
انسانها رابطهای صمیمانه با برق دارند، به حدی که تقریباً غیرممکن است زندگیتان را از آن جدا کنید. البته میتوانید از دنیای خطوط برق در هم تنیده فرار کنید و زندگیتان را بهطور کامل خارج از شبکه برق سپری کنید، اما حتی در دورافتادهترین نقاط جهان نیز برق وجود دارد. اگر این برق نباشد برق حتی اگر ابرهای طوفانی بالای سرتان را روشن نکند یا در یک جرقه الکتریکی در نوک انگشتانتان به صورت ناگهانی تولید نشود، در حال حرکت از طریق سیستم عصبی انسان است و این حرکت، موتور مغز را در هر حرکت، نفس و تپش قلبی که بهصورت غیرارادی میزند، به کار میاندازد.
زمانی که همین نیروی مرموز، تماس یک عزیز، یک رعد و برق و یک سرخکن جورج فورمن (یک نوع دستگاه برقی است که به خاطر طراحی خاصش برای کباب کردن غذاها مورد استفاده قرار میگیر – مترجم) را انرژی میدهد، دوگانگی کنجکاوانهای به وجود میآید: ما یک ثانیه برق را بدیهی میدانیم و ثانیه بعد به قدرت آن خیره میشویم. بیش از دو و نیم قرن از زمانی که بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin) و دیگران ثابت کردند که رعد و برق شکلی از برق است، میگذرد، اما زمانی که یک جرقه خشن و شدید، افق را روشن میکند، هنوز هم سخت است که از جا نپریم. از طرف دیگر، هیچکس هیچوقت درباره یک شارژر تلفن همراه اشعاری نمیسراید! (یعنی با وجود شگفتآور بودن برق، برخلاف دیگر شگفتیها، احساسات شاعرانه کسی با دیدن آثار الکتریسیته برانگیخته نمیشود!).
برق دنیا و بدن ما را نیرو میبخشد. مهار انرژی برق، هم به دنیای جادو و تخیل مربوط میشود و هم به زندگی روزمرهی عادی — از امپراطور پاپتین (Palpatine) که لوک اسکایواکر (Luke Skywalker) را برشته میکند تا عمل سادهی خارج کردن دیسک “جنگ ستارگان” از رایانهتان. با وجود آشنایی ما با تأثیرات آن، بسیاری از مردم نمیتوانند بهطور دقیق بگویند که برق چیست — شکلی فراگیر از انرژی که بهواسطهی حرکت ذرات باردار همچون الکترونها ایجاد میشود. حتی توماس ادیسون (Thomas Edison)، مخترع مشهور، زمانی که با این سؤال روبرو شد، آن را تنها به عنوان “نوعی حرکت” و “سیستمی از ارتعاشات” تعریف کرد.
در این مقاله، سعی خواهیم کرد پاسخ روشنتری ارائه دهیم. روشن خواهیم کرد که برق چیست، از کجا میآید و انسانها چگونه آن را به اراده خود درمیآورند.
برای اولین گام، به یونان سفر خواهیم کرد، جایی که باستانیان کنجکاو در مورد همان پدیدههایی که شما را در روزهای سرد و خشک هنگام تماس با اشیای فلزی دچار شوک میکند، متحیر شده بودند.
الکترواستاتیک و قانون کولن

حتی اگر به طور کامل آن را درک نمیکردند، مردم باستان دربارهٔ برق اطلاعاتی داشتند. تالس از میلتوس (Thales, Miletus)، یک فیلسوف یونانی که به عنوان یکی از هفت حکیم افسانهای شناخته میشود، ممکن است اولین انسانی باشد که حدود 600 سال قبل از میلاد به مطالعهٔ برق پرداخت. با مالش کهربا — که رزین درختی فسیلشده است — با پشم، او توانست گرد و غبار، پر و دیگر اشیای سبک را جذب کند. اینها اولین آزمایشها با الکترواستاتیک (Electrostatics)، یعنی مطالعهٔ بارهای الکتریکی ایستا یا الکتریسیتهٔ ساکن بودند. در واقع، واژهٔ الکتریسیته از کلمهٔ یونانی “الکترون (Elektron)” به معنای کهربا گرفته شده است.
این آزمایشها تا قرن 17 ادامه نیافتند. در این زمان، ویلیام گیلبرت (William Gilbert)، یک پزشک انگلیسی و دانشمند غیرحرفهای، شروع به مطالعهٔ مغناطیس و الکتریسیتهٔ ساکن کرد. او تحقیقات تالس میلتوس را تکرار کرد و اشیاء را با هم مالش داد و آنها را با اصطکاک شارژ (باردار) کرد. وقتی یک شیء، دیگری را جذب یا دفع میکرد، او اصطلاح “الکتریک (Electric)” را برای توصیف نیروهای در حال کار ابداع کرد. او گفت که این نیروها به این دلیل ایجاد شدند که عمل مالش سیال یا “خمیر (Humour)” را از یکی از اشیاء حذف میکند و یک “افلوویوم (Effluvium)” یا اتمسفر در اطراف آن باقی میگذارد.
این مفهوم — که الکتریسیته به عنوان یک سیال وجود دارد — تا قرن 18 ادامه یافت. در سال 1729، دانشمند انگلیسی استیون گری (Stephen Gray) مشاهده کرد که برخی مواد، مانند ابریشم، الکتریسیته را هدایت نمیکنند. توضیح او این بود که سیال مرموز توصیفشده توسط گیلبرت میتواند از میان اشیاء حرکت کند یا از حرکت بازماند. دانشمندان حتی ظروفی ساختند تا این سیال را نگهدارند و اثرات آن را مطالعه کنند. ابزارسازان هلندی، اوالد فون کلیست (Ewald von Kleist) و پیتر ون موسنبرک (Pieter van Musschenbroek)، آنچه اکنون به عنوان ظرف لایدن (Leyden jar) شناخته میشود را ایجاد کردند، یک ظرف شیشهای حاوی آب و یک میخ که میتوانست بار الکتریکی را ذخیره کند. اولین باری که موسنبرک از این ظرف استفاده کرد، شوک شدیدی دریافت کرد.
تا اواخر قرن 18، جامعهٔ علمی شروع به درک واضحتری از نحوهٔ کار الکتریسیته کرد. بنجامین فرانکلین آزمایش معروف کایت (Kite) خود را در سال 1752 انجام داد و ثابت کرد که رعد و برق، ذاتاً الکتریکی است. او همچنین ایدهای را ارائه داد که الکتریسیته دارای عناصر مثبت و منفی است و جریان از سمت مثبت به منفی است. حدود 30 سال بعد، یک دانشمند فرانسوی به نام شارل اوگوستین دو کولن (Charles Augustin de Coulomb) چندین آزمایش انجام داد تا متغیرهای مؤثر بر یک نیروی الکتریکی را تعیین کند. کار او منجر به قانون کولن (Coulomb’s law) شد که بیان میکند بارهای مشابه یکدیگر را دفع و بارهای مخالف یکدیگر را جذب میکنند، با نیرویی متناسب با حاصلضرب بارها و معکوس متناسب با مربع فاصله بین آنها.
قانون کولن این امکان را فراهم کرد که نیروی الکترواستاتیک بین هر دو شیء باردار محاسبه شود، اما ماهیت بنیادی آن بارها را فاش نکرد. منبع بارهای مثبت و منفی چه بود؟ همانطور که در بخش بعدی خواهیم دید، دانشمندان توانستند در قرن 19 به این سؤال پاسخ دهند.
برق و ساختار اتمی

در پایان قرن نوزدهم، علم با سرعت چشمگیری پیش میرفت. خودروها و هواپیماها در آستانه تغییر نحوه حرکت جهان بودند و قدرت الکتریکی بهطور پیوسته به خانههای بیشتری راه پیدا میکرد. با این حال، حتی دانشمندان آن زمان نیز هنوز الکتریسیته را چیزی مبهم و مرموز میدانستند. این وضعیت دامه یافت تا سال 1897 که دانشمندان وجود الکترونها را کشف کردند و اینجا آغاز دوران مدرن الکتریسیته است.
همانطور که احتمالاً میدانید، ماده از اتمها تشکیل شده است. اگر چیزی را به اندازه کافی کوچک کنید، در نهایت به هستهای میرسید که توسط یک یا چند الکترون با بار منفی احاطه شده است. در بسیاری از مواد، الکترونها به شدت به اتمها متصل هستند. چوب، شیشه، پلاستیک، سرامیک، هوا و پنبه همگی نمونههایی از موادی هستند که الکترونها تمایلی به جدا شدن از اتمهای خود ندارند. از آنجایی که این اتمها مردد در به اشتراکگذاری الکترونها هستند، این مواد توانایی خوبی در هدایت الکتریسیته ندارند و به همین دلیل بهعنوان عایقهای الکتریکی (Electrical Insulators) شناخته میشوند.
با این حال، اکثر فلزات دارای الکترونهایی هستند که میتوانند از اتمهای خود جدا شده و حرکت کنند. به این الکترونها، الکترونهای آزاد (Free Electrons) گفته میشود. الکترونهای آزاد انتقال الکتریسیته را از طریق این مواد آسان میکنند، بنابراین این مواد به عنوان رساناهای الکتریکی (Electrical Conductors) شناخته میشوند. آنها الکتریسیته را هدایت میکنند. الکترونهای در حال حرکت، انرژی الکتریکی را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل میکنند.
برخی از ما دوست داریم که اتمها را بهعنوان سگهای خانگی و الکترونها را بهعنوان یک دسته از ککها (نوعی حشره) تصور کنیم. سگهایی که در داخل یا در یک منطقه محصور زندگی میکنند و بنابراین این ککهای مزاحم را در خود حبس میکنند، معادل با عایقهای الکتریکی هستند. اما سگهای ولگرد، هادیهای الکتریکی هستند. اگر یک محله از سگهای محبوس و یک محله از سگهای ولگرد و بدون حصار را در نظر بگیرید، کدام گروه فکر میکنید میتواند شیوع ککها را سریعتر گسترش دهد؟
بنابراین، الکتریسیته برای حرکت به یک رسانا نیاز دارد. همچنین باید چیزی وجود داشته باشد که الکتریسیته را از یک نقطه به نقطه دیگر از میان رسانا منتقل کند. یکی از راهها برای به حرکت درآوردن الکتریسیته، استفاده از یک ژنراتور است.
ژنراتورها

اگر تا به حال در اطراف یک آهنربا کلیپسهای کاغذی را حرکت داده باشید یا وقت خود را صرف مرتب کردن تراشههای فلزی به شکل ریش روی اسباب بازی مغناطیسی “وولی ویلی (Wooly Willy)” کردهاید (یک بازی که صورت یک فرد را با براده آهن موگذاری میکنند و پشت صورت آدمک و در نواحی صورت و ابرو و سر، آهنربا وجود دارد-م)، پس با اصول بنیادی پشت حتی پیچیدهترین ژنراتورهای الکتریکی آشنا هستید. میدان مغناطیسی که باعث میشود تمام آن برادههای فلز به شکل یک مدل موی موهاک مرتب شوند، ناشی از حرکت الکترونها است. وقتی یک آهنربا را به سمت یک کلیپس کاغذی حرکت میدهید، الکترونهای موجود در کلیپس مجبور به حرکت میشوند. به همین ترتیب، اگر به الکترونها اجازه دهید که از طریق یک سیم فلزی حرکت کنند، یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم تشکیل میشود.
به لطف وولی ویلی، میتوانیم ببینیم که ارتباط مشخصی بین پدیدههای برق و مغناطیس وجود دارد. یک ژنراتور به سادگی دستگاهی است که یک آهنربا را در نزدیکی یک سیم حرکت میدهد تا جریان ثابتی از الکترونها ایجاد کند. عملی که این حرکت را به وجود میآورد بسیار متفاوت است و میتواند از میللنگ دستی و موتورهای بخار تا شکافت هستهای متغیر باشد، اما اصل قضیه یکسان باقی میماند.
یک راه ساده برای تصور یک ژنراتور (Generator) این است که آن را به عنوان یک پمپ در نظر بگیرید که آب را از طریق یک لوله پمپاژ میکند. تنها اینکه به جای پمپاژ آب، یک ژنراتور، از یک آهنربا برای پمپاژ الکترونها استفاده میکند. البته این تا حدی سادهسازی اصل ماجرا است، اما تصویر مفیدی از خصوصیات موجود در یک ژنراتور ارائه میدهد. یک پمپ آب، تعداد مشخصی از مولکولهای آب را جابهجا کرده و مقدار مشخصی فشار به آنها وارد میکند. به همین ترتیب، آهنربا در یک ژنراتور تعداد مشخصی از الکترونها را به جلو میراند و مقدار مشخصی “فشار” به الکترونها وارد میکند.
در یک مدار الکتریکی، تعداد الکترونهای در حال حرکت به نام آمپر (Amperage) یا جریان (Current) شناخته میشود و با واحد آمپر (Amps) اندازهگیری میشود. “فشاری” که الکترونها را به جلو میرانده، به نام ولتاژ (Voltage) شناخته میشود و به واحد ولت (Volts) اندازهگیری میشود. به عنوان مثال، یک ژنراتور که با سرعت ۱۰۰۰ دور در دقیقه میچرخد، ممکن است ۱ آمپر در ۶ ولت تولید کند. ۱ آمپر به تعداد الکترونهای در حال حرکت اشاره دارد (۱ آمپر به معنای این است که ۱۰۱۸× ۶٫۲۴ الکترون در هر ثانیه از یک سیم عبور میکنند) و ولتاژ میزان فشاری است که پشت آن الکترونها قرار دارد. ژنراتورها قلب یک ایستگاه قدرت مدرن را تشکیل میدهند.
فارادی: قدیس حامی برق
فیزیکدان و شیمیدان بریتانیایی قرن نوزدهم، مایکل فارادی (Michael Faraday)، راه را برای دنیای مدرن مبتنی بر برق هموار کرد. این مخترع مشهور، اولین ژنراتور الکتریکی، به نام دینامو (Dynamo)، و همچنین اولین موتور الکتریکی را ایجاد کرد. برای یادگیری بیشتر درباره فناوریهای مرتبط، مقالههای “چگونه موتورهای الکتریکی کار میکنند” و “چگونه آهنرباهای الکتریکی کار میکنند” را مطالعه کنید.
ساخت برق

در ژنراتور مایکل فارادی، کویلها یا سیمپیچهای مسی که بین قطبهای یک آهنربا میچرخند، جریان ثابتی از برق تولید میکنند. یکی از راههای چرخاندن دیسک، چرخاندن آن بهصورت دستی است، اما این روش برای تولید برق عملی نیست. گزینه دیگر این است که محور ژنراتور را به یک توربین متصل کنیم و سپس بگذاریم منبع انرژی دیگری، توربین را به حرکت درآورد. آب در حال سقوط یکی از این منابع انرژی است و در واقع، اولین نیروگاه بزرگ که ساخته شد از انرژی جنبشی عظیم آبشار نیگارا (Niagara) بهرهبرداری کرد.
جورج وستینگهاوس (George Westinghouse) این نیروگاه را در سال ۱۸۹۵ افتتاح کرد، اما اصول عملکرد آن از آن زمان تاکنون چندان تغییر نکرده است. ابتدا، مهندسان یک سد در سراسر یک رودخانه میسازند تا مخزنی از آب ذخیرهشده ایجاد کنند. آنها یک ورودی آب را نزدیک به پایین دیواره سد قرار میدهند که اجازه میدهد آب از مخزن به داخل یک کانال باریک به نام آبگیر (Penstock) جریان یابد. توربین – که تصور کنید یک ملخ یا پروانه بزرگ است – در انتهای آبگیر قرار دارد. محور توربین به داخل ژنراتور میرود. وقتی آب از روی توربین عبور میکند، آن را میچرخاند و محور را میچرخاند و به نوبه خود، کویلهای مسی ژنراتور را میچرخاند. وقتی کویلهای مسی درون آهنرباها میچرخند، برق تولید میشود. خطوط برق متصل به ژنراتور، برق را از نیروگاه به خانهها و کسبوکارها منتقل میکنند. نیروگاه نیگارا وستینگهاوس (Westinghouse’s Niagara) توانست برق را بیش از ۲۰۰ مایل (۳۲۲ کیلومتر) منتقل کند.
تمام نیروگاهها به آب در حال سقوط وابسته نیستند. بسیاری از آنها از بخار استفاده میکنند که مانند یک سیال عمل میکند و بنابراین میتواند انرژی را به یک توربین و در نهایت به یک ژنراتور منتقل کند. رایجترین روش برای تولید بخار، گرم کردن آب با سوزاندن زغالسنگ است. همچنین میتوان از واکنشهای هستهای کنترلشده برای تبدیل آب به بخار استفاده کرد. میتوانید درباره انواع مختلف نیروگاهها در مقالات «چگونه نیروگاههای برقآبی کار میکنند»، «چگونه انرژی بادی کار میکند» و «چگونه انرژی هستهای کار میکند» بخوانید. فقط به خاطر داشته باشید که همه آنها بر اساس یک اصل اساسی، یعنی تبدیل انرژی مکانیکی – چرخش توربین – به انرژی الکتریکی کار میکنند.
البته، استفاده از یک ژنراتور برای تولید برق فقط آغاز کار است. پس از اینکه الکترونها را به حرکت درآوردید، به یک مدار الکتریکی نیاز دارید تا بتوانید با آن کاری انجام دهید. در ادامه دلیل این موضوع را خواهید فهمید.
مدارهای الکتریکی

زمانی که شما یک باتری را در یک دستگاه الکتریکی قرار میدهید، فقط برق را آزاد نمیکنید و آن را به سمت انجام یک وظیفه هدایت نمیکنید. الکترونهای دارای بار منفی، تمایل دارند به سمت بخش مثبت باتری حرکت کنند و اگر مجبور شوند قبل از رسیدن به آنجا دستگاه برقی شخصی شما را روشن کنند، این کار را انجام میدهند. به طور بسیار ساده، این مانند آب است که از یک جویبار عبور میکند و مجبور است تا چرخ آب را برای رسیدن از نقطه A به نقطه B بچرخاند.
صرف نظر از اینکه شما از یک باتری، سلول سوختی یا سلول خورشیدی برای تولید برق استفاده میکنید، سه چیز همیشه یکسان است:
۱. منبع برق باید دارای دو ترمینال باشد: یک ترمینال مثبت و یک ترمینال منفی.
۲. منبع برق (چه یک ژنراتور، باتری یا چیز دیگری) تمایل دارد الکترونها را با ولتاژ معینی از ترمینال منفی خود حرکت دهد. برای مثال، یک باتری AA معمولاً تمایل دارد الکترونها را با ولتاژ 1.5 ولت از خود خارج کند.
۳. الکترونها نیاز دارند تا از ترمینال منفی به ترمینال مثبت از طریق یک سیم مسی یا هر رسانای دیگری جریان پیدا کنند. وقتی که یک مسیر از ترمینال منفی به ترمینال مثبت وجود داشته باشد، شما یک مدار دارید و الکترونها میتوانند از درون سیم عبور کنند.
شما میتوانید هر نوع باری را مانند یک لامپ یا موتور را در وسط مدار قرار دهید. منبع برق، بار را تأمین میکند و بار انجام وظیفهای که برای آن طراحی شده، از چرخاندن یک محور تا تولید نور، را انجام میدهد.
مدارهای الکتریکی میتوانند بسیار پیچیده شوند، اما در اصل شما همیشه یک منبع برق (مانند باتری)، یک بار و دو سیم برای انتقال برق بین این دو دارید. الکترونها از منبع و از طریق بار حرکت میکنند و دوباره به منبع برمیگردند.
الکترونهای در حال حرکت، انرژی دارند. همان طور که الکترونها از یک نقطه به نقطه دیگر حرکت میکنند، میتوانند کاری انجام دهند. برای مثال، در یک لامپ رشتهای، انرژی الکترونها برای ایجاد حرارت استفاده میشود و این حرارت به نوبه خود نور تولید میکند. در یک موتور الکتریکی، انرژی موجود در الکترونها یک میدان مغناطیسی ایجاد میکند و این میدان میتواند با آهنرباهای دیگر (از طریق جاذبه و دافعه مغناطیسی) تعامل کرده و حرکت ایجاد کند. از آنجا که موتورها در فعالیتهای روزمره بسیار مهم هستند و در واقع یک ژنراتور هستند که در حالت معکوس کار میکند، ما در بخش بعدی به بررسی آنها به طور دقیقتر خواهیم پرداخت.
موتورهای الکتریکی

همانطور که قبلاً بحث کردیم، یک ژنراتور، انرژی مکانیکی را به برق تبدیل میکند. یک موتور بر اساس همان اصول عمل میکند، اما در جهت معکوس – انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. برای این کار، یک موتور به نوع خاصی از آهنربا به نام آهنربای الکتریکی (Electromagnet) نیاز دارد. در سادهترین شکل، آهنربای الکتریکی شامل یک میله آهنی است که در اطراف آن یک سیم پیچیده شده است. اگر جریان الکتریکی از طریق سیم عبور کند، یک میدان مغناطیسی در درون میله آهنی ایجاد میشود و به یک آهنربا با قطبهای شمال و جنوب مشخص تبدیل میشود. اگر جریان را خاموش کنید، خواص مغناطیسی ناپدید میشود.
به تنهایی، آهنرباهای الکتریکی چیزهای مفیدی هستند. میتوانید از آنها برای برداشتن اشیای فلزی استفاده کنید، اشیاء را به جایی ببرید و سپس با خاموش کردن قدرت، آنها را رها کنید. به عنوان مثال، کارگران سقفسازی از آنها برای جمعآوری میخهایی که به طور تصادفی به حیاط یک خانه افتادهاند، استفاده میکنند. و در حیاطهای مراکز اسقاط خودرو، جرثقیلهایی با آهنرباهای الکتریکی قدرتمند وجود دارند که میتوانند کل خودروها جمع کرده و جابهجا کنند.
آهنرباهای الکتریکی، به ویژه، زمانی مفید هستند که بر روی یک محور، بین دو آهنربای ثابت قرار بگیرند. اگر قطب جنوب آهنربای الکتریکی در برابر قطب جنوب یکی از آهنرباهای ثابت و قطب شمال آن در برابر قطب شمال آهنربای دیگر قرار گیرد، آهنربای الکتریکی میچرخد تا زمانی که قطبهای مخالف در یک خط قرار بگیرند. این امر چندان مفید نخواهد بود، مگر اینکه قطبیت آهنربای الکتریکی به جهت جریان الکتریکی بستگی داشته باشد. اگر جریان الکتریکی در یک جهت عبور کند، قطب شمال آهنربا در یک سمت خواهد بود؛ اگر جریان را معکوس کنید، قطب شمال در سمت مقابل قرار خواهد گرفت. در موتورها، دستگاهی به نام جابهجاگر (Commutator)، مرتباً جهت جریان الکتریکی را معکوس میکند. هنگامی که قطبهای آهنربای مغناطیسی مرتباً تغییر مییابند، آهنربا قادر است بدون وقفه بچرخد. این یک توضیح مختصر است، بنابراین ممکن است بخواهید برای جزئیات بیشتر به مقاله “چگونه موتورها کار میکنند” مراجعه کنید.
به نظر میرسد که انرژی مکانیکی تولید شده در یک موتور الکتریکی میتواند در ماشینهای مختلف به خوبی مورد استفاده قرار گیرد. بسیاری از ابزارها در گاراژ شما، وسایل خانگی و اسباببازیهایی که کودکان با آنها بازی میکنند، به موتورها وابسته هستند. برخی از این موتورها برای کار کردن به جریان زیادی نیاز دارند. دیگر موتورها، مانند موتورهای DC کوچک که در رباتها و مدلها استفاده میشوند، برای عملکرد بهینه به ولتاژ یا جریان بسیار کمی نیاز دارند. ما در بخش بعدی به بحث درباره ولتاژ و جریان ادامه خواهیم داد.
ولتاژ، جریان و مقاومت

همانطور که قبلاً ذکر شد، تعداد الکترونهایی که در یک مدار در حال حرکت هستند، جریان نامیده میشود و با واحد آمپر اندازهگیری میشود. “فشاری” که الکترونها را به جلو میرانَد، ولتاژ نامیده میشود و با واحد ولت اندازهگیری میشود. اگر در ایالات متحده زندگی میکنید، پریزهای برق در دیوار خانه یا آپارتمان شما هر کدام 120 ولت برق تحویل میدهند.
اگر مقدار آمپر و ولتاژ را بدانید، میتوانید مقدار برق مصرفی را تعیین کنید که معمولاً با واحد واتساعت (watt-hours) یا کیلوواتساعت (kilowatt-hours) اندازهگیری میشود. تصور کنید که یک بخاری برقی را به یک پریز دیواری وصل کردهاید. شما مقدار جریانی که از پریز به بخاری میرود را اندازهگیری میکنید و متوجه میشوید که 10 آمپر است. این بدان معناست که بخاری 1,200 وات قدرت دارد. اگر ولتاژ را در آمپر ضرب کنید، به وات میرسید. در این مورد، 120 ولت ضربدر 10 آمپر برابر با 1,200 وات میشود. این قاعده برای هر وسیله برقی صدق میکند. اگر یک لامپ را وصل کنید و آن نیم آمپر بکشد، آن لامپ 60 وات است.
حالا فرض کنید که بخاری برقی را روشن کردهاید و سپس به کنتور برق بیرون نگاه میکنید. هدف کنتور اندازهگیری مقدار برقی است که به خانه شما میآید تا شرکت برق بتواند صورتحساب آن را برای شما محاسبه کند. فرض کنیم — میدانیم که این احتمال کم است — که هیچ وسیله دیگری در خانه روشن نباشد، بنابراین کنتور، فقط برق مصرفی بخاری را اندازهگیری میکند.
بخاری شما 1.2 کیلووات (1,200 وات) برق مصرف میکند. اگر بخاری را به مدت یک ساعت روشن بگذارید، 1.2 کیلوواتساعت برق مصرف خواهید کرد. اگر شرکت برق شما برای هر کیلوواتساعت 10 سنت یا تومان هزینه میگیرد، پس شرکت برق برای هر ساعتی که بخاری را روشن بگذارید، 12 سنت یا تومان از شما دریافت خواهد کرد.
حالا بیایید یک عامل دیگر به جریان و ولتاژ اضافه کنیم: مقاومت (Resistance)، که با واحد اهم (ohms) اندازهگیری میشود. میتوانیم از تشبیه آب برای درک مقاومت نیز استفاده کنیم. ولتاژ معادل فشار آب، جریان معادل نرخ جریان و مقاومت مانند اندازه لوله است.
یک معادله پایه در مهندسی برق به نام قانون اهم (Ohm’s Law)، رابطه بین این سه اصطلاح را مشخص میکند. جریان برابر با ولتاژ تقسیم بر مقاومت است. این معادله به این صورت نوشته میشود:
I = V/R
که در آن I نمایانگر جریان (اندازهگیری شده به آمپر)، V ولتاژ (اندازهگیری شده به ولت) و R نماد مقاومت (اندازهگیری شده به اهم) است.
فرض کنید شما یک مخزن آب تحت فشار دارید که به یک شلنگ متصل است و از آن برای آبیاری باغ استفاده میکنید. اگر فشار در مخزن را افزایش دهید، آب بیشتری از شلنگ خارج میشود، درست است؟ همینطور در یک سیستم الکتریکی: افزایش ولتاژ باعث افزایش جریان میشود.
حالا فرض کنید که قطر شلنگ و تمام اتصالات مخزن را افزایش دهید. این تنظیمات نیز باعث میشود آب بیشتری از شلنگ خارج شود. این مشابه کاهش مقاومت در یک سیستم الکتریکی است که جریان را افزایش میدهد.
وقتی به یک لامپ معمولی رشتهای نگاه میکنید، میتوانید این تشبیه آب را در عمل ببینید. رشته لامپ یک سیم بسیار نازک است. این سیم نازک در برابر جریان الکترونها مقاومت میکند. میتوانید مقاومت سیم را با استفاده از معادله مقاومت محاسبه کنید.
فرض کنید یک لامپ 120 وات را به یک پریز دیواری وصل کردهاید. ولتاژ 120 ولت است و یک لامپ 120 وات، 1 آمپر جریان دارد. میتوانید مقاومت رشته را با بازآرایی معادله محاسبه کنید:
R = V/I
پس مقاومت 120 اهم است.
علاوه بر این مفاهیم اصلی الکتریکی، یک تمایز عملی بین دو نوع جریان وجود دارد. برخی از جریانها مستقیم و برخی دیگر متناوب هستند — و این یک تمایز بسیار مهم است.
جریان مستقیم در مقابل جریان متناوب
باتریها، سلولهای سوختی و سلولهای خورشیدی همگی نوعی جریان مستقیم (Direct Current (DC)) تولید میکنند. پایانههای مثبت و منفی یک باتری، همیشه به ترتیب مثبت و منفی هستند. جریان همیشه در یک جهت بین این دو پایانه جریان مییابد.
از سوی دیگر، نیرویی که از یک نیروگاه تولید میشود، به عنوان جریان متناوب (Alternating Current (AC))شناخته میشود. جهت جریان 60 بار در ثانیه (در ایالات متحده) یا 50 بار در ثانیه (در اروپا، به عنوان مثال) تغییر میکند یا به اصطلاح متناوب است. نیرویی که در یک پریز دیواری در ایالات متحده موجود است، نیروی AC با ولتاژ 120 ولت و فرکانس 60 هرتز است.
مزیت بزرگ جریان متناوب برای شبکه برق این است که تغییر ولتاژ آن با استفاده از دستگاهی به نام ترانسفورماتور (Transformer) نسبتاً به آسانی صورت میگیرد. شرکتهای برق به این طریق مقدار زیادی در هزینه صرفهجویی میکنند، زیرا میتوانند با ولتاژهای بسیار بالا، انرژی را بر روی مسافتهای طولانی انتقال دهند.
این چگونه کار میکند؟ خوب، فرض کنید که شما یک نیروگاه دارید که میتواند 1 میلیون وات انرژی تولید کند. یک راه برای انتقال این انرژی این است که 1 میلیون آمپر را با ولتاژ 1 ولت ارسال کنید. راه دیگر این است که 1 آمپر را با ولتاژ 1 میلیون ولت ارسال کنید. ارسال 1 آمپر فقط به یک کابل نازک نیاز دارد و مقدار کمی از انرژی در حین انتقال به گرما تبدیل میشود. ارسال 1 میلیون آمپر به کابل بسیار بزرگی نیاز دارد.
بنابراین، شرکتهای برق، جریان متناوب را به ولتاژهای بسیار بالا برای انتقال (مانند 1 میلیون ولت) تبدیل میکنند، سپس آن را به ولتاژهای پایینتر برای توزیع (مانند 1,000 ولت) کاهش میدهند و در نهایت به 120 ولت در داخل خانه برای ایمنی کاهش میدهند. همانطور که میتوانید تصور کنید، کشتن کسی با 120 ولت بسیار سختتر از 1 میلیون ولت است (و بیشتر مرگهای الکتریکی امروزه با استفاده از پریزهای GFCI به طور کلی جلوگیری میشود-نوعی پریز با فیوز محافظ جان-م). برای یادگیری بیشتر، بخوانید “چگونه شبکههای برق کار میکنند“.
یک مفهوم اصلی الکتریکی دیگر که هنوز به آن نپرداختهایم، اتصال به زمین (Grounding) یا متصل کردن سیم ارت است.
تسلا، تاپسی و ادیسون
رقابت تلخی بین مخترعان آشنا به برق ممکن است خیالپردازانه به نظر برسد، اما تنش بین توماس ادیسون و نیکولا تسلا واقعی بود. تسلا از جریان متناوب حمایت میکرد، در حالی که ادیسون اصرار داشت که این نوع جریان بسیار خطرناک است. تنها قربانیان در این “جنگ جریانها (War of Currents)” حیواناتی بودند که ادیسون به طور عمومی با سیستم ولتاژ بالای تسلا، برقگرفتگی را به آنها منتقل کرد تا نقطه نظر خود را اثبات کند. قربانیان اولیه سگها و گربهها بودند، اما ادیسون در نهایت یک فیل به نام تاپسی (Topsy) را نیز دچار برقگرفتگی کرد (منبع: Ruddick).
اتصال به زمین

زمانی که موضوع برق به میان میآید، معمولا در مورد اتصال به زمین یا بهطور خلاصه «ارت» صحبت میشود. به عنوان مثال، یک ژنراتور الکتریکی ممکن است بگوید: “قبل از استفاده، حتماً به یک زمین طبیعی متصل شوید” یا یک دستگاه ممکن است هشدار دهد: “بدون ارت مناسب استفاده نکنید.”
به نظر میرسد که شرکتهای توزیع برق از زمین به عنوان یکی از رشتههای سیستم قدرت استفاده میکنند. سیاره زمین یک رسانای خوب و بسیار بزرگ است، بنابراین مسیر بازگشت مناسبی برای الکترونها به شمار میآید. “ارت” در شبکه توزیع برق به معنای واقعی کلمه همان زمینی است که وقتی در بیرون از خانه راه میروید، در اطرافتان وجود دارد. این شامل خاک، سنگ، و آبهای زیرزمینی و غیره میشود.
اگر به یک تیرک برق نگاه کنید، احتمالاً میتوانید یک سیم لخت را که به سمت پایین تیرک آمده است، مشاهده کنید. این سیم بهصورت مستقیم سیم زمین را به زمین متصل میکند. هر تیرک برق در سیاره زمین دارای چنین سیمی است. اگر شما به نحوه نصب یک تیرک جدید توسط شرکت برق توجه کنید، میبینید که انتهای این سیم عریان به شکل یک حلقه به پایه تیرک چسبیده است. این حلقه به دلیل نصب تیرک، بهصورت مستقیم با زمین در تماس است و معمولاً ۶ تا ۱۰ فوت (۲ تا ۳ متر) زیر زمین دفن میشود. اگر تیرک را به دقت بررسی کنید، خواهید دید که سیمهای ارت که بین تیرکها وجود دارند، با این اتصال مستقیم به زمین متصل هستند.
بهطور مشابه، در نزدیکی کنتور برق در خانه یا آپارتمان شما، یک میله مسی ۶ فوتی (۲ متری) در زمین فرو رفته است. تمامی شیرهای برق و همچنین آنها که برای نول (Neutral) در هر پریز خانه شما وجود دارند، به این میله متصل هستند. مقاله ما تحت عنوان “چگونه شبکههای برق کار میکنند” نیز به این موضوع اشاره کرده است.