الکتریسیته
الکتریسیته یا برق یا نیروی الکتریکی (به انگلیسی: Electricity) مجموعه‌ای از پدیده‌های طبیعی است که به حضور و جریان بار الکتریکی وابسته است. این نیرو، یکی از بنیادی‌ترین پدیده‌های طبیعی است که نقش حیاتی در جهان ما ایفا می‌کند. از روشن کردن خانه‌ها و تغذیه دستگاه‌های الکترونیکی گرفته تا نقش آن در عملکرد مغز انسان، الکتریسیته بخش ضروری زندگی مدرن است. درک کامل این پدیده شامل بررسی تاریخچه، اصول علمی، کاربردها و تأثیرات آن می‌شود.
طبق توصیف معادلات ماکسول، الکتریسیته و مغناطیس با یکدیگر مرتبط بوده و هر دو بخشی از پدیده الکترومغناطیس هستند. الکتریسیته دارای آثار متنوعی از جمله آذرخش، الکتریسیته ساکن، گرمایش الکتریکی و تخلیه بار الکتریکی است.
بار الکتریکی، که می‌تواند مثبت یا منفی باشد، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند. حرکت بار الکتریکی که به جریان الکتریکی معروف است، میدانی مغناطیسی تولید می‌کند.
زمانی که بار در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی بر آن وارد می‌شود که اندازه آن با قانون کولن محاسبه می‌شود. اگر بار الکتریکی حرکت کند، میدان مغناطیسی بر روی آن کار انجام می‌دهد. در این حالت، پتانسیل الکتریکی در نقطه‌ای خاص از فضا وجود دارد که با کار انجام شده توسط یک عامل خارجی برای حمل یک واحد بار از نقطه اول به نقطه دوم برابر است و با ولت اندازه‌گیری می‌شود.
برق اساس فناوری‌های مدرن است و در موارد زیر استفاده می‌شود:
- توان الکتریکی: استفاده از جریان الکتریکی برای تأمین انرژی وسایل برقی.
- الکترونیک: شامل مدارهای الکتریکی و اجزای فعال الکتریکی مانند لامپ‌های خلأ، ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع.
مطالعه پدیده‌های الکتریکی از دوران قدیم آغاز شده است، اما پیشرفت‌های نظری تا قرن‌های هفدهم و هجدهم به آرامی صورت گرفت. حتی در آن زمان نیز کاربردهای الکتریسیته محدود بود. تا اواخر قرن نوزدهم، زمانی که مهندسان توانستند از برق در صنایع و مناطق مسکونی استفاده کنند، استفاده گسترده از الکتریسیته محقق نشد. این پیشرفت‌های سریع در فناوری الکتریکی باعث تحول صنعت و جامعه شد و الکتریسیته به صورت گسترده در حمل و نقل، گرمایش، روشنایی، مخابرات و محاسبات به کار رفت. امروزه، الکتریسیته پایه‌های جامعه صنعتی مدرن را تشکیل می‌دهد.
تاریخچه
اولین اشاره‌ها به الکتریسیته به آثار فیلسوفان یونانی مانند تالس میلتوسی برمی‌گردد که مشاهده کردند که مالش کهربا به مو باعث جذب اجسام سبک می‌شود. با این حال، توسعه جدی علم الکتریسیته تا قرن هجدهم به طول انجامید.
- بنجامین فرانکلین: در دهه ۱۷۵۰، بنجامین فرانکلین با آزمایش‌های معروف خود با بادبادک و کلید، نشان داد که رعد و برق نوعی الکتریسیته است.
- آلساندرو ولتا: در سال ۱۸۰۰، آلساندرو ولتا اولین باتری الکتریکی را ساخت که ولتا پیل نامیده می‌شد و اولین منبع جریان الکتریکی مداوم بود.
- میشل فارادی: در دهه ۱۸۳۰، میشل فارادی اصول الکترومغناطیس را کشف کرد که به توسعه مولدهای الکتریکی منجر شد.
- نیکولا تسلا: در اواخر قرن نوزدهم، نیکولا تسلا نقش مهمی در توسعه سیستم‌های جریان متناوب (AC) داشت که پایه‌گذار سیستم‌های الکتریکی مدرن شد.
اصول علمی
الکتریسیته پدیده‌ای ناشی از وجود و حرکت بارهای الکتریکی است. اصول علمی آن شامل موارد زیر است:
- بار الکتریکی: الکتریسیته از بارهای الکتریکی تشکیل شده است که می‌توانند مثبت یا منفی باشند. الکترون‌ها حامل بار منفی و پروتون‌ها حامل بار مثبت هستند.
- جریان الکتریکی: جریان الکتریکی جریان بارهای الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر است که معمولاً در سیم‌های رسانا رخ می‌دهد. واحد اندازه‌گیری جریان آمپر (A) است.
- ولتاژ: ولتاژ تفاوت پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه است که نیروی محرکه جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. واحد اندازه‌گیری ولتاژ ولت (V) است.
- مقاومت: مقاومت خاصیتی از مواد است که مقاومت در برابر جریان الکتریکی را نشان می‌دهد. واحد اندازه‌گیری مقاومت اهم (Ω) است.
- قانون اهم: این قانون رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت را بیان می‌کند: V = IR.
کاربردها
الکتریسیته کاربردهای گسترده‌ای در زندگی روزمره و صنایع مختلف دارد:
- نیروگاه‌ها: الکتریسیته در نیروگاه‌ها تولید و از طریق شبکه‌های انتقال و توزیع به مصرف‌کنندگان تحویل داده می‌شود. نیروگاه‌ها از منابع مختلفی مانند سوخت‌های فسیلی، انرژی هسته‌ای و منابع تجدیدپذیر استفاده می‌کنند.
- الکترونیک: دستگاه‌های الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه، رایانه‌ها، تلویزیون‌ها و دستگاه‌های پزشکی به شدت به الکتریسیته وابسته هستند.
- حمل و نقل: الکتریسیته در سیستم‌های حمل و نقل عمومی مانند مترو و قطارهای برقی و همچنین در خودروهای الکتریکی استفاده می‌شود.
- صنایع: بسیاری از فرآیندهای صنعتی از الکتریسیته برای انجام کارهای مختلفی مانند جوشکاری، برش، و تولید استفاده می‌کنند.
- خانه‌ها و ساختمان‌ها: الکتریسیته برای روشنایی، گرمایش، تهویه، و تغذیه لوازم خانگی به کار می‌رود.
تأثیرات
استفاده گسترده از الکتریسیته تأثیرات مهمی بر جامعه و محیط زیست دارد:
- تأثیرات مثبت: الکتریسیته باعث افزایش رفاه و کیفیت زندگی شده و امکان دسترسی به فناوری‌های پیشرفته و خدمات بهداشتی را فراهم کرده است.
- تأثیرات منفی: تولید الکتریسیته از سوخت‌های فسیلی به انتشار گازهای گلخانه‌ای و تغییرات آب و هوایی منجر شده است. همچنین، استفاده نادرست از الکتریسیته می‌تواند خطرات ایمنی و بهداشتی ایجاد کند.