الکتریسیته چیست؟ تاریخچه و چگونگی کشف

الکتریسیته چیست؟

به مجموعه ای از پدیده های طبیعی گفته می شود که به حضور و جریان بار الکتریکی وابسته است. الکتریسیته امکان تولید و دریافت انواع تابش های الکترومغناطیسی مانند موج های رادیویی را فراهم می کند و اثرات مختلفی مانند آذرخش، الکتریسیته ساکن، القای الکترومغناطیسی و جریان الکتریکی دارد.

امروزه الکتریسیته در همه جای زندگی ما دیده می شود و با زنگی ما پیوند خورده است، الکتریسیته باعث روشنایی خانه، محل کار و خیابانها می شود، غذای ما را می پزد،  کامپیوتر و تلفن همراه ما را قابل استفاده می کند، تلویزیون و نیروی لازم برای کار کردن وسایل الکترونیکی را تامین می کند. الکتریسیته ی باتری چراغ قوه را در تاریکی روشن می کند و ماشین ها را به حرکت در می آورد.

قبل از اینکه بخواهیم به پرسش الکتریسیته چیست پاسخ بدهیم لازم است درباره اتم ها و ساختار آن آشنا شویم.

بدن ما و همه موجودات و هر ماده دیگری از اتم ها ساخته شده اشت. اتم کوچکترین ذره ای است که یک عنصر را می توان به آن تقسیم کرد، بدون اینکه خواص شیمیایی آن عنصر از بین برود. اتم از هسته ای سنگین تشکیل می شود که توسط ابری از بارهای منفی که الکترون نام دارند محاصره شده و هسته اتم از نوترون و پروتون تشکیل شده است.

طرح شماتیک اتم برای کربن: مدل اتمی ابتدایی ارنست رادرفورد که امروزه نادقیق به حساب می آید، اما همچنان به عنوان یک تندیس در نظر گرفته می شود..

مدل بور از اتم کلسیم: بور در ابتدا مدل اتمی خود را جهت نمایش دادن اینکه الکترون های اتم هیدروژن چگونه تغییر مدار می دهند، توسعه داد. امروزه فیزیکدانان می دانند که این مدل دقیق نیست، اما به این دلیل که توضیح شفافی از ساختار اتم در دسترس نیست اما همچنان از آن در سطح مقدماتی استفاده می کنند.

الکترون ها شامل یک بار منفی و پروتون ها دارای بار مثبت، و نوترون ها خنثی هستند.

انواع مختلفی اتم ها وجود دارد که هرکدام از این آنها یک عنصر است، و تنها قسمت سازنده عنصر اتم است. تا کنون ۱۱۸ نوع عنصر شناخته شده است که بعضی از آنها ازجمله اکسیژنی که ما با آن نفس می کشیم برای حیات ضروری است.

هر اتم از تعداد مشخصی الکترون، پروتون و نوترون ساخته شده است، اما جدای اینکه یک اتم چند ذره دارد، باید تعداد الکترون ها و پروتون ها با هم برابر باشند. در صورتی که تعداد الکترون ها و پروتون ها باهم برابر باشد، اتم در تعادل بوده و بسیار پایدارد است.

بنابراین، در صورتی که یک اتم دارای ۶ عدد پروتون باشد، باید ۶ الکترون نیز داشته باشد، عنصری که دارای ۶ پروتون و ۶ الکترون باشد کربن نام دارد، عنصر کربن در خورشید، ماه و دیگر ستاره ها، اتمسفر بیشتر سیاره ها و همچنین مواد غذایی که می خوریم به مقدار زیادی وجود دارد، همچنین الماس و ذغال سنگ نیز از این عنصر ساخته شده اند.

در صورتی که یک اتم یا مولکول با گرفتن یا از دست دادن یک یا چند الکترون، بار الکتریکی پیدا کند، تبدیل به یون می شود و اگر اتم الکترون را بدست آورد، بار منفی پیدا می کند، و همچنین در صورتی که الکترون را از دست بدهد، بار مثبت پیدا می کند.

اگر الکترون ها را وادار کنیم که از یک اتم به اتم دیگر حرکت کنند، جریان الکتریسیته بوجود می آید. تصور کنید که چند نفر که هر کدام یک سطل دارند می خواهند مقداری آب را جابجا کنند، به این صورت که آب از سطل شخص اول به سطل شخص دوم و الی آخر ریخته شود. توجه داشته باشد که هر شخص یک سطل دارد و فقط آب منتقل می شود. در اتم ها هم انتقال الکترون به همین صورت انجام میگیرد، در رسانای فلزی یون ها(سطل) منتقل نمی شوند بلکه الکترون ها(آب) منتقل می شوند. این در واقع بار از یک اتم به اتم دیگر منتقل می شود.

همه اتم ها تمایل دارند در تعادل باشند و در صورتی که اتمی نامتعادل شود، به دنبال الکترون آزاد می گردد تا جای خالی الکترون از دست رفته را پر کند. ما می گوییم که این اتم نامتعادل یک بار مثبت دارد چون تعداد زیادی پروتون دارد.

ارتباط بار مثبت و منفی به الکتریسیته

تا کنون چندین روش جهت تولید زیاد اتم مثبت و الکترون آزاد کشف شده است. به دلیل اینکه اتم های مثبت تمایل دارند همیشه در تعادل باشند، الکترون ها را به شدت جذب می کنند. همچنین الکترون ها نیز دوست دارند جزئی از یک اتم متعادل باشند، آن ها نیز تلاش می کنند اتم های مثبت را جذب کنند تا به تعادل برسند.

بنابراین هر چه اتم های مثبت یا الکترون های منفی بیشتری داشته باشید، جاذبه بین آن ها بیشتر خواهد بود. دلیل آن هم این است که بارهای مثبت و منفی، هم دیگر را جذب می کنند. می توانیم کل جاذبه را “بار” بنامیم.

زمانی که الکترون ها در بین اتم های ماده در حرکت باشند، یک جریان الکتریسیته تشکیل شده و این اتفاقی است که در یک سیم می افتد. الکترون ها از یک اتم به اتم دیگر منتقل شده و یک جریان الکتریکی از یک سر به سر دیگر ایجاد می شود.

بعضی از مواد الکتریسته را بهتر از مواد دیگر منتقل می کنند. عاملی که نشان می دهد یک رسانا چقدر در انتقال جریان الکتریسیته خوب است، مقاومت آن است به این صورت که هر چه مقاومت کمتر باشد، رسانا بهتر و بلعکس. برخی از عناصر به شدت تمایل دارند الکترون های خود را نگه دارند و این باعث می شود الکترون ها در بین آن ها به سختی حرکت کنند، به این مواد را عایق گفته می شود. موادی مانند پلاستیک، لاستیک، لباس، شیشه و هوای خشک عایق های بسیار خوبی هستند و مقاومت بسیار زیادی دارند.

برخی دیگر از مواد که الکترون های ضعیفی دارند، الکترون ها در بین آن ها به راحتی حرکت می کنند. به این نوع از مواد رسانا گفته می شود، اکثر فلزات مانند مس، آلومینیوم، یا استیل رساناهای خوبی هستند.

تاریخچه الکتریسیته

تالس، اولین محقق ثبت شده در تاریخ دربارهٔ الکتریسیته است. البته سالها قبل از کشف این محقق مردم متوجه شوک ماهی های الکتریکی شده بودند. همچنین در نوشته های قدیمی مصریان باستان که از سده ۲۸ قبل از میلاد به جای مانده است، این ماهی ها را را تندرگرهای نیل نامگذاری کرده و آنها را محافظ دیگرر ماهی ها می دانستند. هزاران سال قبل، ماهی های الکتریکی توسط امپراطوری روم، یونان باستان، و همچنین طبیعت شناسان مسلمان گزارش شده است.

چند نویسنده باستانی، مانند پلنیوس و اسکریبونیوس لارگوس به تأثیرات بی ‌حس کننده شوک ناشی از گربه ماهی های الکتریکی و سپرماهی سانان پی برده و کشف کرده بودند که این شوک، توسط اشیای رسانا قابل انتقال است. در آن زمان جهت درمان بیماری هایی مانند نقرس یا سردرد، لمس این ماهی ها توصیه می شد تا توسط نیروی خارق العاده آنها درمان شوند.

مردمی که در تمدن های کنار مدیترانه زندگی میکردند پی برده بودند که برخی از اجسام مانند کهربا، پس از مالش به موهای گربه توانایی جذب اجسام سبک پر را دارند.

دانشمند و فیلسوف یونانی، به نام تالس در حدود سال ۶۰۰ قبل از میلاد، بعد مطالعاتی که روی الکتریسیته ساکن انجام داد، پی برد که کهربا در اثر مالش، تبدیل به ماده مغناطیسی می شود. بر طبق نظریه ای و به دلیل کشف باتری بغدادی، کشف الکتریسیته را ابتدا به ایران و سپس به بین النهرین باستان در زمان اشکانیان نسبت داده می شود.

در قرن ۱۸میلادی آقای بنجامین فرانکلین تحقیقات گسترده ای بر روی این موضوع انجام داد که این تحقیقات توسط جوزف پریستلی با عنوان تاریخچه و شرایط فعلی الکتریسیته تنظیم شد. آقای فرانکلین در آن زمان با این فرد مکاتبات زیادی انجام داده بود.

تا قرن ۱۶ میلادی و به مدت چند هزار سال الکتریسیته فقط یک کنجکاوی ذهنی بود، تا اینکه دانشمند انگلیسی به نام ویلیام گیلبرت مطالعات دقیقتری در مورد الکتریسیته و مغناطیس انجام داد. این دانشمند توانست تأثیر سنگ آهنربا را به وسیله مالش کهربا شناسایی کند. او خاصیت جذب اجسام کوچک، پس از مالش electricus نامگذاری کرد. سپس واژه های الکتریسیته و الکتریکی برای اولین در کتاب سیودودکسیا اپیدمیکا، نوشته توماس براون به چاپ رسید.

در سالهای بعد افرادی مانند اتو فن گریکه، رابرت بویل، استفن گری و چارلز فرانکویس این تحقیقان را ادامه و سپس در قرن ۱۸ میلادی، آقای بنجامین فرانکلین تحقیقات گسترده ای روی این موضوع انجام داد که این تحقیقات توسط جوزف پریستلی با عنوان تاریخچه و شرایط فعلی الکتریسیته تنظیم شد. او در آن زمان با این فرد مکاتبات زیادی انجام داده بود. آقای فرانکلین با فروش دارایی های خود، هزینه تحقیقاتش را فراهم کرد. مشهور است که او در سال ۱۷۵۲ به انتهای یک بادبادک مرطوب یک کلید فلزی وصل کرد و آن را در آسمان طوفانی به هوا فرستاد. جرقه‌های متوالی که از کلید به پشت دستش می‌پریدند، نشان دهنده این بود که آذرخش قطعاً پدیده ای الکتریکی در طبیعت است. او همچنین رفتار ظاهراً متناقض بطری لیدن را با عنوان وسیله ای جهت ذخیره مقار زیادی بار الکتریکی عنوان کرد.

در سال ۱۷۹۱میلادی آقای مایکل فارادی اساس تکنولوژی موتور الکتریکی را با انتشار اکتشاف خود در زمینه بیوالکتریک شکل داد، او نشان داد که الکتریسیته عاملی  است که، سیگنال ها را از یاخته های عصبی به ماهیچه ها انتقال می دهد.

در قرن ۱۸ام، باتری الساندرو ولتا، یا پیل ولتایی، که با قرار گرفتن لایه های متناوب روی و مس روی یکدیگرساخته شده بود، توانست منبع انرژی قابل اعتمادتری نسبت به ژنراتورهای الکترواستاتیکی قدیمی فراهم کند. کشف الکترومغناطیس، یا همان وحدت پدیده های الکتریکی و مغناطیسی، که بین سال های ۱۸۱۹–۱۸۲۰ میلادی  توسط هانس کریستین اورستد و آندره ماری آمپر اتفاق افتاد. در سال ۱۸۲۱ میلادی مایکل فارادی موتور الکتریکی را اختراع و سپس در سال ۱۸۲۷ آقای گئورگ زیمون اهم از نظر ریاضی مدار الکتریکی را بررسی کرد. در بین سال های ۱۸۶۱ و  ۱۸۶۲جیمز کلرک ماکسول در کتاب درباره خطوط فیزیکی نیرو، توانست الکتریسیته و مغناطیس را به طور قطعی به یکدیگر مرتبط سازد.

در اوایل قرن ۱۹میلادی، در پی پیشرفت های سریعی که داشت در برق اتفاق می افتاد، اواخر قرن ۱۹ ، شاهد بزرگترین پیشرفت در مهندسی برق بود. با تلاش دانشمندان بینظیری از جمله الکساندر گراهام بل، اتو بلاثی، توماس ادیسون، گالیله فراری، الیور هویساید، انیوس جدلیک، چارلز آلگرنون پارسونز، ویلیام تامسون، ارنست فون زیمنس، جوزف سوان، نیکولا تسلا و جرج وستینگهاوس، الکتریسیته از حس کنجکاوی ذهنی تبدیل به یکی از ابزارهای بسیار مهم در زندگی مدرن و نیروی محرکه ای جهت ایجاد انقلاب صنعتی دوم شد.

در سال ٬۱۸۸۷ هاینریش هرتز موفق به کشف الکترودهایی شد که با پرتوی فرابنفش روشن می شدند و می توانستند به سادگی جرقه‌های الکتریکی را به بوجود بیاورند. در مقاله ای که آلبرت انیشتن در سال ۱۹۰۵ منتشر کرد با توصیف داده های آزمایشگاهی، اثر فوتوالکتریک را به عنوان نتیجه انرژی نور نشان داد و ثابت کرد، این انرژی که توسط بسته های کوانتمی حمل می شود و به الکترون ها انرژی می دهد. بعد از این اکتشاف بود که انقلاب کوانتمی ایجاد شد. و به خاطر این اکتشاف در سال  ۱۹۲۱ بود که به او جایزه نوبل فیزیک تعلق گرفت. امروزه در حسگرهای نور و صفحه های خورشیدی از اثر فوتوالکتریک بهره می بند و اخیراً نیز جهت تولید الکتریسیته در سطح تجاری به کار گرفته می شوند.

اولین وسیلهٴ حالت جامد، که در دههٴ ۱۹۳۰ در گیرنده‌های رادیویی استفاده شد ردیاب سبیل گربه ای بود. در این ردیاب یک سیم سبیل گربه ای به یک بلور جامد (مانند بلور ژرمانیوم) متصل می شو و می توانست با استفاده از تأثیر نقطه تماس، یک سیگنال رادیویی را شناسایی کند. در جز حالت جامد، جریان الکتریکی به عناصر و ترکیبات جامد وابسته است و برای پر کردن کمبود الکترون ها است که حفره الکترونی نامگذاری شده است.

در سال ۱۹۴۷ میلادی با اختراع ترانزیستور وسایل حالت جامد ارتقا یافتند. برخی از این وسایل حالت جامد که بیشتر رایج هستند عبارتند از: ترانزیستورها، تراشه های ریزپردازنده و حافظه دسترسی تصادفی، و از جمله نوع ویژه ای از حافظه ها که به نام حافظه فلش شناخته می شود و در یو اس بی فلش درایوها استفاده می شود. که امروزه، درایوهای حالت جامد جایگزین سیستم چرخش مکانیکی دیسک مغناطیسی در هارد درایو شده است.

وسایل حالت جامد در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ بسیار محبوبیت شدند، که مصادف بود با تغییر تکنولوژی از لامپ خلاء به دیودهای نیمه رسانا، ترانزیستورها، مدارهای مجتمع و ال ای دی.