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.
————————-
Amdahl, K. There Are No Electrons. Arvada, CO: Clearwater, 1991.
Alessandro Volta
Luigi Galvani
animal electricity
Dibner, B. Alessandro Volta and the Electric Battery. New York: Franklin Watts, 1964.
metallic electricity
Pera, M. The Ambiguous Frog: The Galvani-Volta Controversy on Animal Electricity. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1992.
electrical potential, gravitational potential
alternating layers of metal
William Nicholson and Anthony Carlisle
Humphrey Davy
incandescent lamp
a device responding to the electrical potential
Electrical current in amperes
Circuit resistance in ohms
Electrical power in watts
Series or Parallel Circuits
Kirchhoff’s Laws
energy conservation
conservation of current
Number of electrons flowing past a point
electromagnetism
—————–
* 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.