مهندسی برق

يك توپ را با ميله پلاستيكي و ديگر را ميله شيشه‌اي باردار كنيد سپس آنها را به هم بچسبانيد. گاهي دوبار ناپديد مي‌شوند و همديگر را از بين مي‌برند. براي بيان اين مساله مي‌توان از يك قانون رياضي مبني بر اينكه اگر حاصل جمع دو كميت صفر شود، يكي از آن دو مثبت و ديگري منفي است، استفاده نمود. طبق قرارداد به ميله پلاستيكي را بار منفي و ميله شيشه‌اي را بار مثبت نسبت داده‌اند.

بيان ساده اي از قانون بقاي بار

وقتي كه يك ميله پلاستيكي را با خز مالش مي‌دهيم، ميله بار منفي و خز بار مثبت پيدا مي‌كند. آزمايش را با دو جسم خنثي شروع مي‌كنيم، يعني مجموع بار آن دو برابر صفر است. بعد از مالش دادن ، يكي بار مثبت و ديگري بار منفي مي‌يابد كه باز هم بار كل برابر صفر مي‌شود. همچنين وقتي ميله‌اي بار مثبت بيابد، بار جسم پلاستيكي كه ميله شيشه‌اي را با آن مالش مي‌دهيم منفي مي‌شود.

هيچ كس نمي تواند يكي از اين دو بار را خلق كند، بدون آنكه همزمان ديگري را نيز توليد كرده باشد در يك چنين فرايندي مقدار كل بار تغيير نمي‌كند. اين مطلب بيانگر قانون بقاي بار الكتريكي است. اين قانون همانند قوانين پايستگي جرم و انرژي ، اندازه حركت خطي ، اندازه حركت زاويه اي و ... در فيزيك يك قانون بنيادي است.

ترانسفورماتورها را با توجه به كاربرد و خصوصيات آنها به سه دسته كوچك متوسط و بزرگ دسته بندي كرد. ساختن ترانسفورماتورهاي بزرگ و متوسط به دليل مسايل حفاظتي و عايق بندي و امكانات موجود ، كار ساده اي نيست ولي ترانسفورماتورهاي كوچك را مي توان بررسي و يا ساخت. براي ساختن ترانسفورماتورهاي كوچك ، اجزاي آن مانند ورقه آهن ، سيم و قرقره را به سادگي مي توان تهيه نمود.

اجزاي تشكيل دهنده يك ترانسفورماتور به شرح زير است؛

هسته ترانسفورماتور:

هسته ترانسفورماتور متشكل از ورقه هاي نازك است كه سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتور ها محاسبه مي شود. براي كم كردن تلفات آهني هسته ترانسفورماتور را نمي توان به طور يكپارچه ساخت. بلكه معمولا آنها را از ورقه هاي نازك فلزي كه نسبت به يكديگر عايق‌اند، مي سازند. اين ورقه ها از آهن بدون پسماند با آلياژي از سيليسيم (حداكثر 4.5 درصد) كه داراي قابليت هدايت الكتريكي و قابليت هدايت مغناطيسي زياد است ساخته مي شوند.

در اثر زياد شدن مقدار سيليسيم ، ورقه‌هاي دينام شكننده مي شود. براي عايق كردن ورقهاي ترانسفورماتور ، قبلا از يك كاغذ نازك مخصوص كه در يك سمت اين ورقه چسبانده مي شود، استفاده مي كردند اما امروزه بدين منظور در هنگام ساختن و نورد اين ورقه ها يك لايه نازك اكسيد فسفات يا سيليكات به ضخامت 2 تا 20 ميكرون به عنوان عايق در روي آنها مي مالند و با آنها روي ورقه ها را مي پوشانند. علاوه بر اين ، از لاك مخصوص نيز براي عايق كردن يك طرف ورقه ها استفاده مي شود. ورقه هاي ترانسفورماتور داراي يك لايه عايق هستند.

بنابراين ، در مواقع محاسبه سطح مقطع هسته بايد سطح آهن خالص را منظور كرد. ورقه‌هاي ترانسفورماتورها را به ضخامت هاي 0.35 و 0.5 ميلي متر و در اندازه هاي استاندارد مي سازند. بايد دقت كرد كه سطح عايق شده ى ورقه هاي ترانسفورماتور همگي در يك جهت باشند (مثلا همه به طرف بالا) علاوه بر اين تا حد امكان نبايد در داخل قرقره فضاي خالي باقي بماند. لازم به ذكر است ورقه ها با فشار داخل قرقره جاي بگيرند تا از ارتعاش و صدا كردن آنها نيز جلوگيري شود.

ميدانيم كه هر ماده از تعداد بسيار اتم تشكيل شده است كه هر اتم نيز از سه قسمت 1-نوترون 2- پروتن 3-الكترون تشكليل شده است تعداد الكترونها با تعداد پروتنها در حالت عادي (خنثي) برابر است الكترون داراي بار منفي و پروتن داراي بار مثبت ميباشند كه الكترونها به دور(( پروتن و نوترون )) (هسته اتم) با سرعت بسيار زيادي ميچرخند در اثر اين چرخش نيروي گريز از مركزي بوجود مي آيد كه مقدار اين نيرو با مقدار نيروي جاذبه بين الكترونها و هسته برابر است پس اين برابري نيرو الكترونها را در حالت تعادل نگه ميدارد و نميگذارد كه از هسته دور شوند .

يك سيم مسي هم داراي تعداد زيادي اتم و در نتيجه الكترون است هر گاه ما بتوانيم توسط يك نيرويي الكترونهاي در حال چرخش به دور هسته را از مدار خود خارج كنيم و در يك جهت معين به حركت در آوريم جريان الكتريكي برقرار ميشود.

پس اين نكته را دريافتيم كه جريان برق چيزي جز حركت الكترونها نيست البته اين حركت بصورت انتقالي انجام ميشود يعني يك اتم تعدادي الكترون به اتم كناري خود ميدهد و اتم كناري نيز به همين ترتيب تعدادي الكترون به اتم بعدي ميدهد و بدين صورت جريان برقرار ميشود. پس هر گاه كه ميگوئيم جريان برق كم يا زياد است يعني تعداد الكترونهايي كه در مسير سيم در حال حركت هستند كم يا زياد است .

نيروهايي كه باعث جدا شدن الكترون از هسته ميشوند:

1- نيروي مغناطيسي خارجي

هرگاه يك سيم را در يك ميدان مغناطيسي حركت دهيم نيروي اين ميدان باعث حركت الكترونهاي سيم ميشود .

2- ضربه

فرض كنيد يك اتوبوس كنار خيابان ايستاده و تمام مسافران آن محكم روي صندليها نشستند بعد يك اتومبيل ديگر با سرعت زياد به جلوي اين اتوبوس برخورد ميكند حال اتوبوس با سرعت به عقب پرتاب ميشود و مسافران كه در آنها اينرسي سكون ذخيره شده تمايل دارند كه به همان حالت سكون باقي بمانند در نتيجه اتوبوس به عقب رفته ولي مسافران در همان نقطه مكاني باقي ميمانند در نتيجه مسافران از صندليهاي خود جدا شده و از شيشه اتوبوس به بيرون پرتاب ميشوند پس اين نيروي ضربه بود كه مسافران را از اتوبوس جدا كرد به همين صورت نيز ضربه ميتواند الكترونها را از مدار خود خارج كند. نمونه اين توليد برق در فندكها.

3- انرژي خورشيدي

انرژي خورشيدي نيز داراي نيرويي است كه قادر است الكترونها را از مدار خود جدا كند.

4-حرارت و ...

ميدانيم كه حرارت باعث ميشود كه جنبش ملكولي اجسام زياد شود در اثر اين جنبش تعداد زيادي ملكول به شدت با هم برخورد ميكنند كه همان نيروي ضربه را بوجود مي آوردند و باعث جدا شدن الكترون از اتم ميشوند .

نكته : يك سيم مانند دالاني ميماند كه در يك دوره زماني مشخص تعداد معيني از افراد ميتوانند از آن عبور كنند يعني براي اينكه در دوره زماني مشخص مثلا در 1 دقيقه افراد بيشتري بتوانند از اين دالان عبور كنند بايد سرعت حركت آنها بيشتر شود در نتيجه در اثر برخورد با هم و با ديواره دالان باعث ايجاد اصطكاك و گرما ميشوند براي سيم نيز چنين اتفاقي مي افتد يعني اگر بخواهيم تعداد الكترونهاي در حال حركت را افزايش دهيم (جريان را افزايش دهيم ) سرعت حركت الكترونها و نيز تعداد الكترونهايي كه همراه با هم از مقطع سيم عبور ميكنند افزايش مي يابد در نتيجه اصطكاك افزايش يافته و توليد گرما ميكند كه اگر جريان بيش از حد مجاز خود از سيم عبور كند گرماي توليد شده باعث ذوب شدن سيم ميشود (سيم ميسوزد).

برداشت كلي از اين قسمت : حركت الكترونها در يك هادي (سيم) را جريان الكتريكي گويند .

تا اينجا معني جريان را فهميديم اما در مورد ولتاژ چه بايد گفت ؟

آيا يك منبع كه ولتاژش بيشتر باشد برق بيشتري توليد ميكند يا منبعي كه جريانش بيشتر باشد ؟