انرژی الکتریکی چیست؟ — از صفر تا صد

«انرژی الکتریکی» (Electrical Energy) توان مورد نیاز برای تولید یک کار یا عمل را در مدار الکتریکی فراهم می‌کند. واحد انرژی الکتریکی ژول است. در این مطلب قصد داریم به بررسی مفهوم انرژی الکتریکی و رابطه آن با ولتاژ، جریان و توان الکتریکی بپردازیم.

انرژی الکتریکی

انرژی الکتریکی به صورت توانایی یک مدار الکتریکی در تولید یک کار با ایجاد یک عمل تعریف می‌شود. این عمل می‌تواند اشکال مختلفی مانند حرارتی، الکترومغناطیسی، مکانیکی، الکتریکی و ... داشته باشد. انرژی الکتریکی را می‌توان با استفاده از باتری‌ها، ژنراتورها، «دینام‌ها» (Dynamos) و سیستم‌های فتوولتائیک» (Photovoltaics) به دست آورد. همچنین می‌توان انرژی الکتریکی را برای مصارف آینده با استفاده از سلول‌های سوختی، باتری‌ها، خازن‌ها، میدان‌های مغناطیسی و ... ذخیره سازی کرد. بنابراین می‌توان انرژی الکتریکی را هم تولید و هم ذخیره کرد.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

از قانون پایستگی انرژی به یاد داریم که انرژی به وجود نمی‌آید و از بین نمی‌رود، بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. اما برای اینکه بتوان با انرژی یک کار مفید انجام داد نیز باید انرژی از یک فرم به فرم دیگری تبدیل شود که بستگی به نوع کار مد نظر دارد. به عنوان مثال، موتور، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی یا جنبشی تبدیل می‌کند، در حالی که یک ژنراتور، انرژی مکانیکی را مجددا به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند تا یک مدار را تغذیه کند.

بنابراین با استفاده از ماشین‌های الکتریکی و با انجام یک کار، می‌توان انرژی را از یک نوع به نوع دیگر تغییر داد یا تبدیل کرد. به عنوان مثالی دیگر، می‌توان به یک لامپ یا LED اشاره کرد که انرژی الکتریکی را به انرژی نورانی و نیز انرژی حرارتی تبدیل می‌کند. انرژی الکتریکی یک فرم بسیار تطبیق‌پذیر از انرژی است که می‌توان آن را به سادگی به سایر انواع انرژی تبدیل کرد.

در مورد انرژی الکتریکی، برای حرکت الکترون‌ها و برقرای یک جریان الکتریکی در مدار، کاری که باید انجام شود این است که الکترون‌ها باید از طریق یک سیم یا رسانا به مسافتی دور منتقل شوند. کاری که انجام گرفته است، در حرکت الکترون‌ها به صورت انرژی ذخیره می‌شود. بنابراین «کار» (Work) نامی است که ما بر فرایند تولید انرژی می‌گذاریم.

می‌توان گفت که کار و انرژی در واقع یکسان هستند؛ زیرا انرژی می‌تواند به صورت «توانایی انجام یک کار» تعریف شود. همچنین باید به یاد داشته باشیم که انجام یک کار یا تبدیل انرژی، به سیستم‌های مکانیکی یا سیستم‌های حرارتی به صورت یکسان با یک سیستم الکتریکی اعمال می‌شوند؛ زیرا سیستم‌های الکتریکی، مکانیکی و حرارتی قابل تبدیل به یکدیگر هستند.

ولت و انرژی الکتریکی

همان طور که گفتیم، انرژی قابلیت انجام یک کار است که دارای واحد استانداری به نام «ژول» (Joule) است. یک ژول انرژی، به صورت مقدار انرژی تعریف می‌شود که توسط جریان یک آمپری در ولتاژ یک ولت در یک ثانیه مصرف می‌شود. می‌دانیم که جریان الکتریکی ناشی از حرکت بارهای الکتریکی در یک مدار الکتریکی است. اما برای حرکت دادن بارهای الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر، به یک نیرو برای انجام دادن کار انتقال بارهای الکتریکی نیاز داریم. این نیرو همان ولتاژ الکتریکی در مدار است.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

معمولا ولتاژ به صورت اختلاف پتانسیل الکتریکی موجود بین دو ترمینال یا نقطه مختلف از مدار یا باتری یا منبع تغذیه در نظر گرفته می‌شود. ولتاژ از این جهت اهمیت بالایی دارد که نیروی مورد نیاز برای حرکت از یک نقطه به نقطه دیگر را فراهم می‌آورد و حرکت می‌تواند هم در جهت مستقیم و هم در جهت معکوس باشد. ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از مدار، برابر با یک ولت تعریف می‌شود، اگر از یک ژول انرژی هنگام جابه‌جایی یک کولن بار الکتریکی بین آن دو نقطه استفاده شود.

به عبارت دیگر، می‌توان گفت که اختلاف پتانسیل بین دو نقطه یا دو ترمینال برابر با کاری است که بر حسب ژول مورد نیاز است تا یک کولن بار را از نقطه A به نقطه B جابه‌جا کرد. بنابراین ولتاژ را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

$$ 1 \; Volt = \frac { 1 \; Joule } { 1 \; Coulomb } = \frac { J } { C } $$

در رابطه فوق، ولتاژ بر حسب ولت، $$ J $$ برابر با کار یا انرژی بر حسب ژول و $$ C $$ بار بر حسب کولن است. بر اساس این رابطه، اگر $$ J = 1 $$ ژول و $$ C = 1 $$ کولن باشد، آن گاه $$ V $$ برابر با ۱ ولت خواهد بود.

مثال ۱: ولتاژ الکتریکی

ولتاژ یک باتری را محاسبه کنید که ۱۳۵ ژول انرژی را برای حرکت ۱۵ کولن بار در یک مدار الکتریکی مصرف می‌کند؟

حل

برای حل این سوال می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:

$$ Voltage = \frac { energy } { charge } = \frac { J } { C } = \frac { 135 } { 15 } = 9 V $$

بنابراین، در این سوال می‌توان دید که حرکت هر کولن بار الکتریکی تقریبا ۹ ژول انرژی دارد.

آمپر و انرژی الکتریکی

همان طور که قبلا گفتیم، واحد بار الکتریکی برابر با کولن است. در واقع می‌توان گفت که جریان بارهای الکتریکی در حلقه یک مدار، برابر با گردش جریان در آن مدار است. در این جا از حرف C به عنوان نماد کولن استفاده کرده‌ایم که نباید آن را با حرف C اشتباه گرفت که نماد خازن است. به همین دلیل گاهی از حرف Q یا q برای نشان دادن بار الکتریکی استفاده می‌شود. به یاد داشته باشید که بار Q می‌تواند یا مثبت (Q+) و یا منفی (Q-) باشد که به ترتیب نشان دهنده اضافه بودن پروتون یا الکترون در بار است.

جریان بار در یک مدار بسته، در قالب الکترون‌ها، جریان الکتریکی نام دارد. با این حال، استفاده از اصطلاح «جریان بار» (Flow of Charge) به حرکت اشاره دارد، بنابراین می‌توان دریافت که برای برقراری جریان الکتریکی در یک مدار، بارها باید حرکت کنند. این امر ممکن است منجر به این پرسش شود که چه چیزی بارها را مجبور به حرکت می‌کند؟ در پاسخ به این پرسش باید گفت که ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه انرژی الکتریکی لازم را برای حرکت بارهای الکتریکی در یک مدار در قالب جریان الکتریکی فراهم می‌کند.

پس کار انجام شده برای حرکت بارها توسط اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود و اگر هیچ اختلاف پتانسیلی بین دو نقطه وجود نداشته باشد، هیچ باری در مدار حرکت نخواهد کرد و هیچ جریانی نیز برقرار نخواهد شد. یک بار ثابت و بدون حرکت، «الکتریسیته استاتیک» (Static Electricity) نام دارد. اگر حرکت بارها، جریان الکتریکی نام داشته باشد، آن‌گاه به درستی می‌توانیم بگوییم که جریان برابر با نرخ حرکت یا نرخ شارش بارها است، اما چه مقدار بار یک جریان را نشان می‌دهد؟

اگر یک نقطه دلخواه را در یک مدار انتخاب کنیم و مقدار باری را اندازه بگیریم که دقیقا در یک ثانیه از آن نقطه عبور می‌کند، آن‌گاه می‌توانیم شدت جریان الکتریکی را بر حسب آمپر محاسبه کنیم و با نماد A آن را نشان دهیم.

بنابراین یک آمپر جریان برابر با یک کولن بار است که در واحد زمانی یک ثانیه از یک نقطه مفروض مدار می‌گذرد. هر چه بارهای الکتریکی بیشتری از آن نقطه عبور کنند، شدت جریان الکتریکی بزرگ‌تر خواهد بود. یک آمپر جریان الکتریکی را به صورت یک کولن بار الکتریکی تعریف می‌کنیم. برای واحد جریان الکتریکی معادله زیر برقرار است:

$$ 1 A = \frac { 1 \; Coulomb } { 1 \; Second } = \frac { 1 \; C } { 1 \; S } = \frac { Q } { t } $$

در این رابطه، Q برابر با بار الکتریکی (بر حسب کولن) و t برابر با زمان عبور بار بر حسب ثانیه است. جریان الکتریکی هم دارای دامنه (مقدار بار) و هم جهت متناضر با آن است. نماد بسیار متداول برای جریان الکتریکی، حرف I یا i، برگرفته از کلمه «شدت» (Intensity) است؛ زیرا جریان در واقع شدت یا تمرکز عبور بار در مدار است. برای یک جریان ثابت یا DC، حرف I معمولا مورد استفاده قرار می‌گیرد، در حالی که برای یک جریان متغیر با زمان یا AC معمولا از حرف کوچک i استفاده می‌شود. $$ i ( t ) $$ برابر با مقدار لحظه‌ای جریان دقیقا در لحظه t است.

گاهی اوقات ساده‌تر است که این روابط را با استفاده از یک تصویر به یاد بسپاریم. به عنوان مثال در تصویر زیر، سه مقدار Q و I و t در یک مثلث وارد شده‌اند که نشان دهنده محل واقعی هر کمیت در در فرمول جریان است.

با ترانهاده کردن فرمول استاندارد فوق، ترکیبات زیر را از همان معادله در اختیار ما قرار می‌دهد.

مثال ۲: جریان الکتریکی

چه مقدار جریان از یک مدار عبور می‌کند اگر ۹۰۰ کولن بار الکتریکی در مدت زمان ۳ دقیقه از یک نقطه مدار عبور کند.

حل:

برای محاسبه جریان از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:

$$ I = \frac { Q } { t } = \frac { 900 } { 3 \times 60 } = \frac {900 } { 180 } = 5 \;A $$

مثال 3: جریان الکتریکی

جریان الکتریکی ۳ آمپر از یک مقاومت عبور می‌کند. چند کولن بار الکتریکی در طول ۹۰ ثانیه از مقاومت گذر خواهد کرد؟

حل:

مقدار بار گذرا از مدار به صورت زیر به دست می‌آید:

$$ Q = I \times t = 3 A \times 90 s = 180 \; coulombs $$

وات و انرژی الکتریکی

توان الکتریکی برابر با حاصل ضرب دو کمیت ولتاژ و جریان است و بنابراین می‌توان آن را به صورت نرخ انجام کار و تبدیل انرژی تعریف کرد.

فیلم آموزش فیزیک عمومی ۲ – حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

همان طور که قبلا گفتیم، ولتاژ، کار مورد نیاز بر حسب ژول را فراهم می‌آورد تا یک کولن بار الکتریکی از نقطه A به نقطه B حرکت کند و جریان در این حالت برابر با نرخ حرکت بارها در نظر گرفته می‌شود.

حال اگر ولتاژ به صورت انرژی بر حسب ژول تقسیم بر کولن ($$ V = \frac { J } { C } $$) و جریان برابر با بار الکتریکی تقسیم بر زمان بر حسب ثانیه ($$ I = \frac { Q } { t } $$) تعریف شود، آن‌گاه می‌توانیم کمیت دیگری به نام توان الکتریکی را نیز تعریف کنیم که برابر با حاصل ضرب ولتاژ در جریان الکتریکی است:

$$ P = V \times I $$

می‌دانیم که:

$$ V = \frac { J } {C } \\
I = \frac { Q } { t } $$

اگر مقدار بار الکتریکی برابر با ۱ کولن ($$ Q = 1 C $$) باشد، آن گاه می‌توان نوشت:

$$ P = V \times I = \frac { J } {C } \times \frac { Q } { t } = \frac { J } {C } \times \frac { C } { t } $$

در نتیجه داریم:

$$ \require { cancel } P = \frac { J } { \cancel C } \times \frac { \cancel C } { t } = \frac { J } { t } $$

بنابراین می‌توان دید که توان الکتریکی در واقع همان نرخ انجام کار در طول یک ثانیه است که این مقدار برابر با اتلاف یک ژول انرژی در یک ثانیه است. به دلیل این که توان الکتریکی بر حسب وات (W) اندازه گرفته می‌شود، بنابراین باید با مقدار ژول بر ثانیه برابر باشد:

$$ \text { 1 watt = 1 joule per second (J/s) } $$

بنابراین اگر یک وات برابر با یک ژول بر ثانیه باشد، می‌توان نتیجه گرفت که یک ژول انرژی برابر با یک وات توان در ثانیه است، یعنی کار برابر با توان در زمان است. بنابراین انرژی الکتریکی (کار انجام شده) به صورت حاصل ضرب بین توان در زمانی که بار به صورت جریان الکتریکی جریان می‌یابد، به دست می‌آید. واحد انرژی الکتریکی به واحدهایی بستگی دارد که برای توان الکتریکی و نیز زمان مورد استفاده قرار می‌گیرند. بنابراین اگر توان الکتریکی را بر حسب کیلو وات (KW) اندازه‌گیری کنیم و زمان را بر حسب ساعت بسنجیم، آن‌گاه انرژی الکتریکی مصرف شده برابر با کیلو وات در ساعت یا کیلو وات ساعت (kilowatt-hours) خواهد بود.

مثال ۳: توان الکتریکی

یک لامپ رشته‌ای ۱۰۰ واتی به مدت یک ساعت روشن بوده است. چند ژول انرژی الکتریکی توسط لامپ مصرف شده است.

حل:

برای حل این سوال می‌توانیم از رابطه زیر استفاده کنیم:

$$ \text { Electrical Energy = Power * Times } $$

$$ \text { Electrical Energy } = 100 \times ( 60 \times 60) $$

$$ \text { Electrical Energy } = 100 \times 3600 = 360000 \; \text { joules } $$

به یاد داشته باشید که زمانی که با ژول به عنوان واحد انرژی برخورد کنید، بسیار راحت‌تر است که آن‌ را به کیلو ژول تبدیل کنید. بنابراین مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده توسط لامپ برابر با ۳۶۰ کیلو ژول بوده است.

به دلیل اینکه ژول به تنهایی یک واحد انرژی بسیار کوچک است، در نتیجه در کاربردهای عملی از واحدهای بزرگ‌تر مانند کیلو ژول (هزار ژول)، مگا ژول (میلیون ژول) و گیگا ژول (هزار میلیون ژول) استفاده می‌شود. بنابراین یک واحد انرژی الکتریکی، کیلو وات ساعت است که هر یک کیلو وات ساعت برابر با ۳٫۶ مگا ژول در نظر گرفته می‌شود.

به طریق مشابه، به دلیل اینکه یک وات نیز واحد بسیار کوچکی برای توان الکتریکی است، در نتیجه معمولا از واحدهای بزرگتری مانند کیلو وات و مگا وات به عنوان واحد توان الکتریکی خروجی از یک وسیله  استفاده می‌شود. به این نکته توجه کنید که کیلو وات واحد اندازه‌گیری توان الکتریکی است، در حالی که کیلو وات ساعت برای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اگر این مطلب برایتان مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش مدارهای الکتریکی 1
• مجموعه آموزش‌های مهندسی قدرت
• آموزش مبانی مهندسی برق ۱
• توان در مدار سه فاز — به زبان ساده
• انرژی و توان سیگنال — از صفر تا صد
• مولتی متر و روش استفاده از آن — به زبان ساده