[Zohreh Gholami]

آموزش ابتدایی مفاهیم برق

بين الكترون ها و پروتون ها نيروي جاذبه و بين خودشان باهم نيروي دافعه وجود دارد كه ماهيت اين نيروها هنوز شناخته نشده است اما براي تحليل ساده تر بارالكتريكي را مطرح كرده كه براي الكترون با علامت منفي و براي پروتون با علامت مثبت مشخص شده است.


● الكترون چيست؟
الكترون معناي يوناني كهربا است كهربا ماده اي است كه در مالش به پارچه پشمي باردار شده و خرده هاي كوچك كاه را جذب مي كنداين ربايش به علت نيرويي مرموز اتفاق مي افتد كه يونانيان آن را الكتريسيته ناميده اند.

▪ اجزاي ماده:
همه مواد از ملكول هاي شكل مي گيرند كه آن ها نيز خود از اتم ها ساخته مي شوند. اتمها از دو جز اصلي الكترون و هسته ساخته مي شوند كه الكترون ها در مدارهاي مشخص به دور هسته در گردش مي باشند.

چه عاملي سبب ماندن الكترون در مدار مشخص خود مي شود؟
بين الكترون و هسته نيروي جاذبه الكتريكي وجود دارد كه اندازه آن برابر نيروي دافعه گريز از مركز ناشي از چرخش سريع الكترون به دور هسته مي باشد.


● درون هسته چيست؟
هسته شامل ذرات بسياري است كه مهمتريت آنها از نظر جرم پروتون و نوترون است.


● بار الكتريكي چيست؟
بين الكترونها و پروتونها نيروي جاذبه و بين خودشان باهم نيروي دافعه وجود دارد كه ماهيت اين نيروها هنوز شناخته نشده است اما براي تحليل ساده تر بارالكتريكي را مطرح كرده كه براي الكترون با علامت منفي و براي پروتون با علامت مثبت مشخص شده است.


● چگونه مي توان مواد را باردار كرد؟
روش هاي باردار كردن ماده همان روشهاي توليد الكتريسيته است. به عبارت ديگر مي توان با استفاده از اين روش ها الكتريسيته توليد كرد. ساده ترين اين روش ها مالش دو ماده به هم است كه باعث مي شود الكترون ها از يك ماده به ماده ديگري بروند و در نتيجه اختلاف بار بين دو ماده ايجاد شود. مثلا مالش يك ميله شيشه اي به يك پارچه پشمي سبب باردار شدن هر دو ماده مي شود كه يكي بار مثبت (كمبود الكترون) و ديگري بار منفي (ازدياد الكترون) مي يابد.


● نيروي الكتريكي چيست؟
بين بارهاي الكتريكي اعم از مثبت يا منفي نيروي الكتريكي وجود دارد اين نيرو به مقدار بار الكتريكي و فاصله آنها از هم بستگي دارد. مطابق قانون كولن مقدار نيرو از حاصل ضرب بارها در ضريب ثابتي كه به جنس محيط بستگي دارد تقسيم بر مجذور فاصله بين دو بار به دست مي آيد. اما در تحليل ساده تر هرچه مقدار بارها بيشتر باشد مقدار نيرو نيز بيشتر و هرچه فاصله آنها بيشتر شود مقدار نيرو نيز كمتر مي شود.


● مواد در حالت عادي از نظر بار الكتريكي چگونه اند؟
همه مواد در حالت عادي داراي مقدار الكترون و پروتون مساويند به همين دليل از نظر برايند بارهاي الكتريكي خنثي مي باشند.


● چگونه مي توان يك ماده خنثي را باردار كرد؟
هرگاه تعادل بين بارهاي مثبت و منفي در يك جسم خنثي به هم بخورد ماده بار دار شده است. بهمين منظور كليه روش هاي توليد الكتريسيته كاري نمي كنند جز برهم زدن تعادل بين بارهاي الكتريكي مثبت و منفي. مي دانيم كه الكترون نسبت به پروتون قابليت جابجايي و حركت بيشتري دارد. بنابراين مي توان با دادن يا گرفتن الكترون ماده را باردار نمود. اگر تعداد الكترونها بيشتر از تعداد پروتونها شود جسم بار منفي و در صورتي كه عكس اين حالت روي دهد جسم بار مثبت پيدا مي كند.


● باردار كردن مواد چه ربطي به توليد الكتريسيته دارد؟
اجازه دهيد براي جواب به اين سوال نخست مواد را دسته بندي كنيم.

▪ مواد از نظر هدايت الكتريكي به چند دسته تقسيم مي شوند؟
همه مواد از نظر هدايت الكتريكي جز يك از سه دسته زير مي باشند.
الف) هادي ها: موادي كه براحتي برق را از خود عبور مي دهند.
ب) عايق ها: موادي كه برق را از خود عبور نمي دهند.
ج) نيمه هادي ها: اين مواد در شرايط خاصي مانند هادي ها يا نيمه هادي ها عمل مي كنند . اما در حالت عادي برق را به مقدار ناچيز از خود عبور مي دهند.


● جريان الكتريكي چيست؟
هرگاه حامل هاي الكتريسيته (الكترون ها) در يك هادي بحركت درآيند جريان الكتريكي ايجاد مي شوند. اما هر حركت الكتروني جريان برق نيست. بلكه اين حركت بايد در يك مسير مشخص باشد. هر چقدر الكترون هاي بيشتري در زمان كمتري در مسير مشخص حركت كنند مقدار جريان نيز بيشتر مي شود.


● آمپر چيست؟
براي دانستن ميزان جريان بايد بتوان آن را با عدد بيان كرد كه به همين منظور از واحد سنجش جريان كه همان آمپر است استفاده مي شود.


● مقدار يك آمپر جريان چقدر است؟
هرگاه از يك هادي تعداد ۲۸/۶ ضربدر ۱۰ بتوان ۱۸ الكترون در يك ثانيه بگذرد اين ميزان الكترون در زمان يك ثانيه معرف يك آمپر جريان الكتريكي است.


● ولتاژ چيست؟
دانستيم هرگاه الكترونها در يك هادي در مسير مشخصي بحركت در آيند جريان الكتريكي ايجاد مي شود . اما الكترونها بدون دريافت نيرو و انرژي از مدار گردش بدور هسته خارج نمي شوند . بنا براين براي توليد جريان نياز به يك نيرو داريم كه آن را از منابع توليد نيرو مانند باتري مي گيريم . به عبارت ساده تر نيروي لازم جهت ايجاد جريان ولتاژ نام دارد كه واحد اندازه گيري آن ولت است.


● چگونه مي توان ولتاژ توليد كرد؟
اين سوال پاسخ سوال ديگري نيز مي تواند باشد كه همان روشهاي توليد الكتريسيته است. مي دانيم كه انرژي توليد نمي شود بلكه از صورتي به صورت ديگر تبديل مي گردد. از آنجاييكه الكتريسيته هم انرژي است پس بايد تبديل شده انرژي هاي ديگر باشد. انرژيهايي كه به صورت متعارف براي توليد برق بكار مي رود عبارتند از: انرژي شيميايي در باتري ها - انرژي مغناطيسي در ژنراتورها - انرژي نوراني در باتري هاي خورشيدي - انرژي حرارتي در ترموكوپل ها - انرژي ضربه اي در پيزو الكتريك و غيره.


● مقاومت چيست؟
الكترونها در هادي براحتي نمي توانند حركت كنند زيرا در مسير حركت آنها موانعي وجود دارد كه بطور ساده آنها را مقاومت هادي در برابر عبور جريان مي گوييم .هرچه قدر اين موانع كمتر باشد عبور جريان بهتر صورت ميگيرد و مي گوييم جسم هادي بهتري است . اين موضوع نخستين بار توسط سيمون اهم يك فيزيكدان آلماني مطرح شد . به همين دليل واحد اندازه گيري مقاومت اهم است.


● منظور از مدار الكتريكي چيست؟
حال با دانستن سه فاكتور اساسي در برق ( جريان ولتاژ مقاومت ) مدار الكتريكي را تعريف مي كنيم:
هر مدار الكتريكي يك مجموعه از توليد كننده برق - مصرف كننده آن و سيم هاي ارتباطي بين اين دو است.

▪ چند نوع مدار الكتريكي داريم ؟
دو نوع مدار الكتريكي وجود دارد:
۱) مدار الكتريكي باز كه در آن ارتباط بين توليد كننده در نقطه يا نقاطي قطع است و در نتيجه جريان در مدار وجود ندارد
۲) مدار الكتريكي بسته كه مسير عبور جريان كامل است و مصرف كننده از توليد كننده انرژي دريافت كرده و آنرا به صورتهاي ديگر تبديل ميكند مانند يك لامپ كه برق را به نور تبديل مي كند .


● منظور از اتصالي در يك مدار يا اتصال كوتاه چيست؟
هرگاه در يك مدار بسته جريان از مسيري بجز از مصرف كننده بگذرد و مقدار آن زياد تر از حد مجاز باشد اين وضعيت را اتصال كوتاه مي گوئيم. در حالت اتصال كوتاه سيم كشي مدار و توليد كننده برق در معرض آسيب جدي قرار مي گيرند زيرا جريان مدار بسيار زياد شده و باعث داغ شدن سيم كشي و اضافه بار شدن منبع توليد كننده برق مي گردند در نتيجه اتصال كوتاه بايد سريعا و بصورت خودكار قطع شود كه اين وظيفه بعهده فيوز است.


● اساس كار فيوز چيست؟
فيوز يك عنصر حفاظتي در مدار است كه هرگونه اضافه جرياني را كه بيشتر از مقدار نوشته شده روي فيوز باشد تشخيص داده و آن را سريع قطع مي كند. بدين صورت كه جريان اضافه سبب توليد گرما در فيوز شده و يك سيم حساس به حرارت را كه در مسير عبور جريان و در داخل فيوز قرار دارد ذوب ميكند و در نتيجه مسير عبور جريان قطع شده و اتصال كوتاه بطور موقت برطرف مي شود اما تا زماني كه عامل ايجاد كننده اتصال كوتاه مرتفع نگردد عوض كردن فيوز فايده اي ندارد.


● خطرات ناشي از برق كدامند؟
خطراتي كه از برق ناشي مي شوند عموماً به دو دسته خطرات آتش سوزي و خطرات برق گرفتگي تفسيم مي شوند. در صورتي كه در يك مدار الكتريكي اتصال كوتاه پيش آيد و برطرف نشود جريان مدار به شدت افزايش يافته و حرارت زيادي تولید مي كند. اين حرارت سبب آتش گرفتن عايق سيم ها و گسترش آن به مواد آتش گير ديگر است. خطر ناشي از برق گرفتگي مستقيماً شخص را تهديد مي كند.


● جريان خطا چيست و چند نوع است؟
در صورتي كه در مدار الكتريكي جريان از مسير درست خود جاري نشود آن را جريان خطا مي گويند. اين جريان ممكن است از طريق اتصال بدنه به زمين جاري شود يا از مدار اصلي بگذرد كه ميزان آن بيشتر از حد مشخص مدار است كه آن را اتصال كوتاه يا اضافه بار گويند. در حالت اتصال كوتاه دو نقطه اي از مدار كه نسبت به هم داراي ولتاژ هستند بهم اتصال مي يابند ( توسط يك مقتومت بسيار كوچك ) و در حالت اضافه بار تعداد مصرف كننده ها بيشتر از مقدار مجاز آن ها مي شود.


● منظور از برق گرفتگي چيست؟
اگر جريان برق از بدن انسان يا حيوان بگذرد برگ گرفتگي ايجاد مي شود. ممكن است اندازه جريان عبوري از بدن محسوس نباشد كه در اين صورت برق گرفتگي قابل تشخيص نيست. اما در صورتيكه ميزان جريان عبوري زياد شود ابتدا شوك به بدن وارد مي شود و در صورت زيادتر شدن جريان سبب قطع ضربان قلب - ايست تنفس و در نهايت مرگ مغزي مي شود.


● اندازه جريان و ولتاژ مجاز چقدر است؟
براي جريان متناوب ۱۵ ميلي آمپر و براي جريان مستقيم ۶۰ ميلي آمپر - ولتاژ متناوب ۶۵ ولت و ولتاژ مستقيم ۴۵ ولت است.


● چگونه مي توان شخص را از خطر برق گرفتگي محافظت كرد؟
به اين منظور بايد تمامي گزينه هايي را كه سبب برق گرفتگي مي شود يافت و آنها را بي اثر كرد . مهترين عاملي كه سبب برق گرفتگي مي شود اتصال بدنه است. در اين حالت به كمك كليد FI يا سيم ارت يا كليد FU يا سيستم نول اتصال بدنه را حذف مي كنيم. مي توان از دستگاه هايي استفاده كرد كه بدنه عايقي دارند و امكان اتصال بدنه در آنها وجود ندارد. مي توان ولتاژ كار دستگاه ها را كمتر از ولتاژ خطرناك براي بدن - كمتر از ۶۵ ولت - بكار برد و در نهايت مي توان از ترانسهاي ايزوله استفاده كرد كه باعث جدا سازي فاز برق شهر از تغذيه دستگاه مي شود و در نتيجه در صورت اتصال بدنه خطر برق گرفتگي از بين مي رود.


● توان الكتريكي چيست؟
اصولاً توان به معني سرعت تبديل انرژي است. در دستگاه هايي كه براي تبديل انرژي بكار مي روند هر چقدر اين سرعت بيشتر باشد قدرت دستگاه نيز بيشتر است. مثلاً در ژنراتور توان بيشتر نشان دهنده توليد انرژي برقي ! بيشتري است. در مصرف كننده ها نيز همين موضوع صدق مي كند. لامپي كه توان بيشتري دارد نور زيادتري هم توليد مي كند.

▪ توان را چگونه محاسبه كنيم؟
سرعت تبديل انرژي از تقسيم مقدار آن بر زماني كه آن انرژي تبديل شده بدست مي آيد. (انرژي الكتريكي از حاصل ضرب ولتاژ در جريان در زمان بدست مي آيد). اگر ميزان انرژي را بر زمان تقسيم كنيم مي ماند حاصل ضرب ولتاژ مدار در جريان آن كه اين همان رابطه توان است (توان = ولتاژ × جريان). البته اين رابطه فقط براي مدارهاي دي سي صدق مي كند و در مدارات آسي رابطه ديگري دارد كه بعداً به آن مي پردازيم.

▪ واحد و دستگاه اندازه گيري توان چيست؟
توان با واحد وات و در مقادير بالاتر با كيلو وات و مگاوات سنجيده مي شوند كه توسط وات متر اندازه گيري مي شود.