نویسنده: مقداد بنی جمالی

همه مواد از اتم ساخته شده‌اند. اتمها خود از ذرات زیر اتمی به نامهای الکترون، پروتون و نوترون ساخته شده‌اند. الکترونها دارای بار الکتریکی منفی هستند و پروتونها دارای بار الکتریکی مثبت و نوترونها خنثی هستند. گرچه وزن یک پروتون یا نوترون بسیار بیشتر از الکترون است، ولی قدر مطلق بار الکتریکی یک پروتون با یک الکترون برابر است؛ بنابراین قرارداد شده‌است که بار الکتریکی یک پروتون ۱+ باشد و بار الکتریکی یک الکترون ۱- باشد. می‌دانیم که بر اساس نیروی الکترواستاتیک، بارهای همنام یکدیگر را دفع می‌کنند و بارهای غیر همنام یکدیگر را جذب می‌کنند؛ بنابراین الکترونها و پروتونهای موجود در اتمها با جذب یکدیگر، موجب تعادل و پایداری اتمها را فراهم می‌کنند. از نظر موقعیت مکانی، پروتونها و نوترونها در مرکز اتم جای دارند و به راحتی نمی‌توان آنها را از اتم جدا کرد ولی الکترونها که در لایه‌های خارجی تر یک اتم جای دارند را می‌توان با صرف انرژی نه چندان زیادی، از اتمها جدا کرد. از آنجا که بیشتر مواد موجود در طبیعت از نظر الکتریکی خنثی هستند، می‌توان پی برد که تعداد الکترونها و پروتونهای موجود در اتم آنها یکسان است. هر زمان که اتمی حداقل یک الکترون از دست بدهد، دیگر خنثی نیست و به یک یون مثبت تبدیل شده‌است و هر زمان که ماده ای خثنی، یک الکترون اضافی دریافت کند، به یک یون منفی تبدیل شده‌است که هرکدام از این یونها سعی می‌کنند در اولین فرصت ممکن، مجدداً تعداد الکترونها و پروتونهای موجود در ساختار خود را برابر کنند و به حالت پایدار برسند. همین نقل و انتقال الکترونهای اتمها بین یکدیگر را الکتریسیته می‌گویند.

عنوان شد که اگر به هر علتی، الکترون یا الکترونهایی از یک اتم جدا شد، آن الکترونها که به الکترونهای آزاد معروفند، سعی می‌کنند فوری به هر اتمی که حداقل یک جای خالی الکترون در خود دارد، ملحق شوند. بارزترین مثال چنین پدیده ای در طبیعت، صاعقه می‌باشد. روشن کردن یک لامپ یا چرخیدن یک موتور الکتریکی هم می‌تواند مثالهایی از پیوند الکترونهای آزاد با یونهای مثبت باشد که توسط بشر انجام گرفته‌است. به‌طور کلی، هرچه تعداد الکترونهای آزاد و یونهای مثبت بیشتر باشد، در زمان ملحق شدن آنها به یکدیگر، انرژی بیشتری آزاد می‌شود که این انرژی بیشتر می‌تواند به صورتهای مختلف حاصل شود و کاربردهای متنوعی داشته باشد. از صدا و نور فوق‌العاده زیاد صاعقه تا چرخاندن یک موتور آسنکرون سه فاز در یک کارخانه سنگ‌شکنی.

در اولین قسمت از سری مقالات علم و فن در راستای آشنایی با مفاهیم برق ماشین آلات لازم است که در خصوص چند مفهوم بنیادی در حوزهٔ برق و الکترونیک، توضیحاتی ارائه گردد تا ادامهٔ بحث واضحتر گردد. برای تشریح بهتر هریک از مفاهیم، سعی شده که مثالی از پدیده‌های هیدرولیکی ذکر شود که نمود عینی این پدیده‌ها، کمک بهتری به درک مفاهیم الکتریکی نماید.

۱-پتانسیل الکتریکی:

به مجموع نیروهای بالقوه ای که هریک از ذرات باردار الکتریکی (الکترون و حفره) موجود در یک فضای مشخص دارا می‌باشند، پتانسیل الکتریکی گویند. این نیروی ذخیره شده و آمادهٔ استفاده، در صورتی که به بالفعل تبدیل شود، جریان الکتریکی را بوجود می‌آورد که می‌تواند در زندگی بشر، مورد استفاده‌های گوناگون واقع شود. در بحث باتری وسایل نقلیه موتوری، به جای استفاده از عنوان پتانسیل الکتریکی، بیشتر از لفظ ظرفیت باتری صحبت می‌شود که همان نیروی بالقّوهٔ محبوس شده در یک باتری خودرو می‌باشد. واحد ظرفیت باتری آمپر-ساعت (AH) می‌باشد. طبیعتاً باتری با آمپر-ساعت بیشتر، طول عمر بیشتری نیز دارد.

برای درک بهتر این مفهوم، مثال مخزن آب را مرور می‌کنیم. تصور کنیم برای تأمین آب شرب یک خانه، می‌خواهیم مخزن آبی را در ارتفاعی مشخص نصب کنیم تا با هربار پر کردن آن، مصرف آب شرب افراد را برای مدت مشخصی تأمین کنیم. طبیعتاً استفاده از یک مخزن آب بزرگتر، می‌تواند آب شرب افراد را برای مدت زمان طولانی تری فراهم آورد و مدت زمان نیاز به شارژ مجدد را افزایش می‌دهد و یا اینکه در مواقع اضطراری مثل آتش‌سوزی، حجم آب بیشتری در مدت زمان کمتری ارائه کند. باتری با ظرفیت بیشتر نیز چنین مزیتهایی دارد و علاوه بر عمر کاری طولانی‌تر بدون شارژ مجدد، قادر است به‌طور مقطعی، (مثل استارت زدن یک موتور بولدوزر در هوای سرد) الکترونهای مازاد بر مصرف عادی بیشتری در اختیار مصرف‌کننده‌ها بگذارد.

۲-اختلاف پتانسیل الکتریکی:

مقدار نیروی الکتریکی که در اثر نزدیک شدن بارهای الکتریکی ناهمنام به یکدیگر، آزاد می‌شود و می‌تواند برای مصارف دیگر مورد استفاده واقع شود را ولتاژ می‌گویند. واحد اختلاف پتانسیل الکتریکی ولت (V) است. طبیعتاً باتری با اختلاف پتانسیل نامی بیشتر، قادر به انجام کاره‌های سخت تری که نیازمند مصرف انرژی بیشتری است، می‌باشد.

حال تصور کنیم که دو مخزن آب را در ارتفاع مشخصی از یکدیگر نصب می‌کنیم و آنها را با یک شیلنگ یا لوله به یکدیگر متصل می‌نماییم، طبیعتاً هیچگاه آب درون مخزن پایینی به خودی خود قادر نخواهد به خودی خود، به مخزن بالایی منتقل شود؛ ولی آب درون مخزن بالایی، به دلیل دارا بودن پتانسیل گرانشی، قادر خواهد بود که در صورت باز شدن مسیر شیلنگ یا لوله، به مخزن پایینی وارد شود. در زمان باز شدن مسیر، هرچه اختلاف ارتفاع بیشتری بین دو مخزن وجود داشته باشد، حجم آب بیشتری از مخزن بالایی به پایینی می‌رسد. طبیعتاً هرچه حجم آب بیشتر باشد، انرژی بیشتری با خود به همراه دارد که در مسیر می‌تواند موجب انجام کار مفید گردد. مشابه همین مفهوم در الکتریسیته وجود دارد که هرچه اختلاف پتانسیل الکتریکی بیشتری بین قطب مثبت (حفره) و قطب منفی (الکترون) وجود داشته باشد، حجم الکترونهایی که می‌توانند خود را از مسیر رسانا به قطب مثبت برسانند، بیشتر است و این جابجایی عظیمتر الکترونها، انرژی بیشتری آزاد می‌کند که می‌تواند موتور الکتریکی قوی‌تری را بچرخواند یا لامپ پر نورتری را روشن سازد.

۳-شدت جریان الکتریکی:

به سرعت حرکت ذرات باردار الکتریکی (الکترون و حفره) به سمت یکدیگر، شدت جریان الکتریکی گویند. واحد شدت جریان الکتریکی آمپر (A) است. طبیعتاً باتری‌ای که بتواند شدت جریان الکتریکی لحظه ای بیشتری در اختیار ما بگذارد، قادر به انجام سریعتر کارهای مشابه در مقایسه با باتری ای می‌باشد که توانایی ارائهٔ شدت جریان کمتری را داراست.

برای شبیه‌سازی مفهوم شدت جریان الکتریکی با استفاده از علم هیدرولیک، دو ظرف آب هم اندازه را معرفی می‌کنیم که در یک ارتفاع تعبیه شده‌اند و حجم آب یکسانی نیز در آنها گنجانده شده. تفاوت آنها در قطر شیلنگ تخلیهٔ در زیر آنها است. واضح است که دبی آب خروجی از شیلنگ قطورتر، بیشتر از دبی آب خروجی از شیلنگ نازک‌تر می‌باشد که در نتیجه، مخزن با شیلنگ تخلیه قطورتر، در فاصلهٔ زمانی کمتری تخلیه می‌شود. در الکتریسیته نیز اگر ما بتوانیم مسیر رسانایی که قرار است الکترونها را حرکت دهد، به گونه ای ایجاد کنیم که تعداد بیشتری الکترون بتواند در یک ثانیه از آن عبور کند،(مشابه مفهوم سرعت خودروها در اتوبان در مقایسه با یک خیابان) طبیعتاً سرعت حرکت الکترونها بیشتر شده که همان مفهوم شدت جریان الکتریکی بیشتر می‌باشد که قادر است در یک اختلاف پتانسیل الکتریکی مساوی، پیک کار مفید لحظه ای را افزایش دهد. به عنوان مثال، برای اتصال استارتر یک موتور دیزل ۶ سیلندر به باتری، نمی‌توان از یک سیم برق سایز ۵/۲ استفاده نمود چون در لحظه استارت زدن، تعداد الکترونهایی که از مقطع سیم ۵/۲ عبور می‌کنند و خود را به استارتر می‌رسانند، به تعدادی نیستند که برآیند انرژیشان قادر باشد موتور دیزل ۶ سیلندر را به گردش وادارد؛ بنابراین مهندسین طراح، با توجه به وزن موتور، از یک رسانا با قطر بیشتر استفاده می‌کند که همانا کابل‌های مسی مورد استفاده در وسایل نقلیه می‌باشد.

۴-مقاومت الکتریکی:

به میزان اتلاف جریان الکتریکی در یک مسیر رسانا یا مدار الکتریکی، مقاومت الکتریکی گفته می‌شود. هنگامی که در مسیر حرکت الکترون‌ها، به هر نحوی، یک مقاومت الکتریکی قرار داده شود، این مقاومت سبب اتلاف بخشی از نیروی الکتریکی ذرات باردار در حال حرکت می‌شود. ذرات باردار الکتریکی، با از دست دادن بخشی از نیروی خود در حین عبور از مقاومت، نیروی کمتری برای انجام کار مفید در ادامه مسیر خود در اختیار خواهند داشت که همان افت اختلاف پتانسل الکتریکی می‌باشد. واحد مقاومت الکتریکی اهم (R) است.