برق

برق در اطراف ما است – فن آوری قدرت مانند تلفن های همراه ، رایانه ها ، چراغ ها ، آهن آلات لحیم کاری و تهویه هوا. فرار از آن در دنیای مدرن ما دشوار است. حتی وقتی سعی می کنید از برق فرار کنید ، هنوز در سراسر طبیعت کار می کنید ، از رعد و برق در رعد و برق تا سیناپسهای داخل بدن ما.

اما آنچه که دقیقا است برق؟

این یک سؤال بسیار پیچیده است ، و هرچه عمیق تر کاوش می شوید و سؤالات بیشتری می پرسید ، واقعاً یک جواب قطعی وجود ندارد ، فقط نمایش های انتزاعی از ارتباط برق با محیط اطراف ما است.

برق پدیده ای طبیعی است که در سرتاسر طبیعت رخ می دهد و اشکال مختلفی به خود می گیرد. در این آموزش بر روی برق فعلی تمرکز خواهیم کرد:

مواردی که ابزارهای الکترونیکی ما را قدرت می دهد. هدف ما این است که بدانیم جریان برق از طریق منبع برق از طریق سیم ، چراغ های LED ، موتورهای نخ ریسی و برق دستگاههای ارتباطی ما چگونه جریان می یابد.
الکتریسیته به طور خلاصه به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می شود ، اما چیز زیادی در پشت این گفته ساده وجود دارد.

اتهامات از کجا می آید؟ چگونه آنها را جابجا کنیم؟ آنها به کجا می روند؟ چگونه یک بار الکتریکی باعث حرکت مکانیکی می شود یا باعث روشن شدن همه چیز می شود؟ خیلی سؤال!

برای شروع توضیح در مورد نیاز برق برای فراتر از ماده و مولکولها ، اتمهایی را تشکیل می دهیم که در زندگی تعامل می کنند.
این آموزش بر اساس برخی درک اساسی از فیزیک ، نیرو ، انرژی بطور خاص ساخته شده است. ما به اصول اولیه هر یک از این مفاهیم فیزیک می پردازیم ، اما ممکن است به مشورت سایر منابع نیز کمک کند.

رفتن اتمی

برای درک اصول اولیه برق ، باید با تمرکز بر روی اتمها ، یکی از ساختمانهای اساسی زندگی و ماده ، شروع کنیم. اتم ها در بیش از صد شکل مختلف به عنوان عناصر شیمیایی مانند هیدروژن ، کربن ، اکسیژن و مس وجود دارند. برای ساختن مولکولها ، اتمهای مختلفی می توانند ترکیب شوند ، ماده ای را که ما از لحاظ جسمی می توانیم ببینیم و لمس کنیم ، ایجاد می کنیم.
اتمها ریز هستند و حداکثر تا حدود ۳۰۰ پیکومتر طول دارند (یعنی ۳×۱۰ -۱۰ یا ۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۳ متر). یک پنی مس (اگر در حقیقت از ۱۰۰٪ مس ساخته شده باشد) دارای ۳.۲ ۱۰ ۱۰ اتم (۳۲،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰ اتم) مس در داخل آن است.
حتی اتم به اندازه کافی کوچک نیست که بتواند عملکرد برق را توضیح دهد. ما باید سطح دیگری را پایین بیاوریم و به ساختمانهای اتمها نگاه کنیم: پروتون ، نوترون و الکترون.

بلوک های ساختمانی اتم ها

یک اتم با ترکیبی از سه ذره مجزا ساخته شده است: الکترون ، پروتون و نوترون. هر اتم دارای یک هسته مرکزی است ، جایی که پروتون ها و نوترون ها به طور متراکم به یکدیگر بسته می شوند. اطراف این هسته گروهی از الکترونهای مدار هستند.یک مدل اتمی بسیار ساده است. مقیاس نیست بلکه برای درک نحوه ساخت یک اتم مفید است. هسته اصلی پروتونها و نوترونها توسط الکترونهای مداری احاطه شده اند.
هر اتم باید حداقل یک پروتون در آن داشته باشد. تعداد پروتونهای موجود در یک اتم مهم است ، زیرا تعریف می کند که چه عنصر شیمیایی اتم را نشان می دهد. به عنوان مثال ، یک اتم تنها با یک پروتون هیدروژن ، یک اتم با ۲۹ پروتون مس است و یک اتم با ۹۴ پروتون پلوتونیوم است. به این تعداد پروتون ها عدد اتمی اتم گفته می شود .
نوترون ها ، شریک هسته پروتون ، یک هدف مهم را به خدمت می گیرند. آنها پروتون ها را در هسته نگه می دارند و ایزوتوپ یک اتم را تعیین می کنند. آنها برای درک ما از برق بسیار مهم نیستند ، بنابراین بیایید برای این آموزش نگران نباشیم.الکترون ها برای کارایی الکتریسیته بسیار مهم هستند (توجه داشته باشید که یک موضوع مشترک به نام آنها وجود دارد؟) در پایدارترین حالت متعادل ، یک اتم همان تعداد الکترون های پروتون را خواهد داشت. همانطور که در مدل اتم بور در زیر وجود دارد ، یک هسته با ۲۹ پروتون (که آن را تبدیل به اتم مس) می کند توسط تعداد مساوی الکترون احاطه شده است.

همانطور که درک ما از اتمها تکامل یافته است ، روش ما نیز برای مدل سازی آنها نیز وجود دارد. مدل بور مدلهای اتمی بسیار مفیدی است که ما در زمینه برق تحقیق می کنیم.الکترون های اتم همه برای همیشه به اتم محدود نمی شوند. الکترونهای موجود در مدار بیرونی اتم ، الکترونهای ظرفیتی نامیده می شوند. با داشتن نیروی خارجی کافی ، یک الکترون ظرفیتی می تواند از مدار اتم فرار کند و آزاد شود. الکترونهای آزاد به ما امکان می دهند تا شارژ را جابجا کنیم ، این همان چیزی است که برق در آن برقرار است. صحبت در مورد …

هزینه های جاری

همانطور که در ابتدای این آموزش اشاره کردیم ، برق به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می شود. شارژ یک خاصیت ماده است – درست مثل جرم ، حجم یا تراکم. قابل اندازه گیری است همانطور که می توانید مقدار انبوهی را اندازه بگیرید ، می توانید میزان بار آن را اندازه گیری کنید. مفهوم اصلی با اتهام این است که می تواند به دو صورت مثبت (+) یا منفی (-) وارد شود .
به منظور جابجایی شارژ ، ما به حامل های بار نیاز داریم ، و این جایی است که دانش ما در مورد ذرات اتمی – به ویژه الکترون ها و پروتون ها – به دست می آید. الکترون ها همیشه بار منفی دارند ، در حالی که پروتون ها همیشه مثبت هستند. نوترون ها (به نام آنها صادق هستند) خنثی هستند ، هزینه ای ندارند. هر دو الکترون و پروتون همان مقدار متفاوت را دارند ، فقط یک نوع متفاوت.شارژ الکترون ها و پروتون ها مهم است ، زیرا وسیله ای برای اعمال نیرویی بر روی آنها فراهم می کند. نیروی الکترواستاتیک!

نیروی الکترواستاتیک

نیروی الکترواستاتیک (همچنین به آن قانون کولوم گفته می شود ) نیرویی است که بین اتهامات عمل می کند. بیان شده است که اتهامات از همان نوع ، یکدیگر را دفع می کنند ، در حالی که اتهامات مربوط به انواع متضاد با هم جذب می شوند. مخالفان جذب می کنند و دوست دارند دفع کنند .مقدار از نیروی فعال در دو اتهام بستگی دارد تا چه حد آنها از یکدیگر می باشد. هر دو اتهام نزدیک تر می شوند ، نیرو (یا هل دادن به هم ، یا بیرون کشیدن) بیشتر می شود.
به لطف نیروی الکترواستاتیک ، الکترون ها الکترون های دیگر را دور می کنند و به پروتون جذب می شوند. این نیرو بخشی از “چسب” است که اتمها را در کنار هم نگه می دارد ، اما همچنین ابزاری است که برای ساختن الکترون ها (و بارها) به آن نیاز داریم!

جریان شارژ

اکنون همه ابزارهای لازم را برای گردش هزینه های خود داریم. الکترونهای موجود در اتمها می توانند به عنوان حامل بار ما عمل کنند ، زیرا هر الکترون بار منفی دارد. اگر بتوانیم الکترون را از اتم رها کنیم و آن را مجبور به حرکت کنیم ، می توانیم برق ایجاد کنیم.مدل اتمی یک اتم مس را ، یکی از منابع عنصری ترجیحی برای جریان بار در نظر بگیرید. در حالت متعادل ، مس دارای ۲۹ پروتون در هسته خود و تعداد مساوی از الکترونها در اطراف آن است. مدار الکترون ها در مسافت های مختلف از هسته اتم.

الکترون های نزدیک به هسته ، جذابیت بسیار قوی تری نسبت به مرکز نسبت به آنهایی که در مدارهای دور قرار دارند احساس می کنند. بیرونی ترین الکترون های یک اتم الکترون های ظرفیتی نامیده می شوند ، اینها به کمترین میزان نیروی برای آزاد شدن از یک اتم احتیاج دارند.

این یک نمودار اتم مس است: ۲۹ پروتون در هسته ، که توسط نوارهای الکترونهای در گردش احاطه شده اند. الکترونهای نزدیک به هسته به سختی قابل برداشت هستند در حالی که الکترون ولتاژ (حلقه بیرونی) به انرژی نسبتاً کمی نیاز دارد تا از اتم خارج شود.
با استفاده از نیروی الکترواستاتیک کافی روی الکترون ولتاژ – یا فشار آن را با بار منفی دیگر یا جذب آن با بار مثبت – می توانیم الکترون را از مدار اطراف اتم خارج کنیم و یک الکترون آزاد ایجاد کنیم.
اکنون یک سیم مسی را در نظر بگیرید: ماده پر از اتم های بی شماری مس. از آنجا که الکترون آزاد ما در فضایی بین اتمها شناور است ، با بارهای اطراف در آن فضا کشیده و تولید می شود. در این هرج و مرج ، الکترون آزاد درنهایت اتم جدیدی پیدا می کند که بتواند به آن دست یابد. با انجام این کار ، بار منفی آن الکترون الکترون ولتاژ دیگر را از اتم خارج می کند. اکنون یک الکترون جدید در حال جابجایی در فضای آزاد است و به دنبال انجام همان کار است. این اثر زنجیره ای می تواند برای ایجاد جریان الکترون هایی به نام جریان الکتریسیته ادامه یابد .

مدل بسیار ساده ای از اتهامات موجود در اتم ها برای ایجاد جریان.

رسانایی

برخی از عناصر ابتدایی اتمها در آزاد کردن الکترونهای خود از سایرین بهتر هستند. برای به دست آوردن بهترین جریان الکترونیکی ممکن ، ما می خواهیم از اتمهایی استفاده کنیم که خیلی محکم به الکترونهای ظرفیتی خود نباشند. هدایت عنصر اندازه گیری چقدر الکترون را به یک اتم محدود می کند.
عناصر با رسانایی بالا ، که دارای الکترون های بسیار متحرک هستند ، به آنها رسانا می گویند . اینها انواع موادی هستند که می خواهیم از آنها برای ساختن سیم و سایر اجزای سازنده جریان الکترونی استفاده کنیم. فلزاتی مانند مس ، نقره و طلا معمولاً گزینه های برتر برای هادی های خوب هستند.
عناصر با رسانایی پایین عایق بندی می شوند . مقره ها هدف بسیار مهمی را ارائه می دهند: آنها مانع از جریان الکترون ها می شوند. مقره های محبوب شامل شیشه ، لاستیک ، پلاستیک و هوا است.

الکتریسیته ساکن یا فعلی

قبل از اینکه خیلی بیشتر به این موضوع بپردازیم ، بیایید در مورد دو شکل الکتریسیته استفاده کنیم: استاتیک یا جریان: در کار با الکترونیک ، برق فعلی بسیار متداول است ، اما برق استاتیک نیز برای درک اهمیت دارد.

الکتریسیته ساکن

الکتریسیته ساکن در هنگام ایجاد بارهای متضاد در اشیاء جدا شده توسط عایق وجود دارد. الکتریسیته ساکن (مانند “در حالت استراحت”) برق تا زمانی که دو گروه از بارهای متضاد بتوانند مسیری بین یکدیگر پیدا کنند تا تعادل سیستم را پیدا کند.

هنگامی که اتهامات وسیله ای برای تساوی پیدا می کنند ، تخلیه ایستا رخ می دهد. جذابیت اتهامات به حدی زیاد می شود که می توانند حتی بهترین عایق ها (هوا ، شیشه ، پلاستیک ، لاستیک و غیره) را از طریق آن جابجا کنند. تخلیه استاتیک بسته به نوع متوسطی که بارها از آن عبور می کنند و به چه سطحی انتقال می دهند ، مضر است. اتهامات برابر با فاصله هوا می تواند شوک قابل مشاهده ای ایجاد کند زیرا الکترون های مسافرتی با الکترون های موجود در هوا برخورد می کنند ، که هیجان زده می شوند و انرژی را به شکل نور آزاد می کنند.

احتراق شکاف جرقه برای ایجاد یک تخلیه استاتیک کنترل شده استفاده می شود. هزینه های مخالف روی هریک از هادی ها ایجاد می شود تا زمانی که جذابیت آن زیاد باشد بنابراین اتهامات بزرگی در هوا می تواند جریان یابد.
یکی از چشمگیرترین نمونه های تخلیه استاتیک ، صاعقه است . هنگامی که یک سیستم ابر نسبت به گروه دیگری از ابرها یا زمین زمین شارژ کافی را جمع می کند ، این اتهامات سعی می کنند تا برابری کنند. با تخلیه ابر ، مقادیر زیادی از بارهای مثبت (یا بعضی اوقات منفی) در هوا از زمین به ابر جریان می یابد و باعث می شود اثر مرئی که همه با آن آشنا هستیم ، باشد.
برق استاتیک همچنین به طور آشنا وجود دارد هنگامی که بادکنک ها را روی سر خود می مالیم تا موهایمان بلند شود ، یا هنگامی که با دمپایی فازی روی زمین می زنیم و گربه خانواده را شوکه می کنیم (البته تصادفا). در هر حالت ، اصطکاک ناشی از ساییدن انواع مختلف مواد ، الکترون ها را منتقل می کند. جسم الکترونهای از دست رفته مثبت می شوند ، در حالی که جسم به دست آوردن الکترون شارژ منفی می شود. این دو شیء به یکدیگر جذب می شوند تا زمانی که راهی برای برابری پیدا کنند.
با کار با الکترونیک ، ما به طور کلی لازم نیست که با الکتریسیته ساکن مقابله کنیم. وقتی این کار را انجام می دهیم ، معمولاً سعی می کنیم قطعات الکترونیکی حساس خود را در معرض تخلیه استاتیک محافظت کنیم. اقدامات پیشگیرانه در برابر الکتریسیته ساکن شامل پوشیدن بندهای ESD (تخلیه الکترواستاتیک) مچ دست ، یا اضافه کردن اجزای ویژه در مدارها برای محافظت در برابر لکه های بسیار زیاد است.

برق فعلی

برق فعلی نوعی از برق است که تمام دستگاه های الکترونیکی ما را ممکن می کند. این شکل از برق زمانی وجود دارد که شارژ بتواند دائماً جریان یابد . برخلاف برق استاتیک که در آن اتهامات جمع می شود و در حالت استراحت قرار می گیرد ، برق فعلی پویا است ، هزینه ها همیشه در حال حرکت هستند. ما در تمام آموزش های دیگر روی این شکل از برق تمرکز خواهیم کرد.

مدارها

به منظور جریان ، برق فعلی به یک مدار احتیاج دارد : یک حلقه بسته و بی پایان از ماده رسانا. یک مدار می تواند به آسانی به عنوان سیم هدایتی باشد که از انتهای آن به انتها متصل است ، اما مدارهای مفید معمولاً شامل ترکیبی از سیم و سایر مؤلفه هایی هستند که جریان برق را کنترل می کنند. تنها قانونی که برای ساخت مدار وجود دارد این است که آنها نمی توانند شکاف عایق در آنها داشته باشند.
اگر شما سیم پر از اتم های مس دارید و می خواهید جریان الکتریسیته را از طریق آن القا کنید ، تمام الکترون های آزاد به جایی نیاز دارند تا در همان جهت کلی جریان داشته باشند. مس هادی عالی است ، مناسب برای گردش هزینه ها. اگر مدار سیم مسی شکسته شود ، اتهامات از طریق هوا نمی توانند جریان پیدا کنند ، این امر همچنین مانع از رفتن هر یک از اتهامات به سمت وسط به هر نقطه می شود.
از طرف دیگر ، اگر سیم به صورت انتهایی به هم وصل شده باشد ، الکترون ها همه یک اتم همسایه دارند و همه می توانند در یک جهت کلی یکسان حرکت کنند.
اکنون می فهمیم که الکترون ها چگونه می توانند جریان داشته باشند ، اما چگونه می توانیم آنها را در وهله اول جریان دهیم؟ سپس ، هنگامی که الکترون ها جریان می یابند ، چگونه انرژی مورد نیاز برای نور لامپ ها یا موتورهای چرخان را تولید می کنند؟ برای این کار ، باید زمینه های الکتریکی را درک کنیم.

زمینه های برقی

ما یک دسته از نحوه عبور الکترون ها از ماده برای ایجاد برق را داریم. این تنها برق است. خوب ، تقریباً همه اکنون برای القای جریان الکترون ها به یک منبع نیاز داریم. بیشتر اوقات آن منبع جریان الکترون از یک میدان الکتریکی حاصل می شود.

چه زمینه ای؟

یک زمینه ابزاری است که ما برای مدل سازی اثرات متقابل بدنی از آن استفاده می کنیم که هیچ تماسی را مشاهده نمی کند . زمینه ها دیده نمی شوند زیرا از نظر ظاهری جسمی ندارند ، اما تأثیر آنها بسیار واقعی است.
همه ما بطور ناخودآگاه به طور خاص با یک زمینه آشنا هستیم: میدان گرانشی زمین ، تأثیر یک بدن عظیم که اجسام دیگر را جذب می کند. میدان گرانشی زمین را می توان با مجموعه ای از بردارها مدل کرد که همه به مرکز سیاره اشاره می کنند. صرف نظر از اینکه در آن سطح قرار دارید ، نیرویی را خواهید دید که شما را به سمت آن سوق دهد.

استحکام یا شدت مزارع در همه نقاط میدان یکنواخت نیست. هرچه بیشتر از مبدأ میدان باشید ، تأثیر کمتری در این زمینه دارد. با دور شدن از مرکز سیاره ، قدر میدان گرانشی زمین کاهش می یابد.
در حالی که ما به طور خاص به بررسی زمینه های الکتریکی می پردازیم به یاد می آوریم که چگونه میدان گرانشی زمین کار می کند ، هر دو میدان شباهت های زیادی با یکدیگر دارند. مزارع گرانشی بر اجسام جرم نیرو وارد می کنند و میادین الکتریکی بر اجسام شارژ فشار وارد می کنند.

زمینه های برقی

زمینه های الکتریکی (زمینه های الکترونیکی) ابزاری مهم در درک چگونگی شروع و ادامه جریان برق است. زمینه های الکتریکی نیروی کشش یا فشار را در فاصله ای بین بارها توصیف می کنند . در مقایسه با میدان گرانشی زمین ، میدانهای الکتریکی یک تفاوت عمده دارند: در حالی که میدان کره زمین فقط اشیاء دیگر جرم را به خود جذب می کند (از آنجا که همه چیز بسیار جادار است) ، میدانهای الکتریکی دقیقاً به همان اندازه که آنها را جذب می کنند بارها را دور می کنند.
جهت میدانهای الکتریکی همیشه به عنوان مسیری که یک بار تست مثبت در صورت افت در میدان کاهش یابد ، تعریف می شود. هزینه آزمایش باید بی نهایت کوچک باشد تا بتواند از تأثیرگذاری در این زمینه خودداری کند.
می توانیم با ساخت میدان الکتریکی برای بارهای منفی و منفی شروع کنیم. اگر یک بار تست مثبت را نزدیک به یک بار منفی کاهش دهید ، هزینه تست به سمت بار منفی جذب می شود. بنابراین ، برای یک بار منفی ، پیکانهای میدان الکتریکی خود را که از همه جهت به سمت داخل حرکت می کند ، ترسیم می کنیم . همان اتهام آزمایشی که در نزدیکی یک بار مثبت دیگر قرار دارد ، منجر به دافع خارج می شود ، بدین معنی که ما پیکان هایی را که از بار مثبت خارج می شوند بیرون می کشیم .

زمینه های الکتریکی شارژهای منفرد. یک بار منفی دارای یک میدان الکتریکی درونی است زیرا باعث بار مثبت می شود. بار مثبت دارای میدان الکتریکی بیرونی است و مانند شارژها از بین می رود.
برای ساخت میدانهای برقی کامل ، می توان گروه های بار الکتریکی را با هم ترکیب کرد.

زمینه الکترونیکی یکنواخت در بالا از مثبت بودن منفی ، به سمت منفی ها فاصله دارد. تصور کنید که یک آزمایش مثبت مثبت کوچک در زمینه الکترونیکی کاهش یافته است. باید جهت فلش ها را دنبال کند همانطور که دیدیم ، برق معمولاً شامل جریان الکترون ها – بارهای منفی – که در برابر میدان های الکتریکی جریان می یابد .
میدانهای الکتریکی نیروی نیرویی را که ما برای القاء جریان نیاز داریم ، در اختیار ما قرار می دهد. یک میدان الکتریکی در یک مدار مانند پمپ الکترونی است: منبع بزرگی از بارهای منفی که می تواند الکترونها را به حرکت درآورد ، که از طریق مدار به سمت توده مثبت بارها حرکت می کند.
پتانسیل الکتریکی (انرژی)
وقتی ما از برق برای تغذیه مدارها ، دستگاه ها و وسایل خود استفاده می کنیم ، ما در حال تبدیل انرژی هستیم. مدارهای الکترونیکی باید قادر به ذخیره انرژی و انتقال آن به اشکال دیگر مانند گرما ، نور یا حرکت باشند. انرژی ذخیره شده یک مدار ، انرژی پتانسیل الکتریکی نامیده می شود.

انرژی؟ انرژی پتانسیل؟

برای درک انرژی بالقوه باید انرژی را بطور کلی درک کنیم. انرژی به عنوان توانایی یک جسم برای انجام کار بر روی یک شیء دیگر تعریف شده است ، به معنای حرکت آن جسم از فاصله است. انرژی به اشکال مختلفی به وجود می آید ، بعضی از آنها می توانیم ببینیم (مانند مکانیکی) و برخی دیگر نمی توانیم (مانند شیمیایی یا الکتریکی). صرف نظر از این که در چه شکلی قرار دارد ، انرژی در یکی از دو حالت وجود دارد : جنبشی یا پتانسیل.
یک جسم هنگام حرکت انرژی جنبشی دارد . میزان انرژی جنبشی یک جسم به سرعت و میزان آن بستگی دارد. از طرف دیگر ، انرژی پتانسیل در هنگام استراحت یک انرژی ذخیره شده است. در این مقاله توضیح داده شده است که در صورت حرکت ، چه مقدار کار می تواند انجام دهد. این انرژی ای است که می توانیم به طور کلی کنترل کنیم. هنگامی که یک شیء در حرکت است ، انرژی بالقوه آن به انرژی جنبشی تبدیل می شود.

بیایید به عنوان مثال به استفاده از گرانش برگردیم. یک توپ بولینگ که در بالای برج خلیفه بی حرکت است ، انرژی بالقوه (ذخیره شده) زیادی دارد. پس از سقوط ، توپ – که توسط میدان گرانشی کشیده می شود – به سمت زمین شتاب می یابد. با شتاب گرفتن توپ ، انرژی بالقوه به انرژی جنبشی (انرژی حاصل از حرکت) تبدیل می شود. سرانجام تمام انرژی توپ از پتانسیل به سینتیک تبدیل می شود و سپس به هر آنچه که می رسد منتقل می شود. وقتی توپ روی زمین است ، از انرژی بالقوه بسیار پایینی برخوردار است.

انرژی پتانسیل الکتریکی

درست مانند جرم در یک میدان گرانشی دارای انرژی بالقوه گرانشی ، بار در یک میدان الکتریکی دارای یک انرژی پتانسیل الکتریکی است . انرژی پتانسیل الکتریکی یک شارژ توضیح می دهد که چه مقدار انرژی ذخیره شده در بدن ، هنگامی که توسط یک نیروی الکترواستاتیک در حرکت است ، می تواند انرژی جنبشی و تبدیل به انرژی را نشان دهد.
مانند یک توپ بولینگ که در بالای یک برج قرار دارد ، یک بار مثبت در مجاورت یک بار مثبت دیگر از انرژی بالقوه بالایی برخوردار است. آزاد برای حرکت ، این اتهام از اتهام مشابه دفع می شود. یک بار تست مثبت که در نزدیکی یک بار منفی قرار دارد می تواند از انرژی بالقوه کم ، شبیه به توپ بولینگ روی زمین برخوردار باشد.

برای ایجاد هر چیزی با انرژی بالقوه ، باید کار را با حرکت در مسافت انجام دهیم. در مورد توپ بولینگ ، کار با حمل آن ۱۶۳ طبقه ، در مقابل میدان گرانش انجام می شود. به همین ترتیب ، کار باید انجام شود تا بار مثبت در برابر پیکانهای یک میدان الکتریکی (یا به سمت بار مثبت دیگر یا دور از یک بار منفی) انجام شود. هرچه قدر این زمینه بیشتر شود ، کار بیشتری نیز باید انجام دهید. به همین ترتیب ، اگر می خواهید یک بار منفی را از یک بار مثبت – در برابر یک میدان الکتریکی – جدا کنید ، باید کار کنید.
برای هر بار در یک میدان الکتریکی ، انرژی پتانسیل الکتریکی آن به نوع (مثبت یا منفی) ، میزان بار و موقعیت آن در این زمینه بستگی دارد. انرژی پتانسیل الکتریکی در واحدهای ژول ( J ) اندازه گیری می شود .

پتانسیل الکتریکی

پتانسیل الکتریکی بر پایه انرژی پتانسیل الکتریکی بنا می کند تا به تعیین میزان ذخیره انرژی در میادین برقی کمک کند . این یک مفهوم دیگر است که به ما کمک می کند تا رفتار میدان های الکتریکی را الگوسازی کند. پتانسیل الکتریکی است نه همان چیزی که به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی!
در هر نقطه از یک میدان الکتریکی ، پتانسیل الکتریکی مقدار انرژی پتانسیل الکتریکی است که براساس میزان بار در آن نقطه تقسیم می شود. این مقدار بار را از معادله خارج می کند و این ایده را برای ما فراهم می کند که چه مقدار مناطق بالقوه ویژه انرژی میدان الکتریکی می تواند تأمین کند. پتانسیل الکتریکی در واحدهای ژول در هر کولوم ( J / C ) وجود دارد که ما آن را به عنوان ولت (V) تعریف می کنیم .
در هر میدان الکتریکی دو نقطه از پتانسیل الکتریکی وجود دارد که مورد توجه ما قرار گرفته است. یک نقطه پتانسیل بالا وجود دارد ، جایی که یک بار مثبت می تواند بالاترین انرژی ممکن بالقوه را داشته باشد ، و یک نقطه پتانسیل پایین وجود دارد ، جایی که یک بار می تواند کمترین انرژی ممکن بالقوه را داشته باشد.
یکی از رایج ترین اصطلاحاتی که در ارزیابی برق از آن صحبت می کنیم ولتاژ است . ولتاژ اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی است. ولتاژ این ایده را به ما می دهد که چه مقدار نیروی محرکه یک میدان الکتریکی دارد.
با داشتن انرژی بالقوه و بالقوه در زیر کمربند خود ، ما همه مواد لازم برای ساختن برق فعلی را داریم. بیایید این کار را انجام دهیم!
برق در عمل!
پس از مطالعه فیزیک ذرات ، نظریه میدانی و انرژی بالقوه ، اکنون به اندازه کافی می دانیم که بتواند برق را جابجا کند. بیایید یک مدار درست کنیم!
ابتدا اجزای مورد نیاز برای تولید برق را مرور خواهیم کرد:
تعریف برق جریان شارژ است . معمولاً بارهای ما توسط الکترونهای با جریان آزاد انجام می شود.
الکترونهای دارای بار منفی به راحتی در اتمهای مواد رسانا نگه داشته می شوند. با کمی فشار می توانیم الکترون ها را از اتم ها آزاد کنیم و آنها را در یک جهت کلی یکنواخت جریان دهیم.
یک مدار بسته از ماده رسانا مسیری را برای جریان مداوم الکترون ها فراهم می کند.
اتهامات توسط یک میدان الکتریکی منتقل می شود . ما به منبع پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) نیاز داریم که الکترون ها را از نقطه ای از انرژی کم پتانسیل به سمت انرژی بالقوه بالاتر سوق می دهد.

یک مدار کوتاه

باتری ها منابع انرژی مشترکی هستند که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. آنها دو ترمینال دارند که به بقیه مدار وصل می شوند. در یک ترمینال بارهای منفی زیادی وجود دارد ، در حالی که تمام بارهای مثبت از سوی دیگر همبستگی دارند. این یک اختلاف پتانسیل الکتریکی است که فقط در انتظار عمل است!

اگر سیم خود را پر از اتمهای مس رسانا به باتری وصل کنیم ، آن میدان الکتریکی بر الکترونهای آزاد با بار منفی در اتمهای مس تأثیر خواهد گذاشت. همزمان با ترمینال منفی تحت فشار قرار گرفته و توسط ترمینال مثبت کشیده می شود ، الکترون های موجود در مس از اتم به اتم حرکت می کنند و جریان بار را که ما به عنوان برق می شناسیم ، حرکت می کنند.

پس از یک ثانیه از جریان فعلی ، الکترون ها در واقع بسیار کم حرکت کرده اند – کسری از یک سانتیمتر. با این حال ، انرژی تولید شده توسط جریان فعلی بسیار زیاد است ، به خصوص که هیچ چیزی در این مدار برای کاهش سرعت جریان یا مصرف انرژی وجود ندارد. اتصال یک هادی خالص به طور مستقیم با یک منبع انرژی یک ایده بد است . انرژی خیلی سریع از طریق سیستم حرکت می کند و به گرما در سیم تبدیل می شود که ممکن است به سرعت به سیم ذوب یا آتش تبدیل شود.

نور لامپ را روشن می کند

بجای هدر دادن تمام آن انرژی ، نه اینکه بخواهیم باتری و سیم را از بین ببریم ، بیایید مدار بسازیم که کار مفیدی انجام دهد! به طور کلی یک مدار الکتریکی انرژی الکتریکی را به شکل دیگری انتقال می دهد – نور ، گرما ، حرکت ، و غیره. اگر ما یک لامپ کم مصرف را با سیم به داخل باتری وصل کنیم ، یک مدار ساده و کاربردی داریم.

شماتیک: باتری (سمت چپ) که به یک لامپ (سمت راست) وصل می شود ، با بسته شدن سوئیچ (بالا) ، مدار کامل می شود. با بسته شدن مدار ، الکترون ها می توانند از طریق ترمینال منفی باتری از طریق لامپ ، به ترمینال مثبت منتقل شوند.
در حالی که الکترون ها با سرعت حلزون حرکت می کنند ، میدان الکتریکی تقریباً فوراً بر کل مدار تأثیر می گذارد (ما با سرعت زیاد صحبت می کنیم). الکترونها در طول مدار ، چه در کمترین توان ، بالاترین پتانسیل و چه درست در کنار لامپ ، تحت تأثیر میدان الکتریکی قرار دارند. هنگامی که سوئیچ بسته می شود و الکترون ها در معرض میدان الکتریکی قرار می گیرند ، تمام الکترون های موجود در مدار در ظاهر به همان زمان جریان می یابند. این شارژها نزدیکترین لامپ می توانند یک قدم از مدار عبور کرده و انرژی را از الکتریکی به نور (یا گرما) تبدیل کنند.