تجهیزات برق صنعتی و اتوماسیون صنعتی

برق در اطراف ما است – فن آوری قدرت مانند تلفن‌های همراه ، رایانه‌ها ، چراغ‌ها ، آهن آلات لحیم کاری و تهویه هوا. فرار از آن در دنیای مدرن ما دشوار است. حتی وقتی سعی می‌کنید از برق فرار کنید ، هنوز در سراسر طبیعت کار می‌کنید ، از رعد و برق در رعد و برق تا سیناپسهای داخل بدن ما.

سلام صنعت دارای نمایندگی محصولات IFM، نمایندگی محصولات Sick، نمایندگی محصولات اندرس‌هاوزرو نمایندگی محصولات زیمنسمیباشد.

اما آنچه که دقیقا است برق؟

این یک سؤال بسیار پیچیده است ، و هرچه عمیق تر کاوش می‌شوید و سؤالات بیشتری می‌پرسید ، واقعاً یک جواب قطعی وجود ندارد ، فقط نمایش‌های انتزاعی از ارتباط برق با محیط اطراف ما است.

برق پدیده‌‌‌ای طبیعی است که در سرتاسر طبیعت رخ می‌دهد و اشکال مختلفی به خود می‌گیرد. در این آموزش بر روی برق فعلی تمرکز خواهیم کرد:

مواردی که ابزارهای الکترونیکی ما را قدرت می‌دهد. هدف ما این است که بدانیم جریان برق از طریق منبع برق از طریق سیم ، چراغ‌های LED ، موتورهای نخ ریسی و برق دستگاههای ارتباطی ما چگونه جریان می‌یابد.
الکتریسیته به طور خلاصه به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می‌شود ، اما چیز زیادی در پشت این گفته ساده وجود دارد.

اتهامات از کجا می‌آید؟ چگونه آنها را جابجا کنیم؟ آنها به کجا می‌روند؟ چگونه یک بار الکتریکی باعث حرکت مکانیکی می‌شود یا باعث روشن شدن همه چیز می‌شود؟ خیلی سؤال!

برای شروع توضیح در مورد نیاز برق برای فراتر از ماده و مولکولها ، اتمهایی را تشکیل می‌دهیم که در زندگی تعامل می‌کنند.
این آموزش بر اساس برخی درک اساسی از فیزیک ، نیرو ، انرژی بطور خاص ساخته شده است. ما به اصول اولیه هر یک از این مفاهیم فیزیک می‌پردازیم ، اما ممکن است به مشورت سایر منابع نیز کمک کند.

برق در اطراف ما است – فن آوری قدرت مانند تلفن‌های همراه ، رایانه‌ها ، چراغ‌ها ، آهن آلات لحیم کاری و تهویه هوا. فرار از آن در دنیای مدرن ما دشوار است. حتی وقتی سعی می‌کنید از برق فرار کنید ، هنوز در سراسر طبیعت کار می‌کنید ، از رعد و برق در رعد و برق تا سیناپسهای داخل بدن ما.

سلام صنعت دارای نمایندگی محصولات IFM، نمایندگی محصولات Sick، نمایندگی محصولات اندرس‌هاوزرو نمایندگی محصولات زیمنسمیباشد.

اما آنچه که دقیقا است برق؟

این یک سؤال بسیار پیچیده است ، و هرچه عمیق تر کاوش می‌شوید و سؤالات بیشتری می‌پرسید ، واقعاً یک جواب قطعی وجود ندارد ، فقط نمایش‌های انتزاعی از ارتباط برق با محیط اطراف ما است.

برق پدیده‌‌‌ای طبیعی است که در سرتاسر طبیعت رخ می‌دهد و اشکال مختلفی به خود می‌گیرد. در این آموزش بر روی برق فعلی تمرکز خواهیم کرد:

مواردی که ابزارهای الکترونیکی ما را قدرت می‌دهد. هدف ما این است که بدانیم جریان برق از طریق منبع برق از طریق سیم ، چراغ‌های LED ، موتورهای نخ ریسی و برق دستگاههای ارتباطی ما چگونه جریان می‌یابد.
الکتریسیته به طور خلاصه به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می‌شود ، اما چیز زیادی در پشت این گفته ساده وجود دارد.

اتهامات از کجا می‌آید؟ چگونه آنها را جابجا کنیم؟ آنها به کجا می‌روند؟ چگونه یک بار الکتریکی باعث حرکت مکانیکی می‌شود یا باعث روشن شدن همه چیز می‌شود؟ خیلی سؤال!

برای شروع توضیح در مورد نیاز برق برای فراتر از ماده و مولکولها ، اتمهایی را تشکیل می‌دهیم که در زندگی تعامل می‌کنند.
این آموزش بر اساس برخی درک اساسی از فیزیک ، نیرو ، انرژی بطور خاص ساخته شده است. ما به اصول اولیه هر یک از این مفاهیم فیزیک می‌پردازیم ، اما ممکن است به مشورت سایر منابع نیز کمک کند.

رفتن اتمی

برای درک اصول اولیه برق ، باید با تمرکز بر روی اتمها ، یکی از ساختمانهای اساسی زندگی و ماده ، شروع کنیم. اتم‌ها در بیش از صد شکل مختلف به عنوان عناصر شیمیایی مانند هیدروژن ، کربن ، اکسیژن و مس وجود دارند. برای ساختن مولکولها ، اتمهای مختلفی می‌توانند ترکیب شوند ، ماده‌‌‌ای را که ما از لحاظ جسمی‌می‌توانیم ببینیم و لمس کنیم ، ایجاد می‌کنیم.
اتمها ریز هستند و حداکثر تا حدود ۳۰۰ پیکومتر طول دارند (یعنی ۳×۱۰ -۱۰ یا ۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۳ متر). یک پنی مس (اگر در حقیقت از ۱۰۰٪ مس ساخته شده باشد) دارای ۳.۲ ۱۰ ۱۰ اتم (۳۲،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰ اتم) مس در داخل آن است.
حتی اتم به اندازه کافی کوچک نیست که بتواند عملکرد برق را توضیح دهد. ما باید سطح دیگری را پایین بیاوریم و به ساختمانهای اتمها نگاه کنیم: پروتون ، نوترون و الکترون.

بلوک‌های ساختمانی اتم‌ها

یک اتم با ترکیبی از سه ذره مجزا ساخته شده است: الکترون ، پروتون و نوترون. هر اتم دارای یک هسته مرکزی است ، جایی که پروتون‌ها و نوترون‌ها به طور متراکم به یکدیگر بسته می‌شوند. اطراف این هسته گروهی از الکترونهای مدار هستند.یک مدل اتمی‌بسیار ساده است. مقیاس نیست بلکه برای درک نحوه ساخت یک اتم مفید است. هسته اصلی پروتونها و نوترونها توسط الکترونهای مداری احاطه شده اند.
هر اتم باید حداقل یک پروتون در آن داشته باشد. تعداد پروتونهای موجود در یک اتم مهم است ، زیرا تعریف می‌کند که چه عنصر شیمیایی اتم را نشان می‌دهد. به عنوان مثال ، یک اتم تنها با یک پروتون هیدروژن ، یک اتم با ۲۹ پروتون مس است و یک اتم با ۹۴ پروتون پلوتونیوم است. به این تعداد پروتون‌ها عدد اتمی‌اتم گفته می‌شود .
نوترون‌ها ، شریک هسته پروتون ، یک هدف مهم را به خدمت می‌گیرند. آنها پروتون‌ها را در هسته نگه می‌دارند و ایزوتوپ یک اتم را تعیین می‌کنند. آنها برای درک ما از برق بسیار مهم نیستند ، بنابراین بیایید برای این آموزش نگران نباشیم.الکترون‌ها برای کارایی الکتریسیته بسیار مهم هستند (توجه داشته باشید که یک موضوع مشترک به نام آنها وجود دارد؟) در پایدارترین حالت متعادل ، یک اتم همان تعداد الکترون‌های پروتون را خواهد داشت. همانطور که در مدل اتم بور در زیر وجود دارد ، یک هسته با ۲۹ پروتون (که آن را تبدیل به اتم مس) می‌کند توسط تعداد مساوی الکترون احاطه شده است.

همانطور که درک ما از اتمها تکامل یافته است ، روش ما نیز برای مدل سازی آنها نیز وجود دارد. مدل بور مدلهای اتمی‌بسیار مفیدی است که ما در زمینه برق تحقیق می‌کنیم.الکترون‌های اتم همه برای همیشه به اتم محدود نمی‌شوند. الکترونهای موجود در مدار بیرونی اتم ، الکترونهای ظرفیتی نامیده می‌شوند. با داشتن نیروی خارجی کافی ، یک الکترون ظرفیتی می‌تواند از مدار اتم فرار کند و آزاد شود. الکترونهای آزاد به ما امکان می‌دهند تا شارژ را جابجا کنیم ، این همان چیزی است که برق در آن برقرار است. صحبت در مورد …

هزینه‌های جاری

همانطور که در ابتدای این آموزش اشاره کردیم ، برق به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می‌شود. شارژ یک خاصیت ماده است – درست مثل جرم ، حجم یا تراکم. قابل اندازه گیری است همانطور که می‌توانید مقدار انبوهی را اندازه بگیرید ، می‌توانید میزان بار آن را اندازه گیری کنید. مفهوم اصلی با اتهام این است که می‌تواند به دو صورت مثبت (+) یا منفی (-) وارد شود .
به منظور جابجایی شارژ ، ما به حامل‌های بار نیاز داریم ، و این جایی است که دانش ما در مورد ذرات اتمی‌– به ویژه الکترون‌ها و پروتون‌ها – به دست می‌آید. الکترون‌ها همیشه بار منفی دارند ، در حالی که پروتون‌ها همیشه مثبت هستند. نوترون‌ها (به نام آنها صادق هستند) خنثی هستند ، هزینه‌‌‌ای ندارند. هر دو الکترون و پروتون همان مقدار متفاوت را دارند ، فقط یک نوع متفاوت.شارژ الکترون‌ها و پروتون‌ها مهم است ، زیرا وسیله‌‌‌ای برای اعمال نیرویی بر روی آنها فراهم می‌کند. نیروی الکترواستاتیک!

نیروی الکترواستاتیک

نیروی الکترواستاتیک (همچنین به آن قانون کولوم گفته می‌شود ) نیرویی است که بین اتهامات عمل می‌کند. بیان شده است که اتهامات از همان نوع ، یکدیگر را دفع می‌کنند ، در حالی که اتهامات مربوط به انواع متضاد با هم جذب می‌شوند. مخالفان جذب می‌کنند و دوست دارند دفع کنند .مقدار از نیروی فعال در دو اتهام بستگی دارد تا چه حد آنها از یکدیگر می‌باشد. هر دو اتهام نزدیک تر می‌شوند ، نیرو (یا هل دادن به هم ، یا بیرون کشیدن) بیشتر می‌شود.
به لطف نیروی الکترواستاتیک ، الکترون‌ها الکترون‌های دیگر را دور می‌کنند و به پروتون جذب می‌شوند. این نیرو بخشی از “چسب” است که اتمها را در کنار هم نگه می‌دارد ، اما همچنین ابزاری است که برای ساختن الکترون‌ها (و بارها) به آن نیاز داریم!

جریان شارژ

اکنون همه ابزارهای لازم را برای گردش هزینه‌های خود داریم. الکترونهای موجود در اتمها می‌توانند به عنوان حامل بار ما عمل کنند ، زیرا هر الکترون بار منفی دارد. اگر بتوانیم الکترون را از اتم رها کنیم و آن را مجبور به حرکت کنیم ، می‌توانیم برق ایجاد کنیم.مدل اتمی‌یک اتم مس را ، یکی از منابع عنصری ترجیحی برای جریان بار در نظر بگیرید. در حالت متعادل ، مس دارای ۲۹ پروتون در هسته خود و تعداد مساوی از الکترونها در اطراف آن است. مدار الکترون‌ها در مسافت‌های مختلف از هسته اتم.

الکترون‌های نزدیک به هسته ، جذابیت بسیار قوی تری نسبت به مرکز نسبت به آنهایی که در مدارهای دور قرار دارند احساس می‌کنند. بیرونی ترین الکترون‌های یک اتم الکترون‌های ظرفیتی نامیده می‌شوند ، اینها به کمترین میزان نیروی برای آزاد شدن از یک اتم احتیاج دارند.

این یک نمودار اتم مس است: ۲۹ پروتون در هسته ، که توسط نوارهای الکترونهای در گردش احاطه شده اند. الکترونهای نزدیک به هسته به سختی قابل برداشت هستند در حالی که الکترون ولتاژ (حلقه بیرونی) به انرژی نسبتاً کمی‌نیاز دارد تا از اتم خارج شود.
با استفاده از نیروی الکترواستاتیک کافی روی الکترون ولتاژ – یا فشار آن را با بار منفی دیگر یا جذب آن با بار مثبت – می‌توانیم الکترون را از مدار اطراف اتم خارج کنیم و یک الکترون آزاد ایجاد کنیم.
اکنون یک سیم مسی را در نظر بگیرید: ماده پر از اتم‌های بی شماری مس. از آنجا که الکترون آزاد ما در فضایی بین اتمها شناور است ، با بارهای اطراف در آن فضا کشیده و تولید می‌شود. در این هرج و مرج ، الکترون آزاد درنهایت اتم جدیدی پیدا می‌کند که بتواند به آن دست یابد. با انجام این کار ، بار منفی آن الکترون الکترون ولتاژ دیگر را از اتم خارج می‌کند. اکنون یک الکترون جدید در حال جابجایی در فضای آزاد است و به دنبال انجام همان کار است. این اثر زنجیره‌‌‌ای می‌تواند برای ایجاد جریان الکترون‌هایی به نام جریان الکتریسیته ادامه یابد .

مدل بسیار ساده‌‌‌ای از اتهامات موجود در اتم‌ها برای ایجاد جریان.

رسانایی

برخی از عناصر ابتدایی اتمها در آزاد کردن الکترونهای خود از سایرین بهتر هستند. برای به دست آوردن بهترین جریان الکترونیکی ممکن ، ما می‌خواهیم از اتمهایی استفاده کنیم که خیلی محکم به الکترونهای ظرفیتی خود نباشند. هدایت عنصر اندازه گیری چقدر الکترون را به یک اتم محدود می‌کند.
عناصر با رسانایی بالا ، که دارای الکترون‌های بسیار متحرک هستند ، به آنها رسانا می‌گویند . اینها انواع موادی هستند که می‌خواهیم از آنها برای ساختن سیم و سایر اجزای سازنده جریان الکترونی استفاده کنیم. فلزاتی مانند مس ، نقره و طلا معمولاً گزینه‌های برتر برای‌هادی‌های خوب هستند.
عناصر با رسانایی پایین عایق بندی می‌شوند . مقره‌ها هدف بسیار مهمی‌را ارائه می‌دهند: آنها مانع از جریان الکترون‌ها می‌شوند. مقره‌های محبوب شامل شیشه ، لاستیک ، پلاستیک و هوا است.

الکتریسیته ساکن یا فعلی

قبل از اینکه خیلی بیشتر به این موضوع بپردازیم ، بیایید در مورد دو شکل الکتریسیته استفاده کنیم: استاتیک یا جریان: در کار با الکترونیک ، برق فعلی بسیار متداول است ، اما برق استاتیک نیز برای درک اهمیت دارد.

الکتریسیته ساکن

الکتریسیته ساکن در هنگام ایجاد بارهای متضاد در اشیاء جدا شده توسط عایق وجود دارد. الکتریسیته ساکن (مانند “در حالت استراحت”) برق تا زمانی که دو گروه از بارهای متضاد بتوانند مسیری بین یکدیگر پیدا کنند تا تعادل سیستم را پیدا کند.

هنگامی‌که اتهامات وسیله‌‌‌ای برای تساوی پیدا می‌کنند ، تخلیه ایستا رخ می‌دهد. جذابیت اتهامات به حدی زیاد می‌شود که می‌توانند حتی بهترین عایق‌ها (هوا ، شیشه ، پلاستیک ، لاستیک و غیره) را از طریق آن جابجا کنند. تخلیه استاتیک بسته به نوع متوسطی که بارها از آن عبور می‌کنند و به چه سطحی انتقال می‌دهند ، مضر است. اتهامات برابر با فاصله هوا می‌تواند شوک قابل مشاهده‌‌‌ای ایجاد کند زیرا الکترون‌های مسافرتی با الکترون‌های موجود در هوا برخورد می‌کنند ، که هیجان زده می‌شوند و انرژی را به شکل نور آزاد می‌کنند.

احتراق شکاف جرقه برای ایجاد یک تخلیه استاتیک کنترل شده استفاده می‌شود. هزینه‌های مخالف روی هریک از‌هادی‌ها ایجاد می‌شود تا زمانی که جذابیت آن زیاد باشد بنابراین اتهامات بزرگی در هوا می‌تواند جریان یابد.
یکی از چشمگیرترین نمونه‌های تخلیه استاتیک ، صاعقه است . هنگامی‌که یک سیستم ابر نسبت به گروه دیگری از ابرها یا زمین زمین شارژ کافی را جمع می‌کند ، این اتهامات سعی می‌کنند تا برابری کنند. با تخلیه ابر ، مقادیر زیادی از بارهای مثبت (یا بعضی اوقات منفی) در هوا از زمین به ابر جریان می‌یابد و باعث می‌شود اثر مرئی که همه با آن آشنا هستیم ، باشد.
برق استاتیک همچنین به طور آشنا وجود دارد هنگامی‌که بادکنک‌ها را روی سر خود می‌مالیم تا موهایمان بلند شود ، یا هنگامی‌که با دمپایی فازی روی زمین می‌زنیم و گربه خانواده را شوکه می‌کنیم (البته تصادفا). در هر حالت ، اصطکاک ناشی از ساییدن انواع مختلف مواد ، الکترون‌ها را منتقل می‌کند. جسم الکترونهای از دست رفته مثبت می‌شوند ، در حالی که جسم به دست آوردن الکترون شارژ منفی می‌شود. این دو شیء به یکدیگر جذب می‌شوند تا زمانی که راهی برای برابری پیدا کنند.
با کار با الکترونیک ، ما به طور کلی لازم نیست که با الکتریسیته ساکن مقابله کنیم. وقتی این کار را انجام می‌دهیم ، معمولاً سعی می‌کنیم قطعات الکترونیکی حساس خود را در معرض تخلیه استاتیک محافظت کنیم. اقدامات پیشگیرانه در برابر الکتریسیته ساکن شامل پوشیدن بندهای ESD (تخلیه الکترواستاتیک) مچ دست ، یا اضافه کردن اجزای ویژه در مدارها برای محافظت در برابر لکه‌های بسیار زیاد است.

برق فعلی

برق فعلی نوعی از برق است که تمام دستگاه‌های الکترونیکی ما را ممکن می‌کند. این شکل از برق زمانی وجود دارد که شارژ بتواند دائماً جریان یابد . برخلاف برق استاتیک که در آن اتهامات جمع می‌شود و در حالت استراحت قرار می‌گیرد ، برق فعلی پویا است ، هزینه‌ها همیشه در حال حرکت هستند. ما در تمام آموزش‌های دیگر روی این شکل از برق تمرکز خواهیم کرد.

مدارها

به منظور جریان ، برق فعلی به یک مدار احتیاج دارد : یک حلقه بسته و بی پایان از ماده رسانا. یک مدار می‌تواند به آسانی به عنوان سیم هدایتی باشد که از انتهای آن به انتها متصل است ، اما مدارهای مفید معمولاً شامل ترکیبی از سیم و سایر مؤلفه‌هایی هستند که جریان برق را کنترل می‌کنند. تنها قانونی که برای ساخت مدار وجود دارد این است که آنها نمی‌توانند شکاف عایق در آنها داشته باشند.
اگر شما سیم پر از اتم‌های مس دارید و می‌خواهید جریان الکتریسیته را از طریق آن القا کنید ، تمام الکترون‌های آزاد به جایی نیاز دارند تا در همان جهت کلی جریان داشته باشند. مس‌هادی عالی است ، مناسب برای گردش هزینه‌ها. اگر مدار سیم مسی شکسته شود ، اتهامات از طریق هوا نمی‌توانند جریان پیدا کنند ، این امر همچنین مانع از رفتن هر یک از اتهامات به سمت وسط به هر نقطه می‌شود.
از طرف دیگر ، اگر سیم به صورت انتهایی به هم وصل شده باشد ، الکترون‌ها همه یک اتم همسایه دارند و همه می‌توانند در یک جهت کلی یکسان حرکت کنند.
اکنون می‌فهمیم که الکترون‌ها چگونه می‌توانند جریان داشته باشند ، اما چگونه می‌توانیم آنها را در وهله اول جریان دهیم؟ سپس ، هنگامی‌که الکترون‌ها جریان می‌یابند ، چگونه انرژی مورد نیاز برای نور لامپ‌ها یا موتورهای چرخان را تولید می‌کنند؟ برای این کار ، باید زمینه‌های الکتریکی را درک کنیم.

زمینه‌های برقی

ما یک دسته از نحوه عبور الکترون‌ها از ماده برای ایجاد برق را داریم. این تنها برق است. خوب ، تقریباً همه اکنون برای القای جریان الکترون‌ها به یک منبع نیاز داریم. بیشتر اوقات آن منبع جریان الکترون از یک میدان الکتریکی حاصل می‌شود.

چه زمینه ای؟

یک زمینه ابزاری است که ما برای مدل سازی اثرات متقابل بدنی از آن استفاده می‌کنیم که هیچ تماسی را مشاهده نمی‌کند . زمینه‌ها دیده نمی‌شوند زیرا از نظر ظاهری جسمی‌ندارند ، اما تأثیر آنها بسیار واقعی است.
همه ما بطور ناخودآگاه به طور خاص با یک زمینه آشنا هستیم: میدان گرانشی زمین ، تأثیر یک بدن عظیم که اجسام دیگر را جذب می‌کند. میدان گرانشی زمین را می‌توان با مجموعه‌‌‌ای از بردارها مدل کرد که همه به مرکز سیاره اشاره می‌کنند. صرف نظر از اینکه در آن سطح قرار دارید ، نیرویی را خواهید دید که شما را به سمت آن سوق دهد.

استحکام یا شدت مزارع در همه نقاط میدان یکنواخت نیست. هرچه بیشتر از مبدأ میدان باشید ، تأثیر کمتری در این زمینه دارد. با دور شدن از مرکز سیاره ، قدر میدان گرانشی زمین کاهش می‌یابد.
در حالی که ما به طور خاص به بررسی زمینه‌های الکتریکی می‌پردازیم به یاد می‌آوریم که چگونه میدان گرانشی زمین کار می‌کند ، هر دو میدان شباهت‌های زیادی با یکدیگر دارند. مزارع گرانشی بر اجسام جرم نیرو وارد می‌کنند و میادین الکتریکی بر اجسام شارژ فشار وارد می‌کنند.

زمینه‌های برقی

زمینه‌های الکتریکی (زمینه‌های الکترونیکی) ابزاری مهم در درک چگونگی شروع و ادامه جریان برق است. زمینه‌های الکتریکی نیروی کشش یا فشار را در فاصله‌‌‌ای بین بارها توصیف می‌کنند . در مقایسه با میدان گرانشی زمین ، میدانهای الکتریکی یک تفاوت عمده دارند: در حالی که میدان کره زمین فقط اشیاء دیگر جرم را به خود جذب می‌کند (از آنجا که همه چیز بسیار جادار است) ، میدانهای الکتریکی دقیقاً به همان اندازه که آنها را جذب می‌کنند بارها را دور می‌کنند.
جهت میدانهای الکتریکی همیشه به عنوان مسیری که یک بار تست مثبت در صورت افت در میدان کاهش یابد ، تعریف می‌شود. هزینه آزمایش باید بی نهایت کوچک باشد تا بتواند از تأثیرگذاری در این زمینه خودداری کند.
می‌توانیم با ساخت میدان الکتریکی برای بارهای منفی و منفی شروع کنیم. اگر یک بار تست مثبت را نزدیک به یک بار منفی کاهش دهید ، هزینه تست به سمت بار منفی جذب می‌شود. بنابراین ، برای یک بار منفی ، پیکانهای میدان الکتریکی خود را که از همه جهت به سمت داخل حرکت می‌کند ، ترسیم می‌کنیم . همان اتهام آزمایشی که در نزدیکی یک بار مثبت دیگر قرار دارد ، منجر به دافع خارج می‌شود ، بدین معنی که ما پیکان‌هایی را که از بار مثبت خارج می‌شوند بیرون می‌کشیم .

زمینه‌های الکتریکی شارژهای منفرد. یک بار منفی دارای یک میدان الکتریکی درونی است زیرا باعث بار مثبت می‌شود. بار مثبت دارای میدان الکتریکی بیرونی است و مانند شارژها از بین می‌رود.
برای ساخت میدانهای برقی کامل ، می‌توان گروه‌های بار الکتریکی را با هم ترکیب کرد.

زمینه الکترونیکی یکنواخت در بالا از مثبت بودن منفی ، به سمت منفی‌ها فاصله دارد. تصور کنید که یک آزمایش مثبت مثبت کوچک در زمینه الکترونیکی کاهش یافته است. باید جهت فلش‌ها را دنبال کند همانطور که دیدیم ، برق معمولاً شامل جریان الکترون‌ها – بارهای منفی – که در برابر میدان‌های الکتریکی جریان می‌یابد .
میدانهای الکتریکی نیروی نیرویی را که ما برای القاء جریان نیاز داریم ، در اختیار ما قرار می‌دهد. یک میدان الکتریکی در یک مدار مانند پمپ الکترونی است: منبع بزرگی از بارهای منفی که می‌تواند الکترونها را به حرکت درآورد ، که از طریق مدار به سمت توده مثبت بارها حرکت می‌کند.
پتانسیل الکتریکی (انرژی)
وقتی ما از برق برای تغذیه مدارها ، دستگاه‌ها و وسایل خود استفاده می‌کنیم ، ما در حال تبدیل انرژی هستیم. مدارهای الکترونیکی باید قادر به ذخیره انرژی و انتقال آن به اشکال دیگر مانند گرما ، نور یا حرکت باشند. انرژی ذخیره شده یک مدار ، انرژی پتانسیل الکتریکی نامیده می‌شود.

انرژی؟ انرژی پتانسیل؟

برای درک انرژی بالقوه باید انرژی را بطور کلی درک کنیم. انرژی به عنوان توانایی یک جسم برای انجام کار بر روی یک شیء دیگر تعریف شده است ، به معنای حرکت آن جسم از فاصله است. انرژی به اشکال مختلفی به وجود می‌آید ، بعضی از آنها می‌توانیم ببینیم (مانند مکانیکی) و برخی دیگر نمی‌توانیم (مانند شیمیایی یا الکتریکی). صرف نظر از این که در چه شکلی قرار دارد ، انرژی در یکی از دو حالت وجود دارد : جنبشی یا پتانسیل.
یک جسم هنگام حرکت انرژی جنبشی دارد . میزان انرژی جنبشی یک جسم به سرعت و میزان آن بستگی دارد. از طرف دیگر ، انرژی پتانسیل در هنگام استراحت یک انرژی ذخیره شده است. در این مقاله توضیح داده شده است که در صورت حرکت ، چه مقدار کار می‌تواند انجام دهد. این انرژی‌‌‌ای است که می‌توانیم به طور کلی کنترل کنیم. هنگامی‌که یک شیء در حرکت است ، انرژی بالقوه آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

بیایید به عنوان مثال به استفاده از گرانش برگردیم. یک توپ بولینگ که در بالای برج خلیفه بی حرکت است ، انرژی بالقوه (ذخیره شده) زیادی دارد. پس از سقوط ، توپ – که توسط میدان گرانشی کشیده می‌شود – به سمت زمین شتاب می‌یابد. با شتاب گرفتن توپ ، انرژی بالقوه به انرژی جنبشی (انرژی حاصل از حرکت) تبدیل می‌شود. سرانجام تمام انرژی توپ از پتانسیل به سینتیک تبدیل می‌شود و سپس به هر آنچه که می‌رسد منتقل می‌شود. وقتی توپ روی زمین است ، از انرژی بالقوه بسیار پایینی برخوردار است.

انرژی پتانسیل الکتریکی

درست مانند جرم در یک میدان گرانشی دارای انرژی بالقوه گرانشی ، بار در یک میدان الکتریکی دارای یک انرژی پتانسیل الکتریکی است . انرژی پتانسیل الکتریکی یک شارژ توضیح می‌دهد که چه مقدار انرژی ذخیره شده در بدن ، هنگامی‌که توسط یک نیروی الکترواستاتیک در حرکت است ، می‌تواند انرژی جنبشی و تبدیل به انرژی را نشان دهد.
مانند یک توپ بولینگ که در بالای یک برج قرار دارد ، یک بار مثبت در مجاورت یک بار مثبت دیگر از انرژی بالقوه بالایی برخوردار است. آزاد برای حرکت ، این اتهام از اتهام مشابه دفع می‌شود. یک بار تست مثبت که در نزدیکی یک بار منفی قرار دارد می‌تواند از انرژی بالقوه کم ، شبیه به توپ بولینگ روی زمین برخوردار باشد.

برای ایجاد هر چیزی با انرژی بالقوه ، باید کار را با حرکت در مسافت انجام دهیم. در مورد توپ بولینگ ، کار با حمل آن ۱۶۳ طبقه ، در مقابل میدان گرانش انجام می‌شود. به همین ترتیب ، کار باید انجام شود تا بار مثبت در برابر پیکانهای یک میدان الکتریکی (یا به سمت بار مثبت دیگر یا دور از یک بار منفی) انجام شود. هرچه قدر این زمینه بیشتر شود ، کار بیشتری نیز باید انجام دهید. به همین ترتیب ، اگر می‌خواهید یک بار منفی را از یک بار مثبت – در برابر یک میدان الکتریکی – جدا کنید ، باید کار کنید.
برای هر بار در یک میدان الکتریکی ، انرژی پتانسیل الکتریکی آن به نوع (مثبت یا منفی) ، میزان بار و موقعیت آن در این زمینه بستگی دارد. انرژی پتانسیل الکتریکی در واحدهای ژول ( J ) اندازه گیری می‌شود .

پتانسیل الکتریکی

پتانسیل الکتریکی بر پایه انرژی پتانسیل الکتریکی بنا می‌کند تا به تعیین میزان ذخیره انرژی در میادین برقی کمک کند . این یک مفهوم دیگر است که به ما کمک می‌کند تا رفتار میدان‌های الکتریکی را الگوسازی کند. پتانسیل الکتریکی است نه همان چیزی که به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی!
در هر نقطه از یک میدان الکتریکی ، پتانسیل الکتریکی مقدار انرژی پتانسیل الکتریکی است که براساس میزان بار در آن نقطه تقسیم می‌شود. این مقدار بار را از معادله خارج می‌کند و این ایده را برای ما فراهم می‌کند که چه مقدار مناطق بالقوه ویژه انرژی میدان الکتریکی می‌تواند تأمین کند. پتانسیل الکتریکی در واحدهای ژول در هر کولوم ( J / C ) وجود دارد که ما آن را به عنوان ولت (V) تعریف می‌کنیم .
در هر میدان الکتریکی دو نقطه از پتانسیل الکتریکی وجود دارد که مورد توجه ما قرار گرفته است. یک نقطه پتانسیل بالا وجود دارد ، جایی که یک بار مثبت می‌تواند بالاترین انرژی ممکن بالقوه را داشته باشد ، و یک نقطه پتانسیل پایین وجود دارد ، جایی که یک بار می‌تواند کمترین انرژی ممکن بالقوه را داشته باشد.
یکی از رایج ترین اصطلاحاتی که در ارزیابی برق از آن صحبت می‌کنیم ولتاژ است . ولتاژ اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی است. ولتاژ این ایده را به ما می‌دهد که چه مقدار نیروی محرکه یک میدان الکتریکی دارد.
با داشتن انرژی بالقوه و بالقوه در زیر کمربند خود ، ما همه مواد لازم برای ساختن برق فعلی را داریم. بیایید این کار را انجام دهیم!
برق در عمل!
پس از مطالعه فیزیک ذرات ، نظریه میدانی و انرژی بالقوه ، اکنون به اندازه کافی می‌دانیم که بتواند برق را جابجا کند. بیایید یک مدار درست کنیم!
ابتدا اجزای مورد نیاز برای تولید برق را مرور خواهیم کرد:
تعریف برق جریان شارژ است . معمولاً بارهای ما توسط الکترونهای با جریان آزاد انجام می‌شود.
الکترونهای دارای بار منفی به راحتی در اتمهای مواد رسانا نگه داشته می‌شوند. با کمی‌فشار می‌توانیم الکترون‌ها را از اتم‌ها آزاد کنیم و آنها را در یک جهت کلی یکنواخت جریان دهیم.
یک مدار بسته از ماده رسانا مسیری را برای جریان مداوم الکترون‌ها فراهم می‌کند.
اتهامات توسط یک میدان الکتریکی منتقل می‌شود . ما به منبع پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) نیاز داریم که الکترون‌ها را از نقطه‌‌‌ای از انرژی کم پتانسیل به سمت انرژی بالقوه بالاتر سوق می‌دهد.

یک مدار کوتاه

باتری‌ها منابع انرژی مشترکی هستند که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. آنها دو ترمینال دارند که به بقیه مدار وصل می‌شوند. در یک ترمینال بارهای منفی زیادی وجود دارد ، در حالی که تمام بارهای مثبت از سوی دیگر همبستگی دارند. این یک اختلاف پتانسیل الکتریکی است که فقط در انتظار عمل است!

اگر سیم خود را پر از اتمهای مس رسانا به باتری وصل کنیم ، آن میدان الکتریکی بر الکترونهای آزاد با بار منفی در اتمهای مس تأثیر خواهد گذاشت. همزمان با ترمینال منفی تحت فشار قرار گرفته و توسط ترمینال مثبت کشیده می‌شود ، الکترون‌های موجود در مس از اتم به اتم حرکت می‌کنند و جریان بار را که ما به عنوان برق می‌شناسیم ، حرکت می‌کنند.

پس از یک ثانیه از جریان فعلی ، الکترون‌ها در واقع بسیار کم حرکت کرده اند – کسری از یک سانتیمتر. با این حال ، انرژی تولید شده توسط جریان فعلی بسیار زیاد است ، به خصوص که هیچ چیزی در این مدار برای کاهش سرعت جریان یا مصرف انرژی وجود ندارد. اتصال یک‌هادی خالص به طور مستقیم با یک منبع انرژی یک ایده بد است . انرژی خیلی سریع از طریق سیستم حرکت می‌کند و به گرما در سیم تبدیل می‌شود که ممکن است به سرعت به سیم ذوب یا آتش تبدیل شود.

نور لامپ را روشن می‌کند

بجای هدر دادن تمام آن انرژی ، نه اینکه بخواهیم باتری و سیم را از بین ببریم ، بیایید مدار بسازیم که کار مفیدی انجام دهد! به طور کلی یک مدار الکتریکی انرژی الکتریکی را به شکل دیگری انتقال می‌دهد – نور ، گرما ، حرکت ، و غیره. اگر ما یک لامپ کم مصرف را با سیم به داخل باتری وصل کنیم ، یک مدار ساده و کاربردی داریم.

شماتیک: باتری (سمت چپ) که به یک لامپ (سمت راست) وصل می‌شود ، با بسته شدن سوئیچ (بالا) ، مدار کامل می‌شود. با بسته شدن مدار ، الکترون‌ها می‌توانند از طریق ترمینال منفی باتری از طریق لامپ ، به ترمینال مثبت منتقل شوند.
در حالی که الکترون‌ها با سرعت حلزون حرکت می‌کنند ، میدان الکتریکی تقریباً فوراً بر کل مدار تأثیر می‌گذارد (ما با سرعت زیاد صحبت می‌کنیم). الکترونها در طول مدار ، چه در کمترین توان ، بالاترین پتانسیل و چه درست در کنار لامپ ، تحت تأثیر میدان الکتریکی قرار دارند. هنگامی‌که سوئیچ بسته می‌شود و الکترون‌ها در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرند ، تمام الکترون‌های موجود در مدار در ظاهر به همان زمان جریان می‌یابند. این شارژها نزدیکترین لامپ می‌توانند یک قدم از مدار عبور کرده و انرژی را از الکتریکی به نور (یا گرما) تبدیل کنند.

منبع: برق