این مقاله د مورد آشنایی جزئی با مبانی برق شهر و الکترونیک است. در این آموزش و آموزش بعدی قصد داریم به سادگی مبانی برق شهر را برای شما شرح دهیم، بنابراین به نکات گفته شده در این بخش توجه ویژه ای داشته باشید تا در ادامه کار با مشکل درک مقاهیم روبرو نشویم. مفاهیم مورد برسی در این بخش به صورت زیر است:
۱. انرژی الکتریکی و الکترون ها
۲. جریان الکتریکی
۳. اختلاف پتانسیل و ولتاژ
۴. توان الکتریکی
۵. انواع جریان الکتریکی
الکترون ها
هر چه که در اطراف خود مشاهده می کنیم ماده نام دارد. اتم ها کوچکترین ذرات سازنده ماده هستند که خاصیت های آن ماده را نیز دربر دارند. در داخل هر اتم تعدادی الکترون هستند که مطابق مدل های کلاسیک، الکترون به صورت یک ذره به دور هسته اتم می چرخد. بحث را پیچیده نکنیم، الکترون ها اصلی ترین وظیفه را در سیستم های الکتریکی و الکترونیکی دارند و آن نیز انتقال انرژی الکتریکی است.
بار الکتریکی
دو جسم را به صورت مجزا از هم در نظر بگیرید. در صورتی که تعداد الکترون های یک جسم کمتر از الکترون های جسم دیگر باشد، بار الکتریکی آن جسم مثبت تر است. بار الکتریکی بیانگر تعداد الکترون های موجود در یک جسم یا یک سطح است. بار الکتریکی الکترون منفی است و هر چه الکترون های یک جسم بیشتر باشد، بار الکتریکی آن جسم منفی تر از جسم دیگر است.
هر اتم دارای تعداد الکترون با بار منفی و تعدادی پروتون با بار مثبت است. پروتن ها در مرکز اتم بوده و امکان جدا شدن از اتم را ندارند اما الکترون ها با یک نیروی الکتریکی خارج از اتم جدا می شوند. در صورتی که اتم های یک جسم الکترون از دست بدهند، بار آن جسم به نسبت جسم دیگر منفی تر و جسمی که الکترون از دست نداده باشد، بارش مثبت تر است.
در صورتی که ۲ جسم با بار الکتریکی متفاوت را با استفاده از یک رسانا مانند سیم به یکدیگر وصل نماییم، الکترون های اضافی جسمی که بارش منفی تر است، به جسم مثبت تر منتقل و بار هر دو نسبت به یکدیگر برابر می شود.
انرژی الکتریکی
به زبان ساده، انرژی در فیزیک به توانایی انجام کار گفته می شود. حال این کار می تواند جابه جایی یک جسم عظیم یا جابه جایی الکترون ها باشد. حرکت الکترون ها خود ناشی از انرژی پتانسیل الکتریکی و همچنین جابه جایی الکترون ها باعث انتقال انرژی الکتریکی می شود. برای مثال یک باتری را در نظر بگیرید. باتری دارای انرژی پتانسیل الکتریکی است. با اتصال باتری به یک المنت گرمایشی، الکترون های موجود در سیم شروع به حرکت کرده و انرژی الکتریکی را منتقل به المنت می کنند. در المنت با عبور الکترون ها و برخورد آن ها با مولکول های داخل آن، انرژی الکتریکی تبدیل به انرژی گرمایی شده و به محیط منتقل می شود.
واحد انرژی الکتریکی ژول یا در صنعت برق وات ساعت است. یک وسیله الکتریکی با انرژی مصرفی ۱۰۰ وات ساعت، دو برابر وسیله الکتریکی با انرژی ۵۰ وات ساعت از منبع انرژی الکتریکی مصرف می کند.
جریان الکتریکی
حرکت جهت دار الکترون ها را جریان الکتریکی می گویند. در صورتی که دو سطح یا دو جسم با بار الکتریکی متفاوت را به یکدیگر متصل کنیم، الکترون های جسم با بار منفی به جسم با بار مثبت منتقل می شود. این حرکت جمعی الکترون ها در یک جهت مشخص را جریان الکتریکی می گویند. در یک سیم برق نیز جریان الکتریکی برقرار است.
شدت جریان الکتریکی به میزان عبور الکترون ها از مقطع مورد نظر سیم است که واحد آن آمپر است. برای مثال یک سیم ممکن از دارای جریان الکتریکی ۱۰ آمپر باشد.
اختلاف پتانسیل یا ولتاژ
همانطور که گفته شد وقتی دو سطح با بار الکتریکی متفاوت را به یکدیگر متصل می کنیم، الکترون ها از یک سطح شروع به حرکت به سطح دیگر می کنند. عامل اصلی این حرکت اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ است. ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو سطح یا دو نقطه اندازه گیری می شود و عامل اصلی حرکت الکترون ها است.
برای مثال یک باتری را در نظر بگیرید. در یک باتری، قطب منفی باتری دارای بار الکتریکی منفی تر نسبت به قطب مثبت است. در صورت اتصال باتری به مصرف کننده الکتریکی، بار الکتریکی از قطب منفی وارد مصرف کننده الکتریکی شده و از آن جا به سمت قطب مثبت باتری رفته و در آنجا جذب قطب مثبت شده است.
واحد ولتاژ، ولت است و با حرف V آن را نشان می دهند. برای مثال ولتاژ برق تک فاز شهری، ۲۲۰ وات است که این اختلاف ولتاژ بین دو سیم فاز و نول است. در همین حال اختلاف ولتاژ بین دو فاز مختلف در برق سه فاز ۳۸۰ ولت است. در مورد مبانی برق شهر در قسمت های بعدی بیشتر صحبت می شود.
توان الکتریکی
توان الکتریکی بیانگر آهنگ مصرف انرژی الکتریکی توسط یک وسیله الکتریکی است. برای مثال یک وسیله الکتریکی در صورتی که در طول یک ثانیه ۱۰۰۰ ژول انرژی الکتریکی مصرف کند، توان آن ۱۰۰۰ وات است. واحد توان الکتریکی وات Watt است و با حرف P نمایش داده می شود.
انواع جریان الکتریکی
جریان الکتریکی را می توان به دو نوع جریان مستقیم DC و جریان متناوب AC تقسیم نمود. جریان مستقیم مانند باتری دارای جهت مشخص و به طور معمول مقدار ثابت است و به طبق قرارداد از قطب مثبت به قطب منفی جاری می شود. در صورتی که جریان مستقیم باشد، ولتاژ نیز مستقیم است.
در طرف مقابل جریان متناب همانند برق شهر، هم دارای مقدار متغیر و هم جهت آن متغیر است. برای مثال برق شهر را در نظر بگیرید. شکل موج جریان برق شهر سینوسی است. ولتاژ برق شهر از ۰ شروع به افزایش کرده و به مقدار ۳۱۰ ولت در یک جهت می رسد. سپس این مقدار شروع به کاهش کرده و پس از گذر از ۰ ولت، جهت جریان تغییر کرده و مقدار ولتاژ تا منفی ۳۱۰ وات می رود. مقدار موثر این ولتاژ برابر ۲۲۰ ولت است که به طور معمول بین مردم رواج دارد.
ولتاژ موثر Effective Voltage
در قسمت قبلی در مورد جریان متناوب برق شهر صحبت کردیم. مقدار این ولتاژ از ۰ تا مثبت ۳۱۰ ولت و سپس از مثبت ۳۱۰ ولت تا منفی ۳۱۰ ولت و در آخر مجدد به صفر ولت می رسد. در صورتی که بخواهیم مقدار ثابتی برای آن در نظر بگیریم می توانیم مقدار موثر آن را اندازه گیری کنیم.
فرض کنید یک لامپ رشته ای ۱۰۰ وات را به ولتاژ متناوب برق شهر وصل می کنیم و مقدار مشخصی نور تولید می کند. حال همین لامپ را به یک باتری که ولتاژ آن DC و متغیر است، وصل می کنیم. حال مقدار ولتاژ را به قدری افزایش می دهیم که مقدار نور تولید شده از لامپ برابر با ولتاژ برق شهر شود. این مقدار ولتاژ DC برابر با ۲۲۰ ولت است.
در مقاله بعدی اطلاعات تکمیلی در مورد مبانی برق شهر در اختیار دوستان قرار میدهیم.