برق یا الکتریسیته

توضیحات:

  • به نام خدا

    برق یا الکتریسیته (Electricity) مجموعه ای از پدیده های فیزیکی است که به وجود و حرکت بار الکتریکی مرتبط هستند. اگرچه در ابتدا گمان می رفت این پدیده ربطی به پدیده مغناطیس ندارد، اما از زمان ارائه روابط ماکسول، هر دو این پدیده ها به عنوان بخشی از یک پدیده کلی شناخته می شوند.


    این پدیده کلی الکترومغناطیس نام دارد. پدیده های متداول مختلفی به الکتریسیته مربوط هستند که از بین آن ها می توان به صاعقه، الکتریسیته ساکن، گرمایش الکتریکی، تخلیه الکتریکی و بسیاری دیگر اشاره کرد.

    وجود بار الکتریکی، که می تواند مثبت یا منفی باشد، باعث به وجود آمدن یک میدان الکتریکی می شود. حرکت بار های الکتریکی را جریان الکتریکی می گویند که باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی می شود.

    وقتی یک بار الکتریکی در محلی با میدان الکتریکی غیر صفر قرار می گیرد، نیرویی به آن وارد می شود. مقدار این نیرو با استفاده از قانون کولمب محاسبه می شود. اگر آن بار حرکت کند، میدان الکتریکی بر روی آن بار، کار انجام می دهد. بنابراین ما می توانیم از پتانسیل الکتریکی یک نقطه خاص در فضا صحبت کنیم که برابر است با کار انجام شده توسط یک عامل خارجی به منظور حمل بدون شتاب بار الکتریکی مثبت واحد از یک نقطه مبنای دلخواه به آن نقطه خاص مورد نظر و اغلب با واحد ولت سنجیده می شود.

    الکتریسیته در قلب بسیاری از تکنولوژی های مدرن قرار دارد و به شکل های زیر مورد استفاده قرار می گیرد:

    توان الکتریکی که در آن، از جریان الکتریکی برای تامین انرژی تجهیزات و دستگاه های مختلف استفاده می شود.
    الکترونیک که با مدار های الکتریکی دارای اجزای الکتریکی فعال مانند لامپ های خلا، ترانزیستور ها، دیود ها و مدار های مجتمع(IC) و تکنولوژی های منفعل مربوط به آن ها سر و کار دارد.
    پدیده های الکتریکی از دوران باستان مورد مطالعه قرار می گرفتند؛ اگرچه پیشرفت در درک نظری این پدیده ها تا قرن های 17 و 18 میلادی کند بود. حتی در این زمان هم کاربرد های الکتریسیته بسیار کم بود و تنها در اواخر قرن 19 میلادی بود که مهندسین برق توانستند از آن برای مصارف صنعتی و خانگی بهره ببرند. گسترش سریع فناوری های الکتریکی در این برهه، صنعت و جامعه را متحول کرد و به عنوان نیروی پیشرانه دومین انقلاب صنعتی شناخته شد. تطبیق پذیری خارق العاده الکتریسیته بدان  معناست که می توان از آن در تعداد نامحدودی کاربرد های مختلف که شامل حمل و نقل، تولید گرما، تولید نور، ارتباطات و محاسبات می شوند، بهره برد. توان الکتریکی امروزه ستون فقرات جامعه مدرن صنعتی به شمار می رود.

     
    تاریخچه برق یا الکتریسیته
    مدت ها قبل از این که هرگونه دانشی در زمینه الکتریسیته وجود داشته باشد، مردم در مورد شوک های الکتریکی مار ماهی های برقی می دانستند. متن های مربوط به مصر باستان که تاریخشان به 2750 سال قبل از میلاد مسیح بر می گردد ، از این ماهی ها با نام “تندرگر نیل” یاد کرده اند و آن ها را به عنوان محافظ سایر ماهی ها می دانستند. وجود ماهی های برقی هزار سال بعد نیز توسط یونانیان و رومیان باستان و طبیبان عرب، گزارش شد. چندین نویسنده دوران باستان مانند پلینیوس و اسکریبونیوس لارگوس  اثر بی حس کننده شوک الکتریکی که از گربه ماهی یا پرتوماهی برقی را تایید کردند و می دانستند چنین شوک هایی می توانند در داخل اجسام رسانا حرکت کنند. به بیمارانی که از بیماری های چون نقرس یا سردرد رنج می بردند گفته می شد ماهی های برقی را لمس کنند. این کار به امید این انجام می شد که حرکت سریع این نوع ماهی ها بتواند​ آن ها رادرمان کند. احتمالا اولین و نزدیک ترین رویکرد به کشف هویت صاعقه و الکتریسیته ناشی از هر منبع دیگری به عرب ها مرتبط بوده است که قبل از قرن 15 میلادی واژه عربی رعد را به پدیده صاعقه اختصاص داده بودند و آن را در مورد پرتوماهی برقی نیز به کار می بردند.

    تمدن های باستانی در اطراف دریای مدیترانه می دانستند که برخی از اشیا، مانند میله های کهربایی را می توان به خز های روی پوست گربه مالید که باعث می شد تا میله اجسام سبک مانند پر را به خود جذب کند. تالس، حدود 600 سال قبل از میلاد مسیح، مجموعه مشاهداتی را بر روی الکتریسیته ساکن انجام داد. او از این مشاهدات نتیجه گرفت بر خلاف برخی کانی ها مانند مگنتیت، که به مالش احتیاجی نداشتند، اصطکاک باعث مغناطیسی شدن کهربا می شود. نظریه تالس مبنی بر این که علت جذب پر توسط میله، ناشی از تاثیرات مغناطیسی است درست نبود، اما بعد ها علم توانست وجود ارتباط بین مغناطیس و الکتریسیته را ثابت کند. بر اساس یک نظریه جنجالی، این احتمال وجود دارد که پارت ها در مورد نحوه انجام فرآیند آبکاری اطلاع داشتند. این فرضیه بر اساس کشف پیل بغدادی، که به یک سلول گالوانی شباهت دارد، در سال 1936 میلادی مطرح شده است. البته معلوم نیست که این اثر باستانی ماهیتا الکتریکی بوده باشد.


    الکتریسیته تا سال 1600 میلادی و به مدت هزار سال، تنها به صورت یک کنجکاوی ذهنی باقی ماند. در این زمان بود که دانشمند انگلیسی ویلیام گیلبرت، تحقیق دقیقی بر روی الکتریسیته و مغناطیس انجام داد و توانست بین اثر جذب مغناطیسی و اثر الکتریسیته ساکن که با مالش عقیق ایجاد می شد تفاوت قائل شود. او کلمه جدیدی را در زبان نئو لاتین ابداع کرد. این کلمه electricus( به معنی “از عقیق” یا “شبیه به عقیق” که از کلمه elektron در زبان یونانی به معنی “عقیق” مشتق شده است) نام داشت. او از این کلمه برای اشاره به خاصیت جذب اجسام کوچک، پس از مالیده شدن استفاده کرد. این ارتباط، باعث به وجود آمدن کلمه های انگلیسی الکتریک و الکتریسیته شد که اولین بار توسط توماس براون در کتاب  Pseudodoxia Epidemica که در سال 1646 چاپ شد مورد استفاده قرار گرفت.

    در این زمینه کار های بیشتری توسط افرادی چون اتو وان گریکه، رابرت بویل، استفن گری و شارل فرانسوا دو فِی انجام گرفت. در قرن 18 میلادی، بنجامین فرانکلین تحقیق جامعی را در زمینه الکتریسیته انجام داد. او برای این کار حتی تمامی اموالش را فروخت تا بتواند هزینه های این تحقیق را فراهم کند. مشهور است که او در ماه ژوئن سال 1752، یک کلید فلزی را به بخش پایینی رشته نخ مرطوب بادبادک متصل کرد و این بادبادک را در هوای طوفانی به پرواز در آورد .توالی جرقه هایی که از کلید فلزی به پشت دست او می پریدند نشان داد که صاعقه نیز ماهیتی الکتریکی دارد.  او همچنین رفتار به ظاهر متناقض ظرف شیشه ای لِیدن(نوعی خازن اولیه)که به عنوان دستگاهی برای ذخیره مقادیر زیاد بار الکتریکی شناخته می شد را از نظر الکتریسیته ای که از بارهای مثبت و منفی تشکیل می شد تشریح کرد.
    بنجامین فرانکلین در قرن 18 میلادی تحقیقات جامعی را بر روی الکتریسیته انجام داد که در کتاب “تاریخچه و وضعیت فعلی الکتریسیته” نوشته جوزف پریستلی به تفصیل توضیح داده شده است. نام فرانکلین به عنوان مولف همکار بر روی این کتاب چاپ شده است.

    در سال 1791، لوییجی گالوانی کشف خود از بیو الکترومغناطیس را منتشر کرد و نشان داد الکتریسیته، واسطه ای است که نورون ها از طریق آن، سیگنال ها را به عضلات منتقل می کنند. باتری الساندرو ولتا، یا پیل ولتایی، که در سال 1800 و از لایه های متناوب روی و نقره ساخته شده بود منبع قابل اطمینان تری از انرژی الکتریکی را نسبت به ژنراتور های الکترواستاتیکی که قبلا مورد استفاده قرار می گرفت، در اختیار دانشمندان گذاشت. به رسمیت شناخته شدن الکترومغناطیس، یعنی پیوستگی پدیده های الکتریکی و مغناطیسی، نتیجه زحمات هانس کریستین اورستد و آندره-ماری آمپر در سال های 1819 و 1820 است. مایکل فارادی موتور الکتریکی را در سال 1821 اختراع کرد و گئورگ اهم، در سال 1827، مدار الکتریکی را به صورت ریاضی تحلیل کرد. الکتریسیته و مغناطیس(و نور) به صورت قطعی توسط جیمز کلرک ماکسول به یکدیگر مرتبط شدند. این کار به طور مشخص در مقاله او به نام ” در مورد خطوط فیزیکی نیرو” مربوط به سال های 1861 و 1862 انجام گرفت.

    اگرچه در اوائل قرن 19، پیشرفت سریعی در علم الکتریسیته مشاهده شد، اما بزرگترین پیشرفت در مهندسی برق در اواخر قرن 19 اتفاق افتاد. از طریق افرادی چون الکساندر گراهام-بل، اتو بلاتی، توماس ادیسون، گالیله فراری، الیور هوی ساید، آنیوس یدلیک، ویلیام تامسون ملقب به نخستین بارون کلوین(لرد کلوین)، چارلز آلگرنون پارسونز، ورنر فون زیمنس، جوزف سوان، رجینالد فسندن، نیکولا تسلا و جرج وستینگ هاوس، الکتریسیته از یک کنجکاوی ذهنی به ابزاری ضروری برای زندگی مدرن تبدیل شده و به نیروی پیشرانه دومین انقلاب صنعتی بدل شد.

    در سال 1887، هاینریش هرتز پی برد که الکترود هایی که نور فرا بنفش به آن ها تابیده می شود، به گونه ای راحت تر باعث ایجاد جرقه های الکتریکی می شوند. در سال 1905، آلبرت انیشتین مقاله‌ای را منتشر کرد که در آن داده های آزمایشگاهی اثر فوتوالکتریک را ناشی از ناشی از این امر دانست که انرژی نور در بسته های کوانتیزه گسسته حمل شده و باعث جذب انرژی توسط الکترون ها می شود. این کشف منجر به انقلاب کوانتومی شد. در سال 1921، جایزه نوبل فیزیک به خاطر ” کشف قانون فوتوالکتریک” به انیشتین اهدا شد. اثر فوتوالکتریک در حسگر های نوری(فوتوسل ها) مورد استفاده قرار می گیرد و نمونه های آن را می توان در صفحات خورشیدی مشاهده کرد. از این فوتوسل ها برای تولید برق در مقیاس تجاری استفاده می شود.

    اولین قطعه حالت جامد، تشخیص دهنده کریستالی( تشخیص دهنده سبیل گربه) بود که در دهه 1900 میلادی، در گیرنده های رادیویی مورد استفاده قرار گرفت. در این قطعه، سیمی شبیه به سبیل گربه در تماس اندکی با یک کریستال جامد( مانند کریستال ژرمانیوم) قرار می گیرد  تا بتواند یک سیگنال رادیویی را با استفاده از اثر برقراری تماس، تشخیص دهد. در یک جز حالت جامد، جریان تنها به عناصر و ترکیب های جامد محدود می شود که به گونه ای خاص طراحی شده اند تا بتوانند آن را قطع و وصل کرده یا تشدید کنند. جریان الکتریکی را می توان به دو شکل درک کرد: به عنوان الکترون های با بار منفی و یا به عنوان کمبود الکترون که باعث بار مثبت می شود و به آن حفره های الکترونی گفته می شود. این بار ها و حفره ها را می توان در چارچوب فیزیک کوانتومی درک کرد. ماده سازنده اغلب یک نیمه رسانای کریستالی است.

    با اختراع ترانزیستور در سال 1947، قطعات حالت جامد موفقیت چشمگیری یافت. دستگاه های حالت جامد متداول شامل ترانزیستور ها، چیپ های ریزپردازنده و رم می باشند. نوع خاصی از رم ها که به آن ها رم فلش گفته می شود در حافظه های قابل حمل USB  و اخیرا در درایو های حالت جامد(SSD) مورد استفاده قرار می گیرد تا جایگزین دیسک های مغناطیسی(با چرخش مکانیکی) در درایو های دیسک سخت(HDD) شود.  قطعات حالت جامد در دهه های 50 و 60 میلادی و در جریان گذار از لامپ های خلا به دیود ها، ترانزیستور ها، IC ها و LED های نیمه رسانا، بسیار متداول شدند.


  • تهیه و تنظیم توسط آند کیش
    تماس : 09123139086
    انتشار مطلب در :