در این ویدیو می‌خوایم درمورد نحوه‌ی کار الکتریسیته صحبت کنیم. دونستن اینها برای هر مهندس ضروریه، پس با بخش‌های اصلی این مبحث شروع می‌کنیم. یاد می‌گیریم که الکتریسیته چطوری کار می‌کنه. از اصول اولیه الکترون آزاد در اتم، از طریق هادی‌ها، ولتاژ، جریان، مقاومت‌ها، ال‌ای‌دی و خازن‌ها و ترانسفورماتورها و…
متن ویدیوی الکتریسیته چطور کار می‌کند
خب… از مبانی اولیه شروع می‌کنیم و برای این کار باید اتم رو بررسی کنیم. همه چیز، حتا شما، از اتم ساخته شدین. همه‌ی لوازمی که استفاده می‌کنیم از اتم تشکیل شدن. مواد متفاوت هستن چون ساختار اتم‌هاشون کمی متفاوته. اتم‌ها از سه ذره تشکیل شدن، دو تا از اون‌ها رو داخل هسته می‌بینین و ذره‌ی سوم خارج از اون قرار داره.
در مرکز اتم، هسته داریم. در درون هسته، نوترون داریم که هیچ باری نداره، و همینطور پروتون که بار مثبت داره. نوترون‌ها و پروتون‌ها خیلی از الکترون‌ها سنگین‌تر هستن، پس در هسته باقی می‌مونن. در اطراف هسته، لایه‌هایی از پوسته‌های دوار قرار گرفته. اینها مثل مسیر پرواز برای الکترون‌ها هستن.
الکترون‌ها در این مسیر پرواز جاری می‌شن، مثل حرکت ماهواره‌ها به دور سیاره، با این تفاوت که الکترون‌ها تقریبا با سرعت نور حرکت می‌کنن. الکترون‌ها دارای بار منفی هستن و بار مثبت پروتون‌ها رو جذب می‌کنن.
الکترون‌ها به دور هسته درون این پوسته‌های دوار می‌چرخن و تعداد الکترون‌های موجود در یه پوسته‌ی دوار مشخصه. تعدادی از پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها به عنوان اتم ماده رو به ما معرفی می‌کنن.
اتم‌ها بسیار محکم به الکترون‌های خودشون چسبیدن، اما بعضی از اون‌ها خیلی محکم‌تر از بقیه در کنارشون قرار گرفتن. خارجی‌ترین پوسته، لایه‌ی ظرفیته و در این پوسته. الکترون‌هایی با اتصال پیوندی سست‌تر دارن که در اتم‌های دیگه هم جاری می‌شه.
اتم‌هایی که از الکترون‌ها عبور می‌کنن رسانا نامیده می‌شن و بیش‌تر فلزات رسانا هستن. از طرف دیگه، اتم‌هایی که الکترون آزاد ندارن و نمی‌تونن الکترون‌ها رو بین اتم‌های دیگه عبور بدن عایق نامیده می‌شن و اینها چیزهایی مثل شیشه و پلاستیک هستن.
حالا می‌تونیم این مواد رو با هم ترکیب کنیم تا با ایمنی بیش‌تر از برق استفاده کنیم. با قرار گرفتن رسانا در مرکز که امکان حرکت الکترون‌ها رو فراهم می‌کنه، اما اونو با یه عایق احاطه می‌کنه تا جریان‌شون رو محدود کنه، تا به ما برخورد نکنن و ایمنی حفظ بشه.
اگه درون یه برش از کابل مسی به الکترون‌های آزاد اطراف هسته‌ی اتم مس نگاه کنین، مشاهده می‌کنین که الکترون‌های آزاد می‌تونن اتم‌های دیگه رو حرکت بدن. اما این اتفاق به‌صورت تصادفی و در هر جهتی رخ می‌ده.
اگه این برش از کابل مسی رو به یه مدار بسته با یه منبع توان مثل باتری وصل کنیم، ولتاژ الکترون‌ها رو مجبور به حرکت می‌کنه و بعد همه‌ی اون‌ها در یه جهت حرکت می‌کنن و سعی می‌کنن، که به پایانه‌ی بعدی باتری برگردن. وقتی از مدار حرف می‌زنم، منظورم فقط ریشه‌ست که الکترون‌ها می‌تونن در اون بین دو پایانه‌ی مثبت و منفی منبع توان جاری بشن.
بنابراین می‌تونیم چیزهایی رو به مسیر اون‌ها اضافه کنیم مثل یه لامپ مهتابی، و این یعنی الکترون‌ها باید برای رسیدن به پایانه‌ی بعدی از این عبور کنن و پس می‌تونیم از این برای ساختن چیزهایی مثل نور استفاده کنیم.
مدار می‌تونه باز یا بسته باشه در یه مدار بسته، که یعنی الکترون‌ها می‌تونن جاری بشن و در یه مدار باز، الکترون‌ها قادر به جاری شدن نیستن. ولتاژ یه نیروی رانشی برای الکترون‌های درون مدار محسوب می‌شه مثل فشار در یه پمپ آب هر چه فشار بیش‌تر باشه، آب بیش‌تری جاری می‌شه. هر چه فشار بیش‌تر باشه، الکترون‌های بیش‌تری جاری می‌شن.
اما ولت به چه معناست؟ خب… ولت، یه ژول بر کولنه و ژول واحد انرژی یا کاره و کولن گروهی از الکترون‌های جاریه. بیاین بررسی کنیم که کولن در یه ثانیه چیه. بنابراین یه باتری نه ولتی می‌تونه نه ژول انرژی به شکل نیرو یا گرما به ازای گروهی از الکترون‌های جاری شده از یه سمت باتری به سمت دیگه تامین کنه در این مورد، جریان الکترون‌ها از یه سمت باتری جاری می‌شه و به لامپ ال ای دی یا مهتابی می‌رسه که می‌تونه نور تولید کنه و بعد الکترون‌ها به سمت دیگه‌ای از باتری جاری می‌شن.
بنابراین، نه ژول نور و گرما به وسیله‌ی لامپ مهتابی ایجاد می‌شه. جریان، میزان جاری شدن جریانه. زمانی که مدار بسته باشه، یعنی الکترون‌ها می‌تونن جاری بشن و زمانی که مدار باز باشه، هیچ الکترونی جاری نمی‌شه.
می‌تونیم جاری شدن الکترون‌ها رو درست مثل جاری شدن آب درون یه لوله محاسبه کنیم. برای محاسبه‌ی جریان الکترون‌ها از واحد آمپر استفاده می‌کنیم. یک آمپر یعنی یک کلون بر ثانیه و یک کلون، گروهی از الکترون‌هاست.
گروه به شدت بزرگه و حدودا ۶۲۴۲۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ الکترون داره و این مقدار در مدت یک ثانیه عبور می‌کنن، تا برابر با یک آمپر بشه. به همین خاطر الکترون‌ها با همدیگه گروه می‌شن و به اون آمپر می‌گن تا برای مهندس‌ها آسون‌تر باشه.
مقاومت، یه محدودیت برای جریان الکترون‌ها در یه مداره. سیمی که الکترون‌ها رو حمل می‌کنه، به‌طور طبیعی مقداری مقاومت داره. هر چه سیم بلندتر باشه، مقاومت بیش‌تر می‌شه. هر چه سیم ضخیم‌تر باشه، مقاومت کمتره.
مقاومت برای جریان الکترون‌ها در هر ماده متفاوته و دمای ماده هم می‌تونه مقاومت جریان الکترون‌ها رو تغییر بده. مدارهای الکتریکی از اجزایی استفاده می‌کنن که به‌طور خاص طراحی شدن، که با نام رزیستور شناخته می‌شن و می‌تونن به‌طور هدفمند جریان الکترون‌ها رو محدود کنن.
این کار برای اینه که از سایر اجزا در برابر جریان بسیار زیاد الکترون‌ها در درون اون جلوگیری بشه. یا اینکه ازش برای ایجاد نور و گرما استفاده می‌کنن، مثل لامپ‌های حرارتی.
زمانی که الکترون‌ها با اتم‌ها برخورد داشته باشن مقاومت ایجاد می‌شه. مقدار برخوردها در یه ماده با ماده‌های دیگه متفاوته. مقدار برخورد در مس، بسیار کمه. اما مواد دیگه مثل آهن برخوردهای بیش‌تری دارن.
زمانی که برخوردها اتفاق میوفتن اتم‌ها گرما تولید می‌کنن و در یه دمای مشخص ماده شروع به تولید نور می‌کنه و گرما، و نحوه‌ی کار لامپ‌های حرارتی اینجوریه. وقتی یه سیم، در سیم‌پیچ پیچیده می‌شه با عبور جریان از درونش یه میدان مغناطیسی تولید می‌کنه. کابل خودش به‌طور طبیعی، میدان الکترومغناطیسی ایجاد می‌کنه. این عمل توسط سیم‌پیچ فقط تشدید می‌شه. با پیچیدن به دور سیم‌پیچ میدان مغناطیسی بسیار قوی می‌شه.
به‌طوری که میدان مغناطیسی تاثیرات خودش بر روی الکترون‌ها در یه سیم رو شروع می‌کنه، اما در ویدیوهای آتی بررسی می‌کنیم که چرا این اتفاق میوفته. می‌تونیم قدرت میدان مغناطیسی رو تنها با پیچیدن سیم‌پیچ به دور مرکز آهنی، افزایش بدیم. همچنین می‌تونیم تعداد دورها در سیم‌پیچ‌هارو هم افزایش بدیم.
همینطور می‌تونیم مقدار جریان عبوری از مدار رو هم افزایش بدیم. کار الکترومغناطیس همینه و این مبنای کار موتورهای القایی هم هست. اگه دوست دارین در مورد موتورهای القایی اطلاعات بیش‌تری به دست بیارین.
قبلا توی یه ویدیوی متفاوت در موردش صحبت کردیم. فقط کافیه لینک روی صفحه رو کلیک کنین و وقتی که میدان مغناطیسی از سیم‌پیچ سیم عبور کنه. ولتاژ رو در اون سیم القا می‌کنه. توسط نیروی محرکه‌ی الکتریکی ایجاد می‌شه که الکترون‌ها رو در یه جهت خاص به حرکت در میاره.
اگه سیم در یه مدار وصل شده باشه. نیروی محرکه‌ی الکتریکی باعث جاری شدن جریان می‌شه. این مبنای کار ژنراتورهای AC محسوب می‌شه و برق موجود در سوکت‌های خونگی شما هم به شیوه‌ی بسیار مشابه تولید می‌شه.
حالا… ترانسفورماتور تمام جوانبی که بررسی کردیم رو با هم ادغام می‌کنه و اگه این کار رو انجام بدیم، متوجه می‌شیم که می‌تونیم از یه سیم‌پیچ برای تولید برق استفاده کنیم و بعد می‌تونیم دو سیم‌پیچ دیگه در نزدیکی هم قرار بدیم، اما نباید با هم تماس داشته باشن و این یه ترانسفورماتور ایجاد می‌کنه.
ترانسفورماتور، از اولین سیم‌پیچ اولیه ولتاژ القا می‌کنه و به سیم‌پیچ ثانویه می‌فرسته و اینطوری الکترون‌ها رو تحریک به جاری شدن می‌کنه. البته اگه سیم‌پیچ در طرف ثانویه یه مدار بسته داشته باشه. حالا، نکته‌ی مهم در مورد ترانسفورماتور اینه که می‌تونیم ولتاژ رو بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه، کاهش و یا افزایش بدیم. اون هم تنها با تغییر مقدار سیم‌پیچ‌ها در هر طرف خب… این یه موضوع جداگانه‌ست و بعدا در یه ویدیوی بسیار تخصصی‌تر در موردش صحبت می‌کنیم.
حالا… چیزی که می‌خوام اینجا بهش اشاره‌ی کوچیکی داشته باشم خازنه. خب… خازن وقتی به منبع برق متصل باشه بارهای مثبت و منفی رو در درون دو صفحه جدا می‌کنه. این باعث تقویت یا ذخیره‌سازی الکترون‌ها در درون میدان الکتریکی می‌شه. زمانی که منبع توان قطع یا دچار وقفه بشه این بارها آزاد می‌شن.
به بالا جاری می‌شن و باز با هم برخورد دارن. این یه منبع توان ایجاد می‌کنه که تنها برای چند ثانیه دوام داره. تا زمانی که بارها دوباره پشتیبان جفتی داشته باشن از این نظر کمی شبیه یه باتریه اما خازن‌ها بسیار رایج هستن و تقریبا در تمام صفحات مدار وجود دارن که البته در ویدیوهای بعدی، به‌طور مفصل به این موضوع می‌پردازیم.
فعلا دونستن همین نکات کافیه. خب، آخرین بخشی که می‌خوام در این ویدیو بهش بپردازم اینه که دو نوع جریان الکتریسیته داریم. AC یا همون جریان متناوب یا DC که همون جریان مستقیمه. جریان متناوب تنها به معنی حرکت جریان به جلو و عقب در یه مداره، چون پایانه‌ها دائما در حال معکوس شدن هستن که کمی شبیه موج دریاست می‌ره و برمی‌گرده، می‌ره و برمی‌گرده.
بنابراین دائما معکوس می‌شه. خب… جریان متناوب رایج‌ترین منبع توان و پریزهای منازل، ساختمان‌ها مدارس و محل کار شماست. همه‌ی اون‌ها جریان متناوب یا AC ایجاد می‌کنن حالا از طرف دیگه، ما یه جریان مستقیم یا DC داریم که تنها به معنی جاری شدن جریان مستقیم در یه جهته متناوب نیست.
باتری چنین چیزی تولید می‌کنه و تقریبا تمام لوازم برقی کوچیک هم اینطوری برق‌رسانی می‌شن. پس می‌تونیم با کمک الکترونیک قدرتی AC رو به DC و برعکس تبدیل کنیم و اینطوری دستگاه‌های کوچیک‌مون رو شارژ و برق‌رسانی می‌کنیم و پنل‌های خورشیدی هم از همین شیوه برای برق‌رسانی خانه‌های ما کمک می‌گیرن. چون پنل‌های خورشیدی توان DC تولید می‌کنن و خانه‌های ما نیازمند توان AC هستن.
بنابراین برای اینکه قابل استفاده بشه اون رو تبدیل می‌کنیم. خب… هر دو جریان AC و DC مزایا و معایبی دارن اما…خب… در یه ویدیوی دیگه حتما به این موضوع خواهیم پرداخت.
موضوعش کمی تخصصی‌تره و همینطور تاریخچه‌ی جذابی برای استفاده‌ی ما از AC و DC و مخترعین اون‌ها وجود داره. اگه ده دقیقه وقت دارین پیشنهاد می‌کنم اون رو در گوگل یا یوتیوب بررسی کنین.
ترجمه: مینا مقدس نژاد (عضو تیم تحریریه وک شاپ)
منبع ویدیو: YouTube