موضوع مقاله: الکتریسیته | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # الکتریسیته | مقدمه: الکتریسیته یا برق مجموعه‌ای از پدیده‌های فیزیکی است که به حضور و جریان بار الکتریکی وابسته است. | ## بخش 1: الکتریسیته | طبق توصیف معادلات ماکسول، الکتریسیته با مغناطیس در ارتباط است و هر دو بخشی از پدیده الکترومغناطیس هستند. الکتریسیته آثار متنوع زیادی همچون آذرخش، الکتریسیته ساکن، گرمایش الکتریکی و تخلیه بار الکتریکی را دارد. زمانی که بار در مکانی با میدان مغناطیسی غیر صفر قرار می‌گیرد، نیرویی بر آن اثر خواهد گذاشت. پتانسیل الکتریکی به میزان کار مورد نیاز گفته می‌شود که یک واحد بار را از نقطهٔ اول به نقطهٔ ثانویه در میدان الکتریکی حمل کند و با ولت اندازه‌گیری می‌شود. برق نقش کلیدی در فناوری‌های مدرن دارد و با استفاده از توان الکتریکی جریان الکتریکی مورد نیاز وسایل برقی تأمین می‌گردد و در الکترونیک که با مدارهای الکتریکی در ارتباط است، شامل اجزای فعال الکتریکی از جمله لامپ‌های خلأ، ترانزیستورها، دیودها و مدارهای مجتمع می‌باشد. پدیده‌های الکتریکی از گذشته دور مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما پیشرفت در درک نظری تا قرن‌های هفدهم و هجدهم به آرامی اتفاق افتاد. حتی آن زمان نیز کاربرد الکتریسیته اندک بود، و این موضوع تا اواخر قرن نوزدهم و زمانی که مهندسان قادر به استفاده از برق در مناطق صنعتی و مسکونی شوند، ادامه یافت. کاربرد گسترده الکتریسیته سبب شد که از آن در موارد کاربردی بدون محدودیت شامل حمل و نقل، گرمایش، روشنایی، مخابرات و محاسبات استفاده شود. 2008 در فارسی برای این واژه «برق» معادل‌گزینی شده که این واژه به معنای آذرخش می‌باشد. گزارش‌های دیگری دربارهٔ ماهی‌های الکتریکی به وسیله یونان باستان، امپراطوری روم و طبیعت‌شناسان مسلمان نیز از هزاران سال پیش موجود است. چند نویسندهٔ باستانی، مانند پلنیوس و اسکریبونیوس لارگوس به وجود تأثیرات بی‌حس‌کنندهٔ شوک‌های الکتریکی ناشی از گربه‌ماهی‌های الکتریکی و سپرماهی‌سانان پی برده بودند و دریافتند که این شوک‌ها، به‌وسیلهٔ اشیای هادی انتقال می‌یابد. به بیماران مبتلا به بیماری‌هایی چون نقرس یا سردرد، توصیه می‌شد که ماهی الکتریکی را لمس کنند تا شاید نیروی قدرتمندش آن‌ها را درمان کند. مردم در تمدن‌های کنار مدیترانه دریافته بودند که اجسامی چون کهربا، با مالش به موهای گربه می‌توانند اجسام سبک چون پر را جذب کنند. دانشمند و فیلسوف یونانی، تالس حدود ۶۰۰ سال پیش از میلاد، پس از مطالعاتی که بر روی الکتریسیتهٔ ساکن انجام داد، چنین برداشت کرد که مالش، کهربا را تبدیل به مادهٔ مغناطیسی می‌کند و برخلاف کهربا، کانی‌هایی چون مگنتیت برای خاصیت مغناطیسی‌شان نیازی به مالش ندارند. طبق نظریه‌ای مورد مناقشه، به دلیل اکتشاف باتری بغدادی، کشف الکتریسیته را به ایران و بین‌النهرین باستان در دوره اشکانیان نسبت می‌دهند. اما با وجود شباهت این قطعه باستانی با پیل گالوانی، دانشمندان در این مورد که واقعاً آن خاصیت الکتریکی داشته یا خیر تردید دارند. الکتریسیته تا سال ۱۶۰۰ به مدت چند هزار سال تنها به‌عنوان یک کنجکاوی ذهنی قلمداد می‌شد، تا این‌که ویلیام گیلبرت، دانشمند انگلیسی، مطالعات دقیقی پیرامون الکتریسیته و مغناطیس انجام داد. پس از این رویداد، واژهٔ الکتریسیته و الکتریکی برای اولین‌بار در کتاب سیودودکسیا اپیدمیکا، نوشته توماس براون چاپ شد. بعدها افرادی چون اتو فن گریکه، رابرت بویل، استفن گری و چارلز فرانکویس این مسیر را ادامه دادند. در سدهٔ هجدهم میلادی، بنجامین فرانکلین تحقیقات گسترده‌ای پیرامون الکتریسیته انجام داد. مشهور است که او در سال ۱۷۵۲ یک کلید فلزی را به انتهای یک بادبادک مرطوب وصل کرد و آن را در آسمان طوفانی به هوا فرستاد. جرقه‌های متوالی که از کلید به پشت دستش می‌پریدند، نشان دادند که آذرخش قطعاً پدیده‌ای الکتریکی در طبیعت است. او همچنین رفتار ظاهراً متناقض بطری لیدن را به‌عنوان وسیله‌ای برای ذخیرهٔ مقادیر زیاد بار الکتریکی توصیف کرد. در سال ۱۷۷۵، هیو ویلیامسون مجموعه‌ای از آزمایش‌ها در مورد شوک‌های وارد شده توسط مارماهی الکتریکی را به انجمن سلطنتی گزارش کرد. در همان سال، جراح و آناتومیست جان هانتر، ساختار اندام‌های الکتریکی ماهی را توصیف کرد. او نشان داد که الکتریسیته واسطه‌ایست که به‌وسیلهٔ آن، سیگنال‌ها از یاخته‌های عصبی به ماهیچه‌ها انتقال می‌یابند. در سدهٔ هجدهم میلادی، باتری الساندرو ولتا، یا پیل ولتایی، که از روی هم قرار گرفتن لایه‌های متناوب روی و مس ساخته شده بود، برای دانشمندان منبع انرژی قابل اعتمادتری نسبت به ژنراتورهای الکترواستاتیکی قدیمی فراهم کرد. کشف الکترومغناطیس، یا همان وحدت پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی، در سال‌های ۱۸۱۹ تا ۱۸۲۰ به‌وسیلهٔ هانس کریستین اورستد و آندره ماری آمپر اتفاق افتاد. در سال۱۸۲۱، مایکل فارادی موتور الکتریکی را اختراع کرد و در سال ۱۸۲۷ گئورگ زیمون اهم مدار الکتریکی را از نظر ریاضی مورد بررسی قرار داد. در سال‌های ۱۸۶۱ و ٬۱۸۶۲جیمز کلرک ماکسول در کتاب دربارهٔ خطوط فیزیکی نیرو، الکتریسیته و مغناطیس را به‌طور قطعی به هم مرتبط ساخت. درحالی که در اوایل سدهٔ نوزدهم میلادی پیشرفت‌های سریعی در دانش الکتریسیته اتفاق افتاد، اواخر قرن نوزدهم، شاهد بزرگ‌ترین پیشرفت در مهندسی برق بود. با تلاش افرادی چون الکساندر گراهام بل، اتو بلاثی، توماس ادیسون، گالیله فراری، الیور هویساید، انیوس جدلیک، چارلز آلگرنون پارسونز، ویلیام تامسون، ارنست فون زیمنس، جوزف سوان، نیکولا تسلا و جرج وستینگهاوس، الکتریسیته از حس کنجکاوی علمی به ابزاری مهم در زندگی مدرن و نیروی محرکی برای انقلاب صنعتی دوم تبدیل شد. در سال ٬۱۸۸۷ هاینریش هرتز الکترودهایی را کشف کرد که وسیلهٔ پرتوی فرابنفش روشن می‌شدند و جرقه‌های الکتریکی را به سادگی ایجاد می‌کردند. در سال ۱۹۰۵، آلبرت اینشتین مقاله‌ای منتشر کرد که در آن با توصیف داده‌های آزمایشگاهی، اثر فوتوالکتریک را به‌عنوان نتیجهٔ انرژی نور نشان داد و ثابت کرد که این انرژی به‌وسیلهٔ بسته‌های کوانتمی حمل می‌شود و به الکترون‌ها انرژی می‌دهد. اولین وسیلهٔ حالت جامد، ردیاب سبیل گربه‌ای بود که برای اولین‌بار در دههٔ ۱۹۳۰ در گیرنده‌های رادیویی به کار رفت. سیگنال الکتریکی را می‌توان به دو شکل تعبیر کرد: جریانی از الکترون‌ها با بار منفی، یا جریانی با بار مثبت که حاصل کاستی الکترون‌هاست که حفره الکترونی نامیده می‌شوند. نخستین ترانزیستوری که با موفقیت آزمایش شد، ترانزیستور تماس نقطه‌ای بود که توسط جان باردین و والتر هاوسر براتین در سال ۱۹۴۷ اختراع شد، و پس از آن در سال ۱۹۴۸ ترانزیستور پیوندی دوقطبی اختراع شد. هیچ جسمی نمی‌تواند باری کوچکتر از بار بنیادی داشته باشد و هر مقدار باری که ممکن است یک جسم حمل کند، مضربی از بار بنیادی است. نه فقط ماده، بلکه پادماده نیز دارای بار است، هر پادذره باری برابر و مخالف با ذرهٔ مربوط به خود دارد. وجود بار الکتریکی سبب افزایش نیروی الکترواستاتیکی می‌شود: این بارها به یکدیگر نیرو اعمال می‌کنند؛ نیرویی که در گذشته شناخته شده ولی علتش نامعلوم بود. یک گوی سبک که از نخ آویزان است، هنگام تماس با میلهٔ شیشه‌ای باردار که با پارچه مالش داده شده، می‌تواند باردار شود. اگر گوی دیگری نیز با همان میله شیشه‌ای باردار شود، گوی قبلی را دفع می‌کند، چون بار الکتریکی تلاش می‌کند تا دو گوی را از هم دور کند. اما، اگر یک گوی به وسیلهٔ میلهٔ شیشه‌ای و گوی دیگر به وسیلهٔ میله پلاستیکی باردار شود، این دو گوی یکدیگر را جذب می‌کنند. این کشف منجر به تعریف یک اصل علمی شد: اجسام با بار همنام یکدیگر را دفع و اجسام با بار غیر همنام یکدیگر را جذب می‌کنند. اندازهٔ نیروی الکترومغناطیسی، چه جاذبه باشد و چه دافعه، با استفاده از قانون کولن به‌دست می‌آید. نیروی الکترومغناطیس بسیار نیرومند است و در واقع بعد از نیروی هسته‌ای قوی، نیرومندترین نیرو به‌شمار می‌آید. در مقایسه با نیروی گرانش، نیروی الکترومغناطیسی که دو الکترون را دفع می‌کند، ۱۰۴۲ بار قویتر از نیروی جاذبهٔ گرانشی بین آن دو است. مطالعات نشان می‌دهد که منشأ بار الکتریکی، انواع مخصوصی از ذرات زیراتمی هستند که ویژگی بار الکتریکی دارند. بار الکتریکی سبب تقویت نیروی الکترومغناطیسی می‌شود، که یکی از چهار نیروی بنیادی به حساب می‌آید. تحقیقات حاکی از بقای بار الکتریکی است و این بدان معناست که در یک سیستم ایزوله، بدون توجه به هر تغییری که در سیستم روی دهد، مقدار کل بار الکتریکی ثابت می‌ماند. در یک سیستم، ممکن است بار الکتریکی به‌صورت تماس مستقیم یا با عبور از یک مادهٔ رسانا —مانند سیم— از جسمی به جسم دیگر منتقل شود. در طی این فرایند، بار الکتریکی از یک ماده به دیگری انتقال می‌یابد که این بار الکتریکی را می‌توان به وسیلهٔ ابزارهای گوناگونی سنجید. الکتروسکوپ ابزار قدیمی برای سنجش بار الکتریکی است که هنوز در کلاس‌های درسی به کار می‌رود، اما در کاربردهای روزمره برق سنج الکترونیکی جایگزین آن شده است. جریان الکتریکی حرکت بارهای الکتریکی را جریان الکتریکی گویند که شدت آن با واحد آمپر سنجیده می‌شود. معمولاً جریان الکتریکی حاصل حرکت الکترون‌هاست، ولی هر ذرهٔ باردار در حال حرکتی، یک جریان الکتریکی ایجاد می‌کند. جریانی که از این الگو پیروی کند، جریان قراردادی نام دارد؛ بنابراین، حرکت الکترون‌های دارای بار مخالف در یک مدار الکتریکی که یکی از آشناترین اشکال جریان الکتریکی است، در خلاف جهت حرکت الکترون‌ها مثبت فرض می‌شود. اما، بر اساس شرایط، یک جریان الکتریکی می‌تواند شامل یک جریان از ذرات باردار، چه در یک جهت و چه در هر دو جهت باشد. به فرایندی که در آن جریان الکتریکی از مواد عبور می‌کند، «رسانایی الکتریکی» گفته می‌شود. رسانایی الکتریکی ذاتاً با ذرات باردار و ماده‌ای که به وسیلهٔ آن جابجا می‌شوند، متفاوت است. رسانایی فلزی، که الکترون‌ها در مادهٔ رسانایی مانند فلزات جریان می‌یابند و برق‌کافت، که در آن یون‌ها (اتمهای باردار) در مایعات یا پلاسماهایی مانند جرقه‌های الکتریکی جریان می‌یابند، مثال‌هایی از رسانایی هستند. در حالی که ذرات به خودی خود کُندند، و گاهی با سرعت رانش میانگین یک میلی‌متر در ثانیه پیش می‌روند، میدان الکتریکی که آن‌ها را پیش می‌برد، سرعت آن‌ها را به نزدیکی سرعت نور می‌رساند و سیگنال‌های الکتریکی را قادر می‌سازد تا به‌سرعت سیم‌ها را بپیمایند. برای شناسایی و اثبات وجود جریان، به‌طور تاریخی، به چند تأثیر قابل مشاهدهٔ آن اتکا شده است. این موضوع در سال ۱۸۰۰ به وسیله ویلیام نیکولسون و آنتونی کارلیسله کشف شد و امروزه با نام برق‌کافت شناخته می‌شود. در سال ۱۸۳۳، مایکل فارادی تحقیقات نیکولسون و کارلیسله را بسیار گسترش داد و نشان داد که جریان در یک مقاومت الکتریکی سبب تجمع گرما در مقاومت می‌شود. یکی از مهم‌ترین اکتشافات مرتبط با جریان، به‌طور اتفاقی در سال ۱۸۲۰ به وسیله هانس کریستین اورستد صورت گرفت؛ او هنگام آماده‌کردن سخنرانی خود، مشاهده کرد که جریان در یک سیم، سوزنِ قطب‌نما را به حرکت درمی‌آورد. در آنجا بود که او الکترومغناطیس را —که یک تعامل اساسی بین الکتریسیته و مغناطیس است— کشف کرد. میزان انتشار الکترومغناطیسِ تولیدشده به‌وسیلهٔ قوس الکتریکی، برای ایجاد تداخل الکترومغناطیسی کافیست و می‌تواند برای باعث صدمه دیدن وسایل مجاور شود. جریان مستقیم، برای مثال از یک باتری گرفته می‌شود و بیشتر لوازم الکترونیکی بدان نیاز دارند. اگر این جریان به وسیلهٔ الکترون‌ها حمل شود، جهت جریان در خلاف جهتِ گفته‌شده خواهد بود. | ## بخش 2: الکتریسیته | بنابراین، جریان متناوب دارای پالس عقب و جلو است و در یک رسانا بدون حرکت بارها جریان تولید می‌کند. جریان متناوب تحت تأثیر ویژگی‌های الکتریکی در شرایط پایدار جریان مستقیم، مانند القاوری و ظرفیت خازنی قرار می‌گیرد. میدان الکتریکی در اطراف جسم باردار شکل می‌گیرد و به تمام ذرات باردار درون میدان نیرو وارد می‌کند. میدان الکتریکی بین دو بار، مشابه میدان جاذبهٔ بین دو جرم عمل می‌کند و مانند آن، در فضای بی‌نهایت گسترش می‌باید و رابطه‌ای مجذور معکوس با فاصله نشان می‌دهد. اما میدان الکتریکی یک فرق اساسی با میدان جاذبه دارد: میدان جاذبه، همیشه در نقش جذب‌کننده عمل می‌کند و می‌کوشد تا دو جسم را به یکدیگر برساند، در حالی که میدان الکتریکی می‌تواند هم سبب جذب شود و هم دفع. از آن جا که اجسام بزرگ، مانند سیاره‌ها، دارای بار خالص نیستند، اغلب میدان الکتریکی در اطراف آن‌ها صفر است؛ لذا نیروی جاذبه با وجود این که بسیار ضعیف‌تر است، در گیتی نیروی غالب به‌شمار می‌آید. میدان الکتریکی به‌طور عمومی در فضا متغیر است و شدت آن در هر نقطه با نیرویی مشخص می‌شود که توسط یک بار الکتریکی غیرمتحرک حس می‌شود. بار فرضی، که ذرهٔ آزمون نام دارد، بسیار کوچک است تا میدان الکتریکی آن با میدان الکتریکی اصلی تداخل نداشته باشد و همچنین ثابت است تا از تأثیر میدان‌های مغناطیسی جلوگیری کند. از آن جا که میدان الکتریکی با واحد نیرو شناسایی می‌شود و نیرو نیز برداری اقلیدسی است، در نتیجه، میدان مغناطیسی برداری است که هم شدت دارد و هم مسیر و در واقع، میدانی برداری است. میدان الکتریکی به‌وسیلهٔ مجموعه‌ای از خطوط فرضی نمایش داده می‌شود که در هر نقطه از میدان مسیر آن را نمایش می‌دهند. خطوط نیرو، مسیرهایی هستند که یک بار مثبت نقطه‌ای هنگامی که بدان نیرو وارد می‌شود، آن مسیرها را طی می‌کند. خطوط نیرو یک مفهوم ذهنی هستند و واقعیت فیزیکی ندارند و میدان به فضای بین این خطوط فرضی نیز نفوذ دارد. خطوط میدانِ ناشی از بارهای ساکن، چند ویژگی کلیدی دارند: نخست، آن‌ها از بارهای مثبت سرچشمه می‌گیرند و به بارهای منفی ختم می‌شوند؛ دوم آن که باید با زاویه‌ای قایم وارد اجسام رسانا شوند؛ و سوم آن که هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند. این قفس، پوستهٔ فلزی رساناست که فضای داخلی خود را از تأثیرات الکتریکی خارجی جدا می‌کند. فراتر از این نکته، شکست الکتریکی رخ می‌دهد و قوس الکتریکی سبب ایجاد صاعقه بین دو قسمت باردار می‌شود. برای مثال، هوا تمایل دارد با عبور دادن قوس الکتریکی و ایجاد شکاف، شدت میدان الکتریکی را به بیش از ۳۰ کیلوولت بر سانتی‌متر برساند. مهم‌ترین رویداد قابل مشاهده از یک شکست الکتریکی، پدیدهٔ آذرخش است، که زمانی اتفاق می‌افتد که با افزایش ستون‌های هوا، بارها در ابرها جدا شوند و میدان الکتریکی هوا را افزایش دهند تا از حد تحمل، تجاوز کند. ولتاژ آذرخش‌های بزرگ می‌تواند به بزرگی ۱۰۰ مگاولت باشد و تا ۲۵۰ کیلووات ساعت انرژی را تخلیه کند شدت میدان تا حد زیادی تحت تأثیر اجسام رسانای نزدیک میدان قرار دارد. از این موضوع در برقگیرها استفاده می‌شود چنان‌که آذرخش، با استفاده از تیر نوک‌تیز برقگیر مهار می‌شود تا ساختمان زیر آن، از صدمه دیدن در اثر صاعقه در امان بماند. به بار کوچکی که در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، نیرو وارد می‌شود، و برای حرکت دادن این بار برخلاف نیرویی که بدان وارد می‌شود، به کار نیازمندیم. پتانسیل الکتریکی در هر نقطه میزان انرژی لازم برای آوردن بار آزمون از فاصله بی‌نهایت دور به آن نقطه است. واحد آن اغلب ولت است، و یک ولت، پتانسیلی است که با استفاده از یک ژول کار می‌توان یک بار یک کولنی را از فاصله بی‌نهایت دور، به یک نقطه آورد. توصیح پتانسیل اگرچه رسمی است، کاربرد چندان ندارد و مفهوم کاربردی‌تر، اختلاف پتانسیل الکتریکی است که به انرژی لازم برای به حرکت درآوردن بار آزمون بین دو نقطه مشخص گفته می‌شود. میدان الکتریکی پایستار است؛ یه این معنا که به مسیری که بار می‌پیماید وابسته نیست، چون تمام مسیرهای بین دو نقطه به انرژی یکسانی نیاز دارند و بنابرین یک مقدار منحصر به فرد برای اختلاف پتانسیل مورد نیاز است. یکای ولت به عنوان واحد اندازه‌گیری و توصیف اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ شناخته می‌شود. برای اهداف کاربردی، بهتر است نقطه‌ای به‌عنوان مبدأ انتخاب گردد و پتانسیل با توجه به آن اندازه‌گیری و مقایسه شود. مبدأ خیلی مناسب می‌تواند زمین الکتریکی باشد، که فرض بر اینست که پتانسیلش در تمام نقاط یکسان است. زمین به‌عنوان منبع بی‌پایان از بارهای معادل مثبت و منفی فرض می‌شود و به همین دلیل، از نظر الکتریکی خنثی و غیرقابل باردار شدن است. پتانسیل الکتریکی، مشابه بلندی است: همان‌طور که یک جسمِ رهاشده به‌دلیل اختلاف ارتفاع، به‌وسیلهٔ میدان جاذبه به سمت پایین سقوط می‌کند، بار الکتریکی نیز به‌دلیل اختلاف پتانسیل ناشی از میدان مغناطیسی سقوط می‌کند. اما مفهوم پتانسیل اجازهٔ استفاده از تعریفی مفیدتر و معادل را می‌دهد: میدان الکتریکی گرادیان مکانی پتانسیل الکتریکیست. واحدش اغلب ولت بر متر است و جهت بردار میدان، بزرگ‌ترین شیب پتانسیل و جایی است که خطوط هم‌پتانسیل در نزدیکترین حالت قرار دارند. کشف اورستد در سال ۱۸۲۱ مبنی بر وجود میدان مغناطیسی پیرامون سیم‌های حامل جریان الکتریکی، نشان داد که بین الکتریسیته و مغناطیس رابطه‌ای مستقیم وجود دارد. به نظر می‌رسید این فعل و انفعال با نیروی جاذبه و الکتریکی (دو نیروی طبیعت که تا آن زمان شناخته شده بودند)، متفاوت است. نیرویی که به سوزن قطب‌نما وارد می‌شد، آن را به سیم حامل جریان نه نزدیک می‌کرد و دور، اما با آن زاویهٔ قائمه می‌ساخت. واژه‌های نسبتاً ناآشنای اورستد این بود: «تضاد الکتریکی به روشی چرخشی عمل می‌کند.» این نیرو همچنین به جهت جریان نیز بستگی داشت؛ یعنی اگر جهت جریان برعکس می‌شد، جهت نیرو نیز معکوس می‌گشت. اورستد اکتشاف خود را به‌طور کامل متوجه نشد، اما مشاهده کرد که آثار متقابل بودند: جریان به آهنربا و آهنربا به جریان نیرو وارد می‌کند. دو سیم که جهت جریانشان یکسان است، یکدیگر را جذب و دو سیم که جهت جریانشان مخالف هم است یکدیگر را دفع می‌کنند. این فعل و انفعال به‌واسطهٔ میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که هر جریان تولید می‌کند و اساس تعریف جهانی آمپر را شکل می‌دهد. رابطه بین میدان‌های مغناطیسی و جریان بسیار مهم است، زیرا سبب شد مایکل فارادی در سال ۱۸۲۱، موتور الکتریکی را اختراع کند. جریان به‌وسیلهٔ سیمی آویزان از محور بالای آهنربا و غوطه‌ور در جیوه برقرار می‌شد. آهنربا نیرویی مماسی بر سیم وارد می‌کرد و برای اینکه جریان برقرار شود، آن را پیرامون آهنربا می‌پیچاند. آزمایش‌های فارادی در سال ۱۸۳۱ نشان داد در بین دو نقطهٔ منتهایی سیمی که عمود بر یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود. آنالیزهای متعاقب این فرایند، که با نام القای الکترومغناطیسی مشهور است، او را قادر ساخت تا قانون مشهور القای فارادی را بیان کند، قانونی که مطابق آن اختلاف پتانسیل مدار بسته، متناسب با تغییرات شار مغناطیسی حلقه است. استفاده از این کشف، او را قادر ساخت تا در سال ۱۸۳۱ اولین مولد الکتریکی را اختراع کند که انرژی مکانیکی دیسک مسی در حال چرخش را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کرد. دیسک فارادی هیچ استفاده عملی نداشت، ولی نشان داد که می‌توان با استفاده از مغناطیس نیروی الکتریکی تولید کرد. منبع ولتاژ V در سمت چپ جریان الکتریکی I را تولید می‌کند و انرژی الکتریکی را به مقاومت R می‌رساند. مدار الکتریکی اتصالی داخلی از اجزای الکتریکی است تا بارهای الکتریکی در مسیر بسته، به‌منظور هدفی معین جریان یابند. اجزای مدار الکتریکی می‌تواند شکل‌های مختلفی داشته باشد که شامل عناصری چون مقاومتها، خازنها، کلیدها، ترانسفورماتورها و وسایل الکترونیکی است. مدارهای الکتریکی حاوی اجزای فعال به ویژه نیم‌رساناها هستند و رفتاری غیر خطی نشان می‌دهند که نیازمند آنالیز پیچیده‌ای است. ساده‌ترین اجزای الکتریکی، اجزای غیرفعال و خطیاند که اگرچه ممکن است به‌طور موقت انرژی را ذخیره کنند، ولی شامل هیچ منبعی از آن نمی‌شوند و به تحریک‌ها پاسخ خطی می‌دهند. مقاومت، همان‌طور که از نامش پیداست، در مقابل جریان مقاومت نشان می‌دهد و انرژی را به‌صورت گرما هدر می‌دهد. مقاومت حاصل حرکت بار در رساناست: برای مثال، در فلزات، مقاومت از برخورد الکترون‌ها و یون‌ها با هم حاصل می‌شود. قانون اهم قانون ابتدایی نظریه مدارها است و بیان می‌کند که جریان گذرا از یک مقاومت، با اختلاف پتانسیل دو سر آن متناسب است. مقاومت بیشتر مواد در طیف‌های مختلف دما و جریان تقریباً ثابت است؛ موادی که از این شرایط پیروی می‌کنند، مواد «اهمی» نام دارند. اهم، واحد مقاومت است که به افتخار گئورگ زیمون اهم نامگذاری شده و علامتش حرف یونانیِ Ω است. یک اهم، مقاومتی است که در پاسخ به جریان یک آمپری، اختلاف پتانسیل یک ولتی ایجاد می‌کند. خازن حاصل توسعه بطری لیدن و وسیله‌ای است که می‌تواند بار را به شکل انرژی الکتریکی در میدان حاصل ذخیره کند. خازن از دو صفحه رسانا ساخته شده که به‌وسیلهٔ عایق دی‌الکتریک از یکدیگر جدا شده‌اند. در عمل، ورقه‌های فلزی نازک به یکدیگر چسبیده‌اند تا سطح تماس در واحد حجم و در نتیجه ظرفیت خازنی را افزایش دهند. واحد ظرفیت خازن، بعد از مایکل فارادی، فاراد نامگذاری شد که با علامت F نشان داده می‌شود. یک فاراد، حاصل اختلاف پتانسیل یک ولتی حاصله به هنگام ذخیره یک کولن بار الکتریکی در خازن است. خازن متصل به منبع تغذیه در ابتدا به این دلیل که بار الکتریکی انباشته می‌کند، جریانی ایجاد می‌نماید. این جریان رفته رفته با پر شدن خازن کم می‌شود و در انتها به صفر می‌رسد؛ لذا یک خازن، جریان پایدار ایجاد نمی‌کند، بلکه مسیر آن را می‌بندد. القاگر با قابلیت رسانش، اغلب به شکل سیم پیچ است و در میدان مغناطیسی حاصل از جریان عبوری انرژی ذخیره می‌کند. زمانی که جریان تغییر می‌کند، میدان مغناطیسی و همچنین ولتاژ بین دو سر رسانا نیز دچار تغییر و تحول می‌گردد. یک هانری، مقداری از ضریب خودالقایی است که اگر جریان گذرا از آن القاگر در هر ثانیه یک آمپر تغییر کند، اختلاف پتانسیل یک ولتی را ایجاد می‌کند. از برخی جهات، رفتار القاگر برعکس خازن است: القاگر در جریان مستقیم تبدیل به مقاومت عادی می‌شود اما در مقابل جریان در حال تغییر ایستادگی می‌کند. توان الکتریکی توان الکتریکی مقدار انرژی الکتریکی است که در واحد زمان به وسیله مدار الکتریکی جابجا می‌شود. توان الکتریکی تولید شده به وسیله یک جریان الکتریکی، برابر است با بار Q که در هر t ثانیه از اختلاف پتانسیل V عبور می‌کند. | ## بخش 3: الکتریسیته | توان الکتریکی لازم برای کسب و کار و استفاده خانگی به وسیله صنعت نیرو تولید می‌شود. واحد فروش برق کیلووات ساعت (۳٫۶مگاژول) است که حاصل ضرب نیرو با واحد کیلووات در زمان با واحد ساعت است. رفتار غیرخطی اجزای فعال و توانایی آن‌ها در کنترل جریانهای الکترونی، سیگنال‌های ضعیف را تقویت می‌کند و در پردازش اطلاعات، مخابرات و پردازش سیگنال استفاده گسترده‌ای از الکترونیک صورت می‌گیرد. توانایی وسایل الکترونیک در عمل کردن به عنوان مدار امکان پردازش اطلاعات را فراهم می‌سازد. تکنولوژی‌های اتصال داخلی مانند بردهای مدار چاپی، تکنولوژی بسته‌بندی الکترونیک، و سایر انواع متنوع وسایل ارتباطی، قابلیت مدار را کامل کرده و اجزای مخلوط را به شکل یک سامانه کارآمد تبدیل کرده است. امروزه، بسیاری از وسایل الکترونیکی به منظور کنترل الکترونی از مواد نیم‌رسانا استفاده می‌کنند. مطالعه وسایل نیم‌رسانا و تکنولوژی مرتبط با آن‌ها شاخه‌ای با نام فیزیک حالت جامد ایجاد کرده است، و طراحی و ساخت مدارهای الکتریکی برای حل مسائل عملی و فنی، در زیرشاخهٔ مهندسی الکترونیک قرار دارد. موج الکترومغناطیسی فارادی و آمپر نشان دادند که یک میدان مغناطیسی متغیر در زمان، منبع یک میدان الکتریکی و یک میدان الکتریکی متغیر در زمان، منبع یک میدان مغناطیسی است. این پدیده، ویژگی‌های موج را دارد و به‌طور طبیعی با نام تابش الکترومغناطیسی یاد می‌شود. ماکسول مجموعه‌ای از روابط را بیان کرد که قادر بودند ارتباط بین میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، بار الکتریکی و جریان الکتریکی را به روشنی نشان دهند. او همچنین ثابت کرد که این امواج، با سرعت نور حرکت می‌کنند، بنابراین خود نور نیز شکلی از تابش‌های الکترومغناطیس است. معادلات ماکسول، که نور، میدان و بار را یکپارچه می‌کند، یکی از بزرگ‌ترین نقاط عطف فیزیک تئوری است. تلاش بسیاری از محققان، امکان استفاده از الکترونیک برای تبدیل سیگنال‌ها به جریان فرکانس بالای نوسان‌دار را فراهم ساخت و به‌وسیلهٔ رساناهای دارای شکل مناسب، الکتریسیته اجازهٔ ارسال و دریافت این سیگنال‌ها را به‌وسیلهٔ امواج رادیویی در فاصله‌های بسیار دور صادر کرد. اگرچه این روش، که به اثر برق مالشی معروف است، می‌تواند اجسام سبک را بلند و جرقه تولید کند، اما بسیار ناموثر است. تا پیش از اختراع پیل ولتایی در قرن هجدهم، هیچ منبع الکتریسیته مداومی در دسترس نبود. پیل ولتایی و نسل مدرنش، باتری‌های الکتریکی، انرژی شیمیایی را ذخیره می‌کنند و در هنگام نیاز آن را به شکل انرژی الکتریکی در دسترس قرار می‌دهند. این مولدها هیچ شباهتی به مولد تک‌قطبی فارادی که در سال ۱۸۳۱ اختراع شد، ندارند، اما از قانون الکترومغناطیسی او پیروی می‌کنند که می‌گوید رسانایی که به میدان مغناطیسی متغیری متصل است بین دوسرش، اختلاف پتانسیل تولید می‌شود. برق تولید شده توسط پنل خورشیدی برپایه مکانیزم متفاوتی است: تابش خورشیدی با بهره‌گیری از اثر فتوولتایی مستقیم به برق تبدیل می‌شود. متناسب با توسعه اقتصادی کشورها، تقاضا برای الکتریسیته با سرعت بالایی افزایش می‌یابد. به‌طور تاریخی، افزایش تقاضای برق، از تقاضا برای سایر شکل‌های انرژی پیش افتاده است. اگرچه می‌توان انتظار داشت که تأثیر محیطی وسایل مختلف الکتریکی ادامه می‌یابد، شکل نهایی آن تقریباً پاک است. انتقال و ذخیره‌سازی اختراع ترانسفورماتور در اواخر قرن نوزدهم، بشر را قادر کرد تا نیروی الکتریکی را با ولتاژی بالاتر ولی جریانی کمتر انتقال دهد. انتقال بهینه انرژی الکتریکی بدین معنا بود که می‌توان الکتریسیته را در یک نیروگاه مرکزی تولید کرد و از صرفه‌جویی در مقیاس سود بُرد، آن‌گاه آن را برای استفاده به فاصله‌های دور فرستاد. از آنجا که انرژی الکتریکی را نمی‌توان به اندازه‌ای ذخیره کرد که قادر به پاسخ‌گویی تقاضا در سطح ملی باشد، باید در هر زمان، به اندازه‌ای که لازم است، تولید شود. پس صنعت برق باید پیش‌بینی دقیقی از بارگذاری الکتریکی داشته باشد و ارتباط پایداری با نیروگاه‌های خود برقرار کند. باید همواره مقدار معینی از برق، ذخیره شود تا برای مواقع اضطراری و بروز اختلالات، تکیه‌گاهی محکم وجود داشته باشد. با افزایش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر متغیر (انرژی بادی یا خورشیدی) در شبکه برق، از بین‌بردن ناترازی عرضه و تقاضا چالش‌برانگیز شده است. چهار گونه فناوری ذخیره انرژی برق درحال تکامل وجود دارد: باتری (ذخیره‌سازی الکتروشیمیایی), ذخیره‌سازی شیمایی مانند هیدروژن، حرارتی یا مکانیکی (مانند نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای). الکتریسیته یک راه بسیار مناسب برای انتقال انرژی است و استفاده از آن، متداول و رو به افزایش است. اختراع لامپ رشته‌ای در دهه ۱۸۷۰ سبب شد که نورپردازی به یکی از عمومی‌ترین کاربردهای توان الکتریکی تبدیل شود. اگرچه برق‌رسانی خطرات خاص خود را دارد، جایگزین کردن شعله‌های عریان چراغ نفتی با آن، به‌طور چشم‌گیری حوادث آتش‌سوزی در خانه‌ها و کارخانه‌ها را کاهش داد. امکانات عمومی هم با هدف روبه رشد قرار دادن بازار نورپردازی، در بسیاری از شهرها برقرار شد. از تأثیر گرمای ژولی در لامپ‌های رشته‌ای، استفاده‌های مستقیم بیشتری در گرمایش الکتریکی می‌شود. درحالی که پرکاربرد و قابل کنترل است، می‌تواند مفید نیز باشد، زیرا بیشتر تولید الکتریکی نیازمند تولید گرما در نیروگاه‌ها هستند. تعدادی از کشورها مانند دانمارک، در زمینه محدود کردن و ممنوعیت استفاده از گرمایش الکتریکی در ساختمان‌های نوساز، قانون وضع کرده‌اند. با این وجود، الکتریسیته یک منبع انرژی پر کاربرد برای گرمایش و خنک‌سازی، با تهویه مطبوع/پمپ‌های حرارتی است که بخش در حال توسعه‌ای برای تقاضای الکتریسیته به نظر می‌رسد و تأثیرات آن سبب شده است که صنعت برق به فکر تأمین این نیاز برآید. انتظار می‌رود که برق‌رسانی نقش عمده‌ای در کربن‌زدایی از بخش‌هایی که به سوزاندن مستقیم سوخت‌های فسیلی وابسته هستند، مانند حمل و نقل (با استفاده از وسیله نقلیه الکتریکی) و گرمایش (با استفاده از پمپ‌های حرارتی) ایفا کند. اثر الکترومغناطیس به‌طور آشکار در موتور الکتریکی به کار می‌رود، که ابزاری مؤثر و پاک برای توان متحرک فراهم می‌آورد. یک موتور بی‌حرکت مانند وینچ، به راحتی مقداری نیرو فراهم می‌آورد، اما موتوری که با کاربرد برق حرکت می‌کند، مانند یک ماشین برقی، باید یا یک منبع توان مانند باتری را حمل کند یا جریان را از یک اتصال کشویی مانند یک شاخک برقرسان دریافت کند. همچنین از الکتریسیته برای تأمین سوخت حمل و نقل عمومی شامل اتوبوس‌ها و قطارهای برقی استفاده می‌شود. یکی از اولین کاربردهای الکتریسیته، در مخابرات و تلگراف است که اولین بار در سال ۱۸۳۷ توسط ویلیام فوترگیل کوکه و چارلز ویتستون معرفی شد. با ساخت اولین تلگراف بین‌قاره‌ای و پس از آن تلگراف بین‌اقیانوسی در دهه ۱۸۶۰، الکتریسیته جهان را قادر ساخت تا در مدت چند ثانیه ارتباط برقرار کند. تکنولوژی فیبر نوری و ماهواره مخابراتی به‌طور مشترک بازار سیستم برقراری ارتباط را به دست گرفته‌اند، اما به نظر می‌رسد الکتریسیته بخش اساسی این فرایند باقی بماند. برق و جهان طبیعی اثرات فیزیولوژیکی اگر به بدن انسان ولتاژی اعمال شود، جریان الکتریکی از بافت‌های آن عبور می‌کند. با اینکه رابطهٔ بین این‌ها غیر خطی است، ولی با افزایش ولتاژ جریان عبوری نیز زیاد می‌شود. آستانهٔ درک انسان با توجه به فرکانس و مسیر عبوری جریان متغیر، ولی برای فرکانس اصلی (در آسیا ۶۰ هرتز) بین ۰٫۱ تا ۱ میلی‌آمپر متغیر است. با این وجود، یک جریان ضعیف در حد میکرو آمپر در شرایط مشخصی به عنوان الکترولرزه توسط بدن تشخیص داده می‌شود. اگر جریان خیلی قوی باشد موجب انقباض ماهیچه‌ها، تارلرزه قلب و سوختگی بافت می‌شود. هیچ مشخصه ظاهری برای یک جسم هادی حاوی الکتریسیته وجود ندارد در نتیجه برق یک خطر منحصربفرد است. دردی که شوک الکتریکی ایجاد می‌کند، می‌تواند شدید باشد و به همین دلیل، در دوران‌های مختلف از آن به‌عنوان یک روش برای شکنجه استفاده شده است. بسیاری از تعاملات آشنا در حد ماکروسکوپیک مانند حس لامسه، اصطکاک و پیوندهای شیمیایی ناشی از تعاملات بین میدان‌های الکتریکی در مقیاس اتمی هستند. تصور می‌شود که میدان مغناطیسی زمین توسط یک دینام طبیعی ناشی از جریانهای دوار در مرکز سیاره ایجاد شده است. کریستال‌های مشخصی مانند کوارتز و شکر زمانی که تحت فشار قرار می‌گیرند بین دو طرف خود اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کنند. این پدیده که اثر فشاربرقی یا پیزوالکتریکی نام دارد و از واژه یونانی piezein به معنی فشار گرفته شده است، در سال ۱۸۸۰ توسط پیر کوری و ژاکس کوری کشف شده است. این اثر، دوطرفه است یعنی اگر یک ماده پیزوالکتریک را در میدان الکتریکی قرار دهیم ابعاد آن به مقدار بسیار ناچیز تغییر می‌کند. بعضی از موجودات زنده مانند کوسه‌ها قادرند تغییرات میدان الکتریکی را حس کنند و به آن پاسخ دهند. راسته برق‌ماهی‌سانان، که معروفترین آن‌ها مارماهی الکتریکی است، قادر است با ایجاد یک ولتاژ قوی توسط سلول‌های تغییریافتهٔ ماهیچه موسوم به الکتروسلول، طعمه خود را تشخیص دهد یا بی‌حس کنند. همهٔ حیوانات اطلاعات را در امتداد غشای سلولی توسط تپش‌های (پالس‌های) ولتاژ انتقال می‌دهند که به آن پتانسیل عمل می‌گویند. وظیفهٔ آن، شامل ایجاد ارتباط بین ماهیچه‌ها و یاخته‌های عصبی توسط دستگاه عصبی است. درک فرهنگی در سال ۱۸۵۰، ویلیام اوارت گلدستون از مایکل فارادی پرسید، چرا الکتریسیته ارزشمند است. فارادی پاسخ داد، «یک روز شما مالیات آن را خواهید پرداخت.» با این حال، طبق گفته سایت اسنوپس «این حکایت را می‌توان در حد افسانه در نطر گرفت زیرا در هیچ‌یک از گزارش‌های فارادی یا معاصرانش (نامه‌ها، روزنامه‌ها یا بیوگرافی‌ها) ذکر نشده و تنها پس از مرگ فارادی به وجود آمده است.». در قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، حتی در جهان صنعتی غرب، هنوز الکتریسیته به بخشی از زندگی روزمره مردم تبدیل نشده بود. فرهنگ مردمی زمان، اغلب آن را در قالب نیرویی اسرارآمیز و شبه جادویی به تصویر می‌کشید که قادر بود زندگی را نابود و مرده را زنده کند یا حتی قوانین طبیعت را به زانو درآورد. این گرایش با آزمایش‌های لوییجی گالوانی در سال ۱۷۷۱ ایجاد شد که در آن پاهای قورباغه‌های مرده با به کار بردن الکتریسته حیوانات به حرکت درآمد. اندکی پس از کار گالوانی، «تجدید حیات» یا احیای مجدد افراد ظاهراً مرده یا غرق شده، در ادبیات پزشکی گزارش شد. مانند کارکنان در «مرگ انگشت در پایان دست‌کش‌هایشان مانند قطعه قطعه کردن سیم‌های زندگی» در شعر پسران مارتا از رودیارد کیپلینگ در سال ۱۹۰۷ ظاهر شدند. ماشین‌های دارای قدرت الکتریکی از تمام انواع، در داستان‌های ماجراجویانه‌ای چون داستان‌های ژول ورن و تام سویفت برجسته شدند. اربابان الکتریسیته، چه تخیلی و چه واقعی، از جمله دانشمندانی چون چارلز آلگرنون پارسونز، و نیکولا تسلا، به عنوان جادوگران علم میان مردم مشهور شدند. اما در این میان نام نیکولا تسلا، میدرخشد با از بین رفتن تازگی الکتریسیته و تبدیل شدن به ابزاری واجب برای زندگی روزمره در نیمه دوم قرن بیستم، تنها زمانی نیازمند توجه به فرهنگ عامه می‌شد که جریان قطع می‌گشت. | ## جمع‌بندی | افرادی که جریان را برقرار می‌کنند، مانند قهرمانان بی‌نام و نشان آهنگ ویچیتا لینمان (۱۹۶۸)، اثر جیمی وب، هنوز اغلب در هیبت قهرمانانه و جادوگرانه خودنمایی می‌نمایند.