انرژی الکتریکی چیست؟
انرژی الکتریکی
انرژی الکتریکی چیست و چگونه تولید می‌شود: به انرژی ناشی از نیروی جاذبه و دافعه بین ذرات باردار و حرکت الکترون‌ها از نقطه‌ای به نقطه دیگر انرژی الکتریکی می‌گوییم. به بیان دیگر، جاذبه و دافعه بین ذراتی که بار الکتریکی دارند و نیز حرکت الکترون‌ها یا ذرات باردار در میدان الکتریکی، انرژی الکتریکی تولید می‌کند. پس حرکت ذرات باردار از جایی به جای دیگر، انرژی الکتریکی تولید می‌کند و می‌دانیم «انرژی» نیرویی است که جسمی را حرکت یا وضعیتش را تغییر می‌دهد. در ادامه مطلب، با جزییات بیشتری بررسی توضیح می‌دهیم که انرژی الکتریکی چیست، انرژی الکتریکی چند نوع است، انرژی الکتریکی چگونه تولید می‌شود و انرژی الکتریکی چه کاربردهایی دارد.
انرژی الکتریکی چیست
انرژی الکتریکی نوعی انرژی (اعم از جنبشی و پتانسیل) در ذرات باردار اتم‌ها است که می‌تواند نیرو اعمال کند و یا کار انجام دهد. لذا انرژی الکتریکی می‌تواند یک شیء را به حرکت درآورد و یا کاری انجام دهد.
از منظر فیزیک، انرژی الکتریکی چیست و چگونه تولید می‌شود
دانش فیزیک به ما می‌گوید، انرژی نه تولید و نه نابود می‌شود. انرژی الکتریکی حاصل مجموعه تغییراتی است که در سطح مولکول‌های ماده رخ می‌دهد و چون مولکول از اتم تشکیل شده است، باید ببینیم اتم‌ها چه خاصیتی دارند که سبب تولید انرژی می‌شوند.
اتم‌ها سه جزء مهم دارند:
- پروتون (بار بار الکتریکی مثبت)
- الکترون (با بار الکتریکی منفی)
- نوترون (با بار الکتریکی خنثی)
پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته یا همان مرکز اتم جای دارند. الکترون‌ها در مدارها یا اصطلاحا لایه‌های مشخصی حول هسته می‌چرخند. تعداد لایه‌های اتم به عوامل مختلفی همچون نوع اتم و بار الکتریکی آن بستگی دارد. الکترون‌ها و پروتون‌ها بار الکتریکی ناهمنام دارند، پس طبیعی است بین آن‌ها نیروی جاذبه وجود دارد. الکترون‌هایی که در نزدیک‌ترین لایه به‌دورِ هسته اتم می‌چرخند، نیروی جاذبه قوی‌تری ایجاد می‌کنند. بالعکس، دورترین لایه موسوم به لایه ظرفیت (valance shell) چون از هسته اتم دورتر است، جاذبه ضعیف‌تری را تجربه می‌کند. به الکترون‌های لایه ظرفیت، الکترون‌های ظرفیت (valance electrons) می‌گویند.
نقش الکترون‌ها در پیدایش انرژی الکتریکی
گفتیم که جاذبه بین الکترون‌های ظرفیت و هسته اتم ضعیف‌تر است، به‌همین علت، اگر با اتم دیگری برخورد کنند، ممکن است از لایه یا مدار اتم اول خارج شوند و به مدار ظرفیت اتم جدید پرش کنند. این پدیده، انرژی الکتریکی تولید می‌کند.
برای این‌که دریابیم آیا یک اتم الکترون اضافی جذب کرده و یا الکترون از دست داده است، کافی است که تعداد الکترون‌های ظرفیت آن‌را بدانیم. هر اتم در لایه ظرفیت خود فقط می‌تواند ۸ الکترون داشته باشد. اگر تعداد الکترون‌های ظرفیت یک اتم کمتر از این تعداد بود، بدانید که احتمالا تعدادی از الکترون‌هایش را از دست داده است.
اتم‌هایی که لایه ظرفیت‌شان تقریبا پر است (یعنی ۶ یا ۷ الکترون دارد) تمایل زیادی دارند که الکترون جذب کنند تا لایه ظرفیت‌شان کامل شود. وقتی اتم الکترون جذب می‌کند.
در هر دو حال، حرکت الکترون از اتمی به اتم دیگر، انرژی الکتریکی تولید می‌کند. انرژی الکتریکی، بشکل برق یا الکتریسیته نمود می‌یابد و ما با استفاده از برق تجهیزات کوچک و بزرگی پرشماری را به کار می‌اندازیم. البته انرژی الکتریکی را می‌توان به انواع دیگری از انرژی نیز تبدیل کرد. مثلا سماور برقی، انرژی الکتریکی را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کند تا آب را بجوشاند.
نکته: اتمی که الکترون اضافی جذب کند یا بخشی از الکترون‌های اصلی خود را از دست بدهد به یون تبدیل می‌شود. اتم عادی از نظر بار الکتریکی، خنثی است زیرا تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های آن برابر است. اما اگر الکترون از دست بدهد، بار الکتریکی آن مثبت می‌شود و به آن یون مثبت (کاتیون) می‌گویند. اگر بالعکس، الکترون اضافی جذب کند، بار الکتریکی آن منفی می‌شود و به آن یون منفی (آنیون) می گویند.
مهم‌ترین منبع تولید انرژی الکتریکی چیست؟
در حال حاضر، مهم‌ترین منبع تولید انرژی الکتریکی سوخت‌های فسیلی (مثل نفت و گاز و زغال‌سنگ) هستند. در مرحله بعد، سوخت هسته‌ای و منابع تجدیدپذیر (مثل باد و نور خورشید) در تولید انرژی الکتریکی در جهان سهم زیادی دارند. البته سوخت‌های فسیلی گازهای آلاینده زیادی در جو زمین منتشر می‌کنند، اما چون دسترسی به آن‌ها ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر است بیشتر نیروگاه‌های جهان فعلا با سوخت فسیلی کار می‌کنند.
با جایگزین کردن نیروگاه‌های برق هسته‌ای و نیز نیروگاه‌های برق تجدیدپذیر مثل نیروگاه‌های بادی و خورشیدی و تا حدی نیروگاه‌های زمین‌گرمایی می‌توان میزان آلودگی هوا را کاهش داد و سوخت پاک‌تری تولید کرد.
انژری الکتریکی، جنبشی است یا پتانسیل؟
می‌دانیم که انرژی در کل دو نوع یعنی یا جنبشی و یا پتانسل است. انرژی پتانسیل در اصل همان انرژی ذخیره‌شده است. اگر یک اتم اجازه ندهد که الکترون‌های ظرفیتش به لایه ظرفیت اتم دیگری بپرند، نوعی انرژی بالقوه در خود ذخیره می‌وکند که همان انرژی پتانسیل است.
در سوی دیگر، انرژی جنبشی نوعی انرژی است که یا خودش حرکت می‌کند و یا چیز دیگری را به حرکت درمی‌آورد. اگر الکترون‌های لایه ظرفیت یک اتم بتوانند آزادنه به لایه ظرفیت اتم دیگری بپرند، انرژی الکتریکی جنبشی ایجاد می‌شود. یعنی در واقع، انرژی پتانسیلی که قبلا در اتم ذخیره شده بود، آزاد و به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و نتیجتا انرژی الکتریکی پدید می‌آید.
پس اگر بپرسند که آیا انرژی الکتریکی جنبشی است یا پتانسیل، باید پاسخ داد که هر دو؛ یعنی انرژی الکتریکی هم می‌تواند پتانسل باشد و هم جنبشی اما نمی‌تواند هم‌زمان به هر دو شکل وجود داشته باشد. اگر انرژی الکتریکی کاری انجام دهد یا حرکتی ایجاد کند، جنبشی است. اما زمانی که هنوز کاری انجام نداده است پتانسیل است. مثلا باتری خودرو را در نظر بگیرید. وقتی استارت می‌زنید، خودرو با انرژی الکتریکی جنبشی روشن می‌شود، اما پیش از آن‌که استارت بزنید، انرژی الکتریکی بشکل انرژی پتانسیل در باتری ذخیره شده است.
به مقدار کاری که انجام می‌دهیم تا دو بار همنام را با سرعت ثابت به هم نزدیک کنیم یا دو بار ناهمنام را با سرعت ثابت از هم دور کنیم، انرژی پتانسیل الکتریکی می‌گویند.
مطلب مرتبط: موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند
تفاوت انرژی الکتریکی با برق (الکتریسیته)
در مبحث انرژی الکتریکی، اگر الکترون‌ها درون مسیری از جنس رسانا جریان پیدا کنند، برق یا الکتریسته ایجاد می‌شود. به حرکت ذره‌های باردار، جریان الکتریکی می‌گوییم و آن‌را با واحدی موسوم به وات (Watt) می‌سنجیم. پس برق فقط یکی از ثمره‌های وجود انرژی الکتریکی است. پس نباید تصور کنیم انرژی الکتریکی تماماً همان برق است.
جریان برق یا الکتریسیته چیست و چند نوع است؟
به حرکت ذره‌های باردار در رسانا جریان برق یا جریان الکتریسیته می‌گویند. باید توجه داشت که الکتریسیته دو نوع است:
- الکتریسیته جاری
- الکتریسیته ساکن
الکتریسیته ساکن از جدایش ذره‌های باردار مثبت از منفی پدید می‌آید. الکتریسیته ساکن نوعی انرژی پتانسیل است اما الکتریسیته جاری نوعی انرژی جنبشی است. اگر بار الکتریکی کافی ایجاد شود، انرژی الکتریکی ممکن است به‌شکل جرقه یا حتی آذرخش تخلیه شود که در این‌صورت انرژی الکتریکی شکل جنبشی به خود می‌گیرد.
الکتریسیته ساکن چیست
اگر بارهای الکتریکی مثبت و منفی در یک ماده تعادل نداشته باشند، الکتریسیته ساکن ایجاد می‌شود. اما تعادل بارها چگونه به‌هم می‌خورد؟ توازن بار الکتریکی ماده زمانی به‌هم می‌خورد که اتم‌ها الکترون اضافی جذب کنند و یا الکترون از دست بدهند و این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که سطح دو ماده با هم برخورد یا اصطکاک پیدا کند و توازن الکترون‌های‌شان تغییر یابد.
اثر تریبوالکتریک (triboelectric effect) یکی از مهم‌ترین علل ایجاد بار الکتریکی ساکن است که طی آن، برخی مواد خاص در اثر تماس از نظر الکتریکی باردار می‌شوند. در واقع صاعقه نیز در اثر چنین فرآیندی تشکیل می‌شود، یعنی تجمع بارهای الکترواستاتیک بین ابرها و زمین سبب بروز صاعقه می‌شود.
وقتی مواد خاصی با هم در تماس یا اصطکاک باشند، الکترون‌های لایه ظرفیت خود را با هم مبادله می‌کنند و نتیجتا الکتریسیته ساکن انباشته می‌شود. اما رطوبت هوا میزان رسانایی الکتریکی هوا را افزایش می‌دهد و لذا هوا می‌تواند بارهای الکتریکی اضافی را جذب و توزیع کند. درنتیجه، در محیط‌هایی که رطوبت هوا بالاست، اشیای مختلف بار ساکن چندانی نگه نمی‌دارند.
مطلب مرتبط: چرخه سوخت هسته‌ای چیست و دارای چه مراحلی است؟
انرژی الکتریکی چگونه تولید می‌شود؟
الکترون‌ها و پروتون‌ها در عملکرد انرژی الکتریکی نقش بسیار مهمی دارند. مثلا جریان برق در سیم مسی را در نظر بگیرید. الکترون‌ها آزادانه در سیم‌های مسی حرکت می‌کنند. هر الکترون بار منفی دارد. نیروی جاذبه بین الکترون و بارهای الکتریکی مثبت (مثل پروتون و یون‌های مثبت) و نیز نیروی دافعه بین الکترون و بارهای منفی (مثل سایر الکترون‌ها و یون‌های منفی) سبب حرکت الکترون‌ها می‌شود.
به بیان دیگر، میدان الکتریکی که ذره باردار (در این‌جا الکترون) را احاطه کرده است بر دیگر ذره‌های باردار نیروی جاذبه یا دافعه اعمال می‌کند و سبب می‌شود که آن ذره حرکت کند و نتیجتا انرژی الکتریکی تولید شود. هر ذره باردار اعم از الکترون، پروتون، هسته اتم، یون مثبت و یون منفی می‌تواند انرژی الکتریکی تولید کند.
برخی از روش‌های تولید برق خانگی و صنعتی
- موتور الکتریکی دستگاهی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.
- نیروگاه هسته‌ای، مجموعه تاسیساتی است که انرژی هسته‌ای را طی چند مرحله به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
- با توربین بادی نیز می‌توانیم برق تولید کنیم. توربین باد، انرژی باد را به انرژی مکانیکی و سپس انرژی مکانیکی را با استفاده از مبدل یا ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
فرمول محاسبه انرژی الکتریکی
ابتدا بیایید مدار ساده‌ای را تصور کنیم که یک منبع انرژی مثل باتری و یک مقاومت و یک سیم رسانا دارد. در این‌صورت، مدار جریان برق ساده اما کاملی خواهیم داشت که همه اجزای لازم برای جریان الکتریکی را داراست.
اختلاف پتانسیل از نقطه A به نقطه B را برابر V فرض می‌کنیم. اکنون اگر ذره‌ای با بار الکتریکی (برحسب کولن، Q) در زمان t ثانیه از نقطه A به نقطه B برود، جریانی معادل I آمپر ضمن چرخش در مدار از مقاومت R عبور می‌کند.
لذا مقدار کاری که ذره مذکور انجام می‌دهد برابر V*Q ژول است. توان الکتریکی، همان کار الکتریکی در واحد زمان است و چون فرمول مذکور را می‌توان چنین نوشت:
I=dQ/dT
پس نتیجه می‌گیریم که از ضرب جریان در ولتاژ، توان حاصل می‌شود، یعنی:
P=V*I
اگر جریان I به‌مدت t ثانیه در رسانا (مثلا سیم) جاری شود، آن‌گاه مجموع کار انجام شده توسط ذره Q چنین خواهدبود:
E=V*I*t ژول
پس، فرمول انرژی الکتریکی چنین است:
E=V*I*t ژول
واحدهای محاسبه انرژی الکتریکی چیست
در واحد استاندارد SI، انرژی الکتریکی را برحسب ژول (یا واتثانیه) می‌سنجند. اگر ۱ آمپر جریان برق به‌مدت ۱ ثانیه در مداری با اختلاف پتانسیل ۱ ولت جاری شود، انرژی الکتریکی مصرف شده توسط عناصر مدار معادل ۱ ژول (یا ۱ واتثانیه) خواهدبود.
اما در حوزه‌های عملی و تجاری، واحد محاسبه انرژی الکتریکی وات‌ساعت، کیلووات‌ساعت و مگاوات‌ساعت است. معمولا ۱ کیلووات‌ساعت را یک واحد انرژی الکتریکی می‌خوانند.
۱ kWh = 1000*60*60 واتثانیه
۱ kWh = 3600000 ژول
مطلب مرتبط: تبدیل اورانیوم به سوخت هسته‌ای چه مراحلی دارد و چگونه انجام می‌شود؟
انرژی الکتریکی طبیعی و صنعتی
وسایل برقی مثل لامپ، رایانه و… برای این‌که کار کنند، انرژی الکتریکی لازم دارند. انرژی موردنیاز آن‌ها از تبدیل انرژی پتانسیل الکتریکی به‌دست می‌آید. انرژی پتانسیل الکتریکی می‌تواند به هر نوع انرژی از جمله به انرژی گرمایی، نوری و مکانیکی تبدیل شود. مثلا باتری نوعی منبع انرژی الکتریکی است اما بارهای الکتریکی موجود در باتری، نه به‌شکل الکترون در سیم فلزی بلکه به‌شکل یون و در یک محلول شیمیایی هستند.
حتی سامانه‌های زیستی نیز انرژی الکتریکی مصرف می‌کنند. مثلا در سیستم عصبی انسان، یون‌های هیدروژن، الکترون‌ها یا یون‌های فلزی با تجمع روی غشاء سلول عصبی، انرژی پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌کنند تا بدین‌سان پیام‌های عصبی بین اعضا و مغز انتقال یابد و انسان بتواند اعضای مختلف بدنش را حرکت دهد.
نمونه‌ها و کاربردهای انرژی الکتریکی چیست
- انرژی الکتریکی برای روشن کردن لامپ به‌کار می‌رود. وقتی لامپ به پریز برق وصل می‌شود، جریان برق از طریق سیم رسانا از پریز یا منبع برق به‌سمت لامپ جاری می‌شود. سپس وقتی بارهای الکتریکی در رشته لامپ کند شدند، انرژی نوری ایجاد پدید می‌آید و لامپ روشن می‌شود.
- آذرخش یا صاعقه نمونه دیگری از انرژی الکتریکی است. وقتی ذره‌های با بار منفی از ذره‌های با بار مثبت جدا می‌شوند، پتانسیل بار پدید می‌آید. اگر میزان جدایش بارها افزایش یابد، بار الکتریکی ذخیره شده تخلیه می‌شود و در جو زمین جریان برق جاری می‌شود. آذرخش یا صاعقه نوعی الکتریسیته ساکن است.
- باتری‌ها نیز منبع انرژی الکتریکی هستند. مثلا در باتری خودرو، واکنش شیمیایی الکترون‌های پدید می‌آورد که در مدارهای برق خودرو انرژی الکتریکی ایجاد می‌کنند. باتری گوشی نیز چنین است و انرژی شیمیایی ذخیره شده در باتری گوشی، توان لازم را به‌شکل انرژی الکتریکی به مدارهای گوشی اعمال می‌کند.
- در بدن انسان نیز وقتی غذا تجزیه می‌شود، انرژی ATP تولید می‌شود. انرژی ATP به انرژ الکتریکی تبدیل می‌شود. سپس بارهای الکتریکی از سلول‌های سیستم عصبی ما می‌گذرد تا قلب را به تپش وادارد.
- برخی موجودات ملا گونه‌های خاصی از مارماهی‌ها انرژی الکتریکی تولید می‌کنند.
