الکتریسیته

خلاصه :

برق یا الکتریسیته (Electricity) مجموعه ای از پدیده های فیزیکی است که به وجود و حرکت بار الکتریکی مرتبط هستند. اگرچه در ابتدا گمان می رفت این پدیده ربطی به پدیده مغناطیس ندارد، اما از زمان ارائه روابط ماکسول، هر دو این پدیده ها به عنوان بخشی از یک پدیده کلی شناخته می شوند.

این پدیده کلی الکترومغناطیس نام دارد. پدیده های متداول مختلفی به الکتریسیته مربوط هستند که از بین آن ها می توان به صاعقه، الکتریسیته ساکن، گرمایش الکتریکی، تخلیه الکتریکی و بسیاری دیگر اشاره کرد.

وجود بار الکتریکی، که می تواند مثبت یا منفی باشد، باعث به وجود آمدن یک میدان الکتریکی می شود. حرکت بار های الکتریکی را جریان الکتریکی می گویند که باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی می شود.

وقتی یک بار الکتریکی در محلی با میدان الکتریکی غیر صفر قرار می گیرد، نیرویی به آن وارد می شود. مقدار این نیرو با استفاده از قانون کولمب محاسبه می شود. اگر آن بار حرکت کند، میدان الکتریکی بر روی آن بار، کار انجام می دهد. بنابراین ما می توانیم از پتانسیل الکتریکی یک نقطه خاص در فضا صحبت کنیم که برابر است با کار انجام شده توسط یک عامل خارجی به منظور حمل بدون شتاب بار الکتریکی مثبت واحد از یک نقطه مبنای دلخواه به آن نقطه خاص مورد نظر و اغلب با واحد ولت سنجیده می شود.

الکتریسیته در قلب بسیاری از تکنولوژی های مدرن قرار دارد و به شکل های زیر مورد استفاده قرار می گیرد:

• توان الکتریکی که در آن، از جریان الکتریکی برای تامین انرژی تجهیزات و دستگاه های مختلف استفاده می شود.

• الکترونیک که با مدار های الکتریکی دارای اجزای الکتریکی فعال مانند لامپ های خلا، ترانزیستور ها، دیود ها و مدار های مجتمع(IC) و تکنولوژی های منفعل مربوط به آن ها سر و کار دارد.

پدیده های الکتریکی از دوران باستان مورد مطالعه قرار می گرفتند؛ اگرچه پیشرفت در درک نظری این پدیده ها تا قرن های 17 و 18 میلادی کند بود. حتی در این زمان هم کاربرد های الکتریسیته بسیار کم بود و تنها در اواخر قرن 19 میلادی بود که مهندسین برق توانستند از آن برای مصارف صنعتی و خانگی بهره ببرند. گسترش سریع فناوری های الکتریکی در این برهه، صنعت و جامعه را متحول کرد و به عنوان نیروی پیشرانه دومین انقلاب صنعتی شناخته شد. تطبیق پذیری خارق العاده الکتریسیته بدان  معناست که می توان از آن در تعداد نامحدودی کاربرد های مختلف که شامل حمل و نقل، تولید گرما، تولید نور، ارتباطات و محاسبات می شوند، بهره برد. توان الکتریکی امروزه ستون فقرات جامعه مدرن صنعتی به شمار می رود.

صاعقه یکی از دیدنی ترین اثرات الکتریسیته است

تاریخچه برق یا الکتریسیته

مدت ها قبل از این که هرگونه دانشی در زمینه الکتریسیته وجود داشته باشد، مردم در مورد شوک های الکتریکی مار ماهی های برقی می دانستند. متن های مربوط به مصر باستان که تاریخشان به 2750 سال قبل از میلاد مسیح بر می گردد ، از این ماهی ها با نام “تندرگر نیل” یاد کرده اند و آن ها را به عنوان محافظ سایر ماهی ها می دانستند. وجود ماهی های برقی هزار سال بعد نیز توسط یونانیان و رومیان باستان و طبیبان عرب، گزارش شد. چندین نویسنده دوران باستان مانند پلینیوس و اسکریبونیوس لارگوس  اثر بی حس کننده شوک الکتریکی که از گربه ماهی یا پرتوماهی برقی را تایید کردند و می دانستند چنین شوک هایی می توانند در داخل اجسام رسانا حرکت کنند. به بیمارانی که از بیماری های چون نقرس یا سردرد رنج می بردند گفته می شد ماهی های برقی را لمس کنند. این کار به امید این انجام می شد که حرکت سریع این نوع ماهی ها بتواند​ آن ها رادرمان کند. احتمالا اولین و نزدیک ترین رویکرد به کشف هویت صاعقه و الکتریسیته ناشی از هر منبع دیگری به عرب ها مرتبط بوده است که قبل از قرن 15 میلادی واژه عربی رعد را به پدیده صاعقه اختصاص داده بودند و آن را در مورد پرتوماهی برقی نیز به کار می بردند.

تمدن های باستانی در اطراف دریای مدیترانه می دانستند که برخی از اشیا، مانند میله های کهربایی را می توان به خز های روی پوست گربه مالید که باعث می شد تا میله اجسام سبک مانند پر را به خود جذب کند. تالس، حدود 600 سال قبل از میلاد مسیح، مجموعه مشاهداتی را بر روی الکتریسیته ساکن انجام داد. او از این مشاهدات نتیجه گرفت بر خلاف برخی کانی ها مانند مگنتیت، که به مالش احتیاجی نداشتند، اصطکاک باعث مغناطیسی شدن کهربا می شود. نظریه تالس مبنی بر این که علت جذب پر توسط میله، ناشی از تاثیرات مغناطیسی است درست نبود، اما بعد ها علم توانست وجود ارتباط بین مغناطیس و الکتریسیته را ثابت کند. بر اساس یک نظریه جنجالی، این احتمال وجود دارد که پارت ها در مورد نحوه انجام فرآیند آبکاری اطلاع داشتند. این فرضیه بر اساس کشف پیل بغدادی، که به یک سلول گالوانی شباهت دارد، در سال 1936 میلادی مطرح شده است. البته معلوم نیست که این اثر باستانی ماهیتا الکتریکی بوده باشد.

تالس، اولین محقق شناخته شده الکتریسیته

الکتریسیته تا سال 1600 میلادی و به مدت هزار سال، تنها به صورت یک کنجکاوی ذهنی باقی ماند. در این زمان بود که دانشمند انگلیسی ویلیام گیلبرت، تحقیق دقیقی بر روی الکتریسیته و مغناطیس انجام داد و توانست بین اثر جذب مغناطیسی و اثر الکتریسیته ساکن که با مالش عقیق ایجاد می شد تفاوت قائل شود. او کلمه جدیدی را در زبان نئو لاتین ابداع کرد. این کلمه electricus( به معنی “از عقیق” یا “شبیه به عقیق” که از کلمه elektron در زبان یونانی به معنی “عقیق” مشتق شده است) نام داشت. او از این کلمه برای اشاره به خاصیت جذب اجسام کوچک، پس از مالیده شدن استفاده کرد. این ارتباط، باعث به وجود آمدن کلمه های انگلیسی الکتریک و الکتریسیته شد که اولین بار توسط توماس براون در کتاب  Pseudodoxia Epidemica که در سال 1646 چاپ شد مورد استفاده قرار گرفت.

در این زمینه کار های بیشتری توسط افرادی چون اتو وان گریکه، رابرت بویل، استفن گری و شارل فرانسوا دو فِی انجام گرفت. در قرن 18 میلادی، بنجامین فرانکلین تحقیق جامعی را در زمینه الکتریسیته انجام داد. او برای این کار حتی تمامی اموالش را فروخت تا بتواند هزینه های این تحقیق را فراهم کند. مشهور است که او در ماه ژوئن سال 1752، یک کلید فلزی را به بخش پایینی رشته نخ مرطوب بادبادک متصل کرد و این بادبادک را در هوای طوفانی به پرواز در آورد .توالی جرقه هایی که از کلید فلزی به پشت دست او می پریدند نشان داد که صاعقه نیز ماهیتی الکتریکی دارد.  او همچنین رفتار به ظاهر متناقض ظرف شیشه ای لِیدن(نوعی خازن اولیه)که به عنوان دستگاهی برای ذخیره مقادیر زیاد بار الکتریکی شناخته می شد را از نظر الکتریسیته ای که از بارهای مثبت و منفی تشکیل می شد تشریح کرد.

بنجامین فرانکلین در قرن 18 میلادی تحقیقات جامعی را بر روی الکتریسیته انجام داد که در کتاب “تاریخچه و وضعیت فعلی الکتریسیته” نوشته جوزف پریستلی به تفصیل توضیح داده شده است. نام فرانکلین به عنوان مولف همکار بر روی این کتاب چاپ شده است.

در سال 1791، لوییجی گالوانی کشف خود از بیو الکترومغناطیس را منتشر کرد و نشان داد الکتریسیته، واسطه ای است که نورون ها از طریق آن، سیگنال ها را به عضلات منتقل می کنند. باتری الساندرو ولتا، یا پیل ولتایی، که در سال 1800 و از لایه های متناوب روی و نقره ساخته شده بود منبع قابل اطمینان تری از انرژی الکتریکی را نسبت به ژنراتور های الکترواستاتیکی که قبلا مورد استفاده قرار می گرفت، در اختیار دانشمندان گذاشت. به رسمیت شناخته شدن الکترومغناطیس، یعنی پیوستگی پدیده های الکتریکی و مغناطیسی، نتیجه زحمات هانس کریستین اورستد و آندره-ماری آمپر در سال های 1819 و 1820 است. مایکل فارادی موتور الکتریکی را در سال 1821 اختراع کرد و گئورگ اهم، در سال 1827، مدار الکتریکی را به صورت ریاضی تحلیل کرد. الکتریسیته و مغناطیس(و نور) به صورت قطعی توسط جیمز کلرک ماکسول به یکدیگر مرتبط شدند. این کار به طور مشخص در مقاله او به نام ” در مورد خطوط فیزیکی نیرو” مربوط به سال های 1861 و 1862 انجام گرفت.

کشفیات مایکل فارادی سنگ بنای فناوری موتور های الکتریکی بود

اگرچه در اوائل قرن 19، پیشرفت سریعی در علم الکتریسیته مشاهده شد، اما بزرگترین پیشرفت در مهندسی برق در اواخر قرن 19 اتفاق افتاد. از طریق افرادی چون الکساندر گراهام-بل، اتو بلاتی، توماس ادیسون، گالیله فراری، الیور هوی ساید، آنیوس یدلیک، ویلیام تامسون ملقب به نخستین بارون کلوین(لرد کلوین)، چارلز آلگرنون پارسونز، ورنر فون زیمنس، جوزف سوان، رجینالد فسندن، نیکولا تسلا و جرج وستینگ هاوس، الکتریسیته از یک کنجکاوی ذهنی به ابزاری ضروری برای زندگی مدرن تبدیل شده و به نیروی پیشرانه دومین انقلاب صنعتی بدل شد.

در سال 1887، هاینریش هرتز پی برد که الکترود هایی که نور فرا بنفش به آن ها تابیده می شود، به گونه ای راحت تر باعث ایجاد جرقه های الکتریکی می شوند. در سال 1905، آلبرت انیشتین مقاله‌ای را منتشر کرد که در آن داده های آزمایشگاهی اثر فوتوالکتریک را ناشی از ناشی از این امر دانست که انرژی نور در بسته های کوانتیزه گسسته حمل شده و باعث جذب انرژی توسط الکترون ها می شود. این کشف منجر به انقلاب کوانتومی شد. در سال 1921، جایزه نوبل فیزیک به خاطر ” کشف قانون فوتوالکتریک” به انیشتین اهدا شد. اثر فوتوالکتریک در حسگر های نوری(فوتوسل ها) مورد استفاده قرار می گیرد و نمونه های آن را می توان در صفحات خورشیدی مشاهده کرد. از این فوتوسل ها برای تولید برق در مقیاس تجاری استفاده می شود.

اولین قطعه حالت جامد، تشخیص دهنده کریستالی( تشخیص دهنده سبیل گربه) بود که در دهه 1900 میلادی، در گیرنده های رادیویی مورد استفاده قرار گرفت. در این قطعه، سیمی شبیه به سبیل گربه در تماس اندکی با یک کریستال جامد( مانند کریستال ژرمانیوم) قرار می گیرد  تا بتواند یک سیگنال رادیویی را با استفاده از اثر برقراری تماس، تشخیص دهد. در یک جز حالت جامد، جریان تنها به عناصر و ترکیب های جامد محدود می شود که به گونه ای خاص طراحی شده اند تا بتوانند آن را قطع و وصل کرده یا تشدید کنند. جریان الکتریکی را می توان به دو شکل درک کرد: به عنوان الکترون های با بار منفی و یا به عنوان کمبود الکترون که باعث بار مثبت می شود و به آن حفره های الکترونی گفته می شود. این بار ها و حفره ها را می توان در چارچوب فیزیک کوانتومی درک کرد. ماده سازنده اغلب یک نیمه رسانای کریستالی است.

با اختراع ترانزیستور در سال 1947، قطعات حالت جامد موفقیت چشمگیری یافت. دستگاه های حالت جامد متداول شامل ترانزیستور ها، چیپ های ریزپردازنده و رم می باشند. نوع خاصی از رم ها که به آن ها رم فلش گفته می شود در حافظه های قابل حمل USB  و اخیرا در درایو های حالت جامد(SSD) مورد استفاده قرار می گیرد تا جایگزین دیسک های مغناطیسی(با چرخش مکانیکی) در درایو های دیسک سخت(HDD) شود.  قطعات حالت جامد در دهه های 50 و 60 میلادی و در جریان گذار از لامپ های خلا به دیود ها، ترانزیستور ها، IC ها و LED های نیمه رسانا، بسیار متداول شدند.

مفاهیم برق یا الکتریسیته

بار الکتریکی

وجود بار الکتریکی، باعث به وجود آمدن یک نیروی الکترواستاتیکی می شود: بار ها بر یکدیگر نیرو وارد می کنند؛ این اثر در دوران باستان شناخته شده بود اما قابل درک نبود. می توان یک گوی سبک را که از یک نخ آویزان است از طریق تماس با یک میله شیشه ای که خودش نیز از طریق مالش با یک پارچه باردار شده است، باردار کرد. اگر یک گوی مشابه دیگر با همان میله شیشه ای باردار شود، مشاهده می شود که دو گوی یکدیگر را دفع می کنند. در واقع بار الکتریکی به گونه ای عمل می کند که دو گوی را از یکدیگر دور کند. دو گویی که با میله های کهربایی باردار شوند نیز یکدیگر را دفع می کنند. اما اگر یکی از گوی ها با استفاده از میله شیشه ای باردار شود و برای دیگری از میله کهربایی استفاده شود، دو گوی یکدیگر را جذب می کنند. چنینی پدیده هایی در اواخر قرن 18 میلادی توسط چارلز-آگوستین کولمب مورد بررسی قرار گرفتند. او نتیجه گرفت بار الکتریکی خودش را در دو شکل متضاد نمایش می دهد. این کشف منجر به قاعده کلی زیر شد که شهرت بسیاری یافته است: اشیا با بار مشابه همدیگر را دفع می کنند و اشیا با بار متضاد یکدیگر را جذب می کنند.

نیروی وارده، بر روی خود ذرات باردار اثر می کند، پس بار الکتریکی تمایل دارد تا بر روی یک سطح رسانا، خودش را تا جای امکان به صورت یکسان و یکنواخت توزیع کند. مقدار نیروی الکترومغناطیسی، چه به صورت جاذبه ای باشد و چه به صورت دافعه ای، توسط قانون کولمب محاسبه می شود که نیرو را به حاصل ضرب بار ها مربوط می کند و همچنین رابطه ای معکوس با مجذور فاصله بین دو بار دارد. نیروی الکترومغناطیسی بسیار قوی است و پس از نیروی هسته ای قوی، نیرومندترین نیرو به شمار می رود. اما برخلاف نیروی هسته ای قوی، نیروی الکترومغناطیسی در تمام فاصله ها وجود دارد. در مقایسه با نیرو های بسیار ضعیف تر گرانشی، نیروی الکترومغناطیسی که دو الکترون را از یکدیگر دور می کند  برابر قوی تر از نیروی جاذبه ای است که آن ها را به سمت یکدیگر می کشاند.

تحقیقات نشان داده، منشا بار الکتریکی انواع خاصی از ذره های زیراتمی است که خاصیت بار الکتریکی دارند. بار الکتریکی باعث به وجود آمدن نیروی الکترومغناطیسی می شود و با آن برهم کنش دارد. این نیرو یکی از 4 نیروی بنیادی طبیعت به شمار می رود. آشناترین حاملان بار های الکتریکی، الکترون ها و پروتون ها هستند. آزمایش ها نشان داده اند بار الکتریکی کمیتی پایستار است، یعنی مقدار بار کل در یک سیستم ایزوله الکتریکی بدون توجه به هر گونه تغییری که در داخل سیستم رخ دهد، همواره ثابت خواهد بود. در داخل سیستم، بار ممکن است از طریق تماس مستقیم و یا از طریق عبور کردن از یک ماده رسانا( مثلا یک سیم) بین اجسام مختلف منتقل شود. واژه غیررسمی الکتریسیته ساکن به وجود بار خالص( یا عدم توازن بارهای مثبت و منفی) بر روی یک جسم اشاره دارد. این حالت معمولا زمانی اتفاق می افتد که دو ماده غیر مشابه یه یکدیگر مالیده می شوند و در نتیجه بار الکتریکی از یکی از آن ها، به دیگری منتقل می شود.

مقدار بار موجود بر روی الکترون ها و پروتون ها تنها در علامت تفاوت دارد. بنابراین می توان مقدار یک بار الکتریکی را با مثبت یا منفی بودن آن بیان کرد. طبق قرارداد، بار حمل شده توسط الکترون ها منفی و بار حمل شده توسط پروتون ها مثبت در نظر گرفته می شود. این قرارداد از تلاش های بنجامین فرانکلین نشات گرفته است. مقدار بار را معمولا با حرف Q نمایش می دهند و بر حسب واحد کولمب بیان می شود. هر الکترون باری یکسان و معادل  کولمب است. پروتون نیز باری برابر دارد اما علامت آن مخالف علامت الکترون است. بنابراین بار پروتون برابر  کولمب خواهد بود. بار الکتریکی تنها متعلق به ماده نیست، بلکه در پادماده نیز هر پادذره، باری برابر ولی مخالف با بار ذره مربوطه اش حمل می کند.

بار را می توان با چندین روش اندازه گیری کرد. یکی از ابزار های اولیه برای این کار، الکتروسکوپ است که اگرچه هنوز برای آموزش در کلاس های درس مورد استفاده قرار می گیرد اما در حالت کلی الکترومتر الکترونیکی، جای آن را گرفته است.

بار موجود بر روی الکتروسکوپ ورقه طلا باعث می شود تا ورقه ها به وضوح یکدیگر را دفع کنند

جریان الکتریکی

به حرکت بار الکتریکی، جریان الکتریکی اطلاق می شود و شدت آن اغلب با واحدی به نام آمپر اندازه گیری می شود. جریان الکتریکی می تواند ناشی از حرکت هر نوع ذره بارداری باشد. در اغلب موارد، این ذره ها الکترون ها هستند اما هر بار در حال حرکتی، باعث ایجاد جریان الکتریکی می شود. جریان الکتریکی می تواند از برخی چیز ها عبور کند که به آن ها رساناهای الکتریکی گفته می شود اما نمی تواند از برخی مواد عبور کند که به​ آن ها عایق های الکتریکی گفته می شود.

به عنوان یک قرارداد تاریخی، جریان مثبت با جهتی مشابه جهت حرکت هر بار الکتریکی مثبتی که در آن قرار گرفته است تعریف می شود.یا به عبارتی، از مثبت ترین بخش یک مدار به منفی ترین بخش آن جریان می یابد. جریانی که به این صورت تعریف شود، جریان قراردادی گفته می شود. بنابراین، حرکت الکترون ها با بار منفی در یک مدار الکتریکی که یکی از متداول ترین انواع جریان است در خلاف جهت الکترون ها، مثبت فرض می شود. با این وجود، بسته به شرایط جریان الکتریکی می تواند شامل جریان ذرات باردار در هر یک از دو جهت و یا حتی در دو جهت به صورت هم‌زمان باشد. قرارداد مثبت به منفی، به طور گسترده برای ساده سازی این حالت مورد استفاده قرار می گیرد.

فرآیندی که از طریق آن، جریان الکتریکی از یک ماده عبور می کند رسانش الکتریکی نامیده می شود و ماهیت آن با ماهیت ذرات باردار در حال عبور و همچنین ماده ای که از آن عبور می کنند، تغییر می کند. مثال هایی از جریان الکتریکی شامل رسانش فلزی که در آن الکترون ها در داخل یک رسانا مانند یک فلز جریان پیدا می کنند و الکترولیز که در آن یون ها(اتم های باردار) در داخل یک مایع حرکت می کنند و یا حرکت جرقه های الکتریکی در داخل پلاسما ها می باشد. اگرچه خود ذرات ممکن است بسیار آرام حرکت کنند(در بعضی موارد سرعت رانش متوسط آن ها تنها کسری از میلی‌متر بر ثانیه است) اما میدان الکتریکی که باعث حرکت آن ها می شود، خودش با سرعتی نزدیک به سرعت نور منتشر می شود و این پدیده باعث می شود تا سیگنال های الکتریکی بتوانند با سرعت زیاد از طریق سیم ها منتقل شوند.

جریان الکتریکی چندین اثر قابل مشاهده در پی دارد که از نظر تاریخی، از این آثار برای شناسایی وجود آن استفاده می شد. این که آب در اثر عبور جریان الکتریکی ناشی از یک پیل ولتایی تجزیه می شود توسط نیکولسن و کارلایل در سال 1800 کشف شد. این فرآیند امروزه با نام الکترولیز شناخته می شود. در سال 1833، کار این دو دانشمند به طرز وسیعی توسط مایکل فارادی گسترش پیدا کرد. جریانی که از یک جسم دارای مقاومت الکتریکی عبور می کند باعث گرم شدن موضعی آن جسم می شود. این اثر را جیمز ژول در سال 1840 به صورت ریاضی مورد بررسی قرار داد. یکی از مهمترین کشف های در زمینه جریان الکتریکی در سال 1820 توسط هانس کریستین اورستد و به صورت تصادفی اتفاق افتاد. زمانی که او داشت خودش را برای تدریس در کلاس آماده می کرد، مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیم، عقربه یک قطب نمای مغناطیسی را دچار اختلال می کند. او الکترومغناطیس، که در واقع برهم کنش بنیادی بین الکتریسیته و مغناطیس است را کشف کرده بود. سطح تشعشعات الکترومغناطیس که توسط پدیده قوس الکتریکی ایجاد می شوند به اندازه کافی بالا هست تا بتواند باعث ایجاد تداخل الکترومغناطیسی شود که می تواند برای عملکرد تجهیزات مجاور، مضر باشد.

در کاربرد های مهندسی یا خانگی، جریان الکتریکی یا به صورت مستقیم (DC) و یا به صورت متناوب (AC) خواهد بود. منظور از این واژه ها، نحوه تغییر جریان در طول زمان است. جریان مستقیم، مثلا جریانی که از باتری تولید می شود و بیشتر وسایل الکترونیکی به آن نیاز دارند، جریانی تک جهته از بخش مثبت مدار به بخش منفی آن است. اگر مطابق آنچه معمول است، این جریان ناشی از الکترون ها باشد، آن ها در جهت مخالف حرکت خواهند کرد. جریان متناوب هر جریانی است که به طور مداوم جهتش عوض می شود. تقریبا همیشه این تغییر جهت به شکل یک موج سینوسی اتفاق می افتد. بنابراین در جریان متناوب، بار در داخل یک رسانا عقب و جلو می رود بدون آنکه بار در مجموع در گذر زمان مسافتی را طی کند. مقدار میانگین جریان متناوب در طول زمان صفر است اما این نوع جریان ابتدا انرژی را در یک جهت و سپس در جهتی معکوس منتقل می کند. جریان متناوب تحت تاثیر خواص الکتریکی قرار دارد که در جریان مستقیم در حالت پایدار قابل مشاهده نیستند که به عنوان نمونه از این خواص می توان به خود القایی و خود خازنی اشاره کرد. زمانی که مدار در معرض پاسخ های گذرا قرار می گیرد، مثلا وقتی که برای بار اول به آن انرژی داده می شود، اثر این پدیده ها بسیار مهم خواهد شد.

قوس الکتریکی نمایشی از قدرت جریان الکتریکی

میدان الکتریکی

مفهوم میدان الکتریکی توسط مایکل فارادی معرفی شد. یک میدان الکتریکی توسط یک جسم باردار و در فضای اطراف آن جسم ایجاد شده و باعث می شود تا به هر بار دیگری که در این میدان قرار بگیرد، نیرو وارد شود. میدان الکتریکی بین دو بار، شبیه به میدان گرانشی بین دو جرم عمل می کند و مانند آن در فواصل بی نهایت نیز وجود دارد و همچنین رابطه ی معکوسی با مجذور فاصله دارد. اما بین این دو میدان یک تفاوت عمده وجود دارد: گرانش همواره در حالت جاذبه عمل می کندو باعث می شود تا دو جرم به یکدیگر نزدیک تر شوند، در حالی که میدان الکتریکی می تواند باعث جاذبه یا دافعه شود. با توجه به این که اجرام بزرگ مانند سیارات به طور کلی دارای بار الکتریکی خالص نیستند، بنابراین میدان الکتریکی در فواصل دور معمولا صفر است. پس با وجود این که گرانش نیرویی ضعیف تر از میدان الکتریکی است اما عملا در فواصل دور در جهان هستی، گرانش نیروی غالب به شمار می رود.

یک میدان الکتریکی معمولا در فضا تغییر می کند و قدرت آن در هر نقطه به صورت نیرویی که توسط یک بار ناچیز و غیرمتحرک که در آن نقطه قرار گرفته، حس می شود تعریف شده است. این بار خیالی، که به​ آن بار آزمون گفته می شود، باید به حدی کوچک باشد تا میدان الکتریکی خودش در میدان الکتریکی اصلی اختلال ایجاد نکند و همچنین باید ساکن باشد تا جلوی تاثیرات میدان مغناطیسی گرفته شود. با توجه به این که میدان الکتریکی با کمک نیرو تعریف می شود و نیرو نیز یک بردار است، می توان نتیجه گرفت که میدان الکتریکی نیز یک کمیت برداری است و بنابراین هم دارای مقدار و هم دارای جهت خواهد بود. در واقع به طور مشخص، میدان الکتریکی یک میدان برداری است.

مطالعه میدان های الکتریکی که توسط بار های ساکن ایجاد می شوند، الکترواستاتیک نامیده می شود. می توان میدان الکتریکی را با مجموعه ای از خطوط موهومی که جهتشان در هر نقطه، با جهت میدان الکتریکی در آن نقطه یکسان است تصویر کرد. این مفهوم توسط فارادی معرفی شد که واژه خطوط نیروی او هنوز هم در برخی موارد مورد استفاده قرار می گیرد. خطوط میدان مسیر هایی هستند که یک بار نقطه ای مثبت، در صورتی که تحت تاثیر نیروی میدان الکتریکی قرار بگیرد می خواهد از آن مسیر ها عبور کند. اما باید توجه این داشت این تعابیر همه موهومی هستند و وجود فیزیکی ندارند و میدان الکتریکی در فواصل بین خطوط نیز نفوذ کرده و وجود دارد. خطوط میدانی که از بار ساکن خارج می شوند چندین خاصیت کلیدی دارند: اول این که آن ها از بار مثبت خارج شده و به بار مثبت وارد می شوند، دوم این که آن ها حتما با زاویه قائم وارد هر رسانا شوند و سوم این که این خطوط هرگز نمی توانند یکدیگر یا خودشان را قطع کنند.

یک جسم رسانای توخالی، همه بار الکتریکی را در سطح خارجی خود حمل می کند. بنابراین میدان الکتریکی در تمام نقاط داخل جسم تو خالی صفر است. این اصلی است که قفس فارادی بر اساس آن عمل می کند. این قفس در واقع یک پوسته رساناست که داخلش را از اثرات الکتریکی بیرون قفس جدا می کند.

قوانین الکترواستاتیک در طراحی تجهیزات با ولتاژ بالا اهمیت بسیاری دارند. هر ماده ای می تواند حد محدودی از قدرت میدان الکتریکی را تحمل کند. فراتر از این حالت، شکست الکتریکی رخ می دهد و یک قوس الکتریکی باعث تخلیه الکتریکی بین اجزای باردار می شود. برای مثال هوا، در شدت میدان های الکتریکی که از 30 کیلوولت بر سانتیمتر فراتر می روند، در فواصل کوتاه قوس الکتریکی ایجاد می کند. در فواصل طولانی تر، مقاومت شکست آن ضعیف تر است و شاید به یک کیلو ولت بر سانتیمتر برسد. قابل مشاهده ترین پدیده طبیعی در این زمینه، صاعقه است که زمانی اتفاق می افتد که بار موجود در ابر ها توسط ستون های بالارونده هوا از یکدیگر جدا می شوند و بنابراین باعث می شود تا میدان الکتریکی در هوا بیش از حد تحمل آن شود. ولتاژ یک ابر صاعقه زای بزرگ می تواند تا 100 مگاولت نیز باشد و انرژی تخلیه ای معادل 250 کیلووات ساعت داشته باشد.

قدرت میدان الکتریکی از اجسام رسانای نزدیک به آن تاثیر زیادی می پذیرد. زمانی که میدان مجبور شود تا در اطراف اشیا نوک تیز انحنا پیدا کند، شدت آن به شدت افزایش خواهد یافت. از این اصل در ساخت برق گیر ها استفاده می شود که سر نوک تیز و نیزه مانند آن ها صاعقه را تشویق می کند تا در آن نقطه اتفاق بیفتد و به ساختمانی که برق گیر از آن محافظت می کند آسیبی نرسد.

خطوط میدان که از یک بار مثبت در بالای یک صفحه رسانا خارج می شوند

پتانسیل الکتریکی

مفهوم پتانسیل الکتریکی ارتباط تنگاتنگی با مفهوم میدان الکتریکی دارد. بار کوچکی که در میدان الکتریکی قرار بگیرد، نیرویی به​ آن وارد خواهد شد و برای این که بار الکتریکی تا آن نقطه بر خلاف جهت نیرو جابجا شود، لازم است تا بر روی آن کار انجام شود. پتانسیل الکتریکی در هر نقطه به صورت انرژی لازم برای جابجایی آرام بار آزمون واحد از فاصله بی نهایت تا آن نقطه تعریف می شود. معمولا این کمیت را بر حسب واحد ولت اندازه گیری می کنند و یک ولت، مقدار پتانسیلی است که باید برای آن، یک ژول کار انجام شود تا یک ذره باردار از بی نهایت تا آن نقطه جابجا شود. این تعریف از پتانسیل، اگرچه تعریف رسمی به شمار می رود اما کاربرد چندانی ندارد و مفهوم کاربردی دیگر به جای آن، اختلاف پتانسیل الکتریکی است که به معنی انرژی لازم برای جابجایی بار واحد بین دو نقطه مشخص است. یکی از خاصیت های میدان الکتریکی، پایستار بودن آن است. یعنی مسیر طی شده توسط بار آزمون تاثیری در مسئله ندارد؛ تمامی مسیر هایی که بین دو نقطه وجود دارد به مقدار انرژی ثابتی احتیاج دارند و بنابراین، بین هر دو نقطه اختلاف پتانسیل الکتریکی مقداری یکتا دارد. واحد ولت که واحد اندازه گیری و توصیف اختلاف پتانسیل الکتریکی انتخاب شده است به قدری گسترش یافته که کاربرد کلمه ولتاژ روز به روز افزایش می یابد.

برای اهداف کاربردی، بهتر است تا نقطه مبنای مشترکی انتخاب شود تا پتانسیل ها بر آن اساس بیان و مقایسه شوند. اگرچه می توان این نقطه مبنا را در بی نهایت در نظر گرفت اما حالت مفیدتر، در نظر گرفتن زمین به عنوان نقطه مبناست زیرا فرض می شود پتانسیل آن در همه نقاط یکسان است. طبیعتا نام این نقطه مبنا، زمین در نظر گرفته شده است. فرض می شود زمین منبعی بی نهایت از بار های مثبت و منفی به مقدار مساوی باشد. پس زمین از نظر الکتریکی خنثی است و قابل باردار شدن نیز نخواهد بود.

پتانسیل الکتریکی کمیتی اسکالر است. این بدان معنی است که این کمیت تنها مقدار دارد و دارای جهت نمی باشد. می توان این کمیت را شبیه به ارتفاع در نظر گرفت: همان طور که یک جسم رها شده در یک اختلاف ارتفاع به دلیل وجود میدان گرانشی سقوط خواهد کرد، به طور مشابه یک ذره باردار نیز در ولتاژی که ناشی از میدان الکتریکی است سقوط خواهد کرد. همان طور که در نقشه های توپوگرافی، خطوط تراز یا کنتور ها نقاط هم ارتفاع را نشان می دهند، می توان مجموعه ای از خطوط با پتانسیل الکتریکی یکسان(خطوط هم پتانسیل) را در اطراف یک جسم با بار الکترواستاتیکی رسم نمود. خطوط هم پتانسیل بر خطوط نیرو عمودند. این خطوط باید موازی سطح رسانا باشند؛ در غیر این صورت، مولفه نیرویی ایجاد خواهد شد که باعث حرکت حاملان بار می شود و پتانسیل سطح را برابر می کند.

میدان الکتریکی به صورت نیروی وارد بر واحد بار الکتریکی تعریف شده است اما مفهوم پتانسیل امکان ارائه تعریفی معادل و کاربردی تر را به ما می دهد: میدان الکتریکی گرادیان محلی پتانسیل الکتریکی است. به این ترتیب میدان الکتریکی بر حسب ولت بر متر تعریف می شود. جهت بردار میدان الکتریکی برابر شیب دار ترین خط تغییرات پتانسیل است و جایی است که در آن، خطوط هم پتانسیل در نزدیک ترین فاصله نسبت به یکدیگر قرار می گیرند.

یک جفت باتری قلمی- علامت مثبت نشان دهنده قطبیت اختلاف پتانسیل بین پایانه های باتری است

آهنربای الکتریکی

کشف اورستد در 1821 مبنی بر این که در اطراف یک سیم حامل جریان، میدان مغناطیسی وجود دارد نشان داد که بین الکتریسیته و مغناطیس رابطه مستقیم وجود دارد. علاوه بر این، نحوه بر هم کنش این دو با بر هم کنش بین نیروی های گرانشی و نیرو های الکترواستاتیکی( دو نیروی طبیعی که در آن زمان به خوبی شناخته شده بودند) متفاوت به نظر می رسید. نیروی وارد بر عقربه قطب نما آن را به سمت سیم حامل جریان منحرف نمی کرد یا از آن دور نمی کرد بلکه با زاویه ای قائم بر روی آن عمل می کرد. نتیجه گیری اندکی مبهم اورستد می گوید:”تضاد الکتریکی به گونه ای چرخشی عمل می کند.” همچنین نیرو به جهت جریان وابسته بود؛ یعنی اگر جهت جریان معکوس می شد، جهت نیرو نیز عوض می شد.

اورستد کشف خود را به طور کامل درک نکرد اما مشاهده کرد که این اثر دو طرفه است: جریان بر روی آهنربا نیرو وارد می کند و میدان مغناطیسی نیز بر روی جریان نیرو وارد می کند. این پدیده توسط آمپر بیشتر مورد بررسی قرار گرفت. او پی برد که دو سیم موازی حامل جریان بر روی یکدیگر نیرو وارد می کنند: دو سیم حامل جریان با جهت یکسان یکدیگر را جذب می کنند و دو سیم حامل جریان با جریان های مخالف یکدیگر، همدیگر را دفع می کنند. این برهم کنش ناشی از میدان مغناطیسی است که هر کدام از این جریان ها ایجاد می کند و مبنای تعریف بین المللی واحد آمپر به شمار می رود.

دوایر میدان مغناطیسی در اطراف جریان الکتریکی

این رابطه بین میدان های مغناطیسی و جریان ها بسیار مهم است زیرا در سال 1821، این رابطه منجر به اختراع موتور الکتریکی توسط مایکل فارادی شد. موتور هوموپولار فارادی متشکل از یک آهنربای دائمی بود که در مخزنی از جیوه قرار می گرفت. جریان از طریقی سیمی که به وسیله یک لولا در بالای آهنربا معلق بود سپس در جیوه غوطه ور می شد، عبور می کرد. آهنربا نیرویی مماسی بر سیم وارد می کرد و باعث می شد تا زمانی که جریان وجود داشته باشد، سیم به دور آهنربا بچرخد.

آزمایش هایی که توسط فارادی و در سال 1831 انجام گرفت نشان داد سیمی که عمود بر میدان مغناطیسی حرکت می کند، در دو سرش اختلاف پتانسیلی ایجاد می شود. بررسی بیشتر این فرآیند که به آن القای الکترومغناطیسی گفته می شود به او اجازه داد تا قانونی را بیان کند که امروزه به نام قانون القای فارادی شناخته می شود. این قانون می گوید اختلاف پتانسیل القایی در یک مدار بسته با نرخ تغییر شار مغناطیسی که از حلقه می گذرد متناسب است. بهره برداری از این کشف به او اجازه داد تا اولین مولد(ژنراتور) برقی را در سال 1831 اختراع کند. در این مولد انرژی مکانیکی چرخش یک دیسک مسی به انرژی الکتریکی تبدیل می شد. مولد فارادی بازده کمی داشت و نمی شد از آن به عنوان یک مولد کاربردی استفاده کرد اما این مولد نشان داد می توان با استفاده از مغناطیس، انرژی الکتریکی تولید کرد. با گذشت زمان، چنین ایده ای توسط دانشمندان دیگر مورد استفاده قرار گرفت.

موتور الکتریکی از یکی از اثرات مهم الکترومغناطیس بهره می برد: جریان عبوری از میدان مغناطیسی تحت تاثیر نیرویی عمود بر میدان مغناطیسی و همچنین جریان الکتریکی قرار می گیرد

الکتروشیمی

توانایی واکنش های شیمیایی در تولید الکتریسیته و عکس آن، یعنی توانایی الکتریسیته در پیش بردن واکنش های شیمیایی کاربرد های مختلف و گسترده ای دارد.

الکتروشیمی همواره بخش مهمی از شیمی به شمار می رفته است. از زمان اختراع اولین پیل ولتایی، سلول های الکتروشیمیایی تبدیل به انواع باتری های مختلف،  قابل استفاده در آبکاری و سلول های الکترولیز شده اند. آلومینیوم به طور عمده از این روش تولید می شود و بسیاری از دستگاه های قابل حمل، انرژی الکتریکی خود را با استفاده از سلول های قابل شارژ مجدد تامین می کنند.

مدار الکتریکی

یک مدار الکتریکی، اتصالی متقابل از اجزای الکتریکی است به گونه ای که بار الکتریکی وادار می شود تا در مسیر بسته ای(مدار) به حرکت در آید. این کار معمولا برای انجام کار های مفید صورت می گیرد.

اجزای یک مدار الکتریکی می توانند شکل های مختلفی داشته باشند. این اجزا می توانند شامل مقاومت ها، خازن ها، کلید ها، ترانسفورماتور ها و اجزای الکترونیکی دیگر اشاره کرد. مدار های الکتریکی حاوی اجزای فعال هستند که اغلب نیمه رسانا بوده و معمولا رفتار غیرخطی به نمایش می گذارند و به تحلیل های پیچیده نیاز دارند. ساده ترین اجزای الکتریکی آن هایی هستند که به آن ها، اجزای منفعل و خطی گفته می شود: اگرچه این اجزا ممکن است انرژی را در خود ذخیره کنند اما هیچ منبعی از انرژی ندارند و به محرک ها پاسخی خطی می دهند.

مقاومت ها شاید ساده ترین اجزای منفعل مدار های الکترونیکی باشند: همان طور که از نام آن ها بر می آید، این اجزا در برابر عبور جریان مقاومت می کنند و انرژی آن را به صورت گرما، تلف می کنند. مقاومت پیامد حرکت بار الکتریکی در داخل یک رساناست. برای مثال در فلزات، مقاومت الکتریکی عمدتا ناشی از برخورد بین الکترون ها و یون‌هاست. قانون اهم، قانون پایه نظریه مدار است و بیان می کند که جریانی که از یک مقاومت الکتریکی عبور می کند،​ با اختلاف پتانسیل دو سر آن نسبت مستقیم دارد. مقاومت بیشتر مواد در بازه ای از دما ها و جریان ها، نسبتا ثابت است. به موادی که از چنین شرطی تبعیت کنند، اهمیک گفته می شود. اهم، که واحد اندازه گیری مقاومت الکتریکی است به افتخار گئورگ اهم نام‌گذاری شده است و با حرف یونانی  نمایش داده می شود. یک اهم، مقاومتی است که در پاسخ به جریان عبوری یک آمپر، اختلاف پتانسیل یک ولت ایجاد کند.

خازن مدل توسعه یافته ای از ظرف شیشه ای لیدن است و قطعه ای است که می تواند بار الکتریکی و در نتیجه، انرژی الکتریکی میدان حاصل را ذخیره کند. خازن از دو صفحه رسانا که توسط یک لایه نازک دی الکتریک(نوعی عایق الکتریکی) از یکدیگر جدا شده اند. در عمل، ورقه های نازک فلزی به یکدیگر پیچیده می شوند تا با افزایش مساحت سطح در واحد حجم، ظرفیت خازن افزایش یابد. واحد ظرفیت خازن، فاراد است که به افتخار مایکل فارادی نام‌گذاری شده است.و با حرف F نمایش داده می شود: یک فاراد ظرفیت خازنی است که وقتی باری معادل یک کولمب در خود ذخیره کند، اختلاف پتانسیلی معادل یک ولت داشته باشد. خازنی که به منبع ولتاژ متصل می شود در ابتدا، باعث ایجاد جریان می شود زیرا در حال انباشته کردن بار های الکتریکی است. اما این جریان با گذر زمان و با پر شدن خازن کم تر می شود و در نهایت به صفر می رسد. بنابراین، یک خازن اجازه عبور جریان پایدار را نمی دهد، بلکه جلوی حرکت جریان را می گیرد.

یک القاگر که معمولا یک سیم پیچ است، رسانایی است که در پاسخ به جریان عبوری از آن، انرژی میدان مغناطیسی را ذخیره می کند. وقتی جریان تغییر کند، میدان مغناطیسی نیز عوض می شود و باعث القای ولتاژی بین دو سر رسانا می شود. ولتاژ القایی با نرخ تغییرات جریان در طول زمان نسبت مستقیم دارد. ضریب تناسب این رابطه ضریب خود القایی نام دارد. واحد ضریب خود القایی، هانری است که به افتخار جوزف هانری، یکی از دانشمندان هم عصر مایکل فارادی نام‌گذاری شده است. یک هانری ضریب خود القایی است که اگر جریان داخل سیم پیچ با نرخ یک آمپر بر ثانیه تغییر کند، اختلاف پتانسیلی معادل یک ولت در مدار القا کند. رفتار القاگر، تا حدودی معکوس رفتار خازن است: این قطعه به راحتی اجازه عبور جریان ثابت را می دهد اما در برابر جریانی که به سرعت تغییر می کند مقاومت می کند.

یک مدار الکتریکی ساده – منبع ولتاژ V در سمت چپ جریان I را در مدار می چرخاند و انرژی الکتریکی را وارد مقاومت R می کند. جریان از مقاومت به منبع باز می گردد و مدار را تکمیل می کند.

توان الکتریکی

توان الکتریکی نرخی است که انرژی الکتریکی توسط مدار الکتریکی منتقل می شود. واحد توان در دستگاه SI وات است که معادل یک ژول بر ثانیه می باشد.

توان الکتریکی، مشابه توان مکانیکی، نرخ انجام کار است و با حرف P نمایش داده می شود. در برخی موارد به طور محاوره ای از کلمه Wattage استفاده می شود که به معنی توان الکتریکی بر حسب وات است. توان الکتریکی تولید شده بر حسب وات که توسط جریان I که در واقع شامل باری معادل Q کولمب است که در هر t ثانیه از اختلاف پتانسیل V عبور می کنند به صورت زیر محاسبه می شود:

P=QVt=IV

که در آن:

• Q بار الکتریکی بر حسب کولمب است

• t زمان بر حسب ثانیه است

• I جریان الکتریکی بر حسب آمپر است

• V پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ بر حسب ولت است

تولید الکتریسیته اغلب از طریق مولد های الکتریکی اتفاق می افتد اما می توان آن را از طریق منابع شیمیایی مانند باتری های الکتریکی یا از طریق روش های دیگر که از منابع انرژی مختلف استفاده می کنند نیز تامین کرد. توان الکتریکی عمدتا توسط صنعت نیرو در اختیار خانه ها و کسب و کار ها قرار می گیرد. واحد فروش برق معمولا کیلووات ساعت( 6/3 مگا ژول) است که از ضرب توان الکتریکی بر حسب کیلووات در زمان استفاده بر حسب ساعت محاسبه می شود. شرکت های برق، توان مصرفی را با استفاده از کنتور ها محاسبه می کنند که مقدار کل انرژی الکتریکی مصرفی مشتری را ثبت می کند. بر خلاف سوخت های فسیلی، الکتریسیته، شکلی از انرژی با آنتروپی کم است و می توان آن را با بازده بالا به حرکت یا شکل های دیگر انرژی تبدیل کرد.

الکترونیک

الکترونیک با مدار های الکتریکی سر و کار دارد که دارای اجزای الکتریکی فعال مانند لامپ های خلا، ترانزیستور ها، دیود ها و مدار های مجتمع(IC)و تکنولوژی های منفعل مربوط به آن ها می باشد. رفتار غیرخطی اجزای فعال و توانایی آن ها در کنترل جریان الکترون ها امکان تقویت سیگنال های ضعیف را فراهم کرده است و از الکترونیک به طور گسترده در پردازش اطلاعات، مخابرات و پردازش سیگنال استفاده می شود. توانایی قطعات الکترونیکی در عمل کردن به عنوان کلید، پردازش اطلاعات دیجیتال را ممکن کرده است. تکنولوژی های اتصال داخلی مانند برد مدار چاپی، تکنولوژی بسته بندی الکترونیکی و شکل های دیگر زیرساخت های ارتباطی عملکرد مدار ها را تکمیل می کنند و این اجزای مختلف را به یک سیستم معمولی کارا تبدیل می کنند.

امروزه، بیشتر دستگاه های الکترونیکی از اجزای نیمه رسانا برای انجام کنترل الکترونی استفاده می کنند. مطالعه قطعات نیمه رسانا و تکنولوژی های مرتبط با آن به عنوان شاخه ای از فیزیک حالت جامد شناخته می شود، در حالی که طراحی و ساخت مدار های الکترونیکی برای حل کاربردی مشکلات در شاخه مهندسی برق-الکترونیک مطرح می شود.

اجزای الکترونیکی نصب شده با استفاده از فناوری نصب سطحی

موج الکترومغناطیسی

کار های فارادی و آمپر نشان داد که یک میدان مغناطیسی متغیر در زمان، به عنوان منبع یک میدان الکتریکی عمل می کند و یک میدان الکتریکی متغیر در زمان، به عنوان منبع یک میدان مغناطیسی عمل می کند. بنابراین، وقتی هر کدام از این میدان ها با گذر زمان تغییر کند، میدان دیگری لزوما باید در سیستم القا شود. چنین پدیده ای خواص یک موج را دارد و به طور طبیعی به آن موج الکترومغناطیس اطلاق می شود. امواج الکترو مغناطیس به صورت نظری در سال 1864 و توسط جیمز کلرک ماکسول مورد بررسی قرار گرفتند. ماکسول مجموعه ای از معادلات به دست آورد که می توانست به طور یکنواخت، رابطه بین میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، بار الکتریکی و جریان الکتریکی را توصیف کند. علاوه بر این او توانست ثابت کند که چنین موجی، لزوما باید با سرعت نور حرکت کند و بنابراین، خود نور نیز شکلی از تشعشعات الکترومغناطیس است. قوانین ماکسول که نور، میدان ها و بار را به صورت یکپارچه در می آورند یکی از بزرگترین دستاورد های فیزیک نظری هستند.

بنابراین، زحمات بسیاری از محققان این امکان را فراهم کرده تا از الکترونیک به منظور تبدیل سیگنال ها به جریان های نوسان دار با فرکانس بالا استفاده شود و با کمک رسانا های با شکل مناسب، الکتریسیته امکان ارسال و دریافت این سیگنال ها را در فواصل بسیار طولانی با استفاده از امواج رادیویی فراهم کرده است.

نحوه تولید برق و موارد استفاده

تولید و انتقال

در قرن ششم قبل از میلاد، فیلسوف یونانی، تالس آزمایش هایی را با کمک میله های کهربایی انجام داد و این آزمایش ها، اولین مطالعات برای تولید انرژی الکتریکی بودند. اگرچه این اثر که امروزه به نام اثر برق مالشی شناخته می شود می تواند اجسام سبک را بلند کند یا باعث ایجاد جرقه شود اما بازده بسیار کمی دارد. تنها با اختراع پیل ولتایی در قرن 18 میلادی بود منبع قابل اطمینانی از الکتریسیته به وجود آمد. پیل ولتایی و نسل مدرن تر آن یعنی باتری ها، انرژی را به صورت شیمیایی ذخیره می کنند و در صورت وجود نیاز، آن را به صورت انرژی الکتریکی در اختیار مصرف کننده قرار می دهند. باتری منبع تغذیه ای تطبیق پذیر و بسیار متداول به شمار می رود که برای بسیاری از کاربرد ها ایده آل است اما ظرفیت ذخیره انرژی آن محدود است و زمانی که تخلیه شد، باید مجددا شارژ شده یا دور انداخته شود. برای تقاضای زیاد برق، انرژی الکتریکی باید به صورت پیوسته تولید شده و از طریق خطوط انتقال رسانا به محل مورد نظر منتقل شود.

توان الکتریکی عمدتا توسط مولد های الکترو-مکانیکی که با بخار ناشی از احتراق سوخت های فسیلی یا گرمای ناشی از واکنش های هسته ای و یا از طریق منابع دیگر مانند انرژی جنبشی باد یا آب در حال جریان کار می کنند، تولید می شود. توربین بخار مدرن که توسط سر چارلز پارسون در سال 1884 اختراع شد امروزه حدود 80 درصد توان الکتریکی جهان را با استفاده از منابع متنوعی از گرما تولید می کند. چنین مولد هایی هیچ شباهتی با مولد دیسکی فارادی ندارند اما تمامی این مولد ها به قانون الکترومغناطیس او که می گوید رسانایی که در معرض تغییر میدان مغناطیسی قرار بگیرد، در دو سرش اخلاف پتانسیلی القا می شود، تکیه دارند. اختراع ترانسفورماتور در اواخر قرن 19 میلادی،  به این معنی بود که می توان توان الکتریکی را با ولتاژ بیشتر و جریان کمتر، با بازده بیشتری به مکان های مختلف منتقل نمود. انتقال پربازده تر توان الکتریکی نیز خود به این معنا بود که می توان برق را در نیروگاه های مرکزی تولید کرد. در این نیروگاه ها، تولید برق با مزایای تولید انبوه( مزیت مقیاس) همراه بود و سپس برق تولید شده، در مسافت های نسبتا طولانی به جایی که مورد نیاز بود فرستاده می شد.

متناوب ساز ساخته شده در بوداپست مجارستان در اوایل قرن بیستم، واقع در سالن تولید انرژی یک نیروگاه برق آبی

با توجه به این که انرژی الکتریکی را نمی توان به راحتی در مقادیر زیاد ذخیره کرد، به طوری که پاسخگوی نیاز ها در مقیاس یک کشور باشد، در تمامی زمان ها باید دقیقا همان مقداری که مورد نیاز است برق تولید شود. لازمه این کار این است که شرکت های تولید برق باید پیش بینی دقیقی از بار الکتریکی مصرفی داشته باشند و به طور پیوسته هماهنگی های لازم را با نیروگاه های تامین کننده خود انجام دهند. همواره باید مقدار مشخصی از انرژی الکتریکی به صورت ذخیره نگهداری شود تا اثر اختلالات اجتناب ناپذیر بر روی شبکه توزیع برق را تعدیل کند.

با مدرن تر شدن یک کشور و توسعه اقتصاد آن، میزان تقاضا برای برق با سرعت روزافزونی بیشتر می شود. در ایالات متحده، در هر سال سه دهه اول قرن بیستم، میزان تقاضا برای برق نسبت به سال قبلش، حدود 12 درصد افزایش یافت. چنینی نرخ رشدی امروزه در اقتصاد های در حال ظهور مانند اقتصاد چین یا هند دیده می شود. از نظر تاریخی، نرخ رشد تقاضا برای برق، رشد تقاضای سایر انواع انرژی را پشت سر گذاشته است.

نگرانی از تاثیرات منفی تولید برق بر محیط زیست باعث شده تا تمرکز بیشتری بر روی تولید برق از منابع تجدیدپذیر، به خصوص انرژی باد و آب، متمرکز شود. اگرچه انتظار می رود بحث بر سر تاثیرات محیط زیستی روش های مختلف تولید برق همچنان ادامه یابد، اما شکل نهایی آن( برق تولید شده) نسبتا پاک است.

اهمیت انرژی بادی، در کشور های مختلف در حال افزایش است

کاربرد های برق

الکتریسیته راهی بسیار مناسب برای انتقال انرژی است و از آن برای تعداد کاربرد های فوق العاده زیادی استفاده شده است. تعداد این کاربرد ها نیز همچنان در حال افزایش است.  اختراع لامپ رشته ای در دهه 1870 میلادی، باعث شد تا روشنایی به یکی از اولین کاربرد های الکتریسیته تبدیل شود که در دسترس عموم قرار می گرفت. اگرچه تمایل به استفاده از برق خطرات خاص خود را در بر داشت، اما جایگزین کردن شعله های بدون محافظ گاز با لامپ های رشته ای به منظور تامین روشنایی، میزان حوادث آتش سوزی در کارخانه ها و منازل را به شدت کاهش داد. شرکت های عمومی بسیار زیادی در شهر های مختلف ایجاد شدند که هدفشان بازار رو به رشد روشنایی برقی بود. در اواخر قرن بیستم و در عصر جدید، روند به سمت مقررات زدایی در بخش تولید برق تغییر کرده است.

اثر مقاومتی گرمایش ژول که در لامپ های رشته ای مورد استفاده قرار می گیرد، در گرمایش الکتریکی نیز استفاده می شود. اگرچه این کار بسیار انعطاف پذیر و قابل کنترل است اما می توان آن را اتلاف انرژی دانست زیرا بیشتر توان الکتریکی برای تولید در نیروگاه، در وهله ای اول به تولید گرما نیاز دارند. برخی از کشور ها مانند دانمارک، قوانینی را وضع کرده اند که استفاده از تجهیزات گرمایش مقاومتی برقی در ساختمان های جدید را محدود یا ممنوع می کند. با این وجود، الکتریسیته همچنان منبع انرژی بسیار کاربردی برای گرمایش و سرمایش به شمار می رود و پمپ های حرارتی و سیستم های تهویه مطبوع، امروزه بخش رو به رشدی از تقاضای برق برای سیستم های گرمایشی و خنک کننده را تشکیل می دهند و شرکت های توزیع کننده برق نیز روز به روز بیشتر ملزم به برطرف کردن اثرات این تقاضا می شوند.

لامپ رشته ای، یکی از اولین کاربرد های الکتریسیته، با فرآیند گرمایش ژول کار می کند: عبور جریان از یک مقاومت باعث تولید گرما می شود

الکتریسیته در صنعت مخابرات نیز کاربرد دارد و در واقع، تلگراف الکترونیکی که اولین بار در سال 1837 و توسط کوک و ویتستون به صورت تجاری به نمایش گذاشته شد، یکی از اولین کاربرد های آن به شمار می رود. با ساخت اولین سیستم تلگراف بین قاره ای و سپس بین اقیانوسی در دهه 1860، الکتریسیته امکان برقراری ارتباط با سرتاسر دنیا را، تنها در عرض چند دقیقه، فراهم کرده کرده بود. امروزه فیبر های نوری و ارتباطات ماهواره ای بخشی از بازار سیستم های ارتباطاتی را به خود اختصاص داده اند اما می توان انتظار داشت الکتریسیته بخش ضروری از این فرآیند باقی بماند.

اثرات الکترومغناطیس در قابل مشاهده ترین شکل خود در موتور های الکتریکی به کار گرفته شده اند که روشی پاک و پر بازده برای تولید توان حرکتی به شمار می رود. یک موتور الکتریکی ثابت، مثلا یک وینچ را می توان به سادگی با استفاده از منبع تغذیه تامین کرد، اما موتور الکتریکی که ذاتا باید در حال حرکت باشد، مثلا یک خودروی برقی، ناچار است تا منبع انرژی، مثلا یک باتری، را نیز با خود حمل کند و یا جریان را از طریق تماس لغزشی، مثل پانتوگراف( شاخک برق‌رسان)، تامین کند.

دستگاه های الکترونیکی از ترانزیستور ها استفاده می کنند که شاید یکی از مهم ترین اختراعات قرن بیستم باشد. این اختراع سنگ بنای تمامی مدار های مدرن است. یک مدار مجتمع(IC) ممکن است حاوی چندین میلیارد ترانزیستور بسیار کوچک در منطقه ای به وسعت تنها چند سانتیمتر مربع باشد.

از برق برای تامین انرژی وسایل حمل و نقل عمومی مانند اتوبوس های برقی و قطار ها نیز استفاده می شود.

الکتریسیته و جهان طبیعی

اثرات فیزیولوژیکی

ولتاژ اعمالی به بدن انسان باعث می شود تا جریان الکترونیکی از بافت های بدن عبور کند و اگرچه رابطه بین این دو غیر خطی است اما هرچقدر ولتاژ بیشتر باشد، جریان عبوری نیز بیشتر خواهد بود. حد تشخیص عبور جریان برق، با فرکانس منبع و مسیر جریان تغییر می کند اما برای فرکانس برق موجود در شبکه توزیع، در حدود 1/0 تا 1 میلی آمپر خواهد بود. البته جریانی به کوچکی یک میکرو آمپر را نیز می توان تحت شرایط خاص به عنوان یک اثر الکترولرزه ای تشخیص داد. اگر جریان به اندازه کافی زیاد باشد، باعث انقباض عضلات، فیبریلاسیون قلب و سوختگی بافت ها می شود. نبود هیچ گونه اثر ظاهری مبنی بر این که یک جسم رسانا برق دار است، آن را به خطری جدی تبدیل می کند. درد ناشی از شوک الکتریکی می تواند بسیار شدید باشد. همین دلیل باعث شده تا در بعضی موارد از الکتریسیته به عنوان روشی برای شکنجه استفاده شود. مرگ ناشی از شوک الکتریکی نیز امکان پذیر است. در آمریکا، از الکتریسیته هنوز هم به عنوان روشی برای مجازات اعدام در برخی از حوزه های قضایی استفاده می شود. البته استفاده از این روش در سال های اخیر کم شده است.

پدیده های الکتریکی در طبیعت

الکتریسیته اختراع انسان ها نیست و با شکل های مختلفی در طبیعت وجود دارد. یکی از مصادیق اصلی حضور الکتریسیته در طبیعت، صاعقه است. بسیاری از بر هم کنش های متداول در مقیاس میکروسکوپی، مانند لمس، اصطکاک و پیوند های شیمیایی، ناشی از بر هم کنش بین میدان های الکتریکی در مقیاس اتمی هستند. این باور وجود دارد که میدان مغناطیسی زمین توسط یک دینام طبیعی ایجاد شده که با جریان هایی که در هسته زمین می چرخند عمل می کند. برخی بلور ها مانند کوارتز یا حتی شکر وقتی تحت فشار خارجی قرار بگیرند، در سطوح خود اختلاف پتانسیلی ایجاد می کنند. این پدیده با نام اثر پیزوالکتریک شناخته می شود. پیزو از واژه یونانی  piezein به معنی فشار دادن گرفته شده است. این اثر در سال 1880 و توسط پیر و جک کوری کشف شد. این اثر دو جانبه است و وقتی یک ماده پیزوالکتریک تحت یک میدان الکتریکی قرار می گیرد، تغییری کوچک در ابعاد فیزیکی آن اتفاق می افتد.

برخی ارگانیسم ها(موجودات زنده)، مانند کوسه ها، می توانند تغییرات میدان الکتریکی را تشخیص داده و به آن پاسخ دهند. به این قابلیت، دریافت الکتریکی گفته می شود. در حالی که دسته ای دیگر از موجودات زنده، که به آن ها الکتروژنیک گفته می شود می توانند ولتاژی ایجاد کنند که به عنوان سلاح دفاعی یا به منظور شکار مورد استفاده قرار می گیرد. دسته کاردماهی سانان، که شناخته شده ترین عضو آن مارماهی برقی است، طعمه خود را با استفاده از ولتاژ های بالایی که از سلول های عضلانی اصلاح شده شان تولید می شود، تشخیص داده یا گیج می کنند. به این سلول ها، الکتروسیت گفته می شود. تمامی حیوانات، اطلاعات را در طول غشای سلولی‌شان با استفاده از پالس هایی از ولتاژ منتقل می کنند که به آن پتانسیل عمل گفته می شود. کاربرد های این اختلاف پتانسیل شامل برقراری ارتباط بین سلول های عصبی و ماهیچه ها از طریق سیستم عصبی می باشد. یک شوک الکتریکی این سیستم را تحریک می کند و باعث انقباض ماهیچه ها می شود. همچنین پتانسیل های عمل مسئولیت هماهنگ کردن برخی فعالیت ها در گیاهان را نیز به عهده دارند.

مارماهی الکتریکی

درک فرهنگی

در سال 1850، ویلیام گلدستون از مایکل فارادی پرسید چرا الکتریسیته ارزشمند است؟ فارادی جواب داد “یک روز خواهید توانست بر روی آن مالیات دریافت کنید.”

در قرن 19 و اوائل قرن 20 میلادی، الکتریسیته بخشی از زندگی روزمره بسیاری از مردم، حتی در کشور های غربی صنعتی شده نبود. بر همین اساس هم، فرهنگ عامه در این بازه زمانی الکتریسیته را به عنوان نیرویی اسرارآمیز و شبه جادویی به تصویر می کشید که می تواند افراد زنده را بکشد، مردگان را زنده کند و یا قوانین طبیعت را تغییر دهد. این طرز فکر در سال 1771 و با​ آزمایش های لوییجی گالوانی شروع شد. در این آزمایش ها نشان داده شد که پای قورباغه های مرده با اعمال الکتریسیته حیوانات به حرکت در می آمد. اندکی پس از کار های گالوانی، موارد تجدید حیات یا احیای افراد ظاهرا مرده یا غرق شده در متون پزشکی آن زمان گزارش شد. مری شلی(نویسنده کتاب فرانکشتاین) نیز زمانی که شروع به نوشتن کتاب فرانکشتاین کرد از این نتایج با خبر بود اما او در کتاب به روش احیای هیولا اشاره نکرد. احیای هیولاها با کمک الکتریسیته در سال های آتی به زمینه متداول فیلم های ترسناک تبدیل شد.

با آشنایی بیشتر جوامع با الکتریسیته به عنوان مایه حیات دومین انقلاب صنعتی، کسانی که آن را کنترل می کردند دارای وجه مثبتی شدند. مثلا در شعر پسران مارتا که در سال 1907 توسط رودیارد کیپلینگ سروده شد در بخشی  به کارگرانی که ” مرگ در آن سوی دستکش هایشان قرار دارد و در عین حال سیم های زندگان را جابجا می کنند” اشاره می شود. انواع مختلفی از وسایل نقلیه برقی به صورت گسترده در داستان های ماجراجویی مانند رمان های ژول ورن و کتاب های تام سوییفت مشاهده می شدند. در جامعه این تصور نیز وجود داشت که اربابان الکتریسیته، چه تخیلی و چه واقعی( مانند دانشمندانی چون توماس ادیسون، چارلز استینمتز و نیکولا تسلا) قدرت هایی جادوگرانه دارند.

با تبدیل شدن الکتریسیته از اختراعی جدید به لازمه زندگی روزمره مدرن در نیمه دوم قرن بیستم، این پدیده تنها زمانی که کار نمی کرد مورد توجه فرهنگ عامه جوامع قرار می گرفت؛ رویدادی که به معنی وقوع یک فاجعه است. افراد که جریان برق را برقرار می کنند، مانند قهرمان بدون نام آهنگ Wichita Lineman اثر جیمی وب، هنوز هم اغلب به عنوان شخصیت هایی قهرمان و با قدرت های جادویی یاد می شوند.