برق واقعا چگونه تولید می شود؟ – بخش اول

مقدمه

الکتریسیته رو میشه در تمامی تلکنولوژی هایی که امروز در اطراف ما وجود داره ، مثل تلفن ها ، کامپیوترها و … دید و از اجزای جدایی ناپذیر دنیای ما هستند. حتی اگه ما از تکنولوژی هم صرف نظر کنیم ، باز هم الکتریسیته رو میشه در طبیعت دید. مثلا وقتی که یک رعد و برق اتفاق می افته. اما واقعا الکتریسیته چیست؟ این سوال ، سوال بسیار پیچیده ای هست و حتی اگه عمیق تر بشیم و سوالات بیشتری بپرسیم خواهیم دید ، که این سوال پاسخ قطعی و مشخصی نداره و ما هم در این بخش قصد داریم صرفا یک مقدمه ای بگیم از این که الکتریسیته چگونه بر روی زندگی و محیط اطراف ما اثر میذاره. 
هدف نهایی ما هم این هست که بفهمیم الکتریسیته چگونه از منبع تغذیه در سیم ها حرکت می کند ، LED ها را روشن می کند و  موتورها را میچرخاند و تغذیه سایر وسایل ما را فراهم می آورد.

الکتریسیته رو میشه به صورت خلاصه ، حرکت بار الکتریکی تعریف کرد. اما پشت همین جمله مفاهیم عمیقی نهفته است. اصلا بار الکتریکی از کجا میاد؟ ما چجوری میتونیم اون ها رو حرکت بدیم؟ بعد از این که حرکتشون دادیم ، کجا میرن؟ چگونه یک بار الکتریکی باعث روشن شدن یک LED یا چرخیدن یک موتور می شود؟ و این سوالات همچنان ادامه داره. برای این که بفهمیم الکتریسته اصلا چیه ، نیاز داریم که از ماده شروع کنیم و به ملکول و اتم برسیم و اجزای سازنده اتم رو با هم دیگه بهتر بشناسیم. 

در این جلسه و جلسه بعد همچنین به صورت ویژه بر روی یک سری از مفاهیم پایه فیزیکی ، مثل انرژی ، نیرو ، اتم ها ، میدان ها صحبت خواهیم کرد.

بررسی ساختار اتم

برای این که الکتریسیته و مفاهیم مرتبط با اون رو بشناسیم ، لازم هست که وارد اتم ، که بلوک اصلی سازنده ملکول ها و مواد است ، بشیم و ساختار اون رو بهتر  بشناسیم.

اتم ها در 100 ها شکل مختلف وجود دارند. مثلا میشه اون ها رو در المان های شیمیایی مثل هیدروژن ، کربن ، اکسیژن  و مس دید. اتم ها با هم دیگه ترکیب میشن و ملکول ها رو تشکیل میدن و تشکیل ملکول ها هم با هم دیگه ، باعث ایجاد مواد و اجسام میشن که ما اون ها رو لمس می کنیم.

اتم ها بسیار کوچک هستند.  یک پنی انگلیسی ( پنی کوچکترین واحد پول انگیس است ) که100 درصد آن از مس ساخته شده است ، دارای 3.2 * 10²² اتم مس است.

با وجود این که خود اتم بسیار کوچک هست ، اما ما نمیتونیم باز هم الکتریسیته رو باهاش خوب توضیح بدیم و باید یه خورده عمیق تر بشیم و وارد ساختار اتم بشیم و ساختار اون رو بهتر بشناسیم. هر اتم از سه جزء اصلی تشکیل شده است :  پروتون ها ، نوترون ها و الکترون ها. در ادامه قصد داریم در مورد این سه جزء بیشتر صحبت کنیم.

اجزا سازنده اتم ها :

همونطور که گفتیم ، اتم ها از سه بخش اصلی با نام های پروتون ، الکترون ، و نوترون تشکیل شده است. هر اتم دارای یک هسته مرکزی هست که در اون هسته ، پروتون ها و نوترون ها در کنار همدیگه قرار گرفتن و  در اطراف اون هسته هم ، گروهی از الکترون ها ( که در حال چرخش هستند) قرار گرفته اند.

در هر اتم حداقل یک پروتون وجود دارد. همچنین تعداد پروتون های موجود در اتم ها بسیار مهم است. علت این اهمیت هم این هست که تعداد پروتون ها ، مشخص میکنه که چند المان شیمایی در اون اتم وجود داره. مثلا در یک اتم هیدروژن ، فقط یک پروتون وجود داره و یا در یک اتم مس 29 پروتون وجود داره. همچنین در اتم پلوتونیوم 94 پروتون وجود داره. به تعداد پروتون های موجود در یک اتم ، عدد اتمی آن اتم گفته می شود. 

نوترون ها که در جفت پروتون ها در هسته اتم قرار گرفته اند ، نقش مهمی رو بازی می کنند. اون ها پروتون ها رو در هسته نگه می دارند. ما میتونیم مفهوم الکتریسیته رو بدون استفاده از نوترون ها هم بفهمیم ، پس اجازه بدید که در این آموزش خیلی به اون ها توجهی نداشته باشیم.

الکترون ها نقش بسیار مهمی رو در الکتریسیته بازی میکنند. در یک اتم پایدار ، تعداد الکترون ها با تعداد پروتون ها برابر هست. در مدل اتمی بور که در شکل زیر آورده شده است ، هسته که از 29 پروتون تشکیل شده ، توسط 29 الکترون در اطراف خودش احاطه شده است.

الکترون هایی که در یک اتم وجود دارند ، ممکنه به اتم مقید نباشند.به الکترون هایی که در بیشترین فاصله از هسته قرار دارند ، الکترون های ظرفیت گفته می شود.  با استفاده از یک نیروی خارجی ( که به اندازه کافی قوی باشه) الکترون های ظرفیت میتونن از اتم جدا بشن. به این الکترون ها میگن ، الکترون های آزاد به ما این خاصیت رو میدن که بتونیم بار الکتریکی رو جا به جا کنیم که همه داستان الکتریسیته درباره همین حرکت بارهای الکتریکی هست. 

حرکت بارهای الکتریکی

همونطور که در ابتدای این نوشته هم گفتیم ، الکتریسیته در واقع حرکت بارهای الکتریکی هست. بار الکتریکی یک خاصیتی از یک ماده ( مثل جرم و حجم و چگالی و ..) هست که میشه اون رو اندازه گیری کرد. همونطور که ما جرم یک ماده رو اندازه گیری میکنیم ، میتونیم بارالکتریکی یک ماده رو هم اندازه گیری کنیم.  نکته کلیدی در مورد بار الکتریکی این هست که میتونه در دو شکل وجود داشته باشه : مثبت (+) و منفی (-).

برای حرکت بار الکتریکی ، ما نیاز به حامل های بار داریم. این جاست که دانشمون در مورد اتم ها ( به خصوص الکترون ها و پروتون ها) به کمک ما میاد. الکترون ها همیشه ، حمل کننده بار الکتریکی منفی هستند در حالی که پروتون ها دارای بار الکتریکی مثبت هستند. نوترون ها هم خنثی هستند و هیچ بار الکتریکی ای ندارند. الکترون ها و پروتون ها دقیقا یک بار الکتریکی رو حمل میکنند و تنها تفاوتشون در نوع بار الکتریکی شون هست.

نوع بار الکتریکی پروتون ها و الکترون ها مهم هست. چون تعیین کننده دافعه یا جاذبه بودن ، نیروی بین دو الکترون یا پروتون هست. اسم اون نیرو هست ، نیروی الکترواستاتیک. 

نیروی الکترواستاتیک:

نیروی الکترواستاتیک ( که قانون کولمب هم بهش میگن ) نیرویی است که بین بارهای  الکتریکی وجود دارد و و بر طبق این قانون بین بارهای الکتریکی همنام ( مثل منفی و منفی) نیروی دافعه وجود دارد و بین بارهای الکتریکی غیرهمنام ( مثل منفی و مثبت ) نیروی جاذبه وجود دارد.

مقدار این نیرو بستگی به فاصله ای هست که این دو تا بار الکتریکی با هم دیگه دارند. اگه این دو تا به هم دیگه نزدیکتر باشن ، این نیرو قوی تر هست و اگه این دو تا از هم دورتر باشن ، این نیرو ضعیف تر میشه.

با توجه به قانون کولمب ،  بین دو الکترون دافعه و بین یک الکترون و پروتون جاذبه هست. حالا ما میخوایم بارهای الکتریکی رو حرکت بدیم و الکتریسیته رو به وجود بیاریم. 

به حرکت در آوردن بارهای الکتریکی : 

حالا ما تمام ابزارهایی که میتونه بارهای الکتریکی رو به حرکت در بیاره ، در اختیار داریم. الکترون ها میتونن به عنوان حامل های بار منفی در نظر گرفته بشن. چون همونطور که گفتیم ، هر الکترون دارای بار الکتریکی منفی هست. اگه ما یک الکترون رو از اتم جدا کنیم و یک نیرو بهش وارد کنیم تا حرکت کنه ، در این صورت میتونیم الکتریسیته رو ایجاد کنیم. 

مدل اتمی مربوط به اتم مس رو در نظر بگیرید. ( مس یکی از منابع اصلی برای حرکت دادن بارهای الکتریکی است. ) این اتم در حالت پایدار ، 29 پروتون در هسته اش وجود داره و به همین تعداد هم الکترون وجود داره که در اطرافش در حال گردش هستند. این الکترون ها در فاصله های متفاوتی از هسته در حال گردش هستند. طبیعتا هر چه فاصله الکترون تا هسته کمتر باشه ، نیروی جاذبه قوی تری بین اون الکترون و هسته وجود داره. الکترون هایی که در دورترین فاصله قرار دارند رو الکترون های لایه ظرفیت می نامند و برای جداسازی این الکترون ها از هسته ، نیاز به نیروی کمتری وجود داره. ( نسبت به الکترون هایی که در فاصله ی نزدیک تری از هسته قرار دارند. ) 

اگه یک نیروی الکترواستاتیکی به اندازه کافی قوی به یک الکترون لایه ظرفیت ( که ممکنه بین این الکترون و الکترون لایه ظرفیت از اتمی دیگر نیرو دافعه وجود داشته باشد و یا با یک پروتون دیگر ، نیروی جاذبه داشته باشد)  میتونیم اون الکترون رو از هسته جدا کنیم و به یک الکترون آزاد تبدیل کنیم. 

حالا یک سیم مسی رو در نظر بگیرید: جسمی که از بی نهایت اتم مس تشکیل شده است. در حالی که الکترون های آزاد بین اتم های مختلف در فضا ، شناور هستند ، این الکترون ها به وسیله بارهای الکتریکی دیگر جذب یا دفع می شوند. در این هرج و مرج ، در نهایت الکترون های آزاد ، به یک اتم جدید می چسبند. با این کار ، بار الکتریکی منفی اون اتم ، یک الکترون دیگر از لایه ظرفیت اون اتم رو جدا میکنه و یک الکترون آزاد دیگه تشکیل میشه و دوباره این الکترون دنبال یک اتم جدید میگرده و این کار دوباره ادامه پیدا میکنه. این زنجیره که ادامه پیدا کنه ، باعث حرکت مداوم الکترون ها میشه که این حرکت رو جریان الکتریکی می نامند. 

رسانایی

بعضی از عناصر نسبت به بقیه عناصر ، الکترون ها رو راحتتر آزاد میکنند. برای این که جریان الکتریکی خوبی رو داشته باشیم ، باید عناصری رو انتخاب کنیم که جدا کردن الکترون های لایه ظرفیتش دشوار نباشه.

عناصری که الکترون های آزاد زیادی دارند رو عناصر رسانا می نامند و معمولا این عناصر گزینه هایی خوب برای ساختن سیم ها هستند. عناصری مثل مس ، نقره ، طلا از این دست هستند.

از طرف دیگر ، عناصری که الکترون های آزاد کمی دارند را عایق می نامند. عایق ها یک هدف مهم رو دنبال می کنند. اون ها مانع از حرکت جریان الکتریکی میشن. از نمونه های معروف عایق ها میتوان به شیشه ، لاستیک ، هوا ، پلاستیک اشاره کرد.  در شکل زیر مدلی ساده از حرکت بارهای الکتریکی و ایجاد جریان الکتریکی رو مشاهده می کنید:

خوب دوستان. برای این جلسه هم کافی هست. ما یک جلسه دیگه هم در مورد الکتریسیته خواهیم داشت. مثل همیشه میتونید ما رو در تلگرام و یا اینستاگرام دنبال کنید: