درسنامه آموزشی دانش فنی پایه کلاس دهم الکتروتکنیک

کلیات

مقدمه: هنرجویان عزیز، شغل مناسب براساس دانش، مهارت، تجربه، علاقه و خصوصیات و توان فردی در انجام یک وظیفه معین می‌شود. شما می‌توانید با یادگیری مفاهیم و عمق بخشی بیشتر به آنها به کمک این درس در زمینه شغلی خود به عنوان یک برق کار، مفید و مؤثر واقع شوید.

امروزه زمینه شغلی برق‌کاران نسبت به گذشته دارای دامنه وسیع‌تری است؛ به طوری که به دلیل تغییر نیاز بازار کار هوشمند‌سازی برق ساختمان (BMS) نصب و سیم‌کشی دستگاه‌های حفاظتی شامل دوربین‌های مداربسته، ضدسرقت، اعلام حریق، برق اضطراری و سیستم آنتن مرکزی، سیستم تلفن، دستگاه‌های صوتی- آیفون صوتی و تصویری و در بازکن جزء وظایف برق‌کاران شده است.

در سال‌های بعد به شایستگی‌های بیشتری در زمینه‌های حرفه‌ای و شغلی برق خواهید رسید. ارتقای این شایستگی‌ها، توانایی برق‌کاران را در فعالیت‌های مرتبط با تجهیزات هوشمند‌سازی برق ساختمان افزایش خواهد داد و راه را برای ایجاد زمینه‌های شغلی و خوداشتغالی و کسب درآمد به منظور زندگی بهتر آنها هموارتر می‌کند.

در ادامه با تعدادی از حرفه‌ها و مشاغل مرتبط با رشته الکتروتکنیک آشنا می‌شوید.

مشاغل مرتبط با رشته الکتروتکنیک

مشاغلی که در کشور در سطوح شغل و حرفه برق برای شما قابلیت دستیابی دارد.

گروه شغلی: برق کار عمومی، ساختمان و صنعت

عنوان شغل	تصویر مرتبط با شغل	شرح شغل
برق کار امور ساختمانی		انجام سیم‌کشی برق ساختمان مسکونی و نصب قطعات الکتریکی
برق کار امور صنعتی		نصب قطعات تابلوهای برق سه فاز (صنعتی، کشاورزی و تجاری)
تعمیرکار و نصاب خطوط برق		انجام امور مربوط به تعمیر، نصب و نگهداری خطوط توزیع برق
تعمیر کار لوازم الکتریکی و الکترونیکی		تعمیر لوازم گردنده و حرارتی برقی خانگی
مربی آموزش حرفه‌ای متوسطه		آموزش مهارت‌های برق‌کاری به هنرجویان و علاقه مندان
اپراتور نیروگاه برق		نگهداری، تست و گزارش عملکرد تأسیسات نیروگاهی یا اتاق کنترل
مسئول کنترل کیفیت		کنترل کیفی محصوالت و خدمات الکتریکی
تابلوساز و نصاب تابلوی برق		نصاب قطعات و چیدمان داخل تابلوی برق
طراح برق و الکترونیک		طراح تأسیسات الکتریکی
مدیر صنعت		مدیر پروژه‌های برقی
تحلیل‌گر سیستم		مهندس تحلیل سیستم
مؤلف و نویسنده مرتبط		نویسندگان و مؤلفین کتب مرتبط با آموزش برق
نصاب و سرویس‌کار سیستم‌های جریان ضعیف		نصاب سیستم‌های حفاظتی
تعمیرکار لوازم خانگی		تعمیر و تعویض قطعات لوازم خانگی
نصب و تعمیرکار بالابر و نفربر		نصب و تعمیر بالابرهای تجاری

تاریخچه برق در ایران

نخستین نیروگاه دولتی برق در سال 1264 شمسی یعنی 6 سال پس از اینکه توماس الوا ادیسون نخستین لامپ برق را اختراع کرد، به دستور ناصرالدین شاه قاجار توسط محمدحسین امین الضرب به ایران وارد شد. این نیروگاه، برق کاخ گلستان را تأمین می‌کرد.

در سال 1284 نخستین نیروگاه خصوصی برق شهری توسط مرحوم حاج حسین مهدوی (امین الضرب) به قدرت 400 کیلووات از نوع حرارتی در شهر تهران نصب و راه اندازی شد. امین الضرب نخستین کسی بود که با دریافت یک امتیازنامه معتبر اقدام به احداث نیروگاه برق شهری در ایران کرد. این نیروگاه در 24 ساعت فقط 6 ساعت برق 220 ولت تک فاز، 380 ولت سه فاز متناوب مشترکین آن زمان را تأمین می‌کرد. چنانچه از امتیازنامه حاج حسین امین الضرب بر می‌آید در این امتیازنامه برپایی کارخانه‌های برق، آجرسازی و نجاری یک جا به وی واگذار شده بود.

همچنین از حدود سال 1303 بخش‌های خصوصی دیگری از جمله کارخانه‌های آرد، ریسندگی، نساجی و برخی شهرداری‌ها، در شهرهای مختلف ایران نسبت به راه‌اندازی نیروگاه‌های کوچک از نوع دیزل و حرارتی برای تأمین بخشی از برق روشنایی مناطق شهری اقدام کردند.

در سال 1316 نخستین نیروگاه برق دولتی به قدرت 6400 کیلووات از نوع حرارتی، توسط بلدیه تهران (شهرداری) در شمال شرقی بیرون دروازه دوشان تپه (میدان شهدا) راه‌اندازی شد و بعدها نیروگاه‌های دیزلی و حرارتی به این نیروگاه اضافه شد.‌

بعضی از این نیروگاه‌ها تا سال 1347 جهت تولید و عرضه نیروی برق مورد بهره‌برداری قرار می‌گرفت. با راه‌اندازی نیروگاه‌های آبی مربوط به سد امیرکبیر، سد دز، سد سفید رود، حرارتی آلستوم ( نیروگاه طرشت) و فرح آباد (بعثت) در سال 1348 و در نتیجه تولید نیروی برق کافی، نیروگاه برق دوشان‌تپه از مدار خارج شد.

الهام از طبیعت

فیبرهای‌نوری با سرعت بسیار زیاد می‌‌توانند داده‌ها را منتقل کرده و انسان را در زمینه ارتباطات جلو ببرند و اسفنج‌های دریایی یک الهام خوب برای ساخت فیبرهای نوری هستند. جنس یکی از اسفنج‌های دریایی از نوعی شیشه ساخته شده که فیبرهای آن بسیار باریک (در حد تار موی انسان) هستند اما اگر در کنار هم جمع شوند، ساختاری بسیار مستحکم می‌سازند.

واحد یادگیری 1: تولید انرژی الکتریکی

مقدمه: انرژی الکتریکی از تبدیل انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی (حرارت)، انرژی جنبشی باد، انرژی خورشیدی، انرژی پتانسیل گرانشی آب، انرژی حاصل از هوای فشرده (گاز) حاصل از جزر و مد آب دریا و سایر موارد به دست می‌آید. و برای این تبدیل انرژی از ژنراتور استفاده می‌شود. محل نصب ژنراتور و تجهیزات مربوط به آن را نیروگاه می‌نامند. نیروگاه‌های برق در دو نوع «جریان متناوب» و «جریان مستقیم» می‌باشند. جریان متناوب را به اختصار با حروف AC جریان مستقیم را به اختصار‌ با حروف DC‌ نشان می‌دهند.

نیروگاه‌های جریان متناوب

نیروگاه‌های جریان متناوب شامل نیروگاه‌های حرارتی، آبی، گازی، دیزلی و سایر موارد می‌باشند. شکل موج ولتاژ و جریان خروجی ژنراتور این نیروگاه‌ها به صورت سینوسی می‌باشد که به آن متناوب گویند. (شکل 1)

الف) نیروگاه حرارتی

نیروگاه حرارتی با انرژی حرارتی حاصل از سوخت‌های فسیلی یا سوخت‌های هسته‌ای، آب را به بخار تبدیل می‌کند توربین (Turbine) انرژی جنبشی بخار را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌نماید. ژنراتور انرژی مکانیکی توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. بازده نیروگاه‌های حرارتی به دلیل اتلاف انرژی حرارتی کمتر از 30 درصد می‌باشد.

ب) نیروگاه آبی

نیروگاه‌ آبی، انرژی پتانسیل گرانشی حاصل از ذخیره سازی آب در پشت سد را توسط توربین به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند و ژنراتور انرژی مکانیکی توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید. (شکل 3)

زمان احداث نیروگاه آبی چندین سال طول می‌کشد و در سرزمین‌هایی قابل استفاده می‌باشد که امکان‌ احداث سد فراهم باشد و احداث آن باعث تخریب و تغییر در شرایط محیط زیست نشود.

پ) نیروگاه گازی

نیروگاه گازی انرژی جنبشی حاصل از هوای فشرده و گرم‌شده را توسط توربین به انرژی‌ مکانیکی تبدیل می‌کند و ژنراتور انرژی‌ مکانیکی توربین را به انرژی‌ الکتریکی تبدیل می‌نماید.

زمان احداث نیروگاه‌های گازی در مقایسه با نیروگاه‌های آبی و حرارتی کمتر می‌باشد اما بازده آنها به دلیل اتلاف انرژی‌ حرارتی کمتر از 30 درصد می‌باشد (شکل4).

ت) نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه‌ سیکل ترکیبی از دو نیروگاه‌ حرارتی و گازی که در مجاورت یکدیگر احداث شده‌اند، تشکیل شده است به این ترتیب که از انرژی حرارتی تلف شده در نیروگاه‌ گازی برای گرم کردن آب نیروگاه حرارتی استفاده می‌شود. بنابراین بازده و خروجی نیروگاه سیکل ترکیبی در مقایسه با نیروگاه‌ حرارتی و گازی بیشتر خواهد بود (شکل5).

ث) نیروگاه بادی

نیروگاه‌ بادی انرژی جنبشی حاصل از باد را توسط توربین به انرژی‌ مکانیکی تبدیل می‌کند و ژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی‌‌ الکتریکی تبدیل می‌نماید. نیروگاه‌ بادی با توجه به شرایط اقلیمی، وزش باد در مدت زمان کمتر از یک سال قابل احداث و بهره‌برداری می‌باشد. رایگان بودن انرژی باد و عدم نیاز به انرژی فسیلی از مزایای مهم نیروگاه‌‌‌‌‌ بادی می‌باشد (شکل6).

ج) نیروگاه دیزلی

نیروگاه دیزلی انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی نظیر گازوئیل را توسط ماشین‌های درون‌سوز به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند و ژنراتور انرژی مکانیکی ماشین درون‌سوز را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید.

نیروگاه دیزلی به صورت نصب ثابت و سیار قابل استفاده می‌باشند (شکل 7).

نیروگاه‌های جریان مستقیم

یکی از نیروگاه‌های جریان مستقیم نیروگاه‌های خورشیدی است که شکل موج ولتاژ و جریان خروجی ژنراتور این نیروگاه‌ها به صورت خط صاف است. یعنی با گذشت زمان مقدار ولتاژ یا جریان تغییر نمی‌کند و ثابت است (شکل 8).

روش‌های تولید انرژی الکتریکی با جریان مستقیم به شرح زیر است:

الف) روش فوتوولتاییک

نور نوعی انرژی است که از ذرات حامل انرژی به نام فوتون به وجود می‌آید. هنگامی که فوتون‌های یک شعاع نوری با جسمی برخورد می‌کنند، انرژی خود را از دست می‌دهند. در بعضی اجسام، انرژی فوتون‌ها باعث آزادی‌ الکترون‌ها می‌شود. انرژی نورانی تابیده شده به یکی از دو صفحه متصل به هم، باعث تخلیه الکترون از یکی به دیگری می‌شود. در نتیجه، مانند باتری در دو صفحه بارهای مخالف ایجاد می‌شود‌‌ (شکل 9). به این اثر فوتوولتاییک (PhotoVoltaic) می‌گویند.

شکل 9- فوتوولتاییک

شکل 10- کاربرد متفاوت انرژی الکتریکی تولید شده توسط نور خورشید

ب) روش شیمیایی

مواد شیمیایی با فلزات مخصوصی ترکیب می‌شوند و واکنش‌های شیمیایی را ایجاد می‌کنند که باعث انتقال الکترون‌ها و تولید بارهای الکتریکی می‌گردد. باتری معمولی از این راه الکتریسیته تولید می‌کند. این پدیده بر قوانین الکتروشیمی مبتنی است. برای مثال، می‌توان باتری تر را نام برد. اسید‌سولفوریک هنگامی که در یک ظرف شیشه‌ای با آب (به عنوان الکترولیت) مخلوط می‌شود، به دو مادۀ شیمیایی هیدروژن (H) و سولفات ($S{o_4}$) تجزیه می‌گردد. به علت طبیعت ترکیبات شیمیایی اتم‌های هیدروژن یون‌های مثبت (${H^ + }$) و اتم‌های سولفات یون‌های منفی ($S{o_4}^{ - 2}$) دارند. تعداد بارهای مثبت و منفی مساوی اند و در نتیجه، کل محلول از نظر بار الکتریکی خنثی است. پس از آن، هنگامی که میله‌های مسی یا روی را به داخل محلول وارد می‌کنیم، با محلول ترکیب می‌شوند (شکل 11).

فلز روی با یون‌های سولفات ترکیب می‌شود. چون این اتم‌ها منفی‌اند، یون‌های مثبت ($Z{n^{ +  + }}$) از میله فلزی روی خارج می‌شوند. در اثر خارج شدن یون‌های مثبت از میله روی، میله دارای الکترون‌های اضافی می‌شود. پس به طور منفی باردار می‌گردد. یون‌های روی با یون‌های سولفات ترکیب می‌شوند، آنها را خنثی می‌کنند. در این حالت، محلول از نظر بارهای مثبت غنی‌تر است. یون‌های مثبت هیدروژن الکترون‌های آزاد میله مسی را جذب و محلول را دوباره خنثی می‌کنند ولی در این حالت، میله مسی کمبود الکترون خواهد داشت. در نتیجه، به طور مثبت باردار خواهد شد.

پ) روش پیزوالکتریک

هنگامی‌ که به بعضی اجسام فشار وارد می‌کنیم، الکترون‌های آنها در جهت نیرو از مدار خارج می‌شوند. در نتیجه، الکترون‌ها یک طرف جسم را ترک می‌کنند و در طرف دیگر آن جمع می‌شوند. بنابراین، در دو جهت مخالف جسم بارهای مثبت و منفی به وجود می‌آیند (شکل12).

به اثر فشار برای تولید الکتریسیته، اثر پیزوالکتریک، می‌گویند. پیزو یک کلمه یونانی به معنای فشار است. این اثر بیشتر در مورد کریستال‌ها و بعضی سرامیک‌های مخصوص خود را نشان می‌دهد. کریستال‌های‌ پیزوالکتریک در بعضی میکروفون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ت) روش ترموالکتریک

بعضی از اجسام الکترون از دست می‌دهند و بعضی دیگر الکترون جذب می‌کنند. در نتیجه بین دو جسم غیرمشابه هنگام اتصال، انتقال الکترون صورت می‌گیرد. فلزات فعال در درجه حرارت معمولی اتاق نیز می‌توانند الکترون آزاد کنند.

بارهایی که در درجه حرارت اتاق تولید می‌شوند، کم هستند؛ ولی اگر محل اتصال دو فلز (مثلاً روی و مس) را حرارت دهیم، انرژی بیشتری آزاد می‌گردد. به روش تولید الکتریسیته به وسیله حرارت‌ ترموالکتریک گفته می‌شود. هرچه حرارت داده شده بیشتر باشد، بار بیشتری تولید می‌شود. هنگامی که حرارت قطع شود، فلزها سرد می‌شوند و بارها از بین می‌روند. به اتصال این دو فلز ترموکوپل می‌گویند (شکل 13). 

هنگامی که چندین ترموکوپل به یکدیگر متصل شوند، یک ترموپیل (باتری حرارتی) به وجود می‌آید. از ترموکوپل برای اندازه‌گیری درجه حرارت در کوره‌ها استفاده می‌شود (شکل14).

معرفی پایگاه اینترنتی: در پایگاه اینترنتی سازمان انرژی‌های نو ایران، «سانا» می‌توانید مطالعات بیشتری در مورد انرژی‌های تجدیدپذیر در تولید برق و منابع این انرژی‌ها در کشورمان‌ ایران، داشته باشید (شکل 15).

انتقال انرژی الکتریکی

انتقال انرژی الکتریکی از محل تولید نیروگاه‌های برق توسط «شبکه‌های انتقال نیرو» به سمت مصرف‌کننده انجام می‌شود.

بخشی از انرژی الکتریکی به هنگام انتقال به حرارت تبدیل می‌شود که آن را «تلفات انرژی در شبکه انتقال نیرو» می‌گویند. به منظور کاهش تلفات انرژی ولتاژ شبکه‌های انتقال نیرو توسط «پست افزاینده» زیاد می‌شود و در انتهای شبکه انتقال نیرو توسط «پست کاهنده» کاهش می‌یابد. برای کاهش یا افزایش ولتاژ از ترانسفورمر استفاده می‌شود. در واقع ترانسفورمر یک مبدل ولتاژ است.

توزیع انرژی الکتریکی

توزیع انرژی الکتریکی توسط «شبکه‌های توضیع» بین مصرف‌کننده‌ها انجام می‌شود. شبکه توزیع، انرژی الکتریکی را از شبکه انتقال نیرو دریافت می‌کند و پس از آن با ولتاژ مناسب بین مصرف کننده‌ها توزیع می‌نماید. تغییر ولتاژ توسط «پست توزیع» در شبکه‌های توزیع انجام می‌شود. (شکل 18).

مصرف کننده‌های انرژی الکتریکی

مصرف کننده‌های انرژی الکتریکی در انتهای مسیر تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی قرار دارند. مصرف کننده‌های انرژی الکتریکی عبارت‌اند از:

- بخش مصارف خانگی
- بخش مصارف صنعتی و تجاری
- بخش مصارف کشاورزی
- بخش مصارف عمومی شامل مراکز فرهنگی، هنری و تفریحی

انرژی الکتریکی در این بخش‌ها در تجهیزات زیر مصرف می‌شود:
- موتورهای الکتریکی مثل یخچال‌ها، کولرها، پمپ‌های صنعتی و آب
- روشنایی مثل لامپ LED، لامپ CFL و فلورسنت
- گرمازا مثل سماور برقی، پلوپز برقی و المنت‌ها و نظایر آن

زمان اوج مصرف انرژی الکتریکی

به ساعاتی که مصرف انرژی الکتریکی در کل کشور زیاد باشد، ساعت اوج (Peak) مصرف انرژی الکتریکی گفته می‌شود. اوج مصرف روزانه شبکه سراسری انرژی الکتریکی به زمان غروب آفتاب، تاریک شدن هوا و وسایل مصرف کننده‌های روشنایی بستگی دارد. در این زمان در بخش تجاری و خانگی مصرف کننده دیگری نظیر یخچال و فریزر و تلویزیون هم زمان با مصرف کننده‌های روشنایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساعات اوج مصرف روزانه انرژی الکتریکی در کشور ما در تابستان بین ساعات 19 تا 23 و در زمستان بین ساعات 18 تا 22 است. همچنین در بعضی از فصل‌های سال (تابستان) مصرف انرژی الکتریکی نسبت به سایر فصول سال به دلیل اضافه شدن وسایل سرمایشی نظیر کولر و... بیشتر است که به آن اوج مصرف فصلی می‌گویند. در شکل 19 پیک مصرف برق کشور (برحسب مگاوات) در تیرماه سال‌های 1392 و 1393 نشان داده‌ شده‌ است.

آشنایی با برچسب انرژی

مردم به دنبال تهیه وسایل برقی با کمترین مصرف انرژی الکتریکی جهت استفاده در زندگی روزمره خود هستند. در عصر تکنولوژی، تنوع بسیاری در نوع و کیفیت محصولات برقی در بازار وجود دارد. انتخاب وسایل برقی و میزان مصرف انرژی برای مصرف‌کنندگان دارای اهمیت و ضرورت بسیاری است. ایجاد اطمینان از کیفیت محصول از طریق آزمایش لوازم برقی و تعیین رتبه کارایی آنها در آزمایشگاه ملی صرفه جویی انرژی انجام می‌شود و برچسب انرژی برای آنها تهیه خواهد شد. برچسب انرژی امروزه در اغلب کشورهای جهان وجود دارد و مصرف ‌کنندگان را با میزان مصرف انرژی هر یک از وسایل خانگی آشنا می‌کند. همچنین اطلاعات مشترک در همه وسایل، اطلاعات اختصاصی مرتبط به هر وسیله انرژی‌بر را در اختیار مصرف‌کنندگان قرار می‌دهد. مصر ف‌کننده می‌تواند با توجه به این اطلاعات در هنگام‌ خرید، دستگاهی را انتخاب کند که در مقایسه با سایر مدل‌های مشابه دارای مصرف انرژی کمتر و بازدهی بیشتری باشد. برچسب انرژی از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است که هر قسمت نمایانگر اطلاعاتی است (شکل 20).

بخش‌های مختلف برچسب انرژی

سه بخش اولیه برچسب که در تمامی وسایل انرژی‌بر خانگی مشترک است به ترتیب نمایانگر علامت تجاری، نام کارخانه سازنده و مدل دستگاه می‌باشد. بخش چهارم برچسب انرژی به وسیله هفت حرف لاتین از A تا G در هفت طیف رنگی درجه بندی شده است که هر یک از حروف و یا رنگ‌ها معرف درجه‌ای از مصرف انرژی و کارایی دستگاه می‌باشد. حرف A نشانگر کمترین مصرف انرژی و بیشترین بازدهی و حرف G نشانگر بیشترین مصرف انرژی و کمترین بازدهی دستگاه است. بنابراین هرچه رتبه برچسب دستگاه بیشتر باشد کارایی آن نسبت به میزان انرژی که مصرف می‌کند بیشتر است. بخش پنجم، نمایانگر مصرف انرژی دستگاه و سایر بخش‌ها بیانگر اطلاعات اختصاصی در مورد هریک از وسایل است. به طور مثال این بخش در ماشین لباسشویی نشانگر میزان قدرت پاک‌کنندگی، قدرت خشک‌کن، ظرفیت و میزان مصرف آب و در یخچال نیز نشانگر حجم قسمت یخچال و فریزر دستگاه می‌باشد و آخرین بخش برچسب انرژی در تمامی وسایل علامت مؤسسه استاندارد را نشان می‌دهد. استفاده از برچسب انرژی مزایای گوناگونی برای مصرف‌کنندگان این گونه وسایل دارد.

1- انتخاب درست و آگاهانه مردم در هنگام خرید وسایل برقی خانگی
2- آشنا‌ ساختن مصرف‌کنندگان یا میزان کارایی و بازدهی وسایل برقی خانگی
3- بهینه‌سازی و کاهش مصرف انرژی
4- کاهش هزینه انرژی مصرفی در خانواده‌ها
5- کاهش آلودگی محیط زیست
6- ارائه اطلاعات اختصاصی ویژه هر وسیله برقی

با توجه به اهمیت و ارزش انرژی، از سال 2010 میلادی درجه‌بندی برچسب انرژی از $A$ به ${A^{ +  +  + }}$ ارتقا داده‌ شده‌ است (شکل 21).

شکل 21- مقایسه برچسب انرژی

 

واحد یادگیری 2: الکتریسیته

مقدمه:

امروزه انرژی الکتریکی بیش از انواع دیگر انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بدون انرژی الکتریکی کاربرد وسایل روشنایی، تلویزیون، تلفن و اغلب وسایل خانگی غیرممکن است. به علاوه، در بیشتر وسایل نقلیه انرژی الکتریکی نقش مهمی بازی می‌کند. به این ترتیب، می‌توان گفت انرژی الکتریکی تقریباً در همه جا به کار می‌رود.

اگرچه الکتریسیته در قرون اخیر مورد استفاده قرار گرفته است ولی یونانی‌ها در حدود 2000 سال پیش آن را کشف کردند. آنها پی بردند که وقتی ماده‌ای به نام کهربا را به ماده دیگری مالش دهند، باردار می‌شود و می‌تواند اجسامی مانند برگ خشک و براده‌های چوب را جذب کند. یونانی‌ها این کهربا را الکترون نام نهادند که کلمه الکتریسیته نیز از آن گرفته شده است. در سال 1733 یک دانشجوی فرانسوی به نام شارل دوفه (Charles Dufay) به این نکته پی برد که یک تکه شیشهٔ باردار بعضی از اجسام باردار را جذب و اجسام باردار دیگر را دفع می‌کند (شکل 22). بنابراین، او چنین نتیجه گرفت که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. در اواسط دهه 1700، بنجامین فرانکلین این دو نوع را بارهای الکتریکی مثبت و منفی نام‌گذاری کرد.

ساختمان اتم

اتم از دو بخش هسته و اطراف هسته تشکیل شده است. درون هسته ذرات پروتون و نوترون قرار دارند و الکترون‌ها بر روی مسیرهایی در اطراف هسته می‌گردند. پروتون‌ها دارای بارالکتریکی مثبت و الکترون‌ها دارای بارالکتریکی منفی می‌باشند و نوترون‌ها از نظر بارالکتریکی خنثی هستند. تعداد پروتون‌های داخل هسته را عدد اتمی می‌گویند. در حالت‌های عادی تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم مساوی هستند لذا اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است (شکل23).

بار الکتریکی هر پروتون برابر بار الکتریکی الکترون است و مقدار بار الکتریکی الکترون برابر $1/6 \times {10^{ - 19}}$ کولن می‌باشد و به صورت زیر نوشته می‌شود:

$e - 1/6 \times {10^{ - 19}}$

مقدار بار الکتریکی الکترون را «بار پایه» در نظر می‌گیرند. مضرب صحیحی از بار پایه را «بار الکتریکی» می‌نامند و آن را با‌ $q$ نشان می‌دهند و از رابطه زیر به دست می‌آید:

$q = n.e$

که در این رابطه:
$q$ بار الکتریکی بر حسب کولن (C)
$n$ تعداد الکترون
$e$ بار الکتریکی الکترون است.

مثال: عدد اتمی مس برابر 29 می‌باشد. بار الکتریکی هسته آن چند کولن است؟ ($e = 1/6 \times {10^{ - 19}}c$)
حل: از رابطه $q - n.e$ می‌توان نوشت:

$q = 29 \times 1/6 \times {10^{ - 19}}$
$q = 46/4 \times {10^{ - 19}}$
$q = 4/64 \times {10^{ - 18}}(C)$

لایه‌ها

لایه مسیری است که الکترون‌ها تحت تأثیر نیروی جاذبه پروتون‌ها به دور هسته می‌گردند. تعداد لایه‌ها‌ی هر اتم متناسب با تعداد الکترون‌های آن می‌باشد.

اتم‌های تمام عناصر می‌توانند تا هفت لایه داشته باشند.

در شکل 24 لایه‌های عناصر مس، کربن و هیدروژن نشان داده شده است.

ظرفیت لایه

ظرفیت لایه نشان دهنده حداکثر الکترون‌های موجود در هر لایه می‌باشد. ظرفیت هر لایه از رابطه زیر به دست می‌آید:

$2{n^2}$=ظرفیت هر لایه

در این رابطه n شماره هر لایه می‌باشد. برای لایه‌های اول و دوم و سوم داریم:

$2{(1)^2} = 2$ لایه اول
$2{(2)^2} = 8$ لایه دوم
$2{(3)^2} = 18$ لایه سوم

ظرفیت دیگر لایه‌ها نیز قابل محاسبه می‌باشد.

لایه خارجی (طبقه والانس)

لایه خارجی آخرین لایه هر‌ اتم است و آن را لایه والانس گویند. الکترون‌های لایه والانس را «الکترون والانس» می‌نامند (شکل 26).

هدایت الکتریکی

هدایت الکتریکی عناصر به تعداد الکترون‌های لایه والانس بستگی دارد. هر چه تعداد الکترون‌های لایه والانس کمتر باشد هدایت الکتریکی بیشتر خواهد‌ شد. هدایت الکتریکی در فلزات بیشتر از سایر عناصر می‌باشد. عناصری که اتم‌هایشان یک الکترون والانس دارند هدایت الکتریکی بهتری خواهند داشت؛ به طور مثال اتم‌های مس، نقره و طلا دارای یک الکترون در لایه والانس هستند. بهترین هادی الکتریکی نقره و پس از آن مس و طلا می‌باشد (شکل 27).

نقره در حجم معینی نسبت به مس دارای اتم‌های بیشتر است و به همین دلیل هدایت الکتریکی نقره بهتر از مس می‌باشد. اما به دلیل گرانی نقره نسبت به مس، سیم‌های برق را از مس می‌سازند البته به دلیل مشابه امروزه آلومینیوم در برخی موارد جایگزین مس شده است.

نیمه هادی

عناصری که در لایه والانس چهار الکترون دارند «نیمه هادی» نامیده می‌شوند. عناصری نظیر ژرمانیوم و سیلیسیم در لایه والانس خود چهار الکترون دارند و جزو نیمه هادی‌‌های معروف هستند.

یون

اتم دارای بار الکتریکی را «یون» گویند. اگر تعداد الکترون‌های اتم بیش از پروتون‌های آن باشد اتم را «یون منفی» گویند شکل (28-ب) و اگر تعداد الکترون‌های اتم کمتر از پروتون‌های آن باشد، اتم را «یون مثبت» گویند شکل (28-الف).

قانون کولن

قانون کولن نیروی میان با‌ر‌های الکتریکی را بیان می‌کند. بنا به تعریف نیروی کولنی بین دو بار الکتریکی با حاصل ضرب مقدار دو بار الکتریکی رابطه مستقیم و با مجذور فاصله میان دو بار نسبت عکس دارد و از رابطه زیر به دست می‌آید.

$F = K\frac{{{q_1}{q_2}}}{{{d^2}}}$

در این رابطه:
$F$ نیروی کولنی میان دو بارالکتریکی بر حسب نیوتن ($N$)
${q_1}$ بار الکتریکی اولبر حسب کولن ($C$)
${q_2}$ بار الکتریکی دوم بر حسب کولن ($C$)
$d$ فاصله میان دو بار بر حسب متر ($m$) است.

$K = 9 \times {10^9}$ :ضریب ثابت $(\frac{{N{m^2}}}{{{C^2}}})$

میدان الکتریکی

در فضای اطراف هر بار الکتریکی خاصیتی وجود دارد که به بارهای الکتریکی دیگر نیرو وارد می‌کند، به این خاصیت «میدان الکتریکی» گویند.

برای نمایش میدان الکتریکی هر بار الکتریکی از خطوط شعاعی استفاده می‌شود و آن را خطوط میدان الکتریکی می‌نامند. طبق قرارداد خطوط میدان الکتریکی از بارهای مثبت خارج و به بارهای منفی وارد می‌شود. خطوط میدان الکتریکی بار مثبت در شکل 29 نشان داده شده است.

و خطوط میدان الکتریکی بار منفی در شکل 30 نشان داده شده است.

خطوط میدان الکتریکی دوبار همنام و هم‌اندازه با نیروی دافعه کولنی در شکل 31 نشان داده شده است.

و خطوط میدان الکتریکی دوبار ناهمنام و هم‌اندازه با نیروی جاذبه کولنی در شکل 32 نشان داده شده است.

شدت میدان الکتریکی

شدت میدان الکتریکی مقدار نیروی کولنی وارد بر واحد بار الکتریکی در هر نقطه می‌باشد و آن را با E نمایش می‌دهند و از رابطه زیر به دست می‌آید:

$E = \frac{F}{q}$

که در این رابطه:
$E$ شدت میدان الکتریکی برحسب نیوتن بر کولن $(\frac{N}{C})$
$F$ نیروی کولنی بر حسب نیوتن ($N$)
$q$ بار الکتریکی بر حسب کولن ($C$)

پتانسیل الکتریکی

یک کره فلزی بر روی پایه عایق مطابق شکل 33 در نظر گرفته شده است.

مقدار کاری که انجام می‌شود تا بار الکتریکی $q$ بر روی کره فلزی انباشته شود به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی U بر روی کره ذخیره شده است (شکل 34).

نسبت انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده به مقدار بار الکتریکی را «پتانسیل الکتریکی» می‌گویند و از از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:

$V = \frac{U}{q}$

که در این رابطه:
$U$ انرژی پتانسیل الکتریکی برحسب ژول ($j$)
$V$ پتانسیل الکتریکی بر حسب ولت ($V$)
$q$ بار الکتریکی بر حسب کولن ($C$)

اگر بار الکتریکی انباشته شده در کره مثبت باشد «پتانسیل الکتریکی مثبت» و اگر منفی باشد «پتانسیل الکتریکی منفی» است.

پتانسیل الکتریکی زمین

پتانسیل الکتریکی زمین صفر است زیرا مقدار بارهای الکتریکی مثبت و منفی آن برابر است. زمین به عنوان منبعی سرشار از بار الکتریکی مثبت و منفی می‌باشد که می‌توان به آن بار الکتریکی داد یا از آن دریافت کرد.

ولتاژ

اختلاف پتانسیل الکتریکی میان دو نقطه را «ولتاژ» می‌نامند و از رابطه زیر به دست می‌آید (شکل 35).

$V = {V_1} - {V_2}$

که در این رابطه:
${V_1}$ پتانسیل الکتریکی نقطه اول برحسب ولت ($V$)
${V_2}$ پتانسیل الکتریکی نقطه دوم برحسب ولت ($V$)
$V$ ولتاژ بین نقاط اول و دوم برحسب ولت ($V$) است.

جریان الکتریکی

شارش بارهای الکتریکی بین دو نقطه را «جریان الکتریکی» گویند. عامل جاری شدن جریان الکتریکی اختلاف پتانسیل الکتریکی میان دو نقطه است (شکل 37).

جریان الکتریکی ناشی از حرکت الکترون‌های آزاد می‌باشد. الکترون آزاد الکترونی است که از لایه والانس جدا شده است و به هیچ اتمی وابسته نیست.

صاعقه یک نمونه از شارش بارهای الکتریکی در اثر اختلاف پتانسیل الکتریکی میان ابر باردار و زمین است، همچنین صاعقه میان دو ابر باردار که دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی هستند نیز نمونه‌ای از شارش بارهای الکتریکی است (شکل 38). صاعقه را تخلیه الکتریکی نیز می‌گویند. تخلیه الکتریکی (صاعقه) ممکن است به ساختمان‌های بلند برخورد نماید و خسارت به بار آورد.

در بیمارستان‌ها برای بیهوش کردن بیماران از ماده‌ای به نام اتر استفاده می‌شود. اتر ماده‌ای فرّار است و بخار آن در فضای اتاق پخش می‌شود. اگر چرخ‌های تخت حامل بیمار لاستیکی باشد، بر اثر مالش این چرخ‌ها با پتو و روکش بیمار ممکن است در آنها الکتریسیته ساکن تولید شود و جرقه بزند. همین جرقه باعث انفجار خواهد شد. امروزه برای جلوگیری از این خطر احتمالی زنجیر فلزی کوتاهی به بدنه فلزی تخت حامل بیمار آویزان می‌کنند که با سطح زمین تماس دارد. بارهای الکتریکی تولید شده از راه این زنجیر به زمین منتقل می‌شود و در نتیجه، از تولید جرقه و بروز پیشامد ناگوار جلوگیری می‌شود.

شدت جریان الکتریکی

مقدار بار الکتریکی شارش یافته در واحد زمان را «شدت جریان الکتریکی» می‌گویند و از رابطه زیر به دست می‌آید:

$I = \frac{q}{t}$

که در این رابطه :
$q$ بار الکتریکی شارش یافته بر حسب کولن ($C$)
$t$ زمان شارش بار الکتریکی بر حسب ثانیه ($S$)
$I$ شدت جریان الکتریکی بر حسب آمپر ($A$)
واحد اندازه‌گیری شدت جریان الکتریکی آمپر است و با ($A$) نشان می‌دهند. شارش یک کولن بار الکتریکی در مدت یک ثانیه را «یک آمپر» گویند.

جهت جریان الکتریکی

جهت جریان الکتریکی از پتانسیل بیشتر به پتانسیل کمتر می‌باشد و مادامی که اختلاف پتانسیل وجود داشته باشد جریان الکتریکی برقرار است (شکل 40).

در شکل (الف) جریان از کره پتانسیل بیشتر به کره با پتانسیل کمتر جاری می‌شود تا پتانسیل الکتریکی دو کره برابر شود (شکل 41).

جهت جریان الکتریکی را می‌توان جهت حرکت بارهای مثبت از پتانسیل الکتریکی بیشتر به پتانسیل الکتریکی کمتر و یا جهت حرکت بارهای منفی از پتانسیل الکتریکی کمتر به پتانسیل الکتریکی بیشتر در نظر گرفت. توجه داشته باشید مقدار جریان الکتریکی اهمیت دارد نه جهت جریان الکتریکی.

مدار الکتریکی

مسیری که در آن جریان الکتریکی برقرار می‌شود را «مدار الکتریکی» گویند. اجزای اصلی هر مدار الکتریکی (Electrical Circuit) عبارت است از:

1- منبع تغذیه
2- مصرف کننده
3- سیم رابط

همچنین هر مدار الکتریکی می‌تواند شامل وسایل کنترلی نظیر کلید و یا تجهیزات حفاظتی نظیر فیوز و یا وسایل اندازه‌گیری الکتریکی نظیر آمپرمتر نیز باشد که آنها را به عنوان اجزای فرعی مدار الکتریکی می‌شناسند (شکل 44)

منبع تغذیه

منبع تغذیه (Power Source) وظیفه تولید انرژی الکتریکی را بر عهده دارد. نیروگاه‌های تولید برق و باتری‌ها منابع تغذیه‌ای هستند که در آنها سایر انرژی‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. منابع تغذیه به دو دسته تقسیم می‌شوند:

الف) منبع تغذیه جریان مستقیم

منبع تغذیه جریان مستقیم، منبعی است که جهت جریان آن تغییر نمی‌کند و آن را با حرف اختصاری DC نشان می‌دهند. ژنراتورهای جریان مستقیم، باتری‌ها و نیروگاه‌های خورشیدی از منابع تغذیه جریان مستقیم هستند. علامت اختصاری منبع تغذیه جریان مستقیم مطابق شکل 45 است.

ب) منبع تغذیه جریان متناوب

منبع تغذیه جریان متناوب منبعی است که جهت جریان آن تغییر می‌کند و دارای فرکانس است و آن را با حرف اختصاری AC نشان می‌دهند. انرژی الکتریکی غالباً توسط ژنراتورها در نیروگاه‌های برق به صورت جریان متناوب تولید می‌شود. علامت اختصاری منبع تغذیه جریان متناوب مطابق شکل 46 است.

مصرف‌کننده الکتریکی

مصرف کننده الکتریکی (Electrical Load)، انرژی الکتریکی را تبدیل یا ذخیره می‌سازد. موتورهای الکتریکی، لامپ‌ها، بخاری برقی و... جزء بارهایی هستند که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی، نور یا حرارتی تبدیل می‌کنند اما بارهای خازنی و یا سلفی که در فصل‌های بعد با آنها آشنا خواهید شد انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌سازند (شکل 47)

سیم رابط

سیم رابط، ارتباط بین منبع تغذیه و مصرف‌کننده الکتریکی را به منظور انتقال انرژی الکتریکی از منبع تغذیه به مصرف‌کننده فراهم می‌سازد (شکل 48)

کلید

در صورتی که قصد قطع و وصل مدار (کنترل مصرف‌کننده) الکتریکی را داشته باشیم، لازم است تا مسیر عبور جریان الکتریکی را قطع یا وصل کنیم که معمولاً این کار توسط کلید انجام می‌گیرد. کلید از اجزای اصلی مدار به حساب نمی‌آید (شکل 49).

واحد‌ یادگیری 3: آثار جریان الکتریکی

تولید گرما به وسیله جریان الکتریکی

جریان الکتریکی هنگام عبور از سیم، در آن مقداری گرما تولید می‌کند. این بدان علت است که مقداری انرژی مصرف می‌شود تا جریان از سیم عبور کند و این انرژی به صورت گرما ظاهر می‌شود .چون عبور جریان از یک هادی خوب آسان‌تر است، نتیجه می‌گیریم که در آن حرارت کمتری تولید می‌شود. شکل 50 موارد استفاده اثر حرارتی الکتریسیته را نمایش می‌دهد.

تولید نور به وسیله جریان الکتریکی

وقتی که از هادی‌های ضعیف جریانی عبور می‌کند، داغ می‌شوند و این گرما را به صورت نور قرمز یا سفید ظاهر می‌کند. در نتیجه، به علت گرما و التهاب، درخشش و روشنایی تولید می‌شود که اساس کار لامپ رشته‌ای است (شکل 51).

نور را می‌توان بدون حرارت زیاد نیز توسط جریان الکتریکی تولید کرد.

بسیاری از گازها به هنگام هدایت جریان یونیزه می‌شوند و تابش‌های نوری تولید می‌کنند. نئون، آرگون و بخار جیوه را می‌توان به عنوان مثال نام برد. موارد استفاده آن را نیز در چراغ‌های معابر و لامپ‌های نئون تبلیغاتی فروشگاه‌ها دیده‌اید.

گازی مانند بخار جیوه هنگام حمل جریان الکتریکی یونیزه می‌شود و اشعۀ ماورای بنفش از خود متصاعد می‌کند. این اشعه با لایه فسفرسانس (پودر سفیدرنگ چسبیده به جداره داخلی لامپ فلورسنت یا مهتابی) برخورد می‌کنند و نور سفید می‌دهند (شکل 52).

تولید مغناطیس به وسیله جریان الکتریکی

هر هادی که جریان الکتریکی از آن بگذرد، مانند یک مغناطیس عمل می‌کند. به این خاصیت، خاصیت مغناطیسی می‌گویند.

در شکل 53 هنگامی که جریان الکتریکی از سیم عبور کند، سیم مانند مغناطیس عمل می‌کند و براده‌های آهن را جذب می‌نماید، در صورت قطع شدن سیم، خاصیت مغناطیسی سیم از بین می‌رود و براده‌ها می‌افتند.

تولید فشار به وسیله جریان الکتریکی

همان طور که نیرو یا فشار در بعضی از کریستال‌ها خمش یا چرخش ایجاد می‌کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی نیز باعث خمش یا چرخش در کریستال می‌شود و نیرو تولید می‌گردد. در شکل 54 وقتی ولتاژ صوتی به کریستال‌های گوشی داده می‌شود، کریستال‌ها ارتعاش می‌کنند و دیافراگم را می‌لرزانند. در نتیجه این امر، صدا از طریق گوشی شنیده می‌شود.

تولید واکنش‌های شیمیایی از طریق جریان الکتریکی

بار الکتریکی نیروی اصلی است که باعث پیوند شیمیایی ترکیبات می‌شود؛ به همین دلیل، برای ایجاد اثرات شیمیایی می‌توان از جریان الکتریکی اختلاف پتانسیل الکتریکی استفاده کرد. در الکتروشیمی به این پدیده الکترولیز می‌گویند.

یک نمونه از کاربرد الکترولیز، آبکاری برقی است. اگر آب با سولفات مس $(S{o_4}cu)$ همراه باشد، سولفات مس به یون‌های مثبت مس $(c{u^{ +  + }})$ و یون‌های منفی سولفات $(S{o_4}^{2 - })$ تجزیه می‌شود.

یون‌های مس به سمت الکترود منفی می‌روند و الکترون جذب می‌کنند ولی چون مس فلز است، به الکترود خواهد چسبید (شکل 55).

پس از مدتی، الکترود به طور کامل در لایه‌ای از مس پوشیده خواهد شد. از این طریق می‌توان با نقره و طلا نیز آبکاری کرد.

منطق فازی در یک نگاه:

برخلاف آموزش سنتی در ریاضی، او منطق انسانی و زبان طبیعت را وارد ریاضی کرد. اگر در ریاضی، دو رنگ سفید و سیاه را صفر و یک تصور کنیم، منطق ریاضی، طیفی به جز این دو رنگ سیاه و سفید نمی‌شناسد. ولی در مجموعه‌های نامعین منطق فازی، بین سیاه و سفید مجموعه‌ای از طیف‌های خاکستری هم لحاظ می‌شود و به این طریق فصل مشترک ساده‌ای بین انسان و رایانه به وجود می‌آید.

این منطق حدود چهل سال پیش در امریکا توسط لطفی‌زاده پایه ریزی شد و برای اولین بار در سال 1353 در اروپا برای تنظیم دستگاه تولید بخار، در یک نیروگاه کاربرد علمی پیدا کرد. تحول واقعی در کاربرد منطق فازی در سال 1359 در ژاپن اتفاق افتاد و در سال 1369 در ژاپن کلمه فازی، به عنوان کلمه سال انتخاب شد.

کاربرد منطق فازی در طبیعت:

دستگاه‌ها و لوازم خانگی کنترل فازی که کنترل پذیری بهتری دارند عبارت‌اند از ماشین لباسشویی و دوربین‌های دیجیتال و ویدئو، یخچال، سیستم‌های تهویه مطبوع، جارو برقی، کنترل خودکار ترافیک، سیستم ترمز اتومبیل‌ها، ماشین‌های صنعتی هوشمند، سیستم‌های تشخیص هویت از روی اثر انگشت یا تصویر مردمک چشم و حتی غلط یاب تایپی در نرم‌افزارهای نگارشی مانند word و... . امروزه هیچ دستگاه الکترونیکی‌ای، مخصوصاً لوازم خانگی بدون این منطق در ساختار خود تولید نمی‌شوند.