2- مفاهیم الکتریسیته، ولتاژ، جریان
در این بخش از آموزش رباتیک بابل در آموزشگاه برنامه نویسی و رباتیک لمپا بابل، می‌خواهیم مفاهیم الکتریسیته ، ولتاژ، جریان و به طور کلی برق را به زبان ساده توضیح دهیم تا بهتر بفهمید چطور ربات‌ها با کمک برق کار می‌کنند.
همه چیز از اتم‌ها شروع می‌شود
تمام مواد اطراف ما از واحدهای کوچکی به نام اتم ساخته شده‌اند. هر اتم از یک هسته در مرکز و الکترون‌ها که دور این هسته می‌چرخند، تشکیل شده است. داخل هسته، پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار) قرار دارند. الکترون‌ها هم بار منفی دارند.
بین الکترون‌های منفی و پروتون‌های مثبت یک نیروی جاذبه وجود دارد که آن‌ها را به هم جذب می‌کند. اگر الکترون به هسته نزدیک باشد، این جاذبه خیلی قوی است و جدا کردن الکترون سخت می‌شود. اما اگر الکترون از هسته دورتر باشد، این جاذبه ضعیف‌تر شده و با کمی انرژی می‌توان الکترون را جدا کرد.
رسانا و نارسانا چیست؟
- موادی که الکترون‌هایشان راحت جدا می‌شوند، یعنی الکترون‌های آن‌ها از هسته فاصله دارند، به‌راحتی می‌توانند الکترون‌ها را حرکت دهند. به این مواد می‌گوییم رسانا (مثل فلزات) چون برق را از خود عبور می‌دهند.
- موادی که الکترون‌هایشان محکم به هسته چسبیده‌اند و جدا نمی‌شوند، برق را عبور نمی‌دهند و به آن‌ها می‌گوییم نارسانا (مثل پلاستیک یا چوب).
اتم گاز هلیوم تنها دو الکترون دارد که به‌شدت توسط هسته جذب شده و آن را به یک نارسانای فوق‌العاده قوی تبدیل می‌کند. به همین دلیل، از این گاز در عایق‌سازی پیشرفته استفاده می‌شود.
یکی از کاربردهای آن، پر کردن فضای بین شیشه‌های دو یا سه‌جداره در شرایطی است که حداکثر عایق‌سازی حرارتی و الکتریکی مورد نیاز باشد. با این حال، به دلیل هزینه بالای هلیوم، معمولاً از گاز آرگون که قیمت مناسب‌تری دارد، در پنجره‌های دو جداره استفاده می‌شود.
فلز مس یکی از بهترین رساناهای الکتریکی است. این ویژگی به دلیل وجود تعداد زیادی الکترون آزاد در لایه‌‌ای است که فاصله‌ی نسبتاً زیادی از هسته دارند و به‌راحتی از اتم جدا شده و بین هسته‌های دیگر جابه‌جا می‌شوند. به همین دلیل، بیشتر سیم‌های برق از مس خالص ساخته می‌شوند.
برق یعنی حرکت الکترون‌ها
وقتی الکترون‌ها در یک مسیر مشخص حرکت می‌کنند، ما به این حرکت می‌گوییم برق یا الکتریسیته. اما آیا الکترون‌ها خودشان به‌تنهایی شروع به حرکت می‌کنند؟
نه! آن‌ها نیاز به یک نیروی هل‌دهنده دارند. این نیرو همان چیزی است که به آن ولتاژ یا اختلاف پتانسیل می‌گوییم. ولتاژ باعث می‌شود الکترون‌ها از جایی که انرژی بیشتری دارند به جایی که انرژی کمتری دارد حرکت کنند، درست مثل آبی که از جای بلندتر به سمت جای پایین‌تر سرازیر می‌شود.
در نبود ولتاژ، الکترون‌ها در مواد به‌صورت تصادفی و نامنظم حرکت می‌کنند. این حرکت ناشی از انرژی گرمایی است، اما چون جهت حرکت الکترون‌ها کاملاً تصادفی است، اثر کلی آن‌ها خنثی می‌شود. به عبارت دیگر، هر الکترونی که در یک جهت حرکت می‌کند، الکترون دیگری در جهت مخالف حرکت کرده و در نتیجه، مجموع جریان الکتریکی صفر خواهد بود.
اما زمانی که یک ولتاژ خارجی اعمال شود، یک میدان الکتریکی در ماده ایجاد می‌شود که الکترون‌ها را در یک جهت خاص هدایت می‌کند و باعث ایجاد جریان الکتریکی منظم در ماده می‌شود.
جریان برق از کدام طرف حرکت می‌کند؟
نکته جالب اینجاست که جهت جریان برق با جهت حرکت الکترون‌ها فرق دارد!
- الکترون‌ها چون بار منفی دارند، از سمت ولتاژ منفی به سمت ولتاژ مثبت حرکت می‌کنند.
- اما در محاسبات علمی، ما جهت جریان را برعکس در نظر می‌گیریم؛ یعنی از ولتاژ مثبت به ولتاژ منفی.
دلیل این موضوع این است که وقتی دانشمندان قوانین برق را کشف می‌کردند، هنوز نمی‌دانستند الکترون‌ها بار منفی دارند. به همین خاطر جهت جریان را بر اساس حرکت بار مثبت تعریف کردند. حتی حالا که می‌دانیم قضیه چیست، باز هم به‌خاطر یکپارچگی در علم، از همان تعریف قدیمی استفاده می‌کنیم.
خلاصه مهم
- در این بخش از آموزش رباتیک بابل آموختیم که برق یعنی حرکت منظم الکترون‌ها.
- برای حرکت الکترون‌ها به انرژی نیاز داریم که به آن ولتاژ می‌گوییم.
- جریان برق همیشه از ولتاژ بیشتر به ولتاژ کمتر حرکت می‌کند.
- جهت جریان برق در محاسبات بر اساس حرکت بار مثبت است، حتی اگر الکترون‌ها در جهت مخالف حرکت کنند.
برای شرکت در کلاس های حضوری آموزشگاه برنامه نویسی و رباتیک لمپا بابل با ما تماس بگیرید.
0 دیدگاه