکتریکی، موظف است یا یک منبع برق مانند باتری را همراه داشته باشد یا جریان را از آن جمع آوری کند. یک کنتاکت کشویی مانند پانتوگراف. وسایل نقلیه برقی در حمل و نقل عمومی، مانند اتوبوس ها و قطارهای برقی، و تعداد فزاینده ای از خودروهای برقی با باتری در مالکیت خصوصی استفاده می شود.
الکتریسیته در ارتباطات راه دور استفاده می شود و در واقع تلگراف الکتریکی که در سال 1837 توسط کوک و وتستون به صورت تجاری نشان داده شد، یکی از اولین کاربردهای آن بود. با ساخت اولین سیستم های تلگراف بین قاره ای و سپس فراآتلانتیکی در دهه 1860، الکتریسیته ارتباطات را در عرض چند دقیقه در سراسر جهان فعال کرده بود. فیبر نوری و ارتباطات ماهواره‌ای سهمی از بازار سیستم‌های ارتباطی را به خود اختصاص داده‌اند، اما می‌توان انتظار داشت که الکتریسیته بخش مهمی از این فرآیند باشد.
دستگاه‌های الکترونیکی از ترانزیستور، شاید یکی از مهم‌ترین اختراعات قرن بیستم، و بلوک ساختمانی اساسی تمام مدارهای مدرن استفاده می‌کنند. یک مدار مجتمع مدرن ممکن است حاوی میلیاردها ترانزیستور مینیاتوری در یک منطقه تنها چند سانتی متر مربع باشد.
برق و جهان طبیعی
اثرات فیزیولوژیکی
ولتاژ اعمال شده به بدن انسان باعث ایجاد جریان الکتریکی از طریق بافت ها می شود، و اگرچه این رابطه غیر خطی است، اما هر چه ولتاژ بیشتر باشد، جریان بیشتر است. آستانه درک با فرکانس منبع تغذیه و مسیر جریان متفاوت است، اما برای برق فرکانس اصلی حدود 0.1 میلی آمپر تا 1 میلی آمپر است، اگرچه جریانی به اندازه یک میکروآمپر را می توان تحت شرایط خاص به عنوان یک اثر لرزش الکتریکی تشخیص داد. اگر جریان به اندازه کافی زیاد باشد باعث انقباض عضلانی، فیبریلاسیون قلب و سوختگی بافت می شود. فقدان هر علامت قابل مشاهده ای که یک هادی برق دار است، الکتریسیته را به یک خطر خاص تبدیل می کند. درد ناشی از شوک الکتریکی می‌تواند شدید باشد و در برخی مواقع از برق به عنوان روشی برای شکنجه استفاده شود. مرگ ناشی از شوک الکتریکی – برق گرفتگی – هنوز برای اعدام قضایی در برخی از ایالت های ایالات متحده استفاده می شود، اگرچه استفاده از آن در پایان قرن بیستم بسیار نادر شده بود.
پدیده های الکتریکی در طبیعت
الکتریسیته اختراع بشر نیست و ممکن است به اشکال مختلف در طبیعت مشاهده شود، به ویژه رعد و برق. بسیاری از فعل و انفعالات آشنا در سطح ماکروسکوپی، مانند لمس، اصطکاک یا پیوند شیمیایی، به دلیل برهمکنش بین میدان های الکتریکی در مقیاس اتمی است. میدان مغناطیسی زمین به دلیل دینام طبیعی جریان های در حال گردش در هسته سیاره است. کریستال‌های خاصی مانند کوارتز یا حتی شکر، هنگام فشار دادن، اختلاف پتانسیلی را در چهره‌شان ایجاد می‌کنند. این پدیده به عنوان پیزوالکتریک از واژه یونانی piezein (πιέζειν) به معنای فشار دادن شناخته می شود و در سال 1880 توسط پیر و ژاک کوری کشف شد. اثر متقابل است: هنگامی که یک ماده پیزوالکتریک تحت یک میدان الکتریکی قرار می گیرد، اندازه آن کمی تغییر می کند.
برخی از موجودات، مانند کوسه ها، قادر به تشخیص و پاسخ به تغییرات میدان های الکتریکی هستند، این توانایی به عنوان دریافت الکتریکی شناخته می شود. اینها ماهی های برقی به ترتیب های مختلف هستند. راسته Gymnotiformes، که بهترین نمونه شناخته شده آن مارماهی الکتریکی است، طعمه خود را از طریق ولتاژهای بالا تولید شده از سلول های عضلانی اصلاح شده به نام الکتروسیت ها شناسایی یا بی حس می کند. همه جانوران اطلاعات را در امتداد غشای سلولی خود با پالس های ولتاژی به نام پتانسیل عمل منتقل می کنند که عملکرد آنها شامل ارتباط توسط سیستم عصبی بین نورون ها و ماهیچه ها است. شوک الکتریکی این سیستم را تحریک می کند و باعث انقباض ماهیچه ها می شود. پتانسیل‌های اقدام نیز مسئول هماهنگی فعالیت‌ها در کارخانه‌های خاص هستند.
ادراک فرهنگی
در سال 1850، سیاستمدار بریتانیایی ویلیام گلادستون از دانشمند مایکل فارادی پرسید که چرا برق ارزشمند است. فارادی پاسخ داد: «یک روز قربان، ممکن است از آن مالیات بگیرید.»
در قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، برق بخشی از زندگی روزمره بسیاری از مردم، حتی در دنیای صنعتی غرب نبود. بر این اساس فرهنگ عامه آن زمان اغلب آن را به عنوان نیرویی اسرارآمیز و شبه جادویی به تصویر می‌کشد که می‌تواند زنده‌ها را بکشد، مردگان را زنده کند یا قوانین طبیعت را تغییر دهد. این نگرش با آزمایش‌های 1771 لوئیجی گالوانی آغاز شد. که در آن نشان داده شد که پاهای قورباغه های مرده با استفاده از الکتریسیته حیوانی تکان می خورد. “احیای” یا احیای افراد ظاهراً مرده یا غرق شده اندکی پس از کار گالوانی در ادبیات پزشکی گزارش شده است. این نتایج برای مری شلی زمانی که فرانکنشتاین را نوشت (1819) شناخته شد، اگرچه او روش احیای هیولا را نام نمی برد. احیای هیولاها با الکتریسیته بعدها به موضوع اصلی فیلم های ترسناک تبدیل شد.
همانطور که آشنایی عمومی با الکتریسیته به عنوان شریان حیاتی انقلاب صنعتی دوم افزایش یافت، صاحبان آن بیشتر در دید مثبت قرار گرفتند، مانند کارگرانی که “هنگامی که قطعه قطعه می کنند و دوباره تکه تکه می شوند، مرگ را در انتهای دستکش خود می اندازند. سیم‌های زنده” در شعر رودیارد کیپلینگ در سال 1907، پسران مارتا. وسایل نقلیه الکتریکی از هر نوع که در داستان‌های ماجراجویی مانند داستان‌های ژول ورن و کتاب‌های تام سویفت نقش مهمی داشتند. استادان برق. اعم از تخیلی یا واقعی – از جمله دانشمندانی مانند توماس ادیسون، چارلز اشتاینمتز یا نیکولا تسلا – عموماً دارای قدرت‌های جادوگر تصور می‌شدند.