الکتریسیته چیست یا به زبان ساده، برق چیست؟!

در این مقاله می‌خواهیم یک‌بار برای همیشه، تکلیف سوال الکتریسیته چیست را مشخص کنیم. به صورت ریشه‌ای ماهیت الکتریسیته را مورد بررسی قرار می‌دهیم و سعی می‌کنیم با زبان ساده و قابل فهم برای همگان، جنبه های مختلف الکتریسیته را مورد بررسی قرار دهیم. قبلا در مقاله‌‌ای جداگانه تاریخچه الکتریسیته را مورد بررسی قرار داده‌ایم و در این مقاله به کشف و بررسی تاریخچه برق نمی‌پردازیم و تنها به دنبال جواب این سوال هستیم: الکتریسیته چیست؟!

الکتریسیته در اطراف ما و در درون ما همواره وجود داشته و دارد؛ رعد و برق، ایجاد جرقه بین دست و اجسام و موجوداتی که برای حمله یا دفاع از خود از شوک الکتریکی استفاده می‌کنند نمونه‌های بیرونی و قابل فهم برای این پدیده، و سیگنال‌های درون اعصاب بدن انسان از نمونه‌های درونی الکتریسیته است. علی‌رغم ماهیت قابل فهم و مشاهده الکتریسیته، سوال الکتریسیته چیست یک سوال بسیار پیچیده و عمیق است و برای پاسخ به آن باید سوال‌های بیشتر با جزییات بیشتری پرسید تا بتوانیم جواب سوال الکتریسیته چیست را بصورت قابل فهم پاسخ دهیم.

رفتن به درون اتم

برای بررسی اینکه مفهوم الکتریسیته چیست، نیاز داریم به سراغ پایه و اساس هستی برویم: اتم‌ها. این ذرات اجزای سازنده حیات و ماده هستند و در اشکال مختلفی وجود دارند. اشکال مختلف اتم را با عنوان عناصر و با نام‌های مختلف می‌شناسیم: هیدروژن، اکسیژن، کربن و طلا هرکدام با ویژگی‌های مخصوص به خود در طبیعت وجود دارند.

اتم‌های مختلف تحت شرایطی می‌توانند با هم ترکیب شوند و مولکول ها را بسازند. مولکول‌ها در کنار هم قرار می‌گیرند و مواد را تشکیل می‌دهند که در نهایت ما این ماده‌ها را به صورت فیزیکی مشاهده و آن‌ها را لمس می‌کنیم. اتم‌ها بسیار کوچک‌اند اما برای پاسخ به سوال الکتریسیته چیست، کماکان باید به اعماق پایین‌تر برویم: رفتن به درون اتم.

اتم از اجزای کوچک‌تری تشکیل شده است که شامل پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها است. پروتون و نوترون به طور فشرده در کنار هم قرار گرفته‌اند که هسته اتم را تشکیل می‌دهند و الکترون‌ها نیز در اطراف هسته در حال چرخش هستند. خورشید را در نظر بگیرید که سیارات در مدار خود به دور آن می‌چرخند و این می‌تواند یک تشابه نسبتا ملموس را در ذهن شما تداعی کند.

در اتم‌ها تعداد پروتون‌ها حداقل می‌تواند برابر با یک باشد که این اتم با تعداد یک پروتون، همان هیدروژن است. در واقع تعداد پروتون‌ها نوع عنصر شیمیایی را تعیین می‌کند که به آن عدد اتمی گفته می‌شود. نوترون‌ها هم در واقع باعث پایداری پروتون‌ها در درون هسته می‌شوند و ایزوتوپ‌های یک اتم را تعیین می‌کنند. اما برای اینکه بدانیم ماهیت الکتریسیته چیست، لازم است آخرین ذره را بشناسیم: الکترون‌ها.

یک اتم به تعداد پروتون‌های خود دارای الکترون است. این الکترون‌ها با توجه به تعدادشان در مدارهای مشخصی در اطراف هسته در حال گردش هستند. نیرویی که بین الکترون‌ها و پروتون‌ها وجود دارد و همچنین نیرویی که به خاطر چرخش الکترون ها به دور خود به وجود می‌آید، باعث پایداری حرکتی الکترون‌ها در درون مدارهای خود است. برگردیم به مثال خورشید و سیارات. کره زمین را فرض کنید که هم به دور خود می‌چرخد و هم به دور خورشید. این همان اتفاقی است که در درون اتم در حال وقوع است.

بار الکتریکی و بار بنیادی

در مقاله‌ای با عنوان بار الکتریکی چیست به صورت مفصل در رابطه با بار الکتریکی صحبت کرده‌ایم که توصیه می‌کنیم آن را مطالعه بفرمایید. اما به طور خلاصه برای اینکه بدانیم منظور از بار الکتریکی در الکتریسته چیست، می‌توان گفت که بار الکتریکی خود را به صورت جاذبه یا دافعه نمایش می‌دهد. در تصویر بالا مشاهده می‌شود که برای بیان نیروی بین دو ذره یعنی پروتون و الکترون از علامت‌های مثبت و منفی استفاده شده‌است.

هرگاه دو ذره تمایل به جذب یکدیگر داشته باشند، یعنی بارهای مخالف دارند(نیروی جاذبه) و هرگاه تمایل به دفع یکدیگر دارند یعنی بارهای همنام دارند. این نیرو بین بارها را نیروی الکتریکی می‌نامند. این موضوع را با به یادآوردن خاصیت آهنربا برای خود آسان کنید. دو آهنربا را در نظر بگیرید که به هم نزدیک می‌کنیم. سرهایی که همدیگر را دفع می‌کنند همنام و سرهایی که همدیگر را جذب می‌کنند، ناهمنام هستند. با این تفاوت که در آهنربا با نیروی مغناطیسی طرف هستیم و نه نیروی الکتریکی.

بار الکتریکی همانند ویژگی‌هایی همچون جرم، حجم و چگالی، از ویژگی‌های یک ماده است. همانگونه که ما می‌توانیم جرم یک جسم را اندازه بگیریم یا حجم آن را به دست بیاوریم، بار الکتریکی را نیز می‌توانیم محاسبه کنیم. مایکل فارادی در آزمایشی با عنوان برق‌کافت، متوجه شد که بار الکتریکی نمی‌تواند یک کمیت پیوسته باشد (یعنی نمی‌تواند هر مقداری داشته باشد) بلکه یک کمیت گسسته است (یعنی دارای مقدار مشخصی است). رابرت میلیکان توانست این مقدار گسسته را در آزمایش قطره روغن خود اندازه گیری کند. این مقدار را اکنون با نام بار بنیادی می‌شناسند.

“بار بنیادی برابر با بار الکتریکی یک پروتون یا قدرمطلق بار الکتریکی یک الکترون است. مقدار آن برابر با e=1.602*10^-19 کولن است.”

دانستن اینکه مفهوم بار الکتریکی در الکتریسیته چیست و چگونه محاسبه می‌شود حائز اهمیت است و با دانستن مقدار بارپایه یا همان بار بنیادی، می‌توانیم مقدار بارالکتریکی را محاسبه کنیم. مثلا مس را در نظر بگیرید که عدد اتمی آن برابر با 29 است. یعنی در هر اتم آن 29 پروتون و الکترون وجود دارد. برای محاسبه بار الکتریکی هسته آن کافی است عدد 29 را در مقدار بار بنیادی ضرب کنیم:

q=n.e

q=29*1.602*10^-19

q=4.6458*10^-18 C

واحد بار الکتریکی همانطور که گفته شد کولن نامیده می‌شود و با حرف C نمایش داده می‌شود.

الکتریسیته چیست یا چگونه برق جاری می‌شود؟

می‌دانیم که جریان آب یعنی حرکت آب در یک مسیر مشخص. حال به نظر شما بخش محرک در الکتریسیته چیست یا در واقع برای جاری شدن برق، نیاز داریم چه چیزی را در یک مسیر به حرکت دربیاوریم؟ برای اینکه بگوییم مفهوم جریان در الکتریسیته چیست، باید به موضوع حرکت دادن بارهای الکتریکی بپردازیم.

نوترون‌ها که دارای بار الکتریکی نیستند. پروتون‌ها هم دارای بار مثبت هستند و در درون هسته بصورت مستحکم قرار گرفته‌اند و به حرکت درآوردن آن‌ها کار بسیار دشواری است و نیاز به شکافت هسته و انرژی زیادی داریم. اما الکترون ها می‌توانند به عنوان حامل‌های بارهای الکتریکی برای ما نقش آفرینی کنند.

“اگر بتوانیم الکترون را از یک اتم آزاد کنیم و آن را مجبور به حرکت کردن کنیم، درواقع الکتریسیته را جاری کرده ایم.”

لایه ظرفیت و الکترون‌های آن

گفتیم که الکترون‌ها در مدارهای مشخصی در اطراف هسته در حال چرخش هستند و متوجه شدیم که کارکرد آن‌ها در الکتریسیته چیست. هر چه فاصله یک مدار از الکترون‌ها از هسته بیشتر باشد، نیروی جاذبه‌ای که از طرف هسته به آن اعمال می‌شود نسبت به لایه‌های نزدیک‌تر کمتر است. قاعدتا برای جداسازی الکترون‌های موجود در لایه‌های دورتر انرژی کمتری نیاز است.

دورترین مدار الکترون‌ها را لایه ظرفیت یا لایه والانس و الکترون‌های موجود در آن را الکترون ظرفیت می‌نامند. مقدار ظرفیت هر لایه را می‌توانیم با دانستن شماره لایه به دست بیاوریم. اگر شماره لایه را n در نظر بگیریم:

ظرفیت هر لایه = 2n²

یعنی مثلا برای لایه سوم داریم:

n_e : 2*(3)² = 18

پس لایه سوم می‌تواند 18 الکترون را در خود جای دهد.

نیرویی که الکترون‌های ظرفیت را از لایه والانس یا همان لایه ظرفیت جدا می‌کند، می‌تواند با ایجاد دافعه توسط یک بار منفی دیگر ایجاد شود تا آن را از مدار خود دفع کند یا با قرار دادن در معرض یک بار مثبت تا با جذب آن، باعث خروج از مدارش شود. در نهایت:

جابجایی این الکترون‌ها بین اتم‌های مختلف باعث ایجاد الکتریسیته یا همان جریان برق می‌شود.

جمع بندی

برای پاسخ به سوال الکتریسیته چیست می‌توان صدها سطر نوشت، اما تلاش شد به طور خلاصه و قابل فهم در رابطه با این موضوع مطالبی بیان شود. اگر شما بخواهید جواب این سوال را در چند جمله بگویید، پاسختان چیست؟ حال شما بگویید: الکتریسیته چیست؟

سوالات متداول: