الکتریسیته { بخش دوم } – یک مدار الکتریکی چگونه کار می کند؟

یکی از مثال های معروف در زمینه تخلیه الکترواساتیکی رعد و برق است. وقتی که تخلیه الکترواستاتیکی در بارهای الکتریکی اتفاق می افته ، یک حجم عظیمی از بارهای مثبت ( و گاهی اوقات بارهای منفی ) بین هوا و زمین جا به جا می شوند و باعث دیدن یک رعد و برق می شوند. 

مثلا وقتی که بادکنک رو به موهای خود مالش میدهیم، میتوانیم تخلیه الکترواساتیکی را مشاهده کنیم. در این حالت وقتی جسمی بارالکتریکی را از دست می دهد، دارای بار مثبت می شود و وقتی یک جسم بارالکتریکی را به دست می آورد دارای بار منفی می شود. این دو جسم همدیگر را تا وقتی جذب می کنند که مسیری برای رسیدن تعادل بارها پیدا شود. 

معمولا در دنیای الکترونیک ، ما با تخلیه الکترواساتیکی سر و کار نداریم. چون معمولا از قطعات حساس در برابر این پدیده ، محافظت می کنیم. در آزمایشگاه ها برای جلوگیری از ضربه های ناشی از تخلیه الکترواستاتیکی معمولا یک مچ بند ESD (تخلیه الکترواستاتیکی) را می پوشند و یا قطعه ای خاص را به مدار اضافه می کنند. 

الکتریسیته جاری : 

الکتریسیته جاری ، شکلی از الکتریسیته هست که تمامی مدارهای ما در الکترونیک ، به کمک آن کار می کنند. این شکل از الکتریسیته ، وقتی که بارهای الکتریکی تماما در حال حرکت باشند ، وجود دارد. بر خلاف الکتریسیته ساکن ، که بارها در محلی خاص وجود داشتند و حرکت نمی کردند ، در الکتریسیته جاری بارها دایما در حال حرکت هستند. در ادامه این آموزش ، ما قصد داریم به این شکل از الکتریسیته بپردازیم. 

مدارها: 

به دلیل جاری بودن الکترون ها در الکتریسیته جاری ، ما به یک حلقه بسته که این حلقه از موارد رسانا تشکیل شده است، نیاز داریم. به این حلقه مدار گفته می شود. یک مدار در حالت خیلی ساده می تواند یک سیم باشد که دو سر آن به یکدیگر متصل شده است. اما معمولا در مدارهای کاربری معمولا سیم ها و قطعاتی دیگر در کنار یکدیگر قرار گرفته اند تا جریان الکتریکی را کنترل کنند. تنها قانونی هم که در ساخت مدارها الکتریکی باید به آن ها توجه کنیم ، این است که نمی توان در میانه مدار از شکاف های عایق استفاده کرد. 

اگر ما یک سیمی از مس را در اختیار داشته باشیم و بخواهیم الکترون ها را در آن جاری کنیم، همه الکترون ها به جایی نیاز دارند تا در یک جهت یکسان حرکت کنند.مس یکی از رساناهای بسیارخوب برای حرکت الکترون ها هست.  اگر بخشی از یک سیم مسی موجود در مدار پاره شود، الکترون ها نمی توانند از طریق هوا جاری شوند، چون هوا یک رسانای خوب برای انتقال الکترون ها نیست. 

از طرف دیگر میتوانیم بگوییم اگر یک سیم از دوسر به همدیگر متصل شده باشد، همه الکترون ها می توانند در یک جهت خاص جا به جا شوند. 

تاکنون ما فهمیدیم که الکترون ها چگونه جا به جا شوند. اما به این سوال پاسخ ندادیم که چگونه وقتی یک الکترون حرکت می کند، انرژی لازم برای روشن شدن یک لامپ و یا چرخش یک موتور را  فراهم می کنند؟  برای فهم این موضوع ما به مفهومی به نام میدان الکتریکی نیاز داریم. 

میدان الکتریکی

تاحالا ما توضیح دادیم که چگونه الکترونها حرکت می کنند و الکتریسیته را به وجود می آورند. حال ما به یک منبع برای به حرکت درآوردن الکترون ها نیاز داریم. در اغلب اوقات، منبع حرکت الکترون ها از یک میدان الکتریکی ناشی می شود. 

منظور از یک میدان چیست؟ 

ما از میدان الکتریکی برای نشان دادن تعامل بین بارهای الکتریکی استفاده می کنیم. البته میدان را نمیتوانیم ببینیم ولی اثر آن قابل مشاهده است. 

وقتی صحبت از یک میدان می شود، ناخودآگاه میدان گرانشی زمین در ذهن ما تداعی می شود. یک جرم بزرگ ( زمین) که سایر جرم ها ( مثل ما و اجسام) را جذب می کند. میدان گرانشی زمین را می توان به صورت فلش هایی که همگی به مرکز زمین اشاره می کنند، شبیه سازی کرد و همانطور هم که احساس میکنیم ( جدا از مکانی که بر روی زمین ایستاده ایم)  یک نیروجاذبه ما را به زمین می چسباند. 

شدت یک میدان در همه نواحی آن میدان الزاما یکسان و برابر نیست. هر چه بیشتراز مرکز زمین فاصله بگیریم، شدت میدان گرانشی زمین کاهش می یابد. 

میدان های مختلف دارای شباهت های زیادی هستند. ما در اینجا در مورد میدان گرانشی زمین صحبت کردیم و گفتیم که به اجسام یک نیرویی را وارد میکند. مشابه با میدان گرانشی، میدان الکتریکی نیز به بارهای الکتریکی یک نیرو را وارد می کند. در ادامه قصد داریم در مورد میدان الکتریکی کمی بیشتر توضیح دهیم.

میدان الکتریکی: 

میدان الکتریکی یک ابزار بسیار مهم برای فهمیدن این که الکتریسیته چگونه شروع می شود و ادامه می یابد. میدان الکتریکی را می توان به صورت یک نیروی جاذبه یا دافعه بین بارهای الکتریکی تعریف کنیم. میدان الکتریکی یک تفاوت بزرگ با میدان گرانشی زمین دارد. میدان گرانشی همه اشیا را به سمت زمین جذب می کند ( چون همه اجسام جرم کمتری نسبت به به زمین دارند.)، اما میدان الکتریکی علاوه بر جذب، گاهی اوقات نیروی دافعه نیز بر بارهای الکتریکی وارد می کند. 

جهت میدان الکتریکی همواره به صورت جهت یک بار آزمون مثبت تعریف می شود. معمولا مقدار این بار بسیار کوچک تعریف می شود. علت این موضوع هم این است که میدان الکتریکی بر روی بار تاثیر بگذارد. 

برای ساختن یک میدان الکتریکی ساده، میتوانیم از یک بار مثبت و منفی ساده استفاده کنیم. اگر یک بار مثبت تست و یک بار منفی تست را به یکدیگر نزدیک کنیم، این دو بار یکدیگر را جذب می کنند. برای بارالکتریکی منفی که در شکل زیر رسم شده است، جهت میدان الکتریکی به سمت داخل است. به همین ترتیب برای بارمثبتی که در کنار بار منفی رسم شده، جهت میدان الکتریکی به سمت بیرون است. 

گروهی از بارهای الکتریکی می توانند در کنار یکدیگر قرار بگیرند و یک میدان الکتریکی قوی تر را ایجاد کنند. 

در میدان الکتریکی بالا، پیکان از بار مثبت خارج  و به بار منفی وارد می شود. حال یک بار مثبت را در نظر بگیرید که در این میدان الکتریکی قرار می گیرد. این بار باید جهت پیکان ها را دنبال کند. همانطور که دیده ایم، الکتریسیته معمولا شامل حرکت جمعی از بارهای الکتریکی است که در خلاف جهت میدان الکتریکی حرکت می کنند. 

میدان الکتریکی برای ما یک نیرویی را ایجاد می کند که به کمک آن میتوان جریان الکتریکی را ساخت. یک میدان الکتریکی در یک مدار، مشابه با یک پمپ الکترونی هست. یک پمپ الکترونی، یک منبع بزرگی از الکترون ها است که میتواند آن ها را تحریک کند تا به سمت بارهای مثبت حرکت کنند. 

انرژی پتانسیل الکتریکی

وقتی که از برق برای روشن کردن وسایل و دستگاه های خودمان استفاده میکنیم، در واقع درحال انتقال انرژی هستیم. مدارهای الکترونیکی باید این قابلیت رو داشته باشند که انرژی الکتریکی رو ذخیره و به شکل های دیگر مثل گرما، نور و یا حرکت تبدیل کنند. انرژی الکتریکی ذخیره شده در یک مدار الکتریکی را انرژی پتانسیل الکتریکی می نامند. 

آشنایی با مفهوم انرژی و انرژی پتانسیل : 

برای این که با مفهوم انرژی پتانسیل آشنا بشیم، ابتدا باید با مفهوم انرژی به صورت کلی آشنا بشیم. انرژی را میتوان به صورت توانایی انجام کار یک شی بر روی شی ای دیگر تعریف کرد. مثلا جا به جایی یک جسم  می تواند مثالی از انرژی باشد. انرژی در شکل های متفاوتی وجود دارد. بعضی از این شکل ها ( مثل مکانیکی) را ما میتوانیم ببینیم و بعضی از آنها هم (مثل انرژی شیمیایی و الکتریکی) قابل مشاهده نیستند. بدون در نظر گرفتن این موارد، به صورت کلی میتوان گفت انرژی همواره در دو حالت وجود دارد: انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل. 

انرژی جنبشی وقتی وجود دارد که حرکتی اتفاق افتاده باشد. میزان انرژی جنبشی یک جسم به سرعت و جرم آن جسم بستگی دارد. از طرف دیگر، انرژی پتانسیل، میزان انرژی ذخیره شده یک جسم وقتی که کاری انجام نمی دهد، می باشد. این میزان انرژی تعیین می کند که اگر جسم حرکت کند، چه میزان کار انجام می دهد. این میزان انرژی رو ما میتونیم کنترل کنیم. وقتی که جسمی شروع به حرکت کردن می کند، انرژی پتانسیل آن جسم به انرژی جنبشی تبدیل می شود. 

حال اجازه دهید از مثال جاذبه برای درک مفهوم بهتر انرژی ها استفاده کنیم.  در شکل بالا فرض کنید توپ بی حرکتی داریم که در بالاترین نقطه برج قرار گرفته است. در این حالت توپ دارای انرژی پتانسیل ( ذخیره شده) بسیار زیادی است. در این حالت اگر توپ را رها کنیم، خواهیم دید که توپ به سمت زمین با یک سرعت بالا شروع به حرکت کردن می کند و شتاب می گیرد. در این حالت، انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می شود. در نهایت وقتی که این توپ به زمین میرسه، تمامی انرژی پتانسیل توپ به انرژی جنبشی تبدیل می شود. در این حالت توپ دارای انرژی پتانسیل بسیار کمی می باشد. 

انرژی پتانسیل الکتریکی: 

درست مانند اجسام که در میدان گرانشی زمین دارای انرژی پتانسیل الکتریکی می باشند. بارهای الکتریکی در یک میدان الکتریکی، دارای انرژی پتانسیل الکتریکی می باشند. انرژی پتانسیل الکتریکی یک بار، میزان انرژی ذخیره شده آن بار را توسیف می کند. وقتی که بار به وسیله نیروی الکترواستاتیکی به حرکت در آورده شود ، آن انرژی به انرژی جنبشی تبدیل میشود و بار میتواند کاری را انجام دهد. 

همانند توپ هایی که در بالای برج، دارای انرژِی پتانسیل زیادی بودند. یک بار مثبت هم که در نزدیکی بار مثبت دیگری قراره گرفته، دارای انرژی پتانسیل زیادی است. حال اگر یک بار مثبت را رها کنیم تا به بار منفی برسد، در این حالت انرژی پتانسیل پایینی دارد. دقیقا مشابه با توپی که بر روی زمین قرار گرفته است. 

برای افزایش انرژی پتانسیل ما باید کاری را انجام دهیم. در شکل مربوط به توپ و برج، ما توپ را از برج ( بر خلاف نیروی جاذبه زمین) بالا میبردیم. به طریق مشابه برای ایجاد انرژی پتانسیل در بارهای الکتریکی، باید بار مثبت رو بر خلاف جهت میدان الکتریکی جا به جا کنیم. به طریق مشابه اگر یک بار منفی رو از یک بار مثبت دور کنیم، کاری انجام داده ایم. 

برای هر بار الکتریکی که در این میدان قرار گرفته است، انرژی پتانسیل الکتریکی بستگی به نوع بار ( مثبت یا منفی)، مقدار بار و مکان قرار گیری بار در میدان الکتریکی دارد. انرژی پتانسیل الکتریکی بر حسب ژول اندازه گیری می شود. 

الکتریسیته در عمل

بعد از این که در مورد الکتریسیته و مباحث فیزیکی انرژی توضیحاتی رو ارایه دادیم، حال وقت آن است که کمی در مورد جریان الکتریکی هم توضیح دهم. برای این کار ابتدا لازم است که یک مدار را بسازیم: 

قبل از هر کار یک سری مفاهیم و تعاریف که برای تولید برق استفاده می شود را با یکدیگر مرور میکنیم: 

• منظور از الکتریسیته، حرکت بارهای الکتریکی است. بارهای الکتریکی که در اینجا حرکت میکنند، همان الکترون های آزاد هستند. 
• الکترون های آزاد در مواد رسانا مثل مس به وفور یافت می شوند و آزادانه می توانند حرکت کنند. با یک نیروی کم میتوان این الکترون ها را از اتم جدا کرد و در جهت مشخص به حرکت در آورد. 
• یک مدار الکتریکی، یک مسیر بسته برای الکترون ها ایجاد میکند تا به صورت مداوم در حال گردش باشند. 
• بارها به وسیله میدان الکتریکی حرکت می کنند. ما به یک منبع انرژی پتانسیل ( ولتاژ) نیاز داریم تا الکترون ها را از  نقطه ای که انرژی پتانسیل پایینی دارد به نقطه ای که انرژی پتانسیل بالایی دارد، حرکت دهد. 

مدار اتصال کوتاه: 

باتری ها یک نوع متداول از منابع انرژی هستند که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. باتری ها دارای دو سر هستند که به اجزای مدار متصل می شوند. در یک سر باتری ها تعداد زیادی بار الکتریکی منفی قرار داره و در طرف دیگر هم بار مثبت قرار گرفته است. این همان میدان الکتریکی است که در عمل ما به آن نیاز داریم. 

اگر ما یک سیم مسی رسانا را به یک باتری وصل کنیم. میدان الکتریکی بر روی الکترون های آزاد اتم های مس تاثیر میگذارد. به طور همزمان این الکترون ها توسط قطب منفی باتری دفع و توسط قطب مثبت باتری جذب می شوند و الکترون ها از اتمی به اتم دیگر جا به جا می شوند و جریان الکتریکی و الکتریسته ( و در واقع همان برق)  را ایجاد می کنند. ( در جلسه قبل در مورد این موضوع صحبت کردیم.)