انرژی الکتریکی : انرژی ناشی از حرکت الکترونها در مدار
همه چیز از اتم شروع میشود: الکترون، پروتون و نوترون
برای فهمیدن انرژی الکتریکی، ابتدا باید ساختمان کوچکترین ذره هر ماده یعنی اتم را بشناسیم. تصور کنید یک اتم مانند یک منظومه شمسی بسیار کوچک است. در مرکز آن، هسته قرار دارد که از ذرات پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار) تشکیل شده است. به دور این هسته، ذرات دیگری به نام الکترون (با بار منفی) در مسیرهایی به نام مدار یا پوسته میچرخند.
در حالت عادی، تعداد الکترونها و پروتونها برابر است و اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است. اما الکترونهایی که در دورترین مدار از هسته قرار دارند، پیوند ضعیفتری با هسته دارند و میتوانند تحت تأثیر عوامل خارجی (مثل اصطکاک، باتری، مولد) از اتم خود جدا شوند و به اتم دیگری بپیوندند. این حرکت الکترونها از جایی به جای دیگر، اساس جریان الکتریکی و در نتیجه انرژی الکتریکی است.
جریان الکتریکی چیست و چگونه به وجود میآید؟
جریان الکتریکی به معنای جاری شدن بارهای الکتریکی است. در بیشتر مواد (مانند سیم مسی)، این بارها توسط الکترونهای آزاد منتقل میشوند. برای ایجاد یک جریان مداوم، نیاز به دو شرط داریم:
- منبع انرژی (مانند باتری یا ژنراتور): که نقش یک «پمپ» را ایفا میکند و با ایجاد یک اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ، الکترونها را به حرکت وامیدارد.
- یک مسیر بسته (مدار الکتریکی): که الکترونها بتوانند در آن حرکت کنند.
در یک مدار ساده متصل به باتری، الکترونها از قطب منفی باتری خارج شده، از طریق سیم و وسیلهای مانند لامپ عبور کرده و به قطب مثبت باتری بازمیگردند. این حرکت منظم الکترونها، انرژی الکتریکی را حمل میکند و وقتی به لامپ میرسد، این انرژی به شکلهای دیگری مانند نور و گرما تبدیل میشود.
| مفهوم الکتریکی | شبیهسازی با سیستم آب | واحد اندازهگیری |
|---|---|---|
| ولتاژ (V) یا اختلاف پتانسیل | فشار آب درون لوله | ولت (V) |
| جریان (I) یا شدت جریان | میزان آبی که در ثانیه از لوله عبور میکند | آمپر (A) |
| مقاومت (R) | تنگ شدن یا اصطکاک داخل لوله که مانع از جریان آب میشود | اهم (Ω) |
| انرژی الکتریکی | کل آبی که از لوله گذشته و میتواند کاری انجام دهد (مثل چرخاندن چرخ آبی) | کیلوواتساعت (kWh) |
قانون اهم: رابطه ریاضی بین ولتاژ، جریان و مقاومت
جرج اهم فیزیکدان آلمانی، رابطه ساده اما قدرتمندی بین سه کمیت اصلی مدارهای الکتریکی کشف کرد. طبق قانون اهم، در یک دمای ثابت، جریان گذرنده از یک مقاومت، مستقیماً با ولتاژ دو سر آن نسبت مستقیم و با مقدار مقاومت آن نسبت معکوس دارد.
که در آن:
$V$ = ولتاژ بر حسب ولت (V)
$I$ = جریان بر حسب آمپر (A)
$R$ = مقاومت بر حسب اهم (Ω)
مثال: اگر یک لامپ کوچک با مقاومت 12 Ω به یک باتری 6 V وصل شود، جریان عبوری از آن چقدر است؟
با استفاده از فرمول: $I = \frac{V}{R} = \frac{6}{12} = 0.5 A$. یعنی جریانی معادل نیم آمپر از لامپ میگذرد.
انرژی الکتریکی چگونه تولید میشود؟ (از نیروگاه تا پریز برق)
الکترونها خودبهخود در یک مدار حرکت نمیکنند. برای تولید انبوه انرژی الکتریکی، باید از منابع دیگر انرژی استفاده کنیم تا الکترونها را به حرکت درآوریم. این کار عموماً با استفاده از پدیده القای الکترومغناطیسی[8] انجام میشود. وقتی یک آهنربا در نزدیکی یک سیم پیچ حرکت میکند، باعث به حرکت درآمدن الکترونهای داخل سیم و ایجاد جریان الکتریکی میشود.
در نیروگاهها، یک توربین (چرخ بزرگ) توسط یک منبع انرژی اولیه میچرخد. این توربین، یک آهنربای بزرگ داخل ژنراتور را به چرخش درمیآورد و در نتیجه، در سیمپیچهای اطراف آن، انرژی الکتریکی تولید میشود.
| نوع نیروگاه | منبع انرژی اولیه | نحوه چرخاندن توربین | مزایا / معایب کلی |
|---|---|---|---|
| حرارتی (ذغالسنگ، گاز) | سوخت فسیلی | سوختن سوخت، آب را به بخار داغ تبدیل کرده و بخار توربین را میچرخاند. |
آلاینده
قابل کنترل
|
| برقآبی | انرژی پتانسیل آب پشت سد | آب از ارتفاع رها شده و با فشار به پرههای توربین برخورد میکند. |
پاک
وابسته به موقعیت
|
| باد | انرژی جنبشی باد | باد مستقیماً پرههای توربین بادی را میچرخاند. |
تجدیدپذیر
متغیر
|
| خورشیدی (فتوولتائیک) | نور خورشید | سلول خورشیدی با جذب فوتون، الکترونها را مستقیماً به حرکت درمیآورد (بدون توربین). |
پاک و بیصدا
وابسته به روز/شب
|
تبدیل انرژی الکتریکی به سایر شکلهای انرژی در زندگی روزمره
مهمترین خاصیت انرژی الکتریکی، تبدیل آسان آن به شکلهای دیگر انرژی است. این همان چیزی است که وسایل برقی خانه و مدرسه ما را مفید میکند. این تبدیلها بر اساس قانون پایستگی انرژی رخ میدهند؛ انرژی از بین نمیرود، فقط از شکلی به شکل دیگر تغییر میکند.
مثالهای عینی:
لامپ رشتهای: انرژی الکتریکی → انرژی نورانی + انرژی گرمایی (بسیار زیاد).
سشوار: انرژی الکتریکی → انرژی گرمایی (برای گرم کردن هوا) + انرژی مکانیکی (برای چرخاندن فن).
باتری ماشین اسباببازی: انرژی شیمیایی داخل باتری → انرژی الکتریکی → انرژی مکانیکی در موتور.
شارژر تلفن همراه: انرژی الکتریکی از پریز → انرژی شیمیایی در باتری گوشی (ذخیره میشود).
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. سرعت خود الکترونها (سرعت دریا[9]) بسیار کم است، در حد میلیمتر در ثانیه. اما سیگنال یا اثر میدان الکتریکی با سرعت بسیار بالا (نزدیک به سرعت نور) در طول سیم منتشر میشود. مثل این است که یک لوله پر از توپ بیلیارد را در نظر بگیرید؛ اگر به یک سر آن یک توپ جدید وارد کنید، تقریباً بلافاصله توپ از سر دیگر خارج میشود، در حالی که هر توپ فقط کمی جابهجا شده است.
پاسخ: خیر، هر دو مربوط به بارهای الکتریکی هستند اما با هم تفاوت دارند. در الکتریسیته ساکن (مانند جرقه دست به دستکش یا چسبیدن بادکنک به دیوار)، بارهای الکتریکی در یک جا جمع میشوند و حرکت نمیکنند (ساکن هستند). در جریان الکتریکی، بارها به طور پیوسته و منظم در یک مسیر بسته (مدار) حرکت میکنند.
پاسخ: این به ساختار اتمی و تعداد الکترونهای آزاد ماده بستگی دارد. در رساناها (مانند مس، طلا، آلومینیوم)، الکترونهای لایه آخر اتمها به راحتی میتوانند آزاد شده و حرکت کنند. در نارساناها یا عایقها (مانند چوب خشک، پلاستیک، شیشه)، الکترونها به شدت به هسته اتم خود وابسته هستند و نمیتوانند آزادانه حرکت کنند.
پاورقی
[1] انرژی الکتریکی (Electrical Energy).
[2] الکترون (Electron).
[3] رسانا (Conductor).
[4] مدار الکتریکی (Electric Circuit).
[5] ولتاژ (Voltage) یا اختلاف پتانسیل الکتریکی (Electric Potential Difference).
[6] جریان (Current) یا شدت جریان الکتریکی (Electric Current).
[7] مقاومت (Resistance).
[8] القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction).
[9] سرعت دریا (Drift Velocity) به میانگین سرعت خالص الکترونها در یک رسانا تحت تأثیر میدان الکتریکی گفته میشود.
