ساخت ماکت خانه سبز - جلسه ششم
آشنایی با الکتریسیته و انواع آن
اهداف جلسه : آشنایی با الکتریسیته و انواع آن
وسایل مورد نیاز : ....................
1_ الكتریسیته چیست ؟ از كجا آمده است؟ چطور كار می كند؟
الكتریسیته در همه جای زندگی ما دیده می شود، الكتریسیته خانه ها را روشن می كند ، غذای ما را می پزد ، نیروی لازم برای كامپیوتر ، تلویزیون و دیگر وسایل الكترونیكی را تامین می كند. الكتریسیته ی باتری ها ، چراغ قوه را در تاریكی روشن می كند و ماشین ما را به حركت در می آورد.
می توانید كاری كنید تا بفهمید الكتریسیته تا چه اندازه مهم است. به سمت مدرسه یا خانه خود بروید و وسایل و ماشین های مختلفی كه از الكتریسیته استفاده می كنند را بنویسید . از تعداد زیاد چیزهایی كه ما هر روزه استفاده می كنیم و به الكتریسیته وابسته است متعجب خواهید شد.
الکتریسیته را می شود در تمامی تلکنولوژی هایی که امروز در اطراف ما وجود دارد ، مثل تلفن ها ، کامپیوترها و … دید و از اجزای جدایی ناپذیر دنیای ما هستند. حتی اگه ما از تکنولوژی هم صرف نظر کنیم ، باز هم الکتریسیته رو می شود در طبیعت دید. مثلا وقتی که یک رعد و برق اتفاق می افتد. اما واقعا الکتریسیته چیست؟ این سوال ، سوال بسیار پیچیده ای هست و حتی اگه عمیق تر بشویم و سوالات بیشتری بپرسیم خواهیم دید ، که این سوال پاسخ قطعی و مشخصی ندارد و ما هم در این بخش قصد داریم صرفا مقدمه ای بیان کنیم از این که الکتریسیته چگونه بر روی زندگی و محیط اطراف ما اثر می گذارد .
هدف نهایی ما هم این هست که بفهمیم الکتریسیته چگونه از منبع تغذیه در سیم ها حرکت می کند ، LED ها را روشن و موتورها را می چرخاند و تغذیه سایر وسایل ما را فراهم می آورد.
الکتریسیته را میشود به صورت خلاصه ، حرکت بار الکتریکی تعریف کرد. اما پشت همین جمله مفاهیم عمیقی نهفته است. اصلا بار الکتریکی از کجا می اید؟ ما چطور میتوانیم ان ها را حرکت دهیم؟ بعد از این که حرکت شان دادیم ، به کجا می روند؟ چگونه یک بار الکتریکی باعث روشن شدن LED یا چرخیدن یک موتور می شود؟ و این سوالات همچنان ادامه دارد. برای این که بفهمیم الکتریسته چیست ، نیاز داریم که از ماده شروع کنیم و به ملکول و اتم برسیم و اجزای سازنده اتم را بهتر بشناسیم.
بررسی ساختار اتم :
برای این که الکتریسیته و مفاهیم مرتبط با آن را بشناسیم ، لازم هست که وارد اتم ، که بلوک اصلی سازنده ملکول ها و مواد است ، بشویم و ساختار آن را بهتر بشناسیم. اتم ها در 100 ها شکل مختلف وجود دارند. مثلا آن ها را میتوان در المان های شیمیایی مثل هیدروژن ، کربن ، اکسیژن و مس دید. اتم ها با هم دیگر ترکیب می شوند و ملکول ها را تشکیل می دهند و تشکیل ملکول ها هم با هم دیگر ، باعث ایجاد مواد و اجسام می شوند که ما آن ها را لمس می کنیم. اتم ها بسیار کوچک هستند که هر اتم از سه جزء اصلی تشکیل شده است : پروتون ها ، نوترون ها و الکترون ها. در ادامه قصد داریم در مورد این سه جزء بیشتر صحبت کنیم.
اجزا سازنده اتم ها :
همونطور که گفتیم ، اتم ها از سه بخش اصلی با نام های پروتون ، الکترون ، و نوترون تشکیل شده است. هر اتم دارای یک هسته مرکزی هست که در آن هسته ، پروتون ها و نوترون ها در کنار همدیگر قرار گرفته اند و در اطراف آن هسته هم ، گروهی از الکترون ها ( که در حال چرخش هستند) قرار گرفته اند.
در هر اتم حداقل یک پروتون وجود دارد. همچنین تعداد پروتون های موجود در اتم ها بسیار مهم است. علت این اهمیت هم این هست که تعداد پروتون ها ، مشخص میکند که چند المان شیمایی در آن اتم وجود دارد . مثلا در یک اتم هیدروژن ، فقط یک پروتون وجود دارد و یا در یک اتم مس 29 پروتون وجود دارد . به تعداد پروتون های موجود در یک اتم ، عدد اتمی آن اتم گفته می شود. نوترون ها که در جفت پروتون ها در هسته اتم قرار گرفته اند ، نقش مهمی را بازی می کنند. آن ها پروتون ها را در هسته نگه می دارند. ما می توانیم مفهوم الکتریسیته را بدون استفاده از نوترون ها هم بفهمیم ، پس اجازه بدید که در این آموزش خیلی به آن ها توجهی نداشته باشیم. الکترون ها نقش بسیار مهمی را در الکتریسیته بازی می کنند. در یک اتم پایدار ، تعداد الکترون ها با تعداد پروتون ها برابر هست. در مدل اتمی بور که در شکل زیر آورده شده است ، هسته که از 29 پروتون تشکیل شده ، توسط 29 الکترون در اطراف خودش احاطه شده است.
الکترون هایی که در یک اتم وجود دارند ، ممکن است که به اتم مقید نباشند.به الکترون هایی که در بیشترین فاصله از هسته قرار دارند ، الکترون های ظرفیت گفته می شود. با استفاده از یک نیروی خارجی ( که به اندازه کافی قوی باشد ) الکترون های ظرفیت می توانند از اتم جدا شوند. به این الکترون ها ، الکترون های آزا گفته می شود که با این خاصیت می توانیم بار الکتریکی را جا به جا کنیم که همه داستان الکتریسیته درباره همین حرکت بارهای الکتریکی هست.
حرکت بارهای الکتریکی :
همانطور که در ابتدای این نوشته هم گفتیم ، الکتریسیته در واقع حرکت بارهای الکتریکی هست. بار الکتریکی یک خاصیتی از یک ماده ( مثل جرم و حجم و چگالی و ..) هست که می شود آن را اندازه گیری کرد. همانطور که ما جرم یک ماده را اندازه گیری میکنیم ، می توانیم بارالکتریکی یک ماده را هم اندازه گیری کنیم. نکته کلیدی در مورد بار الکتریکی این هست که می تواند در دو شکل وجود داشته باشد : مثبت(+) و منفی (-) . برای حرکت بار الکتریکی ، ما نیاز به حامل های بار داریم. این جا است که دانش ما در مورد اتم ها ( به خصوص الکترون ها و پروتون ها ) به کمک ما می آید. الکترون ها همیشه ، حمل کننده بار الکتریکی منفی هستند در حالی که پروتون ها دارای بار الکتریکی مثبت هستند. نوترون ها هم خنثی هستند و هیچ بار الکتریکی ای ندارند. الکترون ها و پروتون ها دقیقا یک بار الکتریکی را حمل میکنند و تنها تفاوت آنها در نوع بار الکتریکی است .
به حرکت در آوردن بارهای الکتریکی :
حالا ما تمام ابزارهایی که می تواند بارهای الکتریکی را به حرکت وا دارد ، در اختیار داریم. الکترون ها می توانند به عنوان حامل های بار منفی در نظر گرفته بشوند. زیرا همانطور که گفتیم ، هر الکترون دارای بار الکتریکی منفی هست. اگر ما یک الکترون را از اتم جدا کنیم و یک نیرو به آن وارد کنیم تا حرکت کند ، در این صورت می توانیم الکتریسیته را ایجاد کنیم. مدل اتمی مربوط به اتم مس را در نظر بگیرید. ( مس یکی از منابع اصلی برای حرکت دادن بارهای الکتریکی است ) . این اتم در حالت پایدار 29 پروتون در هسته وجود داره و به همین تعداد هم الکترون وجود دارد که در اطراف آن در حال گردش هستند. این الکترون ها در ، فاصله های متفاوتی از هسته در حال گردش هستند. طبیعتا هر چه فاصله الکترون تا هسته کمتر باشد ، نیروی جاذبه قوی تری بین آن الکترون و هسته وجود دارد . الکترون هایی که در دورترین فاصله قرار دارند را الکترون های لایه ظرفیت می نامند و برای جداسازی این الکترون ها از هسته ، نیاز به نیروی کمتری وجود دارد ( نسبت به الکترون هایی که در فاصله ی نزدیک تری از هسته قرار دارند ) .
حالا یک سیم مسی را در نظر بگیرید : جسمی که از بی نهایت اتم مس تشکیل شده است . در حالی که الکترون های آزاد بین اتم های مختلف در فضا ، شناور هستند ، این الکترون ها به وسیله بارهای الکتریکی دیگر جذب یا دفع می شوند. در این هرج و مرج ، در نهایت الکترون های آزاد ، به یک اتم جدید می چسبند . با این کار ، بار الکتریکی منفی آن اتم ، یک الکترون دیگر از لایه ظرفیت آن اتم را جدا می کند و یک الکترون آزاد دیگر تشکیل می شود و دوباره این الکترون دنبال یک اتم جدید میگردد و این کار دوباره ادامه پیدا می کند . این زنجیره که ادامه پیدا کند ، باعث حرکت مداوم الکترون ها می شود که این حرکت را جریان الکتریکی می نامند.
2_ پارامترهای اصلی برق :
·جریان الکتریکی چیست ؟
هرگاه حاملهای الکتریسیته ( الکترونها ) در یک هادی بحرکت درآیند جریان الکتریکی ایجاد می شوند . اما هر حرکت الکترونی جریان برق نیست . بلکه این حرکت باید در یک مسیر مشخص باشد .هر چقدر الکترون های بیشتری در زمان کمتری در مسیر مشخص حرکت کنند مقدار جریان نیز بیشتر می شود
· آمپر چیست ؟
برای دانستن میزان جریان باید بتوان آن را با عدد بیان کرد که به همین منظور از واحد سنجش جریان که همان آمپر است استفاده می شود
· مقدار یک آمپر جریان چقدر است ؟
هرگاه از یک هادی تعداد ۲۸/۶ ضربدر ۱۰ بتوان ۱۸ الکترون در یک ثانیه بگذرد این میزان الکترون در زمان یک ثانیه معرف یک آمپر جریان الکتریکی است.
· ولتاژ چیست ؟
دانستیم هرگاه الکترون ها در یک هادی در مسیر مشخصی به حرکت در آیند جریان الکتریکی ایجاد می شود . اما الکترون ها بدون دریافت نیرو و انرژی از مدار گردش به دور هسته خارج نمی شوند . بنا براین برای تولید جریان نیاز به یک نیرو داریم که آن را از منابع تولید نیرو مانند باتری می گیریم . به عبارت ساده تر نیروی لازم جهت ایجاد جریان ولتاژ نام دارد که واحد اندازه گیری آن ولت است.
·چگونه می توان ولتاژ تولید کرد ؟
این سوال پاسخ سوال دیگری نیز می تواند باشد که همان روش های تولید الکتریسیته است . می دانیم که انرژی تولید نمی شود بلکه از صورتی به صورت دیگر تبدیل می گردد . از آنجاییکه الکتریسیته هم انرژی است پس باید تبدیل شده انرژی های دیگر باشد . انرژی هایی که بصورت متعارف برای تولید برق بکار می رود عبارتند از : انرژی شیمیایی در باتری ها - انرژی مغناطیسی در ژنراتورها - انرژی نورانی در باتریهای خورشیدی - انرژی حرارتی در ترموکوپل ها - انرژی ضربه ای در پیزو الکتریک و غیره.
·مقاومت چیست ؟
الکترون ها در هادی براحتی نمی توانند حرکت کنند زیرا در مسیر حرکت آنها موانعی وجود دارد که بطور ساده آنها را مقاومت هادی در برابر عبور جریان می گوییم .هرچه قدر این موانع کمتر باشد عبور جریان بهتر صورت می گیرد و می گوییم جسم هادی بهتری است . این موضوع نخستین بار توسط سیمون اهم یک فیزیکدان آلمانی مطرح شد . به همین دلیل واحد اندازه گیری مقاومت اهم است.
· توان الکتریکی چیست ؟
اصولا توان به معنی سرعت تبدیل انرژی است . در دستگاه هایی که برای تبدیل انرژی بکار می روند هر چقدر این سرعت بیشتر باشد قدرت دستگاه نیز بیشتر است . مثلا در ژنراتور توان بیشتر نشان دهنده تولید انرژی برقی ! بیشتری است . در مصرف کننده ها نیز همین موضوع صدق می کند . لامپی که توان بیشتری دارد نور زیادتری هم تولید می کند .
توان را چگونه محاسبه کنیم ؟ سرعت تبدیل انرژی از تقسیم مقدار آن بر زمانی که آن انرژی تبدیل شده بدست می آید.( انرژی الکتریکی از حاصل ضرب ولتاژ در جریان در زمان بدست می آید ) . اگر میزان انرژی را بر زمان تقسیم کنیم می ماند حاصل ضرب ولتاژ مدار در جریان آن که این همان رابطه توان است (توان = ولتاژ × جریان ) . البته این رابطه فقط برای مدارهای دی سی صدق می کند و در مدارات آسی رابطه دیگری دارد که بعدا به آن می پردازیم .
واحد و دستگاه اندازه گیری توان چیست ؟ توان با واحد وات و در مقادیر بالاتر با کیلو وات و مگاوات سنجیده می شوند که توسط وات متر اندازه گیری می شود.
3_ انواع الكتریسیته :
1-3_ الكتریسیته ساكن یا استاتیك :
میله كائوچو در اثر فزونی الكترون بار منفی ومیله شیشه در اثر كمبود الكترون بار مثبت پیدا كرده است وچون این دو میله بهم متصل نشده اند برای الكترونها امكان جریان وایجاد تعادل وجود ندارد.به عبارت دیگرعبور الكترون ها صورت نمی گیرد والكتریسیته روی دو میله می ماند وجریان ندارد.این نوع الكتریسیته را ساكن یا استاتیك می نامند.
2-3_ الكتریسیته جاری :
الف – جریان مستقیم (DC) :
اگر الكترون ها از قطب منفی به طرف قطب مثبت حركت نمایند الكتریسیته جاری خواهیم داشت.مثلا اگر دوسر یك باتری را به لامپ وصل كنیم الكترون ها از قطب منفی به مثبت رفته ولامپ روشن می شود.در این حالت جهت حركت الكترون ها همیشه از قطب منفی به مثبت وثابت است .به این نوع جریان مه جای قطب ها ثابت است وتغییر نمی كند جریان مستقیم گفته می شود.
جریان مستقیم (DC یا جریان پیوسته )، عبور پیوسته جریان الکتریسیته از یک هادی نظیر یک سیم از پتانسیل بالا به پتانسیل کم است. در جریان مستقیم، بار الکتریکی همواره در یک جهت عبور می کند که این امر جریان مستقیم را از جریان متناوب (AC) متمایز می کند.
در واقع جریان مستقیم ابتدا برای انتقال توان الکتریکی پس از کشف تولید الکتریسیته در اواخر قرن 19 توسط توماس ادیسون بکار رفت. امروزه استفاده از جریان مستقیم برای این منظور غالبا کنار گذاشته شده است، چرا که جریان متناوب (که توسط نیکلا تسلا کشف و توسعه داده شده ) برای انتقال در طول خطوط بلند بسیار مناسب تر است (جنگ جریان ها را مشاهده کنید). هنوز هم انتقال توان DC برای اتصال شبکه های توان AC با فرکانس های مختلف به هم، بکار می رود.
عموما در بسیاری از کاربرد های کم ولتاژ استفاده می شود، خصوصا در جایی که انرژی از طریق باتری ها تامین می شود که تنها می توانند ولتاژ DC تولید کنند. اکثر سیستم های خودکار، از DC استفاده می کنند. اگرچه که ژنراتور یک وسیله AC است که از یک یکسو کننده برای تولید DC استفاده می کند. اغلب مدارات الکترونیکی نیاز به یک منبع تغذیه DC دارند. با وجود اینکه DC مخفف جریان مستقیم است اما کلاً به ولتاژهای با پلاریته ثابت، DC گفته می شود. برخی از انواع DC دارای تغییرات ولتاژ زیادی هستند، مانند خروجی دست نخورده یک یکسوساز. با عبور این خروجی از یک فیلتر RC پایین گذر، ولتاژ پایدار تری حاصل می شود.
معمولا به دلیل ولتاژهای بسیار پایین بکار رفته در سیستم های جریان مستقیم، نصب آنها نیازمند پریزها، کلیدها و لوازم ثابت متفاوتی از آنچه که برای جریان متناوب به کار می رود است. در یک وسیله جریان مستقیم این نکته بسیار مهم است که پلاریته آنرا معکوس وصل نکنیم، مگر اینکه وسیله داری یک پل دیودی برای اصلاح این امر باشد. (که اکثر دستگاه های عمل کننده با باتری این امکان را ندارند) .
امروزه گرایشاتی در جهت سیستم های انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) ایجاد شده است. همچنین DC در سیستم های برق خورشیدی که توسط باتری های خورشیدی تغذیه می شوند، به کارمی رود.
ب - جریان متناوب (AC) :
حال اگر قطبها جایشان عوض شود جهت حركت الكترون ها نیز تغییر خواهد كرد بعبارت دیگر نقطه فزونی وكمبود الكترون مرتبا جایشان عوض شود به جریانی كه از این تغییر بوجود می آید جریان متناوب می گویند.
یک جریان متناوب (AC) جریان الکتریکی ای است که در آن اندازه جریان به صورت چرخه ای تغییر می کند، بر خلاف جریان مستقیم که در آن اندازه جریان مقدار ثابتی می ماند. شکل موج معمول یک مدار AC عموما یک موج سینوسی کامل است چرا که این شکل موج منجر به انتقال انرژی به موثرترین صورت می شود. اما به هر حال در کاربردهای خاص، شکل موج های متفاوتی نظیر مثلثی یا مربعی نیز استفاده می شود.
4_ توزیع برق و تغذیه خانگی :
بر خلاف جریان DC، جریان AC را می توان توسط یک ترانسفورماتور به سطوح مختلف ولتاژی انتقال داد. هر چه میزان ولتاژ افزایش یابد، انتقال توان هم موثرتر صورت خواهد گرفت. افزایش میزان قابلیت انتقال توان به علت قانون اهم است، تلفات انرژی الکتریکی وابسته به عبور جریان از یک هادی است. تلفات توان به علت جریان توسط رابطه P=I^2*R محاسبه می شود، بنابراین اگر جریان دو برابر شود، تلفات چهار برابر خواهد شد.
با استفاده از ترانسفورماتور، ولتاژ را می توانیم به یک ولتاژ بالا افزایش دهیم تا بتوانیم توان را در طول فواصل بلند در سطح جریان پایین انتقال داده و در نتیجه تلفات کاهش یابد. سپس می توانیم ولتاژ را دوباره به سطحی که برای تغذیه خانگی بی خطر باشد، کاهش دهیم.
تولید الکتریکی سه فاز بسیار عمومی است و استفاده ای موثرتر از ژنراتورهای تجاری را برای ما ممکن می سازد. انرژی الکتریکی توسط چرخش یک سیم پیچ داخل یک میدان مغناطیسی در ژنراتورهای بزرگ و با هزینه بالا ایجاد می شود. اما به هر حال جای دادن سه سیم پیچ جدا روی یک محور (بجای یک سیم پیچ)، هم نسبتا آسان و هم مقرون به صرفه است. این سیم پیچ ها روی محور ژنراتورها نصب شده اند اما از نظر فیزیکی جدا اند و دارای یک اختلاف زاویه 120 درجه ای نسبت به هم هستند. سه شکل موج جریان تولید می شود که دارای اختلاف فاز 120 درجه ای نسبت به هم، اما اندازه های یکسان هستند.
توزیع الکتریسیته سه فاز بطور وسیعی در ساختمان های صنعتی و توزیع الکتریسیته تک فاز در محیط های خانگی بکار می رود. نوعا یک ترانسفورماتور سه فاز ممکن است مسیرهای مختلفی را با یک فاز متفاوت برای بخش های مختلف هر مسیر، تغذیه کند.
سیستم های سه فاز به گونه ای طراحی شده اند که در محل بار متعادل باشند، اگر باری به طور صحیح متعادل شده باشد، جریانی از نقطه خنثی عبور نخواهد کرد. این بدین مفهوم است که می توان جریان را تنها با سه کابل به جای شش کابل که در غیر این صورت مورد نیاز است، انتقال داد. گفتنی است که برق سه فاز در واقع نوعی از سیستم چند فازه است.
در بسیاری از موارد تنها یک تک فاز برای تغذیه ی روشنایی خیابان ها یا مصرف کننده های خانگی مورد نیاز است. وقتی که یک سیستم توان الکتریکی سه فاز داریم، یک کابل چهارمی که خنثی است را در توزیع خیابانی قرار می دهیم تا برای هر خانه یک مدار کامل را فراهم کنیم «یعنی هر خانه می تواند از یکی از کابل های فاز و کابل خنثی برای مصرف استفاده کند». خانه های مختلف در خیابان از فازهای مختلف استفاده می کنند یا وقتی که مصرف کننده های زیادی به سیستم متصلند، آنها را به صورت مساوی در طول سه فاز پخش می کنند تا بار روی سیستم متعادل شود. بنابراین کابل تغذیه هر خانه معمولاً تنها شامل یک هادی فاز و نول و احتمالا با یک پوشش آهنی زمین شده، است.
برای اطمینان یک سیم سومی هم اغلب بین هر یک از وسایل الکتریکی در خانه و صفحه سوییچ الکتریکی اصلی یا جعبه فیوز وصل می شود. این سیم سوم در انگلستان و اکثر کشورهای انگلیسی زبان سیم earthو در آمریکا سیم groundخوانده می شود. در صفحه سوییچ اصلی سیم earth را به سیم نول و نیز به یک تیرک متصل به زمین یا هر نقطه earthدر دسترس (برای آمریکایی ها نقطه ground ) نظیر لوله آب، متصل می کنند.
در صورت وقوع خطا، سیم زمین می تواند جریان کافی را برای راه اندازی یک فیوز و جدا کردن مدار دارای خطا، از خود عبور دهد. همچنین اتصال زمین به این مفهوم است که ساختمان مجاور دارای ولتاژی برابر ولتاژ نقطه خنثی است.
شایع ترین نوع خطای الکتریکی (شوک) در صورتی رخ می دهد که شی (معمولاً یک نفر) بطور تصادفی بین یک هادی فاز و زمین، مداری تشکیل دهد. در این صورت یک جریان خطا از فاز به زمین ایجاد می شود که به جریان پس ماند معروف است. یک مدار شکن جریان پس ماند طراحی شده تا چنین مشکلی را شناسایی کند و مدار را قبل از اینکه شوک الکتریکی منجر به مرگ شود، قطع کند.
در کاربرد های صنعتی (سه فاز) بسیاری از قسمت های مجزای سیستم خنثی به زمین متصلند که این امر موجب می شود تا جریان های کوچک زمین، که همواره بین یک ژنراتور و یک مصرف کننده (بار) در حال عبور هستند را متعادل کند. این سیستم زمین کردن این اطمینان را به ما می دهد که اگر خطایی رخ دهد، جریانی که از نقطه خنثی می گذرد به یک سطح قابل کنترل محدود شده باشد. این روش به سیستم خنثی زمین چندگانه معروف است.
تکلیف : پس از تولید برق در نیروگاه ها آن را به صورت AC و یا DC انتقال می دهند و دلیل آن چیست ؟
منابع مطالعه :
1_ مبانی برق – دکتر جبه دار
2_ کتاب مبانی انرژی خورشیدی – نوشته دافی و بکمن
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه اول
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه دوم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه سوم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه چهارم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه پنجم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه ششم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هفتم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هشتم
وسایل مورد نیاز : ....................
1_ الكتریسیته چیست ؟ از كجا آمده است؟ چطور كار می كند؟
الكتریسیته در همه جای زندگی ما دیده می شود، الكتریسیته خانه ها را روشن می كند ، غذای ما را می پزد ، نیروی لازم برای كامپیوتر ، تلویزیون و دیگر وسایل الكترونیكی را تامین می كند. الكتریسیته ی باتری ها ، چراغ قوه را در تاریكی روشن می كند و ماشین ما را به حركت در می آورد.
می توانید كاری كنید تا بفهمید الكتریسیته تا چه اندازه مهم است. به سمت مدرسه یا خانه خود بروید و وسایل و ماشین های مختلفی كه از الكتریسیته استفاده می كنند را بنویسید . از تعداد زیاد چیزهایی كه ما هر روزه استفاده می كنیم و به الكتریسیته وابسته است متعجب خواهید شد.
الکتریسیته را می شود در تمامی تلکنولوژی هایی که امروز در اطراف ما وجود دارد ، مثل تلفن ها ، کامپیوترها و … دید و از اجزای جدایی ناپذیر دنیای ما هستند. حتی اگه ما از تکنولوژی هم صرف نظر کنیم ، باز هم الکتریسیته رو می شود در طبیعت دید. مثلا وقتی که یک رعد و برق اتفاق می افتد. اما واقعا الکتریسیته چیست؟ این سوال ، سوال بسیار پیچیده ای هست و حتی اگه عمیق تر بشویم و سوالات بیشتری بپرسیم خواهیم دید ، که این سوال پاسخ قطعی و مشخصی ندارد و ما هم در این بخش قصد داریم صرفا مقدمه ای بیان کنیم از این که الکتریسیته چگونه بر روی زندگی و محیط اطراف ما اثر می گذارد .
هدف نهایی ما هم این هست که بفهمیم الکتریسیته چگونه از منبع تغذیه در سیم ها حرکت می کند ، LED ها را روشن و موتورها را می چرخاند و تغذیه سایر وسایل ما را فراهم می آورد.
الکتریسیته را میشود به صورت خلاصه ، حرکت بار الکتریکی تعریف کرد. اما پشت همین جمله مفاهیم عمیقی نهفته است. اصلا بار الکتریکی از کجا می اید؟ ما چطور میتوانیم ان ها را حرکت دهیم؟ بعد از این که حرکت شان دادیم ، به کجا می روند؟ چگونه یک بار الکتریکی باعث روشن شدن LED یا چرخیدن یک موتور می شود؟ و این سوالات همچنان ادامه دارد. برای این که بفهمیم الکتریسته چیست ، نیاز داریم که از ماده شروع کنیم و به ملکول و اتم برسیم و اجزای سازنده اتم را بهتر بشناسیم.
بررسی ساختار اتم :
برای این که الکتریسیته و مفاهیم مرتبط با آن را بشناسیم ، لازم هست که وارد اتم ، که بلوک اصلی سازنده ملکول ها و مواد است ، بشویم و ساختار آن را بهتر بشناسیم. اتم ها در 100 ها شکل مختلف وجود دارند. مثلا آن ها را میتوان در المان های شیمیایی مثل هیدروژن ، کربن ، اکسیژن و مس دید. اتم ها با هم دیگر ترکیب می شوند و ملکول ها را تشکیل می دهند و تشکیل ملکول ها هم با هم دیگر ، باعث ایجاد مواد و اجسام می شوند که ما آن ها را لمس می کنیم. اتم ها بسیار کوچک هستند که هر اتم از سه جزء اصلی تشکیل شده است : پروتون ها ، نوترون ها و الکترون ها. در ادامه قصد داریم در مورد این سه جزء بیشتر صحبت کنیم.
اجزا سازنده اتم ها :
همونطور که گفتیم ، اتم ها از سه بخش اصلی با نام های پروتون ، الکترون ، و نوترون تشکیل شده است. هر اتم دارای یک هسته مرکزی هست که در آن هسته ، پروتون ها و نوترون ها در کنار همدیگر قرار گرفته اند و در اطراف آن هسته هم ، گروهی از الکترون ها ( که در حال چرخش هستند) قرار گرفته اند.
حرکت بارهای الکتریکی :
همانطور که در ابتدای این نوشته هم گفتیم ، الکتریسیته در واقع حرکت بارهای الکتریکی هست. بار الکتریکی یک خاصیتی از یک ماده ( مثل جرم و حجم و چگالی و ..) هست که می شود آن را اندازه گیری کرد. همانطور که ما جرم یک ماده را اندازه گیری میکنیم ، می توانیم بارالکتریکی یک ماده را هم اندازه گیری کنیم. نکته کلیدی در مورد بار الکتریکی این هست که می تواند در دو شکل وجود داشته باشد : مثبت(+) و منفی (-) . برای حرکت بار الکتریکی ، ما نیاز به حامل های بار داریم. این جا است که دانش ما در مورد اتم ها ( به خصوص الکترون ها و پروتون ها ) به کمک ما می آید. الکترون ها همیشه ، حمل کننده بار الکتریکی منفی هستند در حالی که پروتون ها دارای بار الکتریکی مثبت هستند. نوترون ها هم خنثی هستند و هیچ بار الکتریکی ای ندارند. الکترون ها و پروتون ها دقیقا یک بار الکتریکی را حمل میکنند و تنها تفاوت آنها در نوع بار الکتریکی است .
حالا ما تمام ابزارهایی که می تواند بارهای الکتریکی را به حرکت وا دارد ، در اختیار داریم. الکترون ها می توانند به عنوان حامل های بار منفی در نظر گرفته بشوند. زیرا همانطور که گفتیم ، هر الکترون دارای بار الکتریکی منفی هست. اگر ما یک الکترون را از اتم جدا کنیم و یک نیرو به آن وارد کنیم تا حرکت کند ، در این صورت می توانیم الکتریسیته را ایجاد کنیم. مدل اتمی مربوط به اتم مس را در نظر بگیرید. ( مس یکی از منابع اصلی برای حرکت دادن بارهای الکتریکی است ) . این اتم در حالت پایدار 29 پروتون در هسته وجود داره و به همین تعداد هم الکترون وجود دارد که در اطراف آن در حال گردش هستند. این الکترون ها در ، فاصله های متفاوتی از هسته در حال گردش هستند. طبیعتا هر چه فاصله الکترون تا هسته کمتر باشد ، نیروی جاذبه قوی تری بین آن الکترون و هسته وجود دارد . الکترون هایی که در دورترین فاصله قرار دارند را الکترون های لایه ظرفیت می نامند و برای جداسازی این الکترون ها از هسته ، نیاز به نیروی کمتری وجود دارد ( نسبت به الکترون هایی که در فاصله ی نزدیک تری از هسته قرار دارند ) .
2_ پارامترهای اصلی برق :
·جریان الکتریکی چیست ؟
هرگاه حاملهای الکتریسیته ( الکترونها ) در یک هادی بحرکت درآیند جریان الکتریکی ایجاد می شوند . اما هر حرکت الکترونی جریان برق نیست . بلکه این حرکت باید در یک مسیر مشخص باشد .هر چقدر الکترون های بیشتری در زمان کمتری در مسیر مشخص حرکت کنند مقدار جریان نیز بیشتر می شود
· آمپر چیست ؟
برای دانستن میزان جریان باید بتوان آن را با عدد بیان کرد که به همین منظور از واحد سنجش جریان که همان آمپر است استفاده می شود
· مقدار یک آمپر جریان چقدر است ؟
هرگاه از یک هادی تعداد ۲۸/۶ ضربدر ۱۰ بتوان ۱۸ الکترون در یک ثانیه بگذرد این میزان الکترون در زمان یک ثانیه معرف یک آمپر جریان الکتریکی است.
· ولتاژ چیست ؟
دانستیم هرگاه الکترون ها در یک هادی در مسیر مشخصی به حرکت در آیند جریان الکتریکی ایجاد می شود . اما الکترون ها بدون دریافت نیرو و انرژی از مدار گردش به دور هسته خارج نمی شوند . بنا براین برای تولید جریان نیاز به یک نیرو داریم که آن را از منابع تولید نیرو مانند باتری می گیریم . به عبارت ساده تر نیروی لازم جهت ایجاد جریان ولتاژ نام دارد که واحد اندازه گیری آن ولت است.
·چگونه می توان ولتاژ تولید کرد ؟
این سوال پاسخ سوال دیگری نیز می تواند باشد که همان روش های تولید الکتریسیته است . می دانیم که انرژی تولید نمی شود بلکه از صورتی به صورت دیگر تبدیل می گردد . از آنجاییکه الکتریسیته هم انرژی است پس باید تبدیل شده انرژی های دیگر باشد . انرژی هایی که بصورت متعارف برای تولید برق بکار می رود عبارتند از : انرژی شیمیایی در باتری ها - انرژی مغناطیسی در ژنراتورها - انرژی نورانی در باتریهای خورشیدی - انرژی حرارتی در ترموکوپل ها - انرژی ضربه ای در پیزو الکتریک و غیره.
·مقاومت چیست ؟
الکترون ها در هادی براحتی نمی توانند حرکت کنند زیرا در مسیر حرکت آنها موانعی وجود دارد که بطور ساده آنها را مقاومت هادی در برابر عبور جریان می گوییم .هرچه قدر این موانع کمتر باشد عبور جریان بهتر صورت می گیرد و می گوییم جسم هادی بهتری است . این موضوع نخستین بار توسط سیمون اهم یک فیزیکدان آلمانی مطرح شد . به همین دلیل واحد اندازه گیری مقاومت اهم است.
· توان الکتریکی چیست ؟
اصولا توان به معنی سرعت تبدیل انرژی است . در دستگاه هایی که برای تبدیل انرژی بکار می روند هر چقدر این سرعت بیشتر باشد قدرت دستگاه نیز بیشتر است . مثلا در ژنراتور توان بیشتر نشان دهنده تولید انرژی برقی ! بیشتری است . در مصرف کننده ها نیز همین موضوع صدق می کند . لامپی که توان بیشتری دارد نور زیادتری هم تولید می کند .
توان را چگونه محاسبه کنیم ؟ سرعت تبدیل انرژی از تقسیم مقدار آن بر زمانی که آن انرژی تبدیل شده بدست می آید.( انرژی الکتریکی از حاصل ضرب ولتاژ در جریان در زمان بدست می آید ) . اگر میزان انرژی را بر زمان تقسیم کنیم می ماند حاصل ضرب ولتاژ مدار در جریان آن که این همان رابطه توان است (توان = ولتاژ × جریان ) . البته این رابطه فقط برای مدارهای دی سی صدق می کند و در مدارات آسی رابطه دیگری دارد که بعدا به آن می پردازیم .
واحد و دستگاه اندازه گیری توان چیست ؟ توان با واحد وات و در مقادیر بالاتر با کیلو وات و مگاوات سنجیده می شوند که توسط وات متر اندازه گیری می شود.
3_ انواع الكتریسیته :
1-3_ الكتریسیته ساكن یا استاتیك :
میله كائوچو در اثر فزونی الكترون بار منفی ومیله شیشه در اثر كمبود الكترون بار مثبت پیدا كرده است وچون این دو میله بهم متصل نشده اند برای الكترونها امكان جریان وایجاد تعادل وجود ندارد.به عبارت دیگرعبور الكترون ها صورت نمی گیرد والكتریسیته روی دو میله می ماند وجریان ندارد.این نوع الكتریسیته را ساكن یا استاتیك می نامند.
2-3_ الكتریسیته جاری :
الف – جریان مستقیم (DC) :
اگر الكترون ها از قطب منفی به طرف قطب مثبت حركت نمایند الكتریسیته جاری خواهیم داشت.مثلا اگر دوسر یك باتری را به لامپ وصل كنیم الكترون ها از قطب منفی به مثبت رفته ولامپ روشن می شود.در این حالت جهت حركت الكترون ها همیشه از قطب منفی به مثبت وثابت است .به این نوع جریان مه جای قطب ها ثابت است وتغییر نمی كند جریان مستقیم گفته می شود.
جریان مستقیم (DC یا جریان پیوسته )، عبور پیوسته جریان الکتریسیته از یک هادی نظیر یک سیم از پتانسیل بالا به پتانسیل کم است. در جریان مستقیم، بار الکتریکی همواره در یک جهت عبور می کند که این امر جریان مستقیم را از جریان متناوب (AC) متمایز می کند.
در واقع جریان مستقیم ابتدا برای انتقال توان الکتریکی پس از کشف تولید الکتریسیته در اواخر قرن 19 توسط توماس ادیسون بکار رفت. امروزه استفاده از جریان مستقیم برای این منظور غالبا کنار گذاشته شده است، چرا که جریان متناوب (که توسط نیکلا تسلا کشف و توسعه داده شده ) برای انتقال در طول خطوط بلند بسیار مناسب تر است (جنگ جریان ها را مشاهده کنید). هنوز هم انتقال توان DC برای اتصال شبکه های توان AC با فرکانس های مختلف به هم، بکار می رود.
عموما در بسیاری از کاربرد های کم ولتاژ استفاده می شود، خصوصا در جایی که انرژی از طریق باتری ها تامین می شود که تنها می توانند ولتاژ DC تولید کنند. اکثر سیستم های خودکار، از DC استفاده می کنند. اگرچه که ژنراتور یک وسیله AC است که از یک یکسو کننده برای تولید DC استفاده می کند. اغلب مدارات الکترونیکی نیاز به یک منبع تغذیه DC دارند. با وجود اینکه DC مخفف جریان مستقیم است اما کلاً به ولتاژهای با پلاریته ثابت، DC گفته می شود. برخی از انواع DC دارای تغییرات ولتاژ زیادی هستند، مانند خروجی دست نخورده یک یکسوساز. با عبور این خروجی از یک فیلتر RC پایین گذر، ولتاژ پایدار تری حاصل می شود.
معمولا به دلیل ولتاژهای بسیار پایین بکار رفته در سیستم های جریان مستقیم، نصب آنها نیازمند پریزها، کلیدها و لوازم ثابت متفاوتی از آنچه که برای جریان متناوب به کار می رود است. در یک وسیله جریان مستقیم این نکته بسیار مهم است که پلاریته آنرا معکوس وصل نکنیم، مگر اینکه وسیله داری یک پل دیودی برای اصلاح این امر باشد. (که اکثر دستگاه های عمل کننده با باتری این امکان را ندارند) .
امروزه گرایشاتی در جهت سیستم های انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) ایجاد شده است. همچنین DC در سیستم های برق خورشیدی که توسط باتری های خورشیدی تغذیه می شوند، به کارمی رود.
ب - جریان متناوب (AC) :
حال اگر قطبها جایشان عوض شود جهت حركت الكترون ها نیز تغییر خواهد كرد بعبارت دیگر نقطه فزونی وكمبود الكترون مرتبا جایشان عوض شود به جریانی كه از این تغییر بوجود می آید جریان متناوب می گویند.
یک جریان متناوب (AC) جریان الکتریکی ای است که در آن اندازه جریان به صورت چرخه ای تغییر می کند، بر خلاف جریان مستقیم که در آن اندازه جریان مقدار ثابتی می ماند. شکل موج معمول یک مدار AC عموما یک موج سینوسی کامل است چرا که این شکل موج منجر به انتقال انرژی به موثرترین صورت می شود. اما به هر حال در کاربردهای خاص، شکل موج های متفاوتی نظیر مثلثی یا مربعی نیز استفاده می شود.
بر خلاف جریان DC، جریان AC را می توان توسط یک ترانسفورماتور به سطوح مختلف ولتاژی انتقال داد. هر چه میزان ولتاژ افزایش یابد، انتقال توان هم موثرتر صورت خواهد گرفت. افزایش میزان قابلیت انتقال توان به علت قانون اهم است، تلفات انرژی الکتریکی وابسته به عبور جریان از یک هادی است. تلفات توان به علت جریان توسط رابطه P=I^2*R محاسبه می شود، بنابراین اگر جریان دو برابر شود، تلفات چهار برابر خواهد شد.
با استفاده از ترانسفورماتور، ولتاژ را می توانیم به یک ولتاژ بالا افزایش دهیم تا بتوانیم توان را در طول فواصل بلند در سطح جریان پایین انتقال داده و در نتیجه تلفات کاهش یابد. سپس می توانیم ولتاژ را دوباره به سطحی که برای تغذیه خانگی بی خطر باشد، کاهش دهیم.
تولید الکتریکی سه فاز بسیار عمومی است و استفاده ای موثرتر از ژنراتورهای تجاری را برای ما ممکن می سازد. انرژی الکتریکی توسط چرخش یک سیم پیچ داخل یک میدان مغناطیسی در ژنراتورهای بزرگ و با هزینه بالا ایجاد می شود. اما به هر حال جای دادن سه سیم پیچ جدا روی یک محور (بجای یک سیم پیچ)، هم نسبتا آسان و هم مقرون به صرفه است. این سیم پیچ ها روی محور ژنراتورها نصب شده اند اما از نظر فیزیکی جدا اند و دارای یک اختلاف زاویه 120 درجه ای نسبت به هم هستند. سه شکل موج جریان تولید می شود که دارای اختلاف فاز 120 درجه ای نسبت به هم، اما اندازه های یکسان هستند.
توزیع الکتریسیته سه فاز بطور وسیعی در ساختمان های صنعتی و توزیع الکتریسیته تک فاز در محیط های خانگی بکار می رود. نوعا یک ترانسفورماتور سه فاز ممکن است مسیرهای مختلفی را با یک فاز متفاوت برای بخش های مختلف هر مسیر، تغذیه کند.
سیستم های سه فاز به گونه ای طراحی شده اند که در محل بار متعادل باشند، اگر باری به طور صحیح متعادل شده باشد، جریانی از نقطه خنثی عبور نخواهد کرد. این بدین مفهوم است که می توان جریان را تنها با سه کابل به جای شش کابل که در غیر این صورت مورد نیاز است، انتقال داد. گفتنی است که برق سه فاز در واقع نوعی از سیستم چند فازه است.
در بسیاری از موارد تنها یک تک فاز برای تغذیه ی روشنایی خیابان ها یا مصرف کننده های خانگی مورد نیاز است. وقتی که یک سیستم توان الکتریکی سه فاز داریم، یک کابل چهارمی که خنثی است را در توزیع خیابانی قرار می دهیم تا برای هر خانه یک مدار کامل را فراهم کنیم «یعنی هر خانه می تواند از یکی از کابل های فاز و کابل خنثی برای مصرف استفاده کند». خانه های مختلف در خیابان از فازهای مختلف استفاده می کنند یا وقتی که مصرف کننده های زیادی به سیستم متصلند، آنها را به صورت مساوی در طول سه فاز پخش می کنند تا بار روی سیستم متعادل شود. بنابراین کابل تغذیه هر خانه معمولاً تنها شامل یک هادی فاز و نول و احتمالا با یک پوشش آهنی زمین شده، است.
برای اطمینان یک سیم سومی هم اغلب بین هر یک از وسایل الکتریکی در خانه و صفحه سوییچ الکتریکی اصلی یا جعبه فیوز وصل می شود. این سیم سوم در انگلستان و اکثر کشورهای انگلیسی زبان سیم earthو در آمریکا سیم groundخوانده می شود. در صفحه سوییچ اصلی سیم earth را به سیم نول و نیز به یک تیرک متصل به زمین یا هر نقطه earthدر دسترس (برای آمریکایی ها نقطه ground ) نظیر لوله آب، متصل می کنند.
در صورت وقوع خطا، سیم زمین می تواند جریان کافی را برای راه اندازی یک فیوز و جدا کردن مدار دارای خطا، از خود عبور دهد. همچنین اتصال زمین به این مفهوم است که ساختمان مجاور دارای ولتاژی برابر ولتاژ نقطه خنثی است.
شایع ترین نوع خطای الکتریکی (شوک) در صورتی رخ می دهد که شی (معمولاً یک نفر) بطور تصادفی بین یک هادی فاز و زمین، مداری تشکیل دهد. در این صورت یک جریان خطا از فاز به زمین ایجاد می شود که به جریان پس ماند معروف است. یک مدار شکن جریان پس ماند طراحی شده تا چنین مشکلی را شناسایی کند و مدار را قبل از اینکه شوک الکتریکی منجر به مرگ شود، قطع کند.
در کاربرد های صنعتی (سه فاز) بسیاری از قسمت های مجزای سیستم خنثی به زمین متصلند که این امر موجب می شود تا جریان های کوچک زمین، که همواره بین یک ژنراتور و یک مصرف کننده (بار) در حال عبور هستند را متعادل کند. این سیستم زمین کردن این اطمینان را به ما می دهد که اگر خطایی رخ دهد، جریانی که از نقطه خنثی می گذرد به یک سطح قابل کنترل محدود شده باشد. این روش به سیستم خنثی زمین چندگانه معروف است.
تکلیف : پس از تولید برق در نیروگاه ها آن را به صورت AC و یا DC انتقال می دهند و دلیل آن چیست ؟
منابع مطالعه :
1_ مبانی برق – دکتر جبه دار
2_ کتاب مبانی انرژی خورشیدی – نوشته دافی و بکمن
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه اول
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه دوم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه سوم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه چهارم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه پنجم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه ششم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هفتم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هشتم
