برق چیست و چگونه تولید و استفاده می‌شود؟

نکات کلیدی:

• تعریف الکتریسیته: الکتریسیته جریان الکترون‌ها بین دو نقطه است که توسط عدم تعادل در تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها ایجاد می‌شود.

• روش‌های تولید: الکتریسیته از طریق فرآیندهای الکترومکانیکی، الکتروشیمیایی و حالت جامد تولید می‌شود.

• AC در مقابل DC: جریان متناوب (AC) به صورت دوره‌ای جهت خود را تغییر می‌دهد، در حالی که جریان مستقیم (DC) در یک جهت جریان می‌یابد که برای کاربردهای مختلف مناسب است.

• انتقال و توزیع: الکتریسیته به طور مؤثر در ولتاژهای بالا منتقل می‌شود و سپس در ولتاژهای پایین‌تر برای کاربران نهایی توزیع می‌شود.

• مبانی مهندسی برق: درک مفاهیم اساسی مانند جریان الکتریکی، میدان الکتریکی و نحوه تولید و استفاده از الکتریسیته در مبانی مهندسی برق بسیار مهم است.

چندین اختراع، از جمله چرخ، برق، مخابرات و کامپیوتر، تمدن بشری را به طرز چشمگیری تغییر داده‌اند. این مقاله مقدمه‌ای اساسی در مورد برق ارائه می‌دهد و توضیح می‌دهد که چگونه هر ماده‌ای از اتم‌هایی با تعداد مساوی الکترون منفی و پروتون مثبت تشکیل شده است.

در حالت خنثی، مواد تعداد مساوی الکترون و پروتون دارند. پروتون‌ها در هسته اتم ثابت هستند، در حالی که الکترون‌ها در سطوح مختلف در مدار خود می‌چرخند. با این حال، برخی از الکترون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند یا توسط نیروهای خارجی از مدار خود جابجا شوند که منجر به تولید الکتریسیته می‌شود.

در حالت خنثی، تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها در هر قطعه‌ای از ماده یکسان است. اما اگر به نحوی تعداد الکترون‌ها در یک ماده بیشتر از تعداد پروتون‌ها شود، ماده بار منفی پیدا می‌کند زیرا بار خالص هر الکترون منفی است. اگر تعداد الکترون‌ها در یک ماده کمتر از تعداد پروتون‌ها شود، ماده بار مثبت پیدا می‌کند.

غلظت الکترون‌های آزاد تمایل به برابر شدن دارد، که این امر علت اساسی الکتریسیته است. برای مثال، اگر دو جسم رسانا با بارهای مختلف به هم برخورد کنند، الکترون‌ها از جسمی که الکترون‌های بیشتری دارد به جسمی که الکترون‌های کمتری دارد جریان می‌یابند و بار بین آنها را برابر می‌کنند. این جریان الکترون‌ها همان چیزی است که ما الکتریسیته می‌نامیم.

اصطلاحات مرتبط در برق

1. بار الکتریکی: همانطور که قبلاً گفتیم تعداد الکترون‌ها و تعداد پروتون‌ها در یک جسم خنثی برابر است. میزان بار منفی و تغییر مثبت نیز در یک جسم خنثی برابر است زیرا بار الکتریکی یک الکترون و یک پروتون از نظر عددی برابر است اما قطبیت آنها مخالف است. اما به هر دلیلی، تعادل تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها در یک جسم توزیع می‌شود و جسم از نظر الکتریکی باردار می‌شود. اگر تعداد الکترون‌ها بیشتر از پروتون‌ها باشد، جسم بار منفی پیدا می‌کند و میزان بار به تعداد الکترون‌های اضافی در جسم بستگی دارد. به همین ترتیب، می‌توانیم تغییر مثبت یک جسم را توضیح دهیم. در اینجا تعداد الکترون‌ها کمتر از پروتون‌ها می‌شود. مثبت بودن جسم به تفاوت بین پروتون‌ها و الکترون‌های موجود در جسم بستگی دارد.

2. جریان الکتریکی: وقتی بار از یک نقطه به نقطه دیگر جریان می‌یابد تا توزیع بار یکنواخت شود، سرعت جریان بار، جریان الکتریکی نامیده می‌شود. این سرعت عمدتاً به تفاوت بین شرایط بار دو نقطه و شرایط مسیری که بار از آن عبور می‌کند بستگی دارد. واحد جریان الکتریکی آمپر است و چیزی جز کولن بر ثانیه نیست.

3. پتانسیل الکتریکی: سطح وضعیت شارژ یک جسم به عنوان پتانسیل الکتریکی شناخته می‌شود. وقتی جسمی باردار می‌شود، توانایی انجام کاری را پیدا می‌کند. پتانسیل الکتریکی، اندازه‌گیری توانایی یک جسم باردار برای انجام کار است. جریانی که از یک رسانا عبور می‌کند، مستقیماً با اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو انتهای رسانا متناسب است. پتانسیل الکتریکی را می‌توان به عنوان اختلاف سطح آب در دو مخزن آب متصل به یک خط لوله تجسم کرد. سرعت جریان آب از مخزن با ارتفاع بالاتر به مخزن با ارتفاع پایین‌تر به اختلاف سطح یا اختلاف ارتفاع آب در مخازن بستگی دارد، نه به مقدار آب ذخیره شده در مخازن. به همین ترتیب، جریان الکتریکی بین دو جسم به اختلاف پتانسیل بین دو جسم بستگی دارد، نه به مقدار بار ذخیره شده در اجسام.

4. میدان الکتریکی: همیشه بین دو جسم باردار نزدیک به هم نیرویی وجود دارد. این نیرو بسته به ماهیت بار دو جسم، ممکن است جاذبه یا دافعه باشد. وقتی یک جسم باردار وارد ناحیه مجاور جسم باردار دیگری می‌شود، نیرو عملاً تجربه می‌شود. فضایی که یک جسم باردار را احاطه کرده است، جایی که جسم باردار دیگری می‌تواند نیرویی را تجربه کند، میدان الکتریکی جسم قبلی نامیده می‌شود.

انواع برق

1. وقتی برق در آرمیچر یک ژنراتور تولید می‌شود، همیشه متناوب است. این بدان معناست که قطبیت برق در یک بازه زمانی تناوبی تغییر می‌کند. در ژنراتورهای DC، برق تولید شده در آرمیچر از طریق کموتاتور یکسو می‌شود. در آلترناتورها، جریان متناوب تولید شده در آرمیچر از طریق حلقه‌های لغزان به مدار خارجی عرضه می‌شود.

2. وقتی برق جهت خود را تغییر نمی‌دهد، به آن برق DC می‌گویند. باتری‌ها و سلول‌های خورشیدی برق DC تولید می‌کنند.

تولید، انتقال و توزیع برق