مفهوم الکتریسیته در تجهیزات الکتریکی – قسمت اول

در تمام محیط زندگی ما الکتریسیته وجود دارد و نقش مهم و اساسی ایفا می کند، از تلفن همراه و روشنایی گرفته تا رعد و برق و سیستم عصبی بدن، همگی مرتبط با این موضوع بسیار مهم هستند. بررسی دقیق ساختارهای مختلف الکتریسیته بسیار پیچیده است و البته هدف ما هم نیست. ما در این آموزش مفهوم الکتریسیته در تجهیزات الکتریکی را بررسی می کنیم.

قبل از شروع بررسی مفهوم الکتریسیته در تجهیزات الکتریکی و در بخش اول این آموزش، ابتدا لازم است تا با اتم ها و ساختار آنها آشنا شویم.

آشنایی با اتم ها و ساختار آنها

همه مواد از اتم ها و اتم ها از ذرات کوچک تری ساخته شده اند. سه ذره اصلی که اتم ها را می سازند، پروتون، الکترون و نوترون هستند.

همان طور که در تصاویر مشاهده می کنید، هسته اتم از پروتون و نوترون تشکیل شده و الکترون ها به دور هسته در مدارهای مشخصی و در لایه های مختلف در گردش هستند.

هر الکترون دارای یک بار منفی، هر پروتون دارای یک بار مثبت است و نوترون هم از لحاظ الکتریکی خنثی است.

اینکه گفته می شود الکترون دارای بار منفی و پروتون دارای بار مثبت است در واقع به خواص و ماهیت این ذرات بر می گردد، یعنی الکترون با انرژی منفی و پروتون با انرژی مثبت شناخته می شود.

همچنین از خواص دیگر بارهای الکتریکی این است که بارهای هم نام یکدیگر را دفع می کنند و بارهای غیر هم نام یکدیگر را جذب می کنند.

با توجه به دو نکته ای که در این بخش بیان کردیم، یعنی حرکت الکترون ها در لایه ها و مدارهای مشخص به دور هسته اتم و اینکه بارهای غیرهم نام یکدیگر را جذب می کنند، با توجه به ساختار اتم که در تصویر بالا مشاهده می کنید، هرچه الکترون ها به هسته اتم نزدیک تر باشند، نیروی جاذبه بین الکترون و پروتون بیشتر خواهد بود و هرچه الکترون های در لایه های بیرونی تر قرار داشته باشند، نیروی جاذبه ضعیف تر است. این نکته را در ذهن خود داشته باشید تا در ادامه مباحث بررسی مفهوم الکتریسیته در تجهیزات الکتریکی از آن استفاده کنیم.

الکترون آزاد یا الکترون لایه ظرفیت

همچنین نکته دیگری که در رابطه با اتم ها وجود دارد این است که، در حالت عادی تعداد الکترون ها و پروتون ها در یک اتم با یکدیگر برابر بوده و اتم از لحاظ الکتریکی خنثی می باشد.

ما می توانیم یک اتم را از حالت خنثی خارج کنیم و به اون بار الکتریکی مثبت یا منفی بدیم. این کار از طریق افزایش یا کاهش الکترون انجام میشود. چون اضافه یا کم کردن الکترون ها احتیاج به انرژی خیلی کمتری در مقایسه با پروتون ها دارد. پروتون ها درون هسته اتم قرار دارند و جابه جایی و تغییر در آنها به انرژی خیلی زیادی احتیاج دارد.

برخی از الکترون ها که در لایه های بیرونی قرار دارند، چون نیروی جاذبه مابین آنها و هسته خیلی کم است، می توانند آزادانه حرکت کنند و یا تحت تاثیر انرژی خارجی از مدار خود خارج شوند. که به آنها الکترون های آزاد یا الکترون های لایه ظرفیت گفته می شود که پایه اصلی الکتریسیته از این الکترون های آزاد تشکیل می شود.

بنابراین نکته ای که در اینجا مشخص میشه اینه که، ما در الکترونیک فقط با الکترون و الکترون های لایه آخر سر و کار داریم. تمامی اتفاقاتی که در الکترونیک می افتد(نور، گرما، سیگنال ها و …) همگی مربوط به الکترون ها می باشند.

همان طور که خدممتون عرض کردیم، در حالت عادی تعداد الکترون ها و پروتون ها در اتم های ماده یکسان است، اما اگر به هر دلیلی تعداد الکترون ها از تعداد پروتون های اتم ماده بیشتر شود، اتم ماده دارای بار منفی خواهد شد و در صورتی که تعداد پروتون ها از تعداد الکترون ها بیشتر شود، اتم ماده دارای بار مثبت خواهد شد.

حال ما از این موضوعاتی که بیان کردیم در بیان مفهوم الکتریسیته در تجهیزات الکتریکی استفاده می کنیم.

دسته بندی مواد از لحاظ رسانایی الکتریکی:

مواد از لحاظ رسانایی الکتریکی به سه دسته تقسیم می شوند: رسانا یا هادی – نیمه رسانا یا نیمه هادی – غیر رسانا یا عایق

ساختار اتمی این مواد را می توانیم در این تصویر مشاهده کنیم.

مواد رسانا در لایه آخر ۱ تا ۳ الکترون دارند، مواد نیمه رسانا در لایه آخر ۴ الکترون دارند و موارد نارسانا در لایه آخر ۵ تا ۸ الکترون دارند.

پس از این موارد میتوان متوجه شد که، هرچه تعداد الکترون های آزاد در لایه آخر بیشتر باشد، جدا کردن الکترون سخت تر خواهد شد و رسانایی آن ماده کمتر خواهد بود.

موادی که در دمای اتاق دارای تعداد زیادی الکترون آزاد هستند و این الکترون ها می توانند به آسانی در آنها حرکت کنند، مواد رسانا گفته می شود که رسانای الکتریکی خوبی هستند. مانند: مس، آلومینیوم، نقره و روی

موادی هم که الکترون آزاد در آنها وجود ندارد و به سختی الکترون از دست می دهند، موارد نارسانا هستند که رسانای الکتریکی خوبی نمی باشند. مانند: شیشه، زغال سنگ، چوب و… .

موادی هم که خاصیتی بین مواد رسانا و نارسانا دارند، مواد نیمه رسانا هستند.

الکتریسیته ساکن:

حتما تجربه کردید یا دیدید که وقتی ما یک بادکنک را به پیراهن پشمی یا موی سر خود مالش می دهیم، این بادکنک بعد از مدتی می تواند به پیراهن ما بچسبد. ما در واقع در بادکنک الکتریسیته ساکن ایجاد کردیم.

نحوه ایجاد الکتریسیته ساکن بدین صورت است که وقتی دو جسم در تماس یا مالش با یکدیگر قرار میگیرند، الکترون های آزاد در یکی از اجسام تجمع پیدا می کند(به صورت منفی باردار می شود) و جسم دیگر تعدادی الکترون آزاد از دست می دهد(به صورت مثبت باردار می شود) که این موضوع هم به نوع مواد به کار رفته در آن جسم بر میگردد. در بعضی از مواد تعداد الکترون های آزاد بیشتر بوده و میزان کشش هسته اتم نسبت به الکترون ها کمتر است و در نتیجه راحتتر الکترون از دست می دهد و به صورت مثبت باردار می شود و در بعضی دیگر از مواد تعداد الکترون های آزاد کمتر بوده و مزان کشش هسته اتم نسبت به الکترون ها بیشتر در نتیجه در هنگام تماس الکترون های آزاد آن جسم را هم جذب می کند و به صورت منفی باردار می شود.

حال تا زمانی که این الکترون های آزاد مسیری را برای تخلیه پیدا نکنند، به همین صورت باقی می مانند، که به آن الکتریسیته ساکن گفته می شود.

حال زمانی که این الکترون ها مسیری برای تخلیه پیدا کنند، با سرعت تخلیه می شوند.

 شاید برایتان پیش آمده که بعد از راه رفتن بر روی فرش پشمی و یا پوشیدن کفش کتونی، وقتی به دستگیره یا یک وسیله رسانا دست می زنید، احساس شوک کوچکی می کنید، در واقع در این وضعیت الکتریسیته ساکنی که در بدن شما به دلیل راه رفتن بر روی فرش ایجاد شده بود، تخلیه می شود.

در صورتی که مقدار این بارهای متضاد و الکترون های آزاد افزایش یابد، انرژی مابین آنها افزایش یافته و انتقال و جابه جایی بارها از طریق ماده عایق نیز انجام میگیرد، که می تواند باعث ایجاد جرقه یا شوک شود که گاهی اوقات مضر و خطرناک است.

در واقع تمامی عایق ها یک محدودیت ولتاژی دارند و در ولتاژ مشخصی عایق بودن خود را از دست می دهند و به هادی تبدیل می شوند.

رعد و برق یکی از نمونه های بارز وجود الکتریسیته ساکن در طبیعت است. زمانی که میزان الکترون های آزاد موجود در ابرها افزایش می یابد و انرژی مابین ابرها و زمین که نقش رسانا را ایفا می کند افزایش می یابد، عایق موجود بین آنها که هوا است، خاصیت عایقی خود را از دست داده و رسانا می شود و الکتریسیته ساکن بین آنها تخلیه می شود که ما آن را به صورت رعد و برق می بینیم.

الکتریسیته ساکن همچنین کاربردهای مختلفی هم دارد، مانند به کارگیری در چاپگرهای لیزری، دستگاه های فتوکپی، یا استفاده در بسیاری از نیروگاه ها و صنایع شیمیایی به منظور جلوگیری از ورودی آلودگی به محیط بیرون.

اما در الکترونیک ما باید مدارات و قطعات خود را در برابر الکتریسیته ساکن محافظت کنیم، چون تخلیه یکباره جریان ناشی از وجود الکتریسیته ساکن که به آن Electrostatic Discharge(ESD)  هم گفته می شود، می تواند به بعضی از قطعات الکترونیکی حساس آسیب برساند.

برای نگهداری قطعات الکترونیکی آسیب پذیر در برابر ESD از کیسه های آنتی استاتیک استفاه می شود. که در این تصویر مشاهده می کنید.

راه حل اصلی پیشگیری از صدمات ناشی از ESD ایجاد ارتباط با زمین یا grounding است. به خصوص در مراکز تولید و یا تعمیر تجهیزات الکترونیکی، لازم است تمام سطوح تمام پرسنلی که با قطعات در ارتباط هستند، به خصوص مونتاژکاران بردها، با تجهیزات مخصوصی به زمین متصل شوند. یکی از این تجهیزات استفاده از دستبند آنتی استاتیک می باشد که همان طور که در تصویر مشاهده می کنید، یک طرف آن به دست بسته شده و طرف دیگر آن به بدنه یا زمین متصل می شود.

در بخش دوم از مقاله مفهوم الکتریسیته در تجهیزات الکتریکی، به سراغ بررسی مفاهیمی مثل ولتاژ، جریان و مدار الکتریکی می رویم.