الکتریسیته و موارد استفاده آن

مقدمه

الکتریسیته پدیده ای است که با تولید ذرات بار دار الکتریکی ایجاد می شود . دو نوع ذره باردار وجود دارد : مثبت و منفی . این ذرات باردار یون نامیده می شوند. یون ها وقتی ایجاد می شوند که یک اتم خنثی الکتریکی ، یک الکترون در روندی به نام یونیزاسیون از دست بدهد یا بدست آورد . اگر جسمی الکترون اضافی داشته باشد ، بادار منفی و جسمی که کمبود الکترون داشته باشد ، باردار مثبت نامیده می شود . اندازه بار الکتریکی در یک جسم با واحد کولن اندازه گیری می شود .

برای برقراری جریان ، مسیر پیوسته ای نیاز است که مدار نامیده می شود. اگر نقطه ای از این مدار قطع شود عبور جریان متوقف می شود . مدارها از اجزایی نظیر لامپ ، سیم ، آمپرسنج و غیره تشکیل می شوند . اجزای مدار انرژی الکتریکی را توسط جریان الکتریکی حمل می شود و به حالات دیگر انرژی نظیر نور و حرارت تبدیل می کنند .

الکتریسیته چیست ؟

الکتریسیته نوعی انرژی است که از حرکت الکترونها ایجاد می شود . الکترون ها ذرّات خیلی کوچک از اتم هستند . کوچکترین ذرّه یک عنصر ساده را اتم می گویند.

هر اتم از یک هسته و یک یا چند الکترون که دور آن می گردند ، تشکیل شده است هسته از پروتون و نوترون ساخته شده است ( هسته اتم هیدروژن فقط یک پروتون دارد ) الکترون ها بار الکتریکی منفی و پروتون ها بار الکتریکی مثبت دارند .الکترونها یکدیگر را می رانند و پروتون ها نیز بر هم نیز نیروی دافعه دارند امّا بارهای مثبت و منی یکدیگر را جذب می کنند همین نیروی جاذبه و دافعه الکترونها و پروتونها است که مواد را در حالت های جامد و مایع و گاز نگه داشته است. ویژگی های مواد از نظر نرمی ، سختی ، شفّافیت و رسانایی و مقاومت به آرایش اتم ها و تعداد پروتون ها و الکترون ها آنها بستگی دارد . در فلزها هسته هر اتم نمی تواند همه الکترون های اطراف خود را نگه دارند و بعضی از الکترون ها اتم می توانند در میان اتم ها حرکت کنند حرکت همین الکترون ها ی آزاد است که جریان الکتریکی و انرژی الکتریکی را تامین می کند . باطری ها و مولد های الکتریکی ( ژنراتورها) به الکترون ها انرژی می دهند و آنها را به حرکت در می آورند بنابراین انرژی الکتریکی ، یعنی انرژی الکترونهایی که در یک ماده و یا در خلاء می توانند حرکت کنند.

انرژی الکتریکی به طور طبیعی در ابرها وجود دارد. و آثار آن بصورت رعد و برق ظاهر می شود امّا انسان از انرژی الکتریکی طبیعی هنوز بهره نگرفته ، و آن را به روش مصنوعی و با تبدیل انرژی های دیگر تولید می کند .

انرژی الکتریکی در باطری ها از نوع انرژی پتانسیل الکتریکی است . انرژی الکتریکی که برای روشنایی شهر به کار می رود در نیروگاه ها تولید می شود نیروگاه ها می توانند آبی ، سوختی ، و یا هسته ای باشند .

تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم

بسیاری از وسایل الکتریکی جریان مستقیم را به کار می برند . از این رو مفید است که جریان متناوب برق شهر را به جریان مستقیم تبدیل کرد . این کار به وسیله دیود که یک قطعه کوچک الکترونیکی است انجام می شود دیود دارای ویژگی مفیدی است که فقط از یک جهت جریان الکتریکی را از خود عبور می دهد و مانند یک شیر یک طرفه عمل می کند . دیود یک شیر الکترونیکی است که فقط جریان را از یک سو عبور می دهد . دیود را می توان به عنوان یکسو کننده در مدارهای الکترونیکی به کار برد.

تبدیل انرژی تابشی به انرژی الکتریکی

دستگاهی که انرژی تابشی خورشید را بدون استفاده از دستگاه های متحرک به انرژی الکتریکی تبدیل می کند ، سلول خورشیدی یا باطری خورشیدی می گویند . نخستین بار از سلول خورشیدی در سفینه های فضایی استفاده شد و از آن پس ، در وسایل زمینی هم به کار رفت سلول های خورشیدی ، انرژی تابشی خورشید را با بازدهی حدود 5 ت 20 درصد مستقیماً به جریان الکتریسیته تبدیل می کنند . انرژی الکتریکی تولید شده در سلول های خورشیدی ، نسبت به انرژی تولید شده از راه های دیگر گرانتر است ، به این سبب از آنها بیشتر در نقاط کوهستانی و مکان هایی که دور از منابع دیگر الکتریکی هستند استفاده می شود . در دوربین های عکاسی برای نور سنجی و بعضی از ماشین حساب های کوچک ، آنتن های تقویت کننده امواج در بالای کوه ها و نیز در فضا پیما ها از سلول خورشیدی استفاده می شود .

سلول خورشیدی چیست ؟

ارزانترین و موثرترین سلول های خورشیدی ، سلول سیلیسیم است . بلورهای سیلیسیم را از ماسه تهیه می کنند و پس از بریده شدن به صورت لایه هایی در می آورند . سیلیسیم یک عنصر چهار ظرفیتی است که در مدار خارجی هر اتم آن چهار الکترون آزاد وجود دارد امّا از نظر رسانای الکتریکی بسیار ضعیف است . اگر به مقدار بسیار جزئی فلزی مانند فسفر که در مدار خارجی هر اتم آن پنج الکترون آزاد وجود دارد ، به آن اضافه کنیم رسانائی آن افزایش می یابد و الکترون های آزاد می توانند حامل بار الکتریکی در آن باشند . اگر سلول خورشیدی در مسیر نور قرار گیرد فوتون ها به اتم های سیلیسیم بر خورد می کنند و جذب اتم می شوند هر فوتون با انرژی مشخص ، می تواند الکترون ها را از اتم جدا کنند الکترون جدا شده تحت تاٌثیر میدان الکتریکی حرکت می کنند و همین حرکت است که جریان الکتریکی را در مدار بوجود می آورد .

تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی

تاکنون بارها از پیل(قوه) های کوچک و بزرگ و باطریها استفاده کرده اید پیلها و باطریها در وسایلی مانند رادیو ، ضبط صوت ، چراغ قوه و غیره به کار رفته اند . هر پیل یک واحد تولید الکتریسیته و هر باطری مجموعه ای چند پیل است اساس تولید الکتریسته و هر باطری ، مجموعه ای از چند پیل است

اساس تولید الکتریسته در آن ها تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است این تبدیل در بدن موجودات زنده نیز صورت می گیرد و بسیاری از کارها و رفتارهای ما مربوط به نیروهای الکتریکی است که در سلول ها و ماهیچه ها پدیدار می شود

الکساندر ولتا دانشمند ایتالیایی برای نخستین بار یک مولد شیمیایی الکتریسیته ساخت ولتا تعدادی ورقه های فلزی نازکی از مس و روی را تهیه کرد و آن ها را یک در میان روی هم چید و لایه نازکی از نمد آغشته به اسید سولفوریک میان هر ورقه ی مس و روی قرار داد . پس از تشکیل ستونی از این مجموعه به وسیله سیم ، ورقه های مس را به یکدیگر و ورقه های روی را نیز به همدیگر متصل کرد از این مجموعه دو رشته سیم به دست آمد که اگر آن ها را به هم اتصال می دادند جریان الکتریسیته از آن ها می گذشت و جرقه و گرما تولید می شد وسیله ای را که ولتا اختراع کرد به افتخار نامش پیل ولتا نامیدند . پیل در زبان ایتالیا یی به معنی ستون است .

تبدیل انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی

هر گاه دو تیغه فلزی از دو جنس مختلف را از یک سر به یکدیگر لحیم کنیم و از سر دیگر آن دو تیغه را به دو طرف یک آمپر سنج حساس وصل نمائیم ، مشاهده می شود اگر نقطه لحیم شده را به کمک یک شعله گرم کنیم عقربه آمپرسنج عبور جریان را نشان می دهد هر اندازه محل لحیم شده گرم تر شود و اختلاف دمای دو انتهای گرم و سرد تیغه های فلزی ، بیشتر گردد جریان تولید شده بیشتر خواهد بود این آزمایش که اساس کار پیل ترموالکتریک (پیل گرما برقی) است نشان می دهد که انرژی گرمائی می تواند به انرژی الکتریکی به طور مستقیم تبدیل شود . پیل ترمو الکتریک را از چند تیغه فلزهای بیسموت و آنتیموان می سازند این تیغه ها را به ترتیب به هم لحیم می کنند و طرف لحیم شده دو فلز را صفحه فلزی سیاهی قرار می دهند تا گرما را بهتر جذب کند پیل ترمو الکتریک نسبت به تغییر دما ، بسیار حساس است از این رو آن را به عنوان دماسنج به کار می برند با این نوع دماسنج می توانند دمای کوره ها ، شعله ها و حتی دمای اجسام گرمی را که در فاصله دور قرار دارند از روی تابش های گرمایی آن ها مشخص کنند .

تبدیل انرژی هسته ای به انرژی الکتریکی

راکتور اتمی دستگاهی است که در واکنشهای هسته ای کنترل شده ، صورت می گیرد و الکتریسیته تولید می شود برای آنکه در واکنش زنجیری ، انرژی فوق العاده زیادی تولید نشود ، لازم است نوترونهای اضافی تولید شده ، جذب شوند برای این کار ، از میله های کنترل کننده و آب استفاده می شود سوخت راکتور هسته ای اورانیم غنی شده می باشد اورانیم را به شکل میله های فلزی ، درون ظرفی که از آب پر شده ، قرار می دهند . هنگامی که این میله ها در مسیر نوترون ها ، قرار می گیرند ، شکافت هسته ای انجام شده و نوترونهای جدیدی بوجود می آید . سرعت این نوترونها ، بسیار زیاد است و در آب پخش می شوند . در نتیجه برخورد نوترونها با اتم های سبک هیدروژن و اکسیژن ، مقداری از سرعت برخورد کم شده که نوترونهای کند شده نامیده می شود . بخشی از این نوترونهای کند توسط میله هایی از زغال گرافیت که در درون آب قرار دارند ، جذب می شوند و مقداری هم به میله های اورانیم برخورد کرده ، شکافت بعدی را بوجود می آورد در اثر شکافت اتمهار اورانیم ، انرژِی گرمای تولید شده آب را بخار کرده و این بخار آب وارد توربین بخار می شود و آن را به حرکت در می آورد در نتیجه ژنراتور موّلد برق به کار افتاده و برق تولید می کند .

حدود 20% از برق جهان از انرژی هسته ای تأمین می گردد. در ابتدا این انرژِی ارزان به نظر می رسید . مقادیر فراوانی انرژی از کمی سوخت تأمین می گردد مثلاً دو تکه سوخت هسته ای به اندازه دانه های شکر می تواند به اندازه دو و نیم تن زغال سنگ انرژی تولید کنند. اما امروزه خیلی از کشورها استفاده از انرژی هسته ای را کم کرده اند . چون هر چند کارشناسان هزینه هنگفتی را برای ساخت نیروگاه اتمی تخمین می زنند ، امّا آنها هزینه سنگین پژوهش ، برنامه های ایمنی شدید بازیافت زباله های اتمی حاصل از نیروگاه ها را در نظر نمی گیرند . در نگاهی دقیقتر کسانی که در نزدیکی نیروگاهها کار می کنند و یا در نزدیکی آنها زندگی می کنند بیش از دیگران در معرض ابتلا به سرطان خون می باشند

آهن ربای الکتریکی چیست ؟

هنگامی که از یک سیم پیچ ، جریان الکتریکی عبور کند ، سیم پیچ آهن ربا می شود قدرت آهن ربایی آن به شدت جریان ، تعداد دورهای سیم پیچ و شعاع حلقه های آن بستگی دارد . چنانچه در داخل سیم پیچ هسته آهنی قرار داده شود ، نیروی آهنربایی فوق العاده افزایش می یابد از این پدیده و موارد استفاده آن در آهن ربای الکتریکی و زنگ اخبار می توان مثال زد . همچنین باید توجه کرد که جنس هسته بسیار موثر است و باید از آهن نرم و خالص یا آلیاژهای مخصوص فرّومغناطیس نرم باشد . برای جلوگیری از گرم شدن هسته ها آن را بصورت ورقه ورقه می سازند . یکی از کاربردهای آهن ربای الکتریکی در جراثقیل الکتریکی است که در کارخانه ها و کارگاه ها برای بلند کردن و جابجا کردن قطعه ها یا قراضه های آهن سنگین ، از آن استفاده می کنند .

منابع

مبانی فیزیک : مترجمان ( مهدی حاتمی - محمد حسن فدایی)

انرژی و تبدیل آن : اسفندیار معتمدی

انرژی و منابع آن : اسفندیار معتمدی

برق الکتریسیته : نویسندگان (آلن فراسر ، گیلچرپست)

مجموعه کتاب های دانش پایه آهن ربا: محمد رضا خیّاطان

الکتریسیته و موارد استفاده آن

مطالب مشابه :

تحقیق در مورد الکتریسته

مقاله در مورد الکتریسیته ساکن

مقاله در مورد برق

الکترومغناطیس

الکتریسیته

انرژی باد

الکتریسیته و موارد استفاده آن