هر آنچه باید درمورد الکتریسیته و ماهیت آن بدانید

انسان‌ها رابطه‌ی صمیمانه‌ای با الکتریسیته دارند؛ تا جایی که جدا کردن آن‌ها از یکدیگر غیرممکن است. مطمئنا شما می‌توانید بدون برق زندگی کنید، ولی حتی اگر به دورافتاده‌ترین جای دنیا هم بروید، الکتریسیته آنجا حضور دارد. الکتریسیته حتی اگر رعدوبرق ابر بالای سر شما نباشد یا در جرقه ایستای نوک انگشت شما جریان نداشته باشد، ولی باز هم قطعا در سیستم عصبی، مغز، نفس کشیدن و حتی ضربان قلب شما وجود خواهد داشت.

الکتریسیته دنیای ما را روشن می‌کند، اما آیا تا به حال از خود پرسیده‌اید که منشأ آن کجاست؟

الکتریسیته به دنیا و بدن ما قدرت می‌بخشد. کنترل و بهره‌برداری از انرژی الکتریسیته هم مانند دنیای جادو شگفت‌انگیز است و هم مانند زندگی روزمره خسته‌کننده (از امپراطور پالپاتین و شخصیت لوک اسکای‌واکر در جنگ ستارگان گرفته تا خارج کردن دیسک فیلم از کامپیوتر). اکثر مردم با وجود آشنا بودن با اثرات الکتریسیته، ماهیت اصلی و دقیق آن را نمی‌دانند ( شکلی از انرژی موجود در همه‌جا که درنتیجه حرکت ذرات باردار مثل الکترون‌ها به‌وجود می‌آید.) وقتی درمورد ماهیت الکتریسیته سؤال می‌شود، حتی شخصیت‌ها و مخترعان برجسته‌ای مثل توماس ادیسون هم آن را تنها به‌عنوان حالتی از حرکت و یک سیستم ارتعاش تعریف می‌کنند.

ما در این مقاله سعی در ارائه پاسخی ساده‌تر داریم و ماهیت، منشأ و نحوه‌ی استفاده از آن توسط انسان‌ها را توضیح خواهیم داد.

در اولین نقطه توقف، سراغ یونان می‌رویم که مردم باستان آن کشور هنگام دست زدن به یک وسیله فلزی بعد از کشیدن آن به فرش در یک روز سرد و خشک، گیج می‌شدند.

الکترواستاتیک و قانون کولن

مردم باستان با اینکه الکتریسیته را کامل درک نمی‌کردند، ولی درمورد آن مطالبی می‌دانستند. تالس، فیلسوف یونانی که به یکی از فرزندگان هفت‌گانه یونان معروف است، شاید اولین کسی باشد که در مورد الکتریسیته مطالعاتی در حوالی قرن هفتم قبل از میلاد مسیح انجام داده باشد. او با مالیدن کهربا (صمغ فسیل‌شده درخت) با خز توانست گرد و غبار، پرها و سایر اشیای سبک وزن را جذب کند. چنین آزمایشی اولین آزمایش در نوع خود در زمینه‌ی الکترواستاتیک است. الکترواستاتیک عبارت است از مطالعه روی بارهای الکتریکی ساکن یا الکتریسیته ساکن. درواقع کلمه الکتریسیته از واژه‌ی یونانی الکترون (elektron) به‌معنای کهربا گرفته شده است.

بعد از این جریان دیگر تا قرن ۱۷ آزمایشی انجام نشد تا اینکه ویلیام گیلبرت، فیزیکدان انگلیسی و دانشمند آماتور، شروع‌ به مطالعه‌ی مغناطیس و الکتریسیته‌ی ساکن کرد. او آزمایش تالس را تکرار کرد و اشیا‌ را به همدیگر مالید و با اصطکاک و مالش آن‌ها را باردار کرد. وقتی جسمی، جسم دیگر را جذب یا دفع کرد، او از واژه‌ی الکتریک برای توصیف نیروی جاذبه و دافعه استفاده کرد. او دلیل وجود نیرو را حذف شدن جریان از یکی از اشیا‌ به‌وسیله‌ی مالش دانست و گفت مالش یک اتمسفر دور اشیا به‌وجود می‌آورد.

مفهوم وجود الکتریسیته به‌عنوان یک جریان تا قرن ۱۸ ادامه یافت تا اینکه در سال ۱۷۲۹، استفن گری، دانشمند انگلیسی مشاهده کرد که بعضی از مواد مثل ابریشم الکتریسیته را عبور نمی‌دهند. توضیح گری این بود که جریان اسرارآمیزی که توسط گیلبرت ارائه شده بود می‌تواند از اشیا عبور کند یا از عبورش ممانعت به‌عمل آید. دانشمندان حتی شیشه‌هایی برای نگه داشتن جریان و مطالعه روی اثرات آن ساختند. اوالد فون کلایست و پیتر فن موسخنبروک، شیشه‌ی لیدن را ساختند. شیشه‌ی لیدن حاوی آب و یک میخ است و می‌تواند بار الکتریکی را ذخیره کند. اولین باری که موسخنبروک از شیشه استفاده کرد، شوک زیادی دریافت کرد.

قانون کولن، محسابه نیروی الکترواستاتیک بین دو شی باردار را امکان‌پذیر کرد، ولی ماهیت اساسی بارها را مشخص نکرد. منبع و منشأ بارهای منفی و مثبت چه هستند؟ دانشمندان در قرن ۱۹ به این سؤال پاسخ دادند.

الکتریسیته و ساختار اتمی

در اواخر قرن نوزدهم دانش با سرعت زیادی در حال پیشرفت بود. اتومبیل‌ و هواپیما درحال تغییر دادن دنیا بودند و قدرت الکتریسیته نیز راهش را برای ورودبه خانه‌های بیشتر باز می‌کرد. بااین‌حال حتی دانشمندان آن زمان هم الکتریسیته را مانند موردی مبهم و اسرارآمیز می‌دیدند. سرانجام در سال ۱۸۹۷ دانشمندان الکترون را کشف کردند و این زمان، تاریخ شروع عصر الکتریسیته مدرن است.

همان‌طور که می‌دانید، ماده از اتم تشکیل شده است. اگر مواد را به کوچک‌ترین بخش‌ها تقسیم کنید، هسته‌ای وجود دارد که یک یا چندین الکترون به‌دور آن می‌چرخند و بار آن‌ها منفی است. الکترون‌ها در بسیاری از مواد پیوند محکمی با اتم دارند. چوب، شیشه، پلاستیک، سرامیک، هوا و پنبه، آن دسته از موادی هستند که الکترون در آن‌ها پیوند محکمی با اتم دارد. چون اتم‌های این مواد برای به‌اشتراک‌گذاری الکترون بی‌میل هستند، نمی‌توانند به‌خوبی الکتریسیته را منتقل یا هدایت کنند (اگر اصلا بتوانند). به این مواد، عایق الکتریکی یا نارسانا می‌گویند.

اما برخلاف این مواد، اکثر فلزها الکترون‌هایی جدا از اتم دارند که به دور آن‌ها می‌چرخند. این الکترون‌ها، الکترون‌های آزاد نام دارند. الکترون‌های آزاد، عبور جریان الکتریسیته از میان مواد را آسان می‌کنند، برای همین به آن‌ها، رسانای الکتریکی می‌گویند. الکترون‌ها، الکتریسیته را هدایت می‌کنند. حرکت الکترون‌ها، انرژی الکتریکی را از یک نقطه به نقطه دیگر انتقال می‌دهد.

اتم‌ها را می‌توان به‌عنوان سگ‌های خانگی درنظر گرفت که الکترون‌ها کک‌های آن‌ها هستند. سگ‌هایی که داخل فنس زندگی می‌کنند کک‌ها را با خودشان نگه می‌دارند و مانند عایق الکتریکی عمل می‌کنند. در نقطه مقابل سگ‌های ولگرد وجود دارند که کک‌ها را همه‌جا با خودشان می‌برند و مانند رسانای الکتریکی عمل می‌کنند. اگر قرار باشد شما درمعرض کک‌ها قرار بگیرید، به‌نظرتان کدام گروه از سگ‌ها احتمال بیشتری برای انتقال کک‌ها دارند؟

بنابراین الکتریسیته برای حرکت و انتقال به یک رسانا یا هادی نیاز دارد. همچنین باید موردی جریان الکتریسیته را از یک نقطه به نقطه دیگر از طریق رسانا عبور دهد. یکی از راه‌های ایجاد جریان الکتریسیته استفاده از ژنراتور است.

ساختار ژنراتورهای الکتریکی

اگر تا به حال گیره‌ی کاغذ را با استفاده از آهن‌ربا حرکت داده باشید یا تراشه‌ی فلزی را در یک عروسک وولی ویلی مرتب کنید وارد اساسی‌ترین اصول ژنراتورهای الکتریکی شده‌اید. میدان مغناطیسی برای جمع کردن تراشه‌های فلزی کوچک براساس حرکت الکترون‌ها کار می‌کند. وقتی آهن‌ربا را به‌سمت گیره کاغذ می‌برید و آن را حرکت می‌دهید، درواقع الکترون‌های گیره را مجبوربه حرکت می‌کنید. همین‌طور وقتی الکترون‌ها از داخل یک سیم فلزی عبور می‌کنند، یک میدان مغناطیسی دور سیم تشکیل می‌شود.

مشخصا یک رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد. یک ژنراتور به‌عبارت ساده دستگاهی است که مغناطیس نزدیک سیم را برای ایجاد یک جریان ثابت از الکترون‌ها حرکت می‌دهد. همین عمل ساده منشأ بسیاری از حرکت‌ها است: از میل‌لنگ دستی و موتور بخار گرفته تا هم‌جوشی هسته‌ای، ولی اصول کار همه یکسان است.

یک راه ساده برای درک ژنراتور، تصور آن مانند یک پمپ آب برای لوله است، با این تفاوت که ژنراتور به‌جای حرکت دادن آب، از آهن‌ربا برای حرکت دادن الکترون‌ها استفاده می‌کند. البته جریان کمی پیچیده‌تر از این حرف‌هاست، ولی همین تصویر کمک زیادی به درک خواص و نحوه عملکرد ژنراتور می‌کند. پمپ آب مقدار مشخصی از مولکول‌های آب را حرکت می‌دهد و فشار معینی به آن‌ها وارد می‌کند. آهن‌ربا هم به همین منوال، تعداد مشخصی از الکترون‌ها را حرکت می‌دهد و فشار معینی هم به آن‌ها وارد می‌کند.

تعداد الکترون‌های درحال حرکت در یک مدار الکتریکی میزان آمپر یا جریان نامیده می‌شود و واحد اندازه‌گیری آن آمپر است. فشار وارد شده به الکترون‌ها هم ولتاژ نامیده می‌شود و واحد اندازه‌گیری آن ولت است. به‌عنوان مثال، ژنراتوری که در هر دقیقه هزار بار می‌چرخد می‌تواند ۱ آمپر با ولتاژ ۶ ولت تولید کند. ۱ آمپر، تعداد الکترون‌های درحال حرکت است (۱ آمپر از نظر فیزیکی به‌معنای حرکت ۶/۲۴×۱۰۱۸ الکترون در سیم در هر ثانیه است) و ولتاژ نیز مقدار فشار پشت الکترون‌هاست.

ژنراتورها، قلب نیروگاه‌های برق مدرن را تشکیل می‌دهند. اکنون به نحوه‌ی عملکرد نیروگاه‌ها می‌پردازیم.

ایجاد الکتریسیته

در ژنراتور مایکل فارادی، سیم‌پیچ‌های مسی بین قطب‌های یک آهن‌ربا می‌چرخند و یک جریان ثابت از الکتریسیته تولید می‌کنند. یکی از راه‌های چرخاندن دیسک، چرخاندن دستی است، اما این کار راهی عملی برای تولید الکتریسیته نیست. راه دیگر، استفاده از یک توربین است. توربین باید از سایر منابع انرژی برای چرخاندن ژنراتور استفاده کند. آبشار‌ها می‌توانند منبع چنین انرژی برای توربین‌ها باشند. درواقع یکی از منابع نیروهای اصلی برای استفاده از انرژی جنبشی، آبشار نیاگارا است. 

جورج وستینگهاوس درسال ۱۸۹۵ کارخانه تولید برق نیاگارا را افتتاح کرد، اما اصول عملیاتی نیروگاه از آن زمان تا‌به حال تغییر نکرده است. ابتدا مهندسان یک سد جلوی رودخانه ساختند تا مخزنی از آب‌های ذخیره داشته باشند. آن‌ها یک ورودی برای آب در پایین دیوار سد ساختند که باعث عبور آب از مخزن به‌سمت کانال باریکی به‌نام آبگیر (دریچه‌ی مخصوص تنظیم جریان آب) می‌شود. توربین مانند یک پروانه‌ی بزرگ در انتهای آبگیر قرار داده شده است. شفت توربین به ژنراتور در بالای خود وصل است. وقتی آب از داخل توربین حرکت می‌کند، آن را می‌چرخاند؛ چرخش باعث چرخیدن شفت و درنتیجه چرخیدن سیم‌پیچ‌های مسی ژنراتور می‌شود. با چرخیدن سیم‌پیچ‌های مسی در آهن‌ربا‌ها، الکتریسیته تولید می‌شود. خطوط برق متصل‌ به ژنراتور، الکتریسیته را از نیروگاه به خانه‌ها و کارخانه‌جات منتقل می‌کنند. نیروگاه آبشار نیاگارا قادر بود تا الکتریسیته را تا بیش از ۳۲۲ کیلومتر انتقال دهد.

آبشار نیاگارا که هم زیبا است و هم انرژی جنبشی زیادی دارد و ما می‌توانیم از آن برای مصارف برق هیدروالکتریکی استفاده کنیم

همه‌ی نیروگاه‌های برق به آبشارها متکی نیستند و بسیاری از آن‌ها از بخار استفاده می‌کنند. بخار مانند یک جریان عمل می‌کند و می‌تواند انرژی را به توربین و در نهایت به ژنراتور منتقل کند. معروف‌ترین شیوه برای تولید بخار، داغ کردن آب با سوزاندن زغال‌سنگ است. همچنین می‌توان با استفاده از واکنش‌های هسته‌ای کنترل‌شده، آب را به بخار تبدیل کرد. شما می‌توانید درمورد نحوه‌ی کارکرد انواع نیروگاه‌ها بیشتر مطالعه کنید: مثلا اینکه نیروگاه‌های هیدروالکتریک، بادی و هسته‌ای چگونه کار می‌کنند. فقط به‌خاطر داشته باشید که اصول ابتدایی آن‌ها برای تبدیل انرژی مکانیکی (چرخش توربین و تبدیل انرژی آن به انرژی الکتریکی) یکسان است.

البته استفاده کردن از ژنراتور برای تولید الکتریسیته تنها شروع کار است. وقتی الکترون‌ها به حرکت دربیایند، به یک مدار الکتریکی برای استفاده از آن‌ها نیاز است. 

وقتی شما باتری را داخل یک وسیله الکتریکی می‌گذارید، الکتریسیته خودبه خود وارد عمل نمی‌شود. الکترون‌های با بار منفی تمایل دارند به‌سمت قسمت مثبت باتری حرکت کنند. به‌عبارت ساده‌تر جریان حرکت بارها، مانند جریان آب است که چرخ آب را مجبوربه حرکت از نقطه الف به نقطه ب می‌‌کند. در استفاده‌ از باتری، پیل سوختی یا سلول خورشیدی برای تولید الکتریسیته، سه اصل همیشه ثابت و یکسان است:

۱. منبع الکتریسیته باید دو پایانه داشته باشد: پایانه مثبت و پایانه منفی

۲. منبع الکتریسیته (چه ژنراتور باشد و چه باتری یا هر مورد دیگری) خواستار حرکت دادن الکترون‌های پایانه منفی با ولتاژی مشخص خواهد بود. به‌عنوان مثال، یک باتری قلمی معمولا الکترون‌ها را با شدت ۱/۵ ولت انتقال می‌دهد.

۳. الکترون‌ها برای حرکت از پایانه‌ی منفی به‌سمت پایانه‌ی مثبت به یک سیم مسی یا سایر مواد رسانا نیاز خواهند داشت. وقتی راهی برای انتقال از منفی به‌سمت مثبت وجود دارد، شما یک مدار دارید و الکترون‌ها می‌توانند از طریق سیم جریان پیدا کنند.

شما می‌توانید از هرگونه بار الکتریکی که می‌خواهید مثل لامپ یا موتور در وسط مدار استفاده کنید. منبع الکتریسیته، نیروی مورد نیاز وسیله را فراهم خواهد کرد و وسیله هرگونه وظیفه‌ای را که به آن محول شده باشد، انجام خواهد داد؛ مثلا چرخاندن شفت برای تولید نور.

مدارهای الکتریکی می‌توانند بسیار پیچیده شوند، ولی منبع الکتریسیته (مثل باتری)، وسیله و دو سیمی که الکتریسیته را انتقال دهند همیشه وجود خواهد داشت. الکترون‌ها از منبع حرکت می‌کنند، به وسیله می‌رسند و دوباره به منبع برمی‌گردند.

الکترون‌های درحال حرکت، انرژی دارند. وقتی الکترون‌ها از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر می‌روند، وظیفه‌شان را انجام می‌دهند. به‌عنوان مثال در یک لامپ رشته‌ای، انرژی الکترون‌ها صرف تولید گرما می‌شود و خود گرما هم برای تولید نور مورد استفاده قرار می‌گیرد. در یک موتور الکتریکی، انرژی الکترون‌ها، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و میدان نیز با دیگر مغناطیس‌ها و آهن‌رباها برای ایجاد حرکت و جنبش، تعامل دارد (تعامل ازطریق جذب و دفع مغناطیسی صورت می‌گیرد.) چون موتورها برای فعالیت‌های روزمره مهم هستند و از طرفی هم اساسا یک ژنراتور هستند که برعکس کار می‌کند، به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

موتورهای الکتریکی

همان‌طور که قبلا گفتیم، ژنراتور انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. موتور هم طبق همین اصول کار می‌کند، اما در جهت برعکس؛ یعنی موتور انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. موتور برای انجام چنین کاری به یک نوع مغناطیس خاص به‌نام الکترومغناطیس نیاز دارد. الکترومغناطیس در ساده‌ترین حالت از یک میله و محور آهنی تشکیل شده است که دور آن سیم‌پیچی شده است. اگر جریان را از سیم عبور دهید، یک میدان مغناطیسی در میله‌ی آهنی تشکیل می‌شود و آن را تبدیل به آهن‌ربایی با قطب مثبت و منفی می‌کند. قطع کردن جریان باعث متوقف شدن خواص مغناطیسی می‌شود.

الکترومغناطیس‌ها به‌تنهایی هم بسیار مفید هستند. شما می‌توانید از آن‌ها برای برداشتن اشیای فلزی، حمل آن‌ها و انداختن آن‌ها تنها با قطع جریان، استفاده کنید. به‌عنوان مثال، افرادی که روی پشت‌بام کار می‌کنند می‌توانند از آن‌ها برای برداشتن میخ‌هایی که به‌طور تصادفی در حیاط می‌افتند، استفاده کنند. در قبرستان‌های خودروها هم از جرثقیل‌های الکترومغناطیس برای جابه‌جایی ماشین‌ها استفاده می‌شود.

الکترومغناطیس‌ها وقتی روی یک محور و بین دو مغناطیس و آهن‌ربای ثابت قرار می‌گیرند، بسیار به‌کار می‌آیند. اگر قطب جنوبی الکترومغناطیس روبروی قطب جنوبی یکی از آهن‌رباهای ثابت قرار بگیرد و قطب شمال آن هم روبروی قطب شمال آهن‌ربای دیگر قرار بگیرد، الکترومغناطیس شروع‌به چرخیدن می‌کند. چنین امری نمی‌تواند زیاد مفید باشد، مگر اینکه قطبیت الکترومغناطیس وابسته‌به جهت جریان باشد. انتقال جریان الکتریکی در یک جهت باعث قرار گرفتن قطب شمال آهن‌ربا به یک طرف خواهد شد؛ و با برعکس شدن جریان، قطب شمال در جهت خلاف قرار خواهد گرفت. در موتورها، دستگاهی به‌نام کموتاتور یا جابه‌جاگر جهت جریان الکتریکی را عوض می‌کند. با تغییر قطب‌های الکترومغناطیس، آهن‌ربا بدون هیچ دخالتی شروع‌به چرخیدن می‌کند. این‌ها توضیحی مختصر از نحوه‌ی کار الکترومغناطیس بود؛ برای جزئیات بیشتر باید نحوه عملکرد موتورهای الکتریکی را مطالعه کنید.

الکترومغناطیس نعلی‌شکل بزرگ که توسط مایکل فارادی، شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی در حوالی سال ۱۸۳۰ استفاده می‌شد.

همان‌طور که گفتیم، انرژی مکانیکی تولید شده در یک موتور الکتریکی می‌تواند در ماشین‌ها و دستگاه‌های مختلفی مورد استفاده قرار بگیرد. بسیاری از ابزار گاراژ، وسایل خانگی و اسباب‌بازی‌ها براساس همین موتورها کار می‌کنند. برخی از این موتورها نیازمند جریانی بسیار قوی برای کار کردن هستند. برخی از آن‌ها هم مثل موتورهای جریان مستقیم مورد استفاده در ربات‌ها و مدل‌ها به ولتاژ و جریان بسیار کمی نیاز دارند. اکنون به ولتاژ و جریان می‌پردازیم.

ولتاژ، جریان، و مقاومت

همان‌طور که قبلا ذکر شد، تعداد الکترون‌های درحال حرکت در یک مدار، جریان نامیده می‌شوند و واحد اندازه‌گیری جریان، آمپر است. فشار پشت الکترون‌ها هم ولتاژ است و واحد اندازه‌گیری ولتاژ، ولت است. اگر در آمریکا زندگی می‌کنید، پریز برق خانه یا آپارتمان شما، ۱۲۰ ولت است. این مقدار برای برخی کشورها ۲۲۰ ولت [از جمله ایران] و برای برخی کشورها ۱۱۰ ولت است.

برای مشخص کردن مقدار الکتریسیته مصرفی، از واحدهایی به‌نام‌های وات‌ساعت یا کیلووات‌ساعت استفاده می‌شود. اگر شما دوشاخه‌ی یک هیتر و وسیله‌ی گرمایی را به پریز بزنید که مقدار جریان الکتریسیته آن ۱۰ آمپر است؛ یعنی هیتر شما یک وسیله ۱۲۰۰ واتی است. اگر مقدار ولت را در آمپر ضرب کنید، مقدار برق برحسب وات را به‌دست می‌آورید. در این نمونه، ولتاژ خانگی ۱۲۰ ولت بود و جریان هم ۱۰ آمپر: ۱۲۰×۱۰ =۱۲۰۰ وات. چنین فرمولی برای تمامی وسایل برقی صدق می‌کند. اگر جریان لامپ نیم (۰/۵) آمپر باشد، مقدار برق مصرفی لامپ ۶۰ وات می‌شود (۰.۵×۱۲۰=۶۰).

حال اگر موقع زدن دوشاخه‌ی هیتر به برق، به کنتور نگاه کنید متوجه می‌شوید که کنتور مجموع مقدار برق مصرفی را اندازه‌گیری می‌کند و درنهایت طبق عدد به‌دست‌آمده‌ی کلی از کنتور، مشترک پول پرداخت خواهد کرد. حال اگر فرض را بر این بگیریم که تنها وسیله‌ی برقی روشن همان هیتر باشد و وسیله دیگری روشن نباشد، کنتور فقط برق مصرفی هیتر را اندازه‌گیری می‌کند. هیتر از ۱/۲ کیلووات (۱۲۰۰ وات) برق استفاده می‌کند. اگر هیتر به‌مدت ۱ ساعت روشن باشد، شما ۱/۲ کیلووات‌ساعت برق مصرف کرده‌اید. اگر هزینه هر کیلووات‌ساعت، ۱۰ سنت باشد، فرد مصرف‌کننده باید به‌ازای هر یک ساعت روشن گذاشتن هیتر، مبلغ ۱۲ سنت را پرداخت کند.

مقاومت در کنار جریان و ولتاژ یکی از ۳ واحد اصلی در الکتریسیته است. طبق توضیح زیر، می‌توان با استفاده از رشته درخشان در یک لامپ رشته‌ای، میزان مقاومت را در عمل مشاهده کرد.

حالا یک عامل دیگر را به ولتاژ و جریان اضافه می‌کنیم: مقاومت. واحد اندازه‌گیری مقاومت، اهم است. ما می‌توانیم از آب به‌عنوان مثالی برای توضیح مقاومت استفاده کنیم. اگر ولتاژ، مقدار فشار آب و جریان هم مقدار سرعت جریان آب باشد، مقاومت، اندازه‌ی لوله خواهد بود.

معادله مهندسی الکتریکی به‌نام قانون اهم ارتباط سه عامل را نشان می‌دهد. جریان برابر است با ولتاژ تقسیم‌بر مقاومت: I = V/R

I: جریان (به آمپر)

V: ولتاژ (به ولت)

R: مقاومت (به اهم)

فرض کنید مخزنی از آب فشار متصل‌به یک شلنگ دارید که می‌خواهید با آن باغ‌تان را آبیاری کنید. اگر فشار آب را زیاد کنید، آب با فشار بیشتری از مخزن خارج می‌شود. درمورد سیستم الکتریکی هم همین‌گونه است: افزایش ولتاژ باعث افزایش شدت جریان می‌شود.

حال اگر قطر شلنگ آب را افزایش دهید، آب بیشتری از شلنگ خارج می‌شود. در سیستم الکتریکی این کار مانند کاهش مقاومت الکتریکی است که بازهم باعث افزایش شدت جریان می‌شود.

شما می‌توانید از مثال آب و شلنگ برای بررسی لامپ رشته‌ای هم استفاده کنید. رشته‌ی لامپ، یک سیم بسیار نازک است. این سیم نازک در مقابل جریان الکترون‌ها مقاومت می‌کند. شما می‌توانید مقاومت سیم را با استفاده از معادله مقاومت به‌دست بیاورید. اگر لامپ شما ۱۲۰ وات باشد یا به‌عبارت دیگر ولتاژ آن ۱۲۰ ولت و جریان آن ۱ آمپر باشد، شما می‌توانید طبق معادله زیر مقدار مقاومت رشته را محاسبه کنید:

R = V/I

درنتیجه مقاومت لامپ شما ۱۲۰ اهم می‌شود.

جدای از این مفاهیم اساسی در مورد الکتریسیته دو نوع جریان اصلی داریم که با یکدیگر متفاوت‌اند: جریان مستقیم و جریان متناوب.

جریان مستقیم دربرابر جریان متناوب

باتری‌ها، پیل‌ سوختی و سلول‌های خورشیدی همگی جریان مستقیم تولید می‌کنند. پایانه‌های مثبت و منفی باتری همیشه به‌ترتیب مثبت و منفی هستند. جریان همیشه در یک جهت یکسان بین دو پایانه حرکت می‌کند.

اما برقی که از نیروگاه نشئت می‌گیرد، جریان متناوب نام دارد. جهت و مسیر جریان برعکس است و به‌صورت تناوبی تغییر می‌کند؛ در آمریکا در هر ثانیه ۶۰ بار و در اروپا در هر ثانیه ۵۰ بار. برق موجود در پریز برق آمریکا ۱۲۰ ولت به‌همراه جریان متناوب ۶۰ سیکلی است.

مزیت بزرگ جریان متناوب برای شبکه‌ی برق، تغییر دادن آسان ولتاژ برق با استفاده از یک ترانسفورماتور است. شرکت‌های برق از این طریق برق زیادی ذخیره می‌کنند و با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا، برق را به مناطق بسیار دور می‌فرستند.

اما نحوه‌ی کار کردن آن چگونه است؟ فرض می‌کنیم نیروگاهی داریم که می‌تواند ۱ میلیون وات برق تولید کند. یکی از راه‌های انتقال برق فرستادن یک میلیون آمپر با ولتاژ ۱ ولت است. راه دیگر فرستادن برق، انتقال آن با جریان ۱ آمپر و ولتاژ ۱ میلیون ولتی است. فرستادن ۱ آمپر نیازمند سیم نازکی است و برق زیادی هنگام فرستادن به گرما تبدیل نمی‌شود (هدر نمی‌رود). فرستادن ۱ میلیون آمپر هم نیازمند سیم بزرگ ضخیمی است.

بنابراین شرکت‌های برق برای فرستادن آن، جریان متناوب را به ولتاژهای بسیار بالا (مثلا یک میلیون ولت) تبدیل می‌کنند؛ سپس موقع توزیع آن را به ولتاژهای کوچک‌تر (مثلا هزار ولت) تبدیل می‌کنند؛ و درنهایت آن را به ۱۲۰ ولت می‌رسانند تا برای مصرف خانگی ایمن باشد. مسلما کشته شدن یک نفر با ۱۲۰ ولت بسیار سخت‌تر از یک میلیون ولت است ( و امروزه تقریبا با استفاده از پریزهای قطع‌کننده مدار زمین، مرگی به‌دلیل برق‌گرفتگی اتفاق نمی‌افتد). برای کسب اطلاعات بیشتر باید چگونگی کارکرد شبکه‌های برق را مطالعه کنید. اکنون قصد داریم به یکی دیگر از مفاهیم اصلی درمورد الکتریسیته یعنی زمین الکتریکی، بپردازیم.

زمین الکتریکی

وقتی صحبت از الکتریسیته می‌شود شاید درمورد زمین یا اتصال‌به زمین مواردی به گوش‌تان خورده باشد. به‌عنوان مثال شاید روی یک ژنراتور الکتریکی نوشته شده باشد: قبل از استفاده از اتصال‌به زمین مطمئن شوید؛ یا اینکه روی وسایل خانگی نوشته شده باشد:  بدون اتصال‌به زمین استفاده نکنید.

بنابراین شرکت‌های برقی از زمین به‌عنوان یکی از سیم‌های سیستم برق استفاده می‌کند. سیاره‌ی زمین یک هادی برق خوب است و از طرفی هم بسیار بزرگ است؛ بنابراین می‌تواند مسیر خوبی برای بازگشت الکترون‌ها فراهم کند. منظور از زمین در شبکه‌ی توزیع برق، تمام زمین‌هایی است که روی آن‌ها راه می‌روید و می‌تواند خاک، گل، صخره، سنگ، آب زیرزمینی و غیره باشد.

سیستم‌های توزیع برق چندین بار به زمین متصل می‌شوند. به سیم پایین آمده از تیر برق توجه کنید

اگر تابه حال به تیرهای برق نگاه کرده باشید، شاید یک سیم لخت آویزان از آن‌ها را دیده باشید. این سیم، سیم‌های بالا را مستقیما به زمین متصل می‌کند. تمامی تیرهای برق جهان چنین سیم لختی دارند. اگر نصب تیر برق را دیده باشید، شرکت نصب‌کننده سیم لخت را به سیم‌پیچی از تیر وصل می‌کند. سیم‌پیچ با زمین تماس مستقیم دارد و بین ۲ تا ۳ متر زیر زمین نفوذ می‌کند. اگر تیر برق را بادقت بررسی کنید متوجه خواهید شد که سیم مستقیما به زمین متصل است.

همین‌طور در نزدیکی کنتور برق خانه یا آپارتمان یک میله مسی دراز ۲ متری داخل زمین است. برق زمین و تمامی پریز‌های خنثی خانه شما به این میله مسی وصل است. شما می‌توانید برای اطلاعات بیشتر، پیرامون کارکرد شبکه‌های برق مطالعه کنید.