آشنایی با الکتریسیته

 بسم الله الرحمن الرحیم

شناخت الکتریسیته

آشنایی با تاریخچه ی برق:

اگر کسی بخواهد تاریخ علم الکتریسیته را به قرن ششم قبل از میلاد بکشاند ، بر او خرده نمیتوان گرفت، زیرا در آن عصر ، کهربا و مغناطیس و برخی از خاصیت های این دو ماده شناخته شده و این سخن از طالس روایت شده است که "مغناطیس در خود روحی دارد که آهن را به جنبش درمیاورد".

اما در واقع علم الکتریسیته از تاریخ 1785 میلادی که کولن قانون الکتریسیته ساکن را یافت و شباهت آن را با قانون جاذبه عمومی نشان داد، آغاز میشود. در سال 1800 میلادی ولتا پیل الکتریکی را اختراع کرد و بالاخره در سال 1871 میلادی با اختراع ماشین گرام راه تبدیل کلان انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس باز شد.

·         اولا به آسانی قابل انتقال از جایی به جای دیگر است.

·         ثانیا قابل تبدیل به هر نوع انرژی دیگر است.

·         ثالثا پاکیزه ترین نوع انرژی است و هیچ نوع آلودگی زیست محیطی ندارد.

هرچند با اختراع پیل در سال 1800 میلادی، استفاده های عملی از انرژی الکتریکی در مواردی مانند تلگراف و تلفن آغاز شد ، اما شروع استفاده کلان از این انرژی به بعد از اختراع ماشین گرام در سال 1871 میلادی مربوط میشود که باید آن را نوع اولیه ی ژانراتور ها و موتور های برق امروزی دانست. نخستین مولد برق در حدود 12 سال پس از اختراع ماشین گرام وارد ایران شده است.

از آنجا که صنعت برق از ابتدای پیدایش تا کنون همواره با موضوع روشنائی همراهی و ملازمه داشته است ، خالی از فایده نخواهد بود که نگرشی به سیر تکامل فن روشنائی و وقایع شاخص تاریخی در این موضوع داشته باشیم:

·         از اوایل قرن 19 میلادی، استفاده از گاز شهری برای تهیه روشنائی و گرما در کشور های اروپایی متداول شد.

·         در سال های دهه 1780 میلادی نفت پالایش و برای مصرف چراغ های نفتی به بازار عرضه شد.(شروع استفاده از این چراغ ها در ایران، به سال های پایانی سلطت ناصرالدین شاه باز میگردد.)

·         در سال 1879 میلادی ، ادیسون لامپ های التهابی خلا را اختراع کرد.

·         در سال 1882 میلادی، ادیسون اولین ایستگاه مرکزی نجاری خود را برای تامین روشنائی در یکی از خیابان های نیویورک تاسیس کرد.

·         در سال 1907 میلادی با استفاده از رشته ی تنگستن، بازده نوی چراغ های التهابی به 8 لومن برای هر وات رسید.

·         در سال 1917 میلادی بازده چراغ های التهابی تا 10 لومن برای هر وات افزایش یافت.

·         در سال 1930 میلادی چراغ های فلوئورسنت با باز دهی 5 برابر چراغ های التهابی وارد بازار شد.

·         بالاخره در سال های اخیر نوع تازه ای از چراغ های فلوئورسنت با استفاده از مدار الکتریکی و با حجم کمتر و طیف نوری بهتر و عمر طولانی تر به نام چراغ های کم مصرف وارد بازار شده است.

میتوان چنین استنباط کرد که تا حدود سال 1306 هجری قمری (1286 هجری شمسی و 1889 میلادی) شبکه های برق رسانی به مفهوم امروزی هنوز عمومیت نیافته بود و برق فقط در اماکن محدود م مخصوص مانند کاخ ها، تئاتر ها و کارخانه ها آن هم در مقیاس کوچک و اساسا به منظور تامین روشنائی مصرف میشد و تبدیل برق به انرژی مکانیکی برای گرداندن چرخ های کارخانه و موارد مشابه ، مراحل ابتدایی خود را طی میکرده است.

ساختمان ماده:

هر چیزی که دیده، احساس و یا به کار برده شود ماده نام دارد. به عبارت دیگر هر چیز دارای حجم که فضایی را اشغال کرده ماده نام دارد. ماده به سه دسته جامد ( سنگ و چوب و...) ، مایع (آب و الکل و...) و گاز (اکسیژن و هیدروژن و ...) تقسیم میشود.

 مواد در طبیعت به دو صورت یافت میشوند:

1-    عنصر:  که جزء اصلی تشکیل دهنده ی ماده است و به مواد دیگر قابل تجزیه نیست.مانند اکسیژن ، هیدروژن،الومینیوم ، جیوه و...

2-    ترکیب: عناصر با یکدیگر ترکیب میشوند و موادی جدید به وجود می آورند مانند: آب=هیدروژن+اکسیژن

 مولکول: کوچیکترین جزء ترکیب که قابل تقسیم به اجزای کوچکتر میباشد که هنوز خواص آن ترکیب را دارا میباشد.

اتم: کوچکترین جزء یک عنصر است که هنوز خواص ان عنصر را دارد. اتم از سه ذره تشکیل شده است ، الکترون ،پروتون و نوترون.

 هسته اتم:قسمت مرکزی اتم که پروتون و نوترون در آن قرار گرفته اند.

 الکترون(e): دارای بار منفی است و قطر آن سه برابر قطر پروتون است ولی 1840 بار از پروتون سبک تر میباشد. الکترون ها در مداراتی به دور هسته در حال چرخش هستند و در تولید الکتریسیته نقش مهمی دارند.

پروتون(P): دارای بار مثبت است. قطر پروتون یک سوم قطر الکترون است ولی 1840 بار ستگیت ار از آن میباشد. در هسته  اتم قرار دارد و جدا کردن آن از هسته بسیار سخت است.

نوترون(N): دارای بار خنثی است و اگر تجزیه شود یک پروتون و یک الکترون حاصل میشود.نوترون به دلیل خنثی بودن، در ماهیت الکتریکی اتم ها دارای اهمیت چندانی نمیباشد.

لایه والانس: به اخرین اتم ها لایه والانس میگویند و همچنین به الکترون های لایه اخر الکترون لایه والانس میگویند اگر به الکترون والانس انرژی کافی داده شود آن الکترون از مدار خارج شده و الکتریسیته به وجود میآید.

نکته: الکترون های قرار گرفته بر روی هر لایه به صورت 2n² میباشد که n تعداد لایه میباشد.

باردار شدن اجسام: اگر اتم های یک جسم خنثی الکترون از دست بدهند و یا الکترون زیاد بگیرند جسم باردار خواهد شد که این امر از سه طریق امکان پذیر است(الکتریسیته ساکن):

1-    اصطکاک یا مالش ( تریبو الکتریک)

2-    تماس یا هدایت

3-    القاء

اثر بارها بر یکدیگر: بارهای هم نام یکدگیر را دفع میکنند و بار های غیر هم نام یکدیگر را جذب میکنند.

آشنایی با هدایت الکتریکی مواد:

مواد از نظر هدایت الکتریکی به سه دسته تقسیم میشوند:

1-    هادی ها ( رساناها): موادی که انرژی الکتریکی را از خود به خوبی خود عبور میدهند را مواد هادی گویند. معمولا عناصر یک تا سه ظرفیتی جزء دسته هادی ها هستند ، البته هادی های خوب فقط یک یا دو الکترون والانس دارند مانند طلا (عدد اتمی 79 و 6 لایه)، نقره (عدد اتمی 67،5 لایه) و مس (عدد اتمی 29،4 لایه). نقره بهترین هادی است و پس از آن مس و طلا قرار داند زیرا نقره در مقدار معینی ماده اتم های بیشتری دارد و در نتیجه قدرت آزاد سازی الکترون های بیشتری را دارد.

نکته: لایه والانسی میتواند تا 8 الکترون داشته باشد.

2-    نیمه هادی (نیمه رساناها): موادی که انرژی الکتریکی کمی را از خود عبود میدهند و تا حدودی با عبور آن مخالفت میکنند. عناصر 4 ظرفیتی جزء نیمه هادی ها میباشند(مانند سیلیسیم و ژرمانیوم).

3-    عایق ها (نارساناها): موادی که انرژی الکتریکی را از خود عبود نمیدهد(عناصر ، 5 تا 8 ظرفیتی) جزء عایق ها هستند(مانند شیشه ، پلاستیک ها کائوچو، میکا و چینی).

نکته: نیمه هادی ها در -273 درجه سانتی گراد یعنی صفر مطلق مثل یک عایق عمل میکنند و در +23 درجه سانتی گراد مثل یک هادی عمل میکنند اما هدایت آن ها به مراتب کمتر از هادی ها میباشد.

آَشنایی با روش های تولید الکتریسیته (جاری):

الکتریسیته به روش های زیر تولید میشود:

·         فشار

·         مالش

·         مواد شیمیایی

·         نور

·         حرارت

·         مغناطیس

1-    الکتریسیته حاصل از فعل و انفعالات شیمیایی(الکترو شیمی): مواد شیمیایی با فلزات مخصوص ترکیب و سبب واکنش هایی شیمیایی میشوند این واکنش ها باعث انتقال الکترون ها و تولید بارهای الکتریکی میشود(مانند باطری).

2-    الکتریسیته حاصل از فشار مکانیکی(پیزوالکتریک): این روش حاصل اثر فشار برای تولید بارهای الکتریکی است زیرا در اثر تغییر حجم الکترون آزاد میشود این اثر خود را بیش تر در کریستال ها نشان میدهد. کاربرد این روش را میتوان در فندک ااتمی و میکروفون مشاهده کرد.

3-    الکتریسیته حاصل از حرارت(ترموالکتریک): اثر حرارت بر دو فلز نامشابه است که منجر به تولید بارهای مخالف در دو فلز میشود(مس و روی). مثل ترموکوپل که یکی از انواع مولد برق و شامل دو فلز غیر هم جنس است این دو فلز از یک طرف به هم متصل هستند و با حرارت دادن محل اتصال در سر آزاد آن ها ، برق تولید میشود( آهن و کنستانتین). جریان تولید شده تابع مقدار درجه حرارت در نقطه اتصال است.

4-    الکتریسیته حاصل از نور(فوتوالکتریک): هنگامی که انرژی نورانی به صورت فوتون با بعضی از اجسام برخورد میکند، این اجسام الکترون آزاد میکنند مانند باتری خورشیدی، فلزاتی نظیر سیلنیوم در اثر جذب نور، الکترون آزاد میکنند.

5-    الکتریسیته حاصل از مغناطیس (الکترومغناطیس): استفاده از اثر میدان مغناطیسی برای به حرکت درآوردن الکترون هاست مانند ژنراتور و دیناموها.

6-    الکتریسیته حاصل از مالش: هرگاه میله شیشه ای را به ابریشم یا یک میله کائوچویی به پشم مالش دهیم، بار الکتریکی تولید میشود. به این بار ها الکتریسیته ساکت میگویند. الکتریسیته ساکن هنگامی به وجود میآید که جسمی الکترون هایش را به جسم دیگر منتقل کند.

 منبع:کتاب مرجع کامل برق ساختمان درجه2