سرشت علم(۱۰): برق

شنبه, ۲۰ام مرداد, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی دهم:

برق

کاربُرد‌هایِ اجراییِ برقِ ساکن  بسیار مَحدود هستند. بیشتر کاربرد‌هایِ مدرن متکی‌ بر گردشِ الکترون‌ها هستند.[۱] قانونِ نخستِ حرکتِ نیوتن به ما آموخته است که الکترون‌ها بدون نیرو نمی­توانند به گردش درآیند. در سال ۱۷۹۴ هنگامیکه کالبدشناسِ ایتالیایی آلساندرو ولتا[۲] (۱۷۴۵-۱۸۲۷) در آزمایشاتِ خود باطری را اختراع کرد، آن نیرو را هم کشف کرد.

  • ولتا کوچک‌ترین پسرِ خانواده­ای فقیر در شمال ایتالیا بود. او به زبان­شناسی‌ علاقه‌مند بود و در سال‌های جوانی به مطالعه پیرامونِ برق گرایش یافت. ولتا بیشترِ سال­های عمرش را به عنوانِ پرفسورِ فیزیک در دانشگاه پاویا سپری کرد.
  • ولتا پس از آشنایی با نظراتِ دانشمند هم­میهن خود لوییجی گالوانی[۳] (۱۷۳۷-۱۷۹۸) که به “برق در جانوران[۴]” باور داشت به مطالعه در موردِ برق روی آورد و باطری را اختراع کرد.
  • گالوانی در آزمایشاتِ خود نشان داده بود که بافت‌هایِ عضلانیِ  قورباغه‌ها در اثر شوکِ الکتریکی‌ می­جهند.
  • او نشان داد که وقتی‌ که عضلاتِ قورباغه‌ها به نحوی هم­زمان در تماس با کاردی فولادی و سیمی برنجی قرار می­گیرند جهشی محسوس دارند. استفاده­ی هم­زمان از فلز‌هایِ فولادی و برنجی در هرجایِ اندامِ جانورها و در تماس­قراردادن دو فلز با یکدیگر باعثِ جهشِ اندامِ عضلانی آنها بود.
  • گالوانی کالبدشناس به این نتیجه رسیده بود که “برق در جانوران” خصوصیتی ذاتی است و آن را به دلیلِ بافت‌هایِ بیولوژیکِ جانوران می‌دانست.

ولتای[۵] فیزیکدان اما، با توجه به این پدیده، تمرکزِ پژوهشِ خود را بر جنبه‌هایِ فیزیکی‌ (عناصرِ فلزی) آزمایش قرار داد  تا اینکه بر جنبه‌های بیولوژیک آن پدیده تمرکز کند. او به زودی متقاعد شد که اتصال دو فلزِ ناهمسان در تماس با کاغذی که به محلول آب نمک غلیظ آغشته است موجبِ پدیده­ی جریانِ برق می­شود، یعنی ‌چیزی که وی “برقِ فلزی[۶]” خواند.

  • او کشف کرد که جفت‌هایِ متفاوت فلز درجاتِ تاثیرِ الکتریکی‌ ­ای متفاوت دارند، برخی‌ بیشتر و بعضی‌ کمتر دارند.
  • اختلاف‌هایِ نظریِ بسیاری بین طرفدارانِ تئوری‌هایِ گالوانی (برق در جانوران) و ولتا (برق فلزی) درگرفت.[۷]

دیری نپایید که نظریه‌هایِ ولتا (که جنبه­ی اجرایی داشت و مستقلا تجدیدپذیر بود و نیازی به پدیده­ا­ی بیولوژیک نداشت) به اثبات رسید.

  • پتانسیلِ الکتریکی‌ شبیه به پتانسیلِ جاذبه­ای[۸] (برای نمونه آبِ پشتِ یک آب­بند) تعریف شد و واحد اندازه­گیری آن ولت نامیده شد.
  • گامِ بعدی برای ولتا طراحیِ چیدمان‌هایِ فلز‌هایِ مختلف بود تا جریانِ برق را نشان دهد و بزودی با قراردادنِ متناوبِ لایه‌هایی فلزی[۹] (نقره و روی) در آب نمک، نخستین باطری را اختراع کرد.
  • اختراعِ باطری نقطه­ی عطفی در علمِ برق بود. پژوهشگران برای نخستین­بار قادر بودند تا منبعِ برقی معتبر و قابلِ اطمینانی داشته باشند.

باطریِ ولتا تبدیل انرژی شیمیایی‌ به انرژی الکتریکی‌ را ساده کرد و باطری‌های بهترِ بعدی دریچه‌هایِ نوینی را برای پژوهش‌هایِ شیمیایی گشودند.

  • چند هفته­ای نگذشته بود که دو شیمیدانِ انگلیسی‌، ویلیام نیکلسون و آنتونی کارلایل[۱۰]، با استفاده از باطری­ توانستند برایِ نخستین­بار عناصرِ هیدروژن و اکسیژن را از آب استخراج کنند.
  • بزودی با استفاده از باطری بسیاری محلول‌هایِ دیگر تجزیه­شده و عناصرِ جدیدی کشف شدند.
  • با ساختنِ باطری‌های بزرگ­تر و استفاده از زوج‌هایِ مختلفِ فلزی پژوهش‌ها سرعت گرفتند. شیمیدانِ انگلیسی‌، هامفری دِیوی[۱۱]، باطری عظیمی‌ را با بکارگیریِ ۲۰۰۰ صفحه‌یِ فلزیِ دوبل در انستیتویِ سلطنتی برپاساخت و توانست با تبخیرِ ذغال، پلاتینیوم و موادی دیگر، نخستین لامپ التهابی یا لامپِ تابنده[۱۲] را به نمایش بگذارد.

اختراعِ باطری زمینه­ای برای حوزه‌هایِ جدیدِ پژوهشی در جریان‌هایِ الکتریکی‌ و مدار‌هایِ الکتریکی‌ شد.

هر مدارِ الکتریکی‌ سه رکن دارد: ۱- منبعِ انرژیِ الکتریکی‌، ۲- حلقه­ی بسته­ای از موادی رسانا  و ۳- وسیله­ای که به پتانسیلِ الکتریکی‌ پاسخگو است[۱۳] و انرژی الکتریکی‌ را به صورت دیگری از انرژی تبدیل می‌‌کند.

  • منبعِ انرژیِ الکتریکی‌ می­تواند یک باطری یا یک سلولِ خورشیدی و یا حتا یک نیروگاهِ هیدروالکتریک باشد.
  • یک تکه سیم و یا ماده­یِ رسانای دیگری برایِ بستنِ حلقه­ی مدار کافی‌ است.
  • یک وسیله یا ابزارِ الکتریکی‌ دیگر می­تواند بنحو جالب و سودمندی به منبعِ ولتاژِ الکتریکی‌ واکنش نشان دهد.

مدار‌هایِ الکتریکی‌ با چند شیوه­یِ مهم و سودمند اندازه­گیری می­شوند.

  • گردشِ الکترون‌ها در هر مداری جریانِ برق خوانده شده با واحدِ آمپر اندازه­گیری می­شود[۱۴].
  • پتانسیلِ الکتریکی‌ ­ای که موجبِ گردشِ الکترون­هاست با واحدِ ولت (برگرفته از نام ولتا) اندازه­گیری می­شود.
  • مقاومتِ درونی‌ هر مداری که از گردشِ الکترون‌ها جلوگیری می‌کند با واحدِ اهم[۱۵] اندازه­گیری می­شود.
  • تعریفِ توان یا قدرت، کار تقسیم بر زمان است. در هر مدار توان یا قدرتِ الکتریکی‌ متناسب با حاصل­ضرب جریان در پتانسیل است و با واحدِ وات[۱۶] اندازه­گیری می­شود.

منبعِ انرژیِ منزل­ها، در بیشترِ موارد، نیروگاهی برقی است که ممکن است کیلومتر‌ها با منزل فاصله داشته باشد. مدار‌هایِ الکتریکی‌ منازل به دو نوع[۱۷] هستند:

  • مدار‌هایِ سِری که ابزارهایِ الکتریکی‌، یکی‌ پس از دیگری بدان متصل هستند. در این مدار‌ها یک جریانِ (آمپر) برق از همه­ی ابزارها عبور می‌کند.
  • مدار‌هایِ پارالِل یا موازی چنان چیده می­شوند که یک منبع، به حلقه‌هایِ مختلفی که هریک به ابزاری متصل است ولتاژ می­رساند. همه­ی ابزار‌ها یک ولتاژ دریافت کرده اما هریک جریانی (آمپر) مختلف دارند.

قوانین برق کِرشهف[۱۸] کارکردِ مدار‌هایِ الکتریکی‌ را سیستماتیزه کردند.

  • قانون اول پیرامون پایستگی و حفظ یا انباشتِ انرژی[۱۹] است و می‌گوید که انرژیِ تولیدشده­ی هر سیستم الکتریکی‌ برابر با انرژی مصرف­شده­ی آن سیستم است (که شامل انرژی گرمایی مقاومتِ مدارهایِ هر سیستم نیز هست. )
  • قانون دوم در موردِ پایستگی یا حفظِ جریان[۲۰] (آمپر) است و می‌گوید که جریان­هایِ برقِ (آمپر) واردشده به هر مقطعِ اِتصالی برابر با مجموعِ جریاناتِ برقِ (آمپر) خارج­شده از آن مقطع اِتصال است. از آنجا که جریانِ برق مجموعِ گردشِ الکترون­هاست[۲۱]، مفهومِ این قانون چنین است که الکترون‌ها در سیستم‌هایِ برقی حفظ می­شوند.

مقوله­یِ برق در مواردِ متفاوتی موردِ استفاده بوده است، برق در جانورها، برقِ ساکن، برقِ فلزی، صاعِقه و غیره.

مایکل فاراده نشان داد که همه­ی اشکالِ برق تابعِ قوانینی‌ مشترک هستند. یگانگیِ قوانینِ دو حیطه­یِ بظاهر متفاوتِ مغناطیس و برق (الکترومغناطیس[۲۲])  دنیایِ علم و فن­آوری را متحول کرد.

————————-

[۱]

Amdahl, K. There Are No Electrons. Arvada, CO: Clearwater, 1991.

[۲]

Alessandro Volta

[۳]

Luigi Galvani

[۴]

animal electricity

[۵]

Dibner, B. Alessandro Volta and the Electric Battery. New York: Franklin Watts, 1964.

[۶]

metallic electricity

[۷]

Pera, M. The Ambiguous Frog: The Galvani-Volta Controversy on Animal Electricity. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1992.

[۸]

electrical potential, gravitational potential

[۹]

alternating layers of metal

[۱۰]

William Nicholson and Anthony Carlisle

[۱۱]

Humphrey Davy

[۱۲]

incandescent lamp

[۱۳]

a device responding to the electrical potential

[۱۴]

Electrical current in amperes

[۱۵]

Circuit resistance in ohms

[۱۶]

Electrical power in watts

[۱۷]

Series or Parallel Circuits

[۱۸]

Kirchhoff’s Laws

[۱۹]

energy conservation

[۲۰]

conservation of current

[۲۱]

Number of electrons flowing past a point

[۲۲]

electromagnetism

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.