الکتریسیته (برق) چیست ؟

برق در هر جای زندگی ما نقش مهمی را بازی می کند. به کمک برق خانه های ما روشن می شود،

غذای ما پخته می شود ، کامپیوتر ، تلویزیون و سایر وسایل برقی ما به کار می افتد . برق باتری باعث حرکت ماشین و روشن شدن چراغ قوه می شود.

حال در اینجا از طریق آزمایشی می توانید به اهمیت برق پی ببرید. از مدرسه ، خانه یا آپارتمان خود شروع به پیاده روی کنید و کلیه وسایل و لوازم خانگی و ماشینهایی را که با برق کار می کنند را یادداشت کنید، سپس متعجب خواهید شد که تعداد زیادی از وسایل روزمرة ما بستگی به برق دارند.

اما برق یا الکتریسیته چیست ؟ از کجا می آید ؟ چگونه کار می کند ؟ قبل از اینکه همة اینها را بفهمیم باید اطلاعات کمی درباره اتمها و ساختمانشان داشته باشیم. کلیة مواد از اتمها ساخته شده و اتمها نیز از ذرات کوچکتر تشکیل شده اند. سه ذره اصلی سازنده اتم عبارتند از پروتون ، نوترون و الکترون.

همانگونه که ماه به دور زمین می چرخد ، الکترونها نیز به دور مرکز یا هستة اتم می چرخند. هسته، مجموعه ای از نوترونها و پروتونها می باشد.

الکترونها دارای بار منفی و پروتونها دارای بار مثبت هستند. نوترون ها خنثی می باشند، به عبارت دیگر نه دارای بار مثبت و نه منفی هستند.

در طبیعت اتمهای مختلفی وجود دارد به گونه ای که هر نوع عنصر دارای اتم خاص خودش است. یک اتم سازندة یک عنصر است. 118 عنصر مختلف شناخته شده وجود دارد. بعضی از عناصر، مثل اکسیژنی که تنفس می کنیم، برای زندگی ضروری هستند.

هر اتم از تعداد مشخصی الکترون ، پروتون و نوترون تشکیل شده است. اما تعداد ذرات یک اتم اهمیتی ندارد. معمولاًٌ تعداد الکترونها باید برابر تعداد پروتونها باشد. اگر تعداد آنها برابر باشد، اتم را خنثی می نامند که در این حالت اتم بسیار پایدار است.

بنابراین اگر اتمی دارای 6 پروتون باشد ، تعداد الکترونهای آن نیز باید 6 عدد باشد. عنصری که دارای 6 الکترون و 6 پروتون است کربن نامیده می شود. کربن به مقدار فراوانی در خورشید ، ستارگان ، ستاره های دنباله دار ، جو اکثر سیارات و در غذایی که می خوریم وجود دارد. زغال سنگ از کربن ساخته شده است ، و الماسها نیز همینطور . بعضی از انواع اتمها دارای الکترونهایی هستند که به خوبی به هم متصل نشده اند. اتمی که الکترون از دست می دهد، پروتونهایش بیش از الکترون بوده و دارای بار مثبت است. اتمی که الکترون می گیرد دارای ذرات منفی بیشتری بوده و بار منفی دارد.

یک اتم باردار را یون می نامند.

الکترونها را می توان از یک اتم به اتم دیگری حرکت داد. هنگامی که این الکترونها بین اتمها حرکت می کنند، برق یا جریان الکتریکی تولید می شود. حرکت الکترونها از یک اتم به اتم دیگر جریان نامیده می شود. در این حالت یک اتم، الکترون گرفته و دیگری الکترون از دست می دهد.

این زنجیره مشابه گروههای آتش نشانی در زمانهای قدیم است که به کمک سطل آتش را خاموش می کردند. اما به جای اینکه سطلی را از نقطة شروع به نقطة پایان برسانند ، هر شخصی می بایست سطلی از آب برای پرکردن از سطلی به سطل دیگر داشته باشد. بدین ترتیب مقدار زیادی آب از سطل بیرون می ریخت و آب کافی برای ریختن روی آتش وجود نداشت . عبور برق از یک سیم یا یک مدار مشابهت زیادی با آنچه که در بالا گفته شد دارد. هنگام عبور برق از سیم ، بار از یک اتم به اتم دیگر عبور می کند.

دانشمندان و مهندسان راههای زیادی را برای حرکت دادن الکترونها به خارج از اتمها یافته اند. به عبارت دیگر با اضافه نمودن الکترونها و پروتونها، به جای اینکه حالت خنثی برقرار شود، شما یک پروتون اضافی خواهید داشت.

از آنجایی که کلیه اتمها می خواهند خنثی باشند ، اتمی که خنثی نیست به دنبال الکترون آزادی جهت پر نمودن محل الکترون از دست رفته می گردد. این اتم غیر خنثی دارای بار مثبت (+) است، زیرا دارای پروتونهای خیلی زیادی می باشد.

الکترون آزاد در اطراف اتم غیر خنثی منتظر مانده تا مکانی برای آن پیدا شود. الکترون آزاد دارای بار منفی است و هیچ گونه پروتونی برای خنثی سازی آن وجود ندارد . بنابراین می گوییم که این الکترون دارای بار منفی (-) است.

حال بارهای مثبت و منفی چه رابطه ای با الکتریسیته دارند؟

دانشمندان و مهندسان چندین روش را برای ایجاد تعداد زیادی اتم مثبت و الکترون آزاد منفی  یافته اند. از آنجایی که اتمهای مثبت جهت خنثی شدن به دنبال الکترونهای منفی بوده ، از این رو آنها قابلیت جذب زیادی به اتمهای مثبت دارند. بدین ترتیب اتم مثبت ، الکترون منفی را جذب کرده و خنثی

می شود. هر قدر که تعداد اتمهای مثبت یا الکترونهای منفی بیشتر باشد، قدرت جذب دیگری بیشتر خواهد بود. از آنجایی که هر دو گروه مثبت و منفی یکدیگررا جذب می کنند ، جذب کلی را « بار» می نامند.

زمانیکه الکترونها در بین اتمهای ماده حرکت می کنند، جریان برق تولید می شود. این پدیده ای است که در یک قطعه سیم اتفاق می افتد. الکترونها از یک اتم به اتم دیگر عبور کرده و جریان برق را از یک طرف به طرف دیگر برقرار می کنند ، درست مثل آنچه که در حرکت تصاویر یک فیلم اتفاق می افتد.

معمولاً قابلیت هدایت جریان برق در هر یک از اشیاء متفاوت است. مقاومت هر شئ، میزان قابلیت هدایت جریان برق را نشان میدهد. بعضی از اشیاء دارای الکترونهای خیلی پیوسته به هم بوده و برق از آنها به راحتی عبور نمی کند. به این نوع اشیاء عایق می گویند . لاستیک ، پلاستیک ، شیشه و هوای خشک دارای مقاومت بالایی بوده و عایق های خوبی هستند.

سایر مواد دارای الکترونهای ناپیوسته بوده و برق به آسانی از میان آنها عبور می کند. به این دسته از مواد هادی می گویند . اکثر فلزات از قبیل مس ، آلومینیوم یا فولاد ، هادی های خوبی هستند.

کلمة «الکتریسیته یا برق » از کجا آمده است ؟

الکترونها ، الکتریسیته ، الکترونیک و سایر کلماتی که با «الکتر» شروع می شود همگی ریشه در یک کلمه ی یونانی به نام «elektor» به «معنی خورشید درخشان» دارد. در یونانی «elektron» به معنی کهرباست .

کهربا یک سنگ قهوه ای مایل به طلایی بسیار زیبایی است که در زیر نور خورشید به رنگ نارنجی و زرد می درخشد. در واقع کهربا شیرة درخت فسیل شده ای است که در فیلم پارک ژوراسیک نیز از آن استفاده گردید. میلیون ها سال قبل حشرات به شیرة این درخت چسبیدند. حشرات کوچکی که دایناسورها را نیش زده بودند دارای خونی در بدنشان بودند که اکنون در کهربا قرار داشت.

یونانیان قدیم متوجه شدند که خواص کهربا خیلی عجیب است. به عنوان مثال وقتی کهربا به خز یا سایر اشیاء مالیده می شد ،قادر بود پر را جذب کند. آنها عامل ایجاد این پدیده را نمی دانستند. اما یکی از اولین مثالهای الکتریسیته ی ساکن به خود جذب کند . تا قرن هیجدهم میلادی شناخت بشر از این نیروی طبیعی تقریبا" در همین حد بود . در اواخر این قرن ( در سال 1799 ) دانشمندی ایتالیایی به نام الکساندر ولتا پیل الکتریکی ( باطری ) را اختراع کرد و بدین ترتیب برای نخستین بار الکتریسیته جاری تولید گردید و عصر برق در جهان آغاز شد . از ابتدای قرن نوزدهم از باطری به میزان وسیعی در آزمایشگاه ها و انجمن های علمی و نیز برای بعضی مصارف ( مانند فانوس های دریایی ) استفاده می شد . دومین گام بلند علمی برای تسخیر انرژی برق در سال 1831 و توسط مایکل فارادی – دانشمند انگلیسی – برداشته شد . در این سال فارادی توانست با ساختن نخستین دینام ساده و آزمایشگاهی ، با استفاده از میدان مغناطیسی ، الکتریسیته تولید کند . این امر راه را برای ساختن ژنراتورهای بزرگ هموار کرد . تکامل مولد های برق سالها به طول انجامید و سرانجام در سال 1867 نخستین ژنراتور واقعی و کارآمد توسط زیمنس (دانشمند و صنعتگر آلمانی) ساخته و به بازار عرضه شد.

ادیسون ( 1931-1848 ) مخترع آمریکایی ، زمانی متولد شد که حدود نیم قرن از اختراع «پیل الکتریکی» می گذشت و مهندسان کشورهای اروپایی در حال تکمیل ساختمان ژنراتورهای برق بودند. از آنجا که روشنایی همواره یکی از مهمترین خواسته ها و نیازهای بشر بوده است با اختراع باطری ، دانشمندان زیادی به فکر استفاده از برق برای ایجاد روشنایی افتادند . همفری دیوی- دانشمند انگلیسی – نخستین کسی بود که توانست در سال 1813 اولین چراغ برق را ، با استفاده از دو میله زغالی که بین آنها جریان برق می گذشت ، اختراع کند . سالها از این چراغ برای روشنایی خیابانها و میادین برخی کشورهای اروپایی و نیز برای فانوس های دریایی استفاده می شد . این نوع لامپ مصرف بالایی داشت و چندان مقرون به صرفه نبود . توماس ادیسون در 21 اکتبر 1879 موفق به اختراع لامپ خلاء رشته ای ( لامپ های معمولی ) گردید . این لامپ نسبتا" ارزان و با دوام بود و به سرعت در تمام آمریکا و اروپا و سپس دیگر مناطق جهان مورد استفاده قرار گرفت . ادیسون در طول عمر خود بیش از 1200 اختراع به ثبت رسانید که مهمترین و مشهورترین آنها اختراع « لامپ برق » می باشد.را یونانیان کشف کرده بودند . کلمه لاتین «electricus» به معنی «تولید شده از کهربا توسط اصطکاک» می باشد. بنابراین کلمه ی انگلیسی الکتریسیته از کلمات یونانی و لاتینی که در مورد کهربا بوده ، گرفته شده است.

تاريخچه پيدايش برق

طبق گواهی تاریخ ، اولین کسانی که وجود الکتریسیته را در اجسام درک کردند و از آن سخن گفتند دانشمندان یونان باستان بوده اند. اقلیدس متوجه شد که اگر کهربا را با پارچه مالش دهند می تواند چیزهای سبکی مانند کاه را

تولید الکتریسیته

تولید الکتریسیته اولین فرایند در ارائه الکتریسیته به مصرف کننده هاست. سه فرایند دیگر انتقال توان الکتریکی، توزیع الکتریسیته و فروش الکتریسیته است.

اهمیت تولید الکتریسیته، انتقال و توزیع آن زمانی کشف شد که معلوم شد الکتریسیته برای تهیه گرما، روشنایی و توان مورد نیاز برای دیگر فعالیت های انسانی، مفید است. تولید الکتریسیته غیر متمرکز نیز زمانی ممکن شد که کارشناسان فهمیدند خطوط برق جریان متناوب می توانند الکتریسیته را با قیمت ارزان در طول فواصل بلند و توسط بهره برداری از مزیت قابلیت تبدیل ولتاژ با استفاده از ترانسفورماتورهای توان، انتقال دهند.

برای مدت 120 سال، الکتریسیته از منابع مختلف انرژی پتانسیل و به منظور فراهم آوردن انرژی فن آوری های بشر، تولید می شده است. اولین نیروگاه برق توسط چوب راه اندازی شد، در حالی که امروزه نیروگاه ها با نفت، گاز طبیعی، زغال سنگ، سیستم برق آبی و انرژی هسته ای و به میزان کمی با هیدروژن، انرژی خورشیدی، کنترل جزر و مد و ژنراتورهای بادی کار می کنند. تولید و توزیع الکتریسیته اغلب در دستان بخش خصوصی یا دولتی که خدمات رفاهی عمومی را در اختیار دارند، بوده است. در سالهای اخیر برخی دولت ها به عنوان بخشی از حرکتی برای اعمال فشار بازار به حقوق انحصاری، شروع به خصوصی سازی یا شرکتی کردن این خدمات رفاهی کرده اند. بازار الکتریسیته نیوزیلند مثالی از این نوع است.

تقاضای الکتریسیته را می توان به دو صورت ارضاء کرد. روش اول که تا کنون برای خدمات رفاهی به کار می رفته است، ساختن پروژه های بزرگ تولید و ارسال الکتریسیته لازم به اقتصادهای سوختی در حال رشد، است. بسیاری از این پروژه ها دارای تاثیرات زیست محیطی نامطلوب نظیر آلودگی هوا یا آلودگی تشعشعی و آب گرفتگی بخش وسیعی از زمین، هستند.

تولید پراکنده به عنوان روش جدیدی (روش دوم) برای برطرف کردن تقاضای الکتریکی، در نزدیکی مصرف کننده ها شناخته شده است. پروژه های کوچک تر پراکنده دارای خصوصیات زیر هستند:

ـ حفاظت در برابر خاموشی های برق ناشی از متوقف کردن نیروگاه های غیر متمرکز یا خطوط انتقال به منظور تعمیر، فریب بازار یا توقفهای اضطراری.

روش های تولید الکتریسیته

روش های تبدیل توان های دیگر به توان الکتریکی

توربین های دوار که به ژنراتورهای الکتریکی متصل شده اند، اکثر الکتریسیته تجاری موجود را تولید می کنند. توربین ها عموماً توسط بخار، آب، باد یا دیگر مایعات به عنوان یک واسطه حامل انرژی، گردانده می شوند. پیل های سوختی که برای تولید الکتریسیته از مواد شیمیایی مختلفی استفاده می کنند، توسط برخی از مردم مناسب ترین منبع برق برای بلند مدت شناخته می شوند، خصوصاً اگر بتوان از هیدروژن به عنوان ماده تغذیه در این پیل ها استفاده کرد. اما به هرحال هیدروژن معمولاً تنها یک حامل انرژی است و بایستی توسط منابع توان دیگری ایجاد شود.

ژنراتورهای کوچک قابل حمل نیز عموماً توسط موتورهای دیزل کار می کنند که خصوصاً در کشتی ها، مکان های مسکونی دور افتاده و برق اضطراری استفاده می شوند.

منابع انرژی اولیه، بکار رفته در تولید انرژی الکتریکی

جهان امروز برای تولید انرژی بر زغال سنگ و گاز طبیعی تکیه می کند. هزینه های بالای مورد نیاز برای انرژی هسته ای و ترس از خطرات این انرژی، از دهه 1970م جلوی تاسیس نیروگاه های جدید هسته ای را در آمریکای شمالی گرفته است.

توربین های بخار را می توان توسط بخارهای ناشی از منابع زمین گرمایی، انرژی خورشیدی، مایعات، سوخت های فسیلی گازی و جامد، به راه انداخت. راکتورهای هسته ای از انرژی ناشی از شکافت اورانیوم یا پلوتونیوم رادیواکتیو برای تولید آزمایش‌های مربوط به گرما استفاده می کنند. این راکتورها اغلب از دو مدار بخار اولیه و ثانویه تشکیل شده تا یک لایه حفاظتی اضافی را بین محل قرار گرفتن سوخت هسته ای و اتاق ژنراتور قرار دهد.

نیروگاه های برق آبی از آبی که مستقیماً از توربین ها عبور می کند، برای راه اندازی ژنراتورها استفاده می کنند.

کنترل جزر و مد از نیروی ماه بر روی بدنه آب دریاها برای گرداندن یک توربین استفاده می کنند

. ژنراتورهای بادی از باد برای گرداندن توربین هایی که با یک ژنراتور مرتبط اند، استفاده می کنند. نیروگاه برق آبی ذخیره شده با پمپ برای هم سطح کردن تقاضاها روی یک شبکه برق به کار می رود.

تولید الکتریسیته توسط هم جوشی آزمایش‌های مربوط به گرما هسته ای به عنوان راه حلی ممکن برای تولید الکتریسیته پیشنهاد شده است. در حال حاضر برخی موانع فنی و مسایل زیست محیطی در مسیر این راه وجود دارد که اگر برطرف شوند هم جوشی، یک منبع انرژی الکتریکی نسبتاً تمیز و بی خطر را تامین خواهد کرد. پیش بینی می شود که یک راکتور آزمایشی بزرگ «ITER) در سال 2005-2006 شروع به کار کند.

بهبود کارایی

نیروگاه های تولید مختلط «برق و گرمای ترکیب شده)، با استفاده از برق خورشیدی، سوخت های فسیلی، گازهای سنتزی، تراکم زیست یا زیست گاز به عنوان یک منبع سوختی، تولید الکتریسیته و آزمایش‌های مربوط به گرما را انجام می دهند. این نیروگاه ها می توانند به کارایی به میزان 80 درصد برسند اما انتظار می رود بسیاری از این نیروگاه ها که امروزه ساخته می شوند تنها به کارایی معادل حداکثر 55 درصد برسند. بخار گرم شده یک توربین را می گرداند و سپس گرمای اضافی برای گرم کردن فضاهای داخل ساختمان ها، فرآیندهای صنعتی یا گرم کردن گلخانه ها بکار می رود. تمامی مردم می توانند از گرمای توزیع شده از طریق یک طرح گرمایی منطقه ای بهره ببرند.