الکتریسیته چیست؟

الکتریسیته در اطراف ما وجود دارد — فن آوری هایی مانند تلفن های همراه، رایانه ها، چراغ ها، آهن های لحیم کاری و تهویه مطبوع ما را تامین می کند. فرار از آن در دنیای مدرن ما دشوار است. حتی زمانی که شما سعی می کنید از الکتریسیته فرار کنید، همچنان در سرتاسر طبیعت کار می کند، از رعد و برق در یک طوفان گرفته تا سیناپس های داخل بدن ما. اما برق دقیقا چیست؟ این یک سوال بسیار پیچیده است، و همانطور که عمیق تر می شوید و سوالات بیشتری می پرسید، واقعاً یک پاسخ قطعی وجود ندارد، فقط نمایش های انتزاعی از نحوه تعامل الکتریسیته با محیط اطراف ما وجود دارد.

الکتریسیته یک پدیده طبیعی است که در سرتاسر طبیعت رخ می دهد و اشکال مختلفی به خود می گیرد. در این آموزش ما بر برق فعلی تمرکز خواهیم کرد: چیزهایی که ابزارهای الکترونیکی ما را نیرو می‌دهند. هدف ما درک چگونگی جریان الکتریسیته از منبع برق از طریق سیم‌ها، روشن کردن LEDها، چرخاندن موتورها و تامین انرژی دستگاه‌های ارتباطی ما است.

الکتریسیته به طور خلاصه به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می شود، اما پشت این بیان ساده چیزهای زیادی وجود دارد. از کجا می آید؟ چگونه آنها را جابجا کنیم؟ به کجا نقل مکان می کنند؟ چگونه یک بار الکتریکی باعث حرکت مکانیکی یا روشن شدن اشیا می شود؟ خیلی سوال! برای توضیح اینکه الکتریسیته چیست، باید فراتر از ماده و مولکول‌ها، به اتم‌هایی که هر چیزی را که در زندگی با آن‌ها برهم‌کنش داریم، بزرگ‌نمایی کنیم.

این آموزش مبتنی بر برخی درک اولیه از فیزیک، نیرو، انرژی، اتم‌ها و .. است. ما اصول اولیه هر یک از آن مفاهیم فیزیک را توضیح خواهیم داد، اما ممکن است به منابع دیگر نیز مراجعه کنید.

مراجعه به اتم

برای درک اصول اولیه الکتریسیته، باید با تمرکز بر روی اتم ها، یکی از اجزای سازنده حیات و ماده، شروع کنیم. اتم ها در بیش از صد شکل مختلف به عنوان عناصر شیمیایی مانند هیدروژن، کربن، اکسیژن و مس وجود دارند. اتم‌های انواع مختلف می‌توانند برای ساختن مولکول‌ها ترکیب شوند، که ماده‌ای را می‌سازند که ما می‌توانیم به صورت فیزیکی ببینیم و لمس کنیم.

اتم ها کوچک هستند و حداکثر تا حدود 300 پیکومتر طول دارند (که 3×10-10 یا 0.0000000003 متر است). یک پنی مس (اگر واقعاً از 100٪ مس ساخته شده باشد) 3.2×1022 اتم (32,000,000,000,000,000,000,000 اتم) مس داخل آن خواهد بود.

حتی اتم آن به اندازه کافی کوچک نیست که عملکرد الکتریسیته را توضیح دهد. ما باید یک سطح دیگر پایین بیاییم و به اجزای سازنده اتم ها نگاه کنیم: پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها.

بلوک های سازنده اتم ها

یک اتم با ترکیبی از سه ذره متمایز ساخته شده است: الکترون، پروتون و نوترون. هر اتم دارای یک هسته مرکزی است که در آن پروتون ها و نوترون ها به طور فشرده در کنار هم قرار گرفته اند. در اطراف هسته گروهی از الکترون های در حال چرخش قرار دارند.

یک مدل اتمی بسیار ساده این مقیاس نیست، اما برای درک چگونگی ساخت اتم مفید است. هسته ای از پروتون ها و نوترون ها توسط الکترون های در حال چرخش احاطه شده است.

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

شریک هسته پروتون، یعنی نوترون ها، هدف مهمی را دنبال می کنند. آنها پروتون ها را در هسته نگه می دارند و ایزوتوپ یک اتم را تعیین می کنند. آنها برای درک ما از الکتریسیته حیاتی نیستند، بنابراین بیایید برای این آموزش نگران آنها نباشیم.

الکترون‌ها برای کار الکتریسیته حیاتی هستند (به یک موضوع رایج در نام آنها توجه کنید؟) در پایدارترین و متعادل‌ترین حالت خود، یک اتم به اندازه پروتون‌ها تعداد الکترون خواهد داشت. همانند مدل اتم بور در زیر، هسته ای با 29 پروتون (که آن را اتم مس می کند) توسط تعداد مساوی الکترون احاطه شده است.

همانطور که درک ما از اتم ها تکامل یافته است، روش ما برای مدل سازی آنها نیز تکامل یافته است. مدل بور یک مدل اتمی بسیار مفید است که الکتریسیته را بررسی می کنیم.
الکترون های اتم همگی برای همیشه به اتم متصل نیستند. الکترون های موجود در مدار بیرونی اتم را الکترون های ظرفیتی می نامند. با نیروی خارجی کافی، یک الکترون ظرفیتی می تواند از مدار اتم بگریزد و آزاد شود. الکترون‌های آزاد به ما امکان می‌دهند بار را جابه‌جا کنیم، یعنی همان چیزی که الکتریسیته است.

جریان شارژ

همانطور که در ابتدای این آموزش اشاره کردیم، الکتریسیته به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می شود. بار یک ویژگی ماده است – درست مانند جرم، حجم یا چگالی. قابل اندازه گیری است. همانطور که می توانید مقدار جرم یک چیز را اندازه بگیرید، می توانید میزان بار آن را نیز اندازه بگیرید. مفهوم کلیدی بار این است که می تواند در دو نوع باشد: مثبت (+) یا منفی (-).

برای جابجایی بار ما به حامل‌های بار نیاز داریم، و در اینجاست که دانش ما در مورد ذرات اتمی – به‌ویژه الکترون‌ها و پروتون‌ها – به کار می‌آید. الکترون ها همیشه بار منفی دارند، در حالی که پروتون ها همیشه بار مثبت دارند. نوترون ها (درست مانند نام آنها) خنثی هستند، آنها هیچ باری ندارند. هر دو الکترون و پروتون بار یکسانی را حمل می کنند، فقط یک نوع متفاوت.

شکل بالا یک مدل اتم لیتیوم (3 پروتون) با بارهای برچسب گذاری شده است.

بار الکترون‌ها و پروتون‌ها مهم است، زیرا وسیله‌ای برای اعمال نیرو بر آنها در اختیار ما قرار می‌دهد. نیروی الکترواستاتیک!

نیروی الکترواستاتیک

نیروی الکترواستاتیک (که قانون کولن نیز نامیده می شود) نیرویی است که بین بارها عمل می کند. بیان می کند که بارهای یک نوع یکدیگر را دفع می کنند، در حالی که بارهای انواع مخالف با هم جذب می شوند. مخالفان جذب می کنند و دوست داران دفع می کنند.

مقدار نیروی وارد بر دو بار بستگی به فاصله آنها از یکدیگر دارد. هر چه دو بار به هم نزدیکتر شوند، نیرو (یا فشار دادن به هم یا کنار کشیدن) بیشتر می شود.

به لطف نیروی الکترواستاتیک، الکترون‌ها الکترون‌های دیگر را از خود دور می‌کنند و به سمت پروتون‌ها جذب می‌شوند. این نیرو بخشی از «چسب» است که اتم‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد، اما همچنین ابزاری است که برای به جریان انداختن الکترون‌ها (و بارها) نیاز داریم!

ایجاد شارژ جریان

ما اکنون همه ابزارها را داریم تا بارها را به جریان بیاندازیم. الکترون های موجود در اتم ها می توانند به عنوان حامل بار ما عمل کنند، زیرا هر الکترون حامل بار منفی است. اگر بتوانیم یک الکترون را از یک اتم آزاد کنیم و آن را مجبور به حرکت کنیم، می توانیم الکتریسیته ایجاد کنیم.

مدل اتمی یک اتم مس را در نظر بگیرید، یکی از منابع عنصری ترجیحی برای جریان بار. در حالت متعادل، مس دارای 29 پروتون در هسته خود و تعداد مساوی الکترون است که به دور آن می چرخند. الکترون ها در فواصل متفاوتی از هسته اتم می چرخند. الکترون های نزدیک به هسته نسبت به الکترون هایی که در مدارهای دور هستند، جاذبه بسیار قوی تری به مرکز احساس می کنند. بیرونی‌ترین الکترون‌های یک اتم، الکترون‌های ظرفیتی نامیده می‌شوند، این الکترون‌ها برای آزاد شدن از اتم به کمترین نیرو نیاز دارند.

شکل بالا یک نمودار اتم مس است: 29 پروتون در هسته، که توسط نوارهایی از الکترون های در حال چرخش احاطه شده است. الکترون های نزدیک به هسته به سختی حذف می شوند در حالی که الکترون ظرفیت (حلقه بیرونی) به انرژی نسبتا کمی نیاز دارد تا از اتم خارج شود.

با استفاده از نیروی الکترواستاتیک کافی بر روی الکترون ظرفیت – چه با فشار دادن بار منفی دیگر یا جذب آن با یک بار مثبت – می‌توانیم الکترون را از مدار اطراف اتم خارج کنیم و یک الکترون آزاد ایجاد کنیم.

اکنون یک سیم مسی را در نظر بگیرید: ماده ای که با اتم های مس بی شماری پر شده است. از آنجایی که الکترون آزاد ما در فضایی بین اتم ها شناور است، توسط بارهای اطراف در آن فضا کشیده شده و برانگیخته می شود. در این هرج و مرج، الکترون آزاد در نهایت یک اتم جدید پیدا می کند تا به آن بچسبد. با انجام این کار، بار منفی آن الکترون، الکترون ظرفیت دیگری را از اتم بیرون می‌کند. اکنون یک الکترون جدید در فضای آزاد در حال حرکت است و به دنبال انجام همین کار است. این اثر زنجیره ای می تواند برای ایجاد جریانی از الکترون ها به نام جریان الکتریکی ادامه یابد.

شکل بالا یک مدل بسیار ساده از بارهایی که از طریق اتم ها جریان می یابند.

رسانایی

برخی از انواع عنصری اتم ها در آزادسازی الکترون های خود بهتر از بقیه هستند. برای به دست آوردن بهترین جریان الکترون ممکن، می‌خواهیم از اتم‌هایی استفاده کنیم که خیلی محکم به الکترون‌های ظرفیت خود نمی‌چسبند. رسانایی یک عنصر اندازه گیری می کند که یک الکترون چقدر به یک اتم متصل است.

عناصر با رسانایی بالا که دارای الکترون های بسیار متحرک هستند، رسانا نامیده می شوند. اینها انواع موادی هستند که ما می خواهیم برای ساخت سیم ها و سایر اجزایی که به جریان الکترون کمک می کنند استفاده کنیم. فلزاتی مانند مس، نقره و طلا معمولاً بهترین انتخاب ما برای رسانای خوب هستند.

عناصری که رسانایی کم دارند عایق نامیده می شوند. عایق ها یک هدف بسیار مهم را انجام می دهند: آنها از جریان الکترون ها جلوگیری می کنند. عایق های محبوب عبارتند از شیشه، لاستیک، پلاستیک و هوا.

الکتریسیته ساکن یا جاری

قبل از اینکه خیلی بیشتر پیش برویم، بیایید در مورد دو شکل الکتریسیته بحث کنیم: استاتیک یا جریان. در کار با الکترونیک، الکتریسیته جاری بسیار رایج تر خواهد بود، اما درک الکتریسیته ساکن نیز مهم است.

الکتریسیته ساکن

الکتریسیته ساکن زمانی وجود دارد که بارهای مخالف بر روی اجسامی که توسط یک عایق از هم جدا شده اند ایجاد شود. الکتریسیته ساکن (مانند حالت “در حالت سکون”) تا زمانی وجود دارد که دو گروه بارهای مخالف بتوانند مسیری بین یکدیگر پیدا کنند تا سیستم را متعادل کند.

جرقه زن های شکاف جرقه برای ایجاد تخلیه استاتیک کنترل شده استفاده می شوند. بارهای مخالف بر روی هر یک از رساناها ایجاد می شود تا زمانی که جاذبه آنها به حدی برسد که بارهای زیادی در هوا جریان داشته باشند.
یکی از دراماتیک ترین نمونه های تخلیه ساکن رعد و برق است. هنگامی که یک سیستم ابری بار کافی را نسبت به گروه دیگری از ابرها یا زمین جمع آوری می کند، بارها سعی می کنند یکسان شوند. با تخلیه ابر، مقادیر انبوهی از بارهای مثبت (یا گاهی اوقات منفی) در هوا از زمین به ابر می گذرد و باعث ایجاد اثر قابل مشاهده ای می شود که همه ما با آن آشنا هستیم.

الکتریسیته ساکن همچنین زمانی وجود دارد که بادکنک‌هایی را روی سرمان می‌مالیم تا موهایمان بلند شود، یا وقتی با دمپایی‌های ابری روی زمین می‌چرخیم و به گربه‌ی خانواده شوک می‌دهیم (البته به طور تصادفی). در هر مورد، اصطکاک ناشی از مالش انواع مختلف مواد، الکترون ها را منتقل می کند. جسمی که الکترون از دست می دهد دارای بار مثبت می شود، در حالی که جسمی که الکترون می گیرد دارای بار منفی می شود. دو جسم جذب یکدیگر می شوند تا زمانی که بتوانند راهی برای برابری پیدا کنند.

هنگام کار با الکترونیک، ما معمولاً با الکتریسیته ساکن سروکار نداریم. وقتی این کار را انجام می دهیم، معمولاً سعی می کنیم از قطعات الکترونیکی حساس خود در برابر تخلیه ساکن محافظت کنیم. اقدامات پیشگیرانه در برابر الکتریسیته ساکن شامل پوشیدن بند مچ ESD (تخلیه الکترواستاتیک) یا افزودن اجزای ویژه در مدارها برای محافظت در برابر بارهای بسیار زیاد است.

برق فعلی

الکتریسیته فعلی شکلی از الکتریسیته است که تمام ابزارهای الکترونیکی ما را ممکن می کند. این شکل از الکتریسیته زمانی وجود دارد که بارها بتوانند دائماً جریان داشته باشند. برخلاف الکتریسیته ساکن که در آن بارها جمع می شوند و در حالت سکون باقی می مانند، الکتریسیته جاری دینامیک است، بارها همیشه در حال حرکت هستند. ما در ادامه آموزش روی این شکل از برق تمرکز خواهیم کرد.

مدارها

الکتریسیته جاری برای اینکه جریان داشته باشد به یک مدار نیاز دارد: یک حلقه بسته و بی پایان از مواد رسانا. یک مدار می تواند به سادگی یک سیم رسانا باشد که سرتاسر متصل است، اما مدارهای مفید معمولاً حاوی ترکیبی از سیم و سایر اجزا هستند که جریان الکتریسیته را کنترل می کنند. تنها قانون در مورد ساخت مدارها این است که آنها نمی توانند هیچ شکاف عایق در آنها داشته باشند.

اگر سیمی پر از اتم های مس دارید و می خواهید جریانی از الکترون ها را از طریق آن القا کنید، همه الکترون های آزاد به جایی نیاز دارند که در یک جهت کلی جریان داشته باشند. مس یک هادی عالی است که برای جریان دادن بارها عالی است. اگر مدار سیم مسی شکسته شود، بارها نمی توانند از طریق هوا جریان پیدا کنند، که همچنین از رفتن هر یک از بارها به سمت وسط جلوگیری می کند.

از سوی دیگر، اگر سیم از انتها به انتها وصل شده باشد، الکترون ها همگی دارای یک اتم همسایه هستند و می توانند همه در یک جهت کلی جریان داشته باشند.

اکنون می‌دانیم که الکترون‌ها چگونه می‌توانند جریان داشته باشند، اما چگونه می‌توانیم آنها را در وهله اول به جریان بیاندازیم؟ سپس، هنگامی که الکترون ها در جریان هستند، چگونه انرژی مورد نیاز برای روشن کردن لامپ ها یا موتورهای اسپین را تولید می کنند؟ برای آن، ما باید میدان های الکتریکی را درک کنیم.

میدان های الکتریکی

ما اطلاع داریم که چگونه الکترون ها از ماده عبور می کنند تا الکتریسیته ایجاد کنند. این تمام چیزی است که برای برق وجود دارد. خوب، تقریباً همه. اکنون به منبعی برای القای جریان الکترون ها نیاز داریم. اغلب آن منبع جریان الکترون از یک میدان الکتریکی می آید.

فیلد چیست؟

فیلد ابزاری است که ما برای مدل‌سازی فعل و انفعالات فیزیکی که شامل هیچ تماس قابل مشاهده‌ای نیستند، استفاده می‌کنیم. میدان ها را نمی توان دید زیرا ظاهر فیزیکی ندارند، اما تأثیری که دارند بسیار واقعی است.

همه ما ناخودآگاه با یک میدان به ویژه آشنا هستیم: میدان گرانشی زمین، اثر یک جسم عظیم که اجسام دیگر را به خود جذب می کند. میدان گرانشی زمین را می توان با مجموعه ای از بردارها مدل کرد که همگی به سمت مرکز سیاره نشانه می روند. صرف نظر از اینکه در کجای سطح هستید، نیرویی را احساس خواهید کرد که شما را به سمت آن سوق می دهد.

شدت یا شدت میدان ها در همه نقاط میدان یکنواخت نیست. هر چه از منبع فیلد دورتر باشید، میدان تأثیر کمتری دارد. با دور شدن از مرکز سیاره، قدر میدان گرانشی زمین کاهش می یابد.

همانطور که به کاوش در میدان های الکتریکی ادامه می دهیم، به ویژه نحوه عملکرد میدان گرانشی زمین را به یاد بیاوریم، هر دو میدان شباهت های زیادی دارند. میدان های گرانشی بر اجسام با جرم و میدان های الکتریکی بر اجسام باردار نیرو وارد می کنند.

میدان های الکتریکی

میدان های الکتریکی (E-fields) ابزار مهمی برای درک چگونگی شروع و ادامه جریان الکتریسیته هستند. میدان های الکتریکی نیروی کشش یا فشار را در فضای بین بارها توصیف می کنند. در مقایسه با میدان گرانشی زمین، میدان‌های الکتریکی یک تفاوت عمده دارند: در حالی که میدان زمین عموماً فقط اجسام با جرم دیگر را جذب می‌کند (از آنجایی که همه چیز بسیار کم‌تر است)، میدان‌های الکتریکی بارها را به همان اندازه که آنها را جذب می‌کنند، دفع می‌کنند.

جهت میدان های الکتریکی همیشه به عنوان جهتی تعریف می شود که یک بار آزمایشی مثبت در صورت رها شدن در میدان حرکت می کند. بار آزمایشی باید بی نهایت کوچک باشد تا بار آن بر میدان تأثیر نگذارد.

می توانیم با ساخت میدان های الکتریکی برای بارهای مثبت و منفی منفرد شروع کنیم. اگر یک بار آزمایش مثبت را نزدیک یک بار منفی رها کنید، بار آزمایشی به سمت بار منفی جذب می شود. بنابراین، برای یک بار منفرد و منفی، فلش های میدان الکتریکی خود را می کشیم که در تمام جهات به سمت داخل هستند. همان بار آزمایشی که نزدیک یک بار مثبت دیگر کاهش می یابد، منجر به دافعه به بیرون می شود، به این معنی که فلش هایی را می کشیم که از بار مثبت خارج می شوند.

میدان های الکتریکی تک بارها. یک بار منفی میدان الکتریکی به سمت داخل دارد زیرا بارهای مثبت را جذب می کند. بار مثبت دارای یک میدان الکتریکی بیرونی است که مانند بارها به سمت خود می راند.
گروه هایی از بارهای الکتریکی را می توان برای ایجاد میدان های الکتریکی کامل تر ترکیب کرد.

میدان الکترونیکی یکنواخت بالا از بارهای مثبت به سمت منفی ها فاصله می گیرد. تصور کنید یک بار آزمایش مثبت کوچک در میدان الکترونیکی کاهش یافته است. باید جهت فلش ها را دنبال کند. همانطور که دیدیم، الکتریسیته معمولاً شامل جریان الکترون‌ها – بارهای منفی – است که در برابر میدان‌های الکتریکی جریان دارند.

میدان‌های الکتریکی نیروی فشاری را که برای القای جریان نیاز داریم به ما می‌دهند. میدان الکتریکی در مدار مانند یک پمپ الکترونی است: منبع بزرگی از بارهای منفی که می تواند الکترون ها را به حرکت درآورد که از طریق مدار به سمت توده بارهای مثبت جریان می یابد.

پتانسیل الکتریکی (انرژی)

وقتی ما از الکتریسیته برای تغذیه مدارها، ابزارها و ابزارهای خود استفاده می کنیم، واقعاً انرژی را تغییر می دهیم. مدارهای الکترونیکی باید قادر به ذخیره انرژی و انتقال آن به اشکال دیگر مانند گرما، نور یا حرکت باشند. انرژی ذخیره شده یک مدار را انرژی پتانسیل الکتریکی می نامند.

انرژی؟ انرژی پتانسیل؟

برای درک انرژی پتانسیل باید انرژی را به طور کلی درک کنیم. انرژی به عنوان توانایی یک جسم برای انجام کار بر روی یک جسم دیگر تعریف می شود، که به معنای جابجایی آن جسم در فاصله ای است. انرژی به اشکال مختلفی وجود دارد، برخی را می‌توانیم ببینیم (مانند مکانیکی) و برخی دیگر را نمی‌توانیم (مانند شیمیایی یا الکتریکی). صرف نظر از اینکه انرژی در چه شکلی است، در یکی از دو حالت وجود دارد: جنبشی یا پتانسیل.

یک جسم زمانی که در حال حرکت است انرژی جنبشی دارد. مقدار انرژی جنبشی یک جسم به جرم و سرعت آن بستگی دارد. از طرف دیگر انرژی پتانسیل انرژی ذخیره شده زمانی است که یک جسم در حال استراحت است. توضیح می دهد که اگر جسم به حرکت درآید چقدر کار می تواند انجام دهد. این انرژی است که ما می توانیم به طور کلی کنترل کنیم. هنگامی که یک جسم به حرکت در می آید، انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می شود.

بیایید به استفاده از جاذبه به عنوان مثال برگردیم. یک توپ بولینگ که بدون حرکت در بالای برج خلیفه نشسته است، انرژی بالقوه (ذخیره شده) زیادی دارد. پس از رها شدن، 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. در نهایت تمام انرژی توپ از حالت پتانسیل به جنبشی تبدیل می شود و سپس به هر چیزی که برخورد می کند منتقل می شود. وقتی توپ روی زمین است، انرژی پتانسیل بسیار کمی دارد.

انرژی پتانسیل الکتریکی

درست همانطور که جرم در یک میدان گرانشی دارای انرژی پتانسیل گرانشی است، بارهای موجود در میدان الکتریکی نیز دارای انرژی پتانسیل الکتریکی هستند. انرژی پتانسیل الکتریکی یک بار نشان می دهد که چه مقدار انرژی ذخیره شده است، وقتی که توسط نیروی الکترواستاتیکی به حرکت در می آید، این انرژی می تواند جنبشی شود و بار می تواند کار کند.

مانند یک توپ بولینگ که در بالای یک برج نشسته است، یک بار مثبت در مجاورت یک بار مثبت دیگر دارای انرژی پتانسیل بالایی است. اگر آزادانه حرکت کند، بار از بار مشابه دفع می شود. یک بار آزمایش مثبت که در نزدیکی یک بار منفی قرار می گیرد، انرژی پتانسیل کمی دارد، مشابه توپ بولینگ روی زمین.

برای القای انرژی بالقوه هر چیزی، باید کار را با حرکت دادن آن در مسافت انجام دهیم. در مورد توپ بولینگ، کار از بالا بردن 163 طبقه، در برابر میدان گرانش ناشی می شود. به طور مشابه، باید برای فشار دادن یک بار مثبت بر روی فلش های میدان الکتریکی (یا به سمت یک بار مثبت دیگر یا دور از یک بار منفی) کار کرد. هر چه میزان شارژ بیشتر از میدان پیش برود، کار بیشتری باید انجام دهید. به همین ترتیب، اگر بخواهید یک بار منفی را از یک بار مثبت دور کنید – در برابر میدان الکتریکی – باید کار کنید.

برای هر باری که در میدان الکتریکی قرار دارد، انرژی پتانسیل الکتریکی آن به نوع (مثبت یا منفی)، مقدار بار و موقعیت آن در میدان بستگی دارد. انرژی پتانسیل الکتریکی با واحد ژول (J) اندازه گیری می شود.

پتانسیل الکتریکی

پتانسیل الکتریکی بر انرژی پتانسیل الکتریکی ساخته می شود تا به تعیین مقدار انرژی در میدان های الکتریکی کمک کند. این مفهوم دیگری است که به ما کمک می کند رفتار میدان های الکتریکی را مدل کنیم. پتانسیل الکتریکی همان انرژی پتانسیل الکتریکی نیست!

در هر نقطه از میدان الکتریکی، پتانسیل الکتریکی مقدار انرژی پتانسیل الکتریکی تقسیم بر مقدار بار در آن نقطه است. مقدار بار را از معادله خارج می کند و ما را با ایده ای در مورد مقدار انرژی پتانسیل نواحی خاص میدان الکتریکی به ما می دهد. پتانسیل الکتریکی بر حسب واحد ژول بر کولن (J/C) است که ما آن را به عنوان ولت (V) تعریف می کنیم.

در هر میدان الکتریکی دو نقطه پتانسیل الکتریکی وجود دارد که برای ما جالب است. یک نقطه با پتانسیل بالا وجود دارد، که در آن یک بار مثبت دارای بالاترین انرژی پتانسیل ممکن است، و یک نقطه با پتانسیل پایین، که در آن یک بار دارای کمترین انرژی پتانسیل ممکن است.

یکی از رایج ترین اصطلاحاتی که در ارزیابی الکتریسیته مطرح می کنیم ولتاژ است. ولتاژ اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در میدان الکتریکی است. ولتاژ به ما این ایده را می دهد که میدان الکتریکی چقدر نیروی فشار دارد.

با انرژی پتانسیل و پتانسیل تحت کمربند ما، همه مواد لازم برای تولید برق فعلی را داریم. بیایید آن را انجام دهیم!

برق در عمل!

پس از مطالعه فیزیک ذرات، نظریه میدان و انرژی پتانسیل، اکنون به اندازه کافی برای جریان الکتریسیته می دانیم. بیایید یک مدار بسازیم!

ابتدا مواد لازم برای تولید برق را مرور می کنیم:

تعریف الکتریسیته جریان بار است. معمولاً بارهای ما توسط الکترون های جریان آزاد حمل می شوند.
الکترون‌های دارای بار منفی به‌طور آزاد در برابر اتم‌های مواد رسانا نگه داشته می‌شوند. با کمی فشار می‌توانیم الکترون‌ها را از اتم‌ها آزاد کنیم و آنها را در یک جهت یکنواخت به جریان بیاندازیم.
مدار بسته ای از مواد رسانا مسیری را برای الکترون ها برای جریان پیوسته فراهم می کند.
بارها توسط یک میدان الکتریکی به حرکت در می آیند. ما به یک منبع پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) نیاز داریم که الکترون ها را از نقطه ای با انرژی پتانسیل پایین به انرژی پتانسیل بالاتر سوق دهد.
یک اتصال کوتاه
باتری ها منابع انرژی رایجی هستند که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. آنها دو ترمینال دارند که به بقیه مدار متصل می شوند. در یک پایانه بارهای منفی بیش از حد وجود دارد، در حالی که همه بارهای مثبت در دیگری با هم ترکیب می شوند. این یک تفاوت پتانسیل الکتریکی است که فقط منتظر عمل است!

پس از یک ثانیه از جریان، الکترون ها در واقع بسیار کم حرکت کرده اند – کسری از یک سانتی متر. با این حال، انرژی تولید شده توسط جریان بسیار زیاد است، به خصوص که در این مدار چیزی برای کاهش سرعت جریان یا مصرف انرژی وجود ندارد. اتصال یک هادی خالص به طور مستقیم در یک منبع انرژی ایده بدی است. انرژی بسیار سریع در سیستم حرکت می کند و به گرما در سیم تبدیل می شود که ممکن است به سرعت به سیم ذوب یا آتش تبدیل شود.

روشن کردن یک لامپ

به جای اینکه این همه انرژی را هدر دهیم، نه اینکه باتری و سیم را از بین ببریم، بیایید مداری بسازیم که کار مفیدی انجام دهد! به طور کلی یک مدار الکتریکی انرژی الکتریکی را به شکل دیگری منتقل می کند – نور، گرما، حرکت، و غیره. اگر یک لامپ را با سیم های بین آن به باتری وصل کنیم، یک مدار ساده و کاربردی خواهیم داشت.

(شکل بالا) شماتیک: یک باتری (سمت چپ) که به یک لامپ (راست) متصل می شود، مدار با بسته شدن سوئیچ (بالا) تکمیل می شود. با بسته شدن مدار، الکترون‌ها می‌توانند جریان پیدا کنند و از پایانه منفی باتری از طریق لامپ به قطب مثبت رانده شوند.

در حالی که الکترون ها با سرعت حلزونی حرکت می کنند، میدان الکتریکی تقریباً بلافاصله کل مدار را تحت تأثیر قرار می دهد (ما در مورد سرعت نور سریع صحبت می کنیم). الکترون‌ها در سراسر مدار، چه در کمترین پتانسیل، چه در بالاترین پتانسیل یا درست در کنار لامپ، تحت تأثیر میدان الکتریکی قرار می‌گیرند. هنگامی که کلید بسته می شود و الکترون ها در معرض میدان الکتریکی قرار می گیرند، تمام الکترون های مدار در ظاهر در یک زمان شروع به جریان می کنند. آن شارژهایی که نزدیک به لامپ هستند، یک قدم از مدار عبور می کنند و شروع به تبدیل انرژی از الکتریکی به نور (یا گرما) می کنند.