چراغ‌قوه‌ها برای کارهای زیادی مفیدن که دو تا از معروف‌ترینشون، خوندن زیر پتو و فرستادن پیام‌های رمزیه. چراغ‌قوه‌های معمولی خونه‌ها می‌تونن نقش اصلی یه نمایش آموزشی رو هم بازی کنن، برای معرفی یه چیز همیشه‌حاضر به نام برق.
برق یه پدیده‌ی شگفت‌انگیزه که هم کاربردش همه‌جا دیده میشه و هم هنوز برای خیلی‌ها، حتی کسایی که ادعا می‌کنن می‌دونن چطوری کار می‌کنه، تا حد زیادی مرموزه. خوشبختانه برای فهمیدن اینکه برق چطور توی کامپیوترها استفاده میشه، فقط کافیه چند تا مفهوم پایه رو بدونیم.
چراغ‌قوه قطعاً یکی از ساده‌ترین وسایل الکتریکیه که توی بیشتر خونه‌ها پیدا میشه. اگه یه چراغ‌قوه معمولی رو باز کنی، می‌بینی که شامل یه یا چند باتری، یه لامپ، یه کلید، چند تا قطعه‌ی فلزی و یه قاب برای نگه داشتن همه‌ی این‌ها کنار هم هست.
امروزه بیشتر چراغ‌قوه‌ها از دیودهای نورافشان (LED) استفاده می‌کنن، اما یه مزیت لامپ‌های قدیمی اینه که می‌تونیم داخل حباب شیشه‌ای‌شون رو ببینیم:
این رو لامپ رشته‌ای یا لامپ التهابی میگن. بیشتر آمریکایی‌ها معتقدن این لامپ رو توماس ادیسون اختراع کرده، در حالی که بریتانیایی‌ها کاملاً مطمئنن که این کار توسط جوزف سوان انجام شده. در واقع، قبل از اینکه ادیسون یا سوان وارد ماجرا بشن، چندین دانشمند و مخترع دیگه پیشرفت‌های مهمی داشتن.
داخل حباب یه رشته‌ی نازک از تنگستن وجود داره که وقتی برق وصل میشه، روشن و داغ میشه. حباب هم با یه گاز بی‌اثر پر شده تا تنگستن وقتی داغ میشه نسوزه. دو سر این رشته به سیم‌های باریکی وصل شده که به پایه‌ی لامپ و نوک ته اون متصل هستن.
تو می‌تونی یه چراغ‌قوه‌ی ساده و بی‌دردسر بسازی که فقط باتری‌ها و لامپش باشن. همچنین به چند قطعه سیم کوتاه با روکش (که روکش انتهاشون کنده شده) و چند تا دست برای نگه داشتن همه چیز کنار هم نیاز داری:
توجه کن به دو سر سیم‌های آزاد که سمت راست شکل هستن. این‌ها کلید ما هستن. فرض کنیم باتری‌ها سالم باشن و لامپ نسوخته، وقتی این دو سر سیم رو به هم بزنی، چراغ روشن میشه:
این کتاب برای نشون دادن جریان برق داخل سیم‌ها و روشن شدن لامپ از رنگ قرمز استفاده می‌کنه.
چیزی که اینجا ساختیم یه مدار الکتریکی سادهه و اولین نکته‌ای که باید بفهمیم اینه که مدار یه دایره‌ست. لامپ فقط وقتی روشن میشه که مسیر از باتری‌ها به سیم، از سیم به لامپ، از لامپ به کلید و دوباره به باتری‌ها، کاملاً پیوسته باشه. هر قطعی توی این مدار باعث خاموش شدن لامپ میشه. کار کلید هم اینه که این روند رو کنترل کنه.
طبیعت دایره‌ای مدار الکتریکی این رو نشون میده که چیزی داره توی مدار حرکت می‌کنه، شبیه جریان آب توی لوله‌ها. مثال “آب و لوله” توی توضیح برق خیلی رایجه، ولی در نهایت این قیاس جوابگو نیست، چون برق شبیه هیچ چیز دیگه‌ای توی دنیا نیست و باید به روش خودش درکش کنیم.
یکی از روش‌های فهم برق، نظریه‌ی الکترونه که برق رو به عنوان حرکت الکترون‌ها توضیح میده.
همون‌طور که می‌دونیم، همه‌ی ماده‌ها—همون چیزهایی که معمولاً می‌بینیم و لمس می‌کنیم—از ذرات خیلی ریزی به اسم اتم ساخته شدن. هر اتم از سه نوع ذره تشکیل شده؛ که بهشون نوترون، پروتون و الکترون میگن. گاهی اتم رو مثل یه منظومه‌ی شمسی کوچک نشون میدن که نوترون‌ها و پروتون‌ها توی هسته هستن و الکترون‌ها مثل سیاره‌ها دور هسته می‌چرخن، ولی این مدل دیگه منسوخه.
معمولاً تعداد الکترون‌ها توی اتم با تعداد پروتون‌ها برابر هست. اما در شرایط خاصی، الکترون‌ها ممکنه از اتم جدا بشن. همین اتفاق باعث به وجود اومدن برق میشه.
کلمه‌های الکترون و الکتریسیته هر دو از کلمه‌ی یونانی قدیمی ηλεκτρον (elektron) گرفته شدن که به طرز عجیبی یعنی “کهربا”؛ همون رزین سخت‌شده‌ای که شیشه‌مانند هست. دلیل این نامگذاری اینه که یونانی‌های قدیمی آزمایش می‌کردن که کهربا رو با پشم مالش بدن، که باعث چیزی میشه که امروز بهش می‌گیم برق ساکن. مالیدن پشم روی کهربا باعث میشه پشم الکترون از کهربا بگیره. پشم بیشتر از پروتون، الکترون داره و کهربا کمتر از پروتون، الکترون. توی آزمایش‌های جدیدتر، فرش از کفی کفش‌های ما الکترون می‌گیره.
پروتون‌ها و الکترون‌ها ویژگی‌ای به اسم بار الکتریکی دارن. پروتون‌ها بار مثبت (+) و الکترون‌ها بار منفی (−) دارن، اما این علامت‌ها معنی جمع و تفریق حسابی رو ندارن و همون‌طور نیست که پروتون‌ها چیز خاصی داشته باشن که الکترون‌ها ندارن. علامت + و − فقط نشون میده که این دو به نوعی مخالف هم هستن. این تفاوت باعث میشه رفتار پروتون‌ها و الکترون‌ها نسبت به هم شکل بگیره.
پروتون‌ها و الکترون‌ها وقتی با هم برابر باشن، خوشحال‌تر و پایدارترن. وقتی تعدادشون نامتعادله، تلاش می‌کنن خودش رو اصلاح کنن. مثلاً وقتی فرش از کفش‌هات الکترون می‌گیره، نهایتاً وقتی چیزی رو لمس می‌کنی و جرقه حس می‌کنی، همه چی متعادل میشه. اون جرقه‌ی برق ساکن حرکت الکترون‌هاست که مسیر پیچیده‌ای از فرش، بدن تو و کفش‌ها طی می‌کنه.
برق ساکن محدود به جرقه‌های کوچیک وقتی انگشت به دستگیره می‌خوره نیست. توی طوفان‌ها، ته ابرها الکترون جمع میشه و بالاشون الکترون از دست میده؛ در نهایت این عدم تعادل با یه رعد و برق جبران میشه. رعد و برق یعنی تعداد زیادی الکترون که خیلی سریع از یه جا به جای دیگه میرن.
برق توی مدار چراغ‌قوه خیلی منظم‌تر از جرقه یا رعد و برقه. نور به طور ثابت و پیوسته می‌سوزه چون الکترون‌ها فقط از اینجا به اون‌جا نمی‌پرن. وقتی یه اتم توی مدار الکترونش رو به اتم کناری میده، خودش از اتم نزدیک‌تر یه الکترون می‌گیره، اون اتم هم از اتم کناریش و همین‌طور ادامه پیدا می‌کنه. برق توی مدار یعنی عبور الکترون‌ها از اتمی به اتم دیگه.
این جریان خودش اتفاق نمیفته. نمیشه هر چیزی رو سیم‌کشی کنیم و انتظار داشته باشیم برق جریان پیدا کنه. باید چیزی باعث بشه الکترون‌ها توی مدار حرکت کنن. با نگاه به شکل چراغ‌قوه‌ی ساده، می‌تونیم با اطمینان بگیم چیزی که باعث شروع حرکت برق میشه، نه سیم‌ها هستن و نه لامپ؛ احتمالاً باتری‌ها هستن.
باتری‌هایی که توی چراغ‌قوه استفاده میشن معمولاً استوانه‌ای و با نام‌هایی مثل D، C، A، AA یا AAA بسته به اندازه‌شون شناخته میشن. انتهای صاف باتری با علامت منفی (−) نشون داده میشه؛ طرف دیگه یه برجستگی کوچیک داره که علامت مثبت (+) روشه.
باتری‌ها برق رو از طریق واکنش‌های شیمیایی تولید می‌کنن. مواد شیمیایی داخل باتری‌ها طوری انتخاب شدن که واکنش بین‌شون الکترون اضافه رو سمت انتهای منفی باتری (که بهش ترمینال منفی یا آند میگن) تولید کنه و اون طرف دیگه (ترمینال مثبت یا کاتد) نیاز به الکترون اضافی داشته باشه. به این شکل، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل میشه.
باتری‌های چراغ‌قوه حدود ۱.۵ ولت برق تولید می‌کنن. در ادامه در مورد معنی این عدد بیشتر توضیح میدم.
این واکنش شیمیایی نمی‌تونه ادامه پیدا کنه مگر اینکه راهی باشه برای اینکه الکترون‌های اضافی از ترمینال منفی باتری برداشته بشن و به ترمینال مثبت برگردونده بشن. این کار با یه مدار الکتریکی انجام میشه که دو سر باتری رو به هم وصل می‌کنه. الکترون‌ها توی این مدار در جهت خلاف عقربه‌های ساعت حرکت می‌کنن:
الکترون‌های موجود در مواد شیمیایی باتری‌ها شاید به راحتی با الکترون‌های سیم‌های مسی مخلوط نشن، اگر یه حقیقت ساده نبود: همه‌ی الکترون‌ها، هر جایی که باشن، یکسان هستن. هیچ چیز خاصی الکترون مس رو از الکترون‌های دیگه متمایز نمی‌کنه.
توجه کن که هر دو باتری در یک جهت قرار گرفتن. انتهای مثبت باتری پایینی، الکترون‌ها رو از انتهای منفی باتری بالایی می‌گیره. انگار این دو باتری با هم ترکیب شدن و یه باتری بزرگ‌تر درست کردن که یه سرش ترمینال مثبت و سر دیگه‌ش ترمینال منفی داره. باتری ترکیبی به جای ۱.۵ ولت، ۳ ولت تولید می‌کنه.
اگر یکی از باتری‌ها رو برعکس کنیم، مدار کار نمی‌کنه:
دو سر مثبت باتری‌ها برای واکنش‌های شیمیایی به الکترون نیاز دارن، اما هیچ راهی نیست که الکترون‌ها بهشون برسن چون به هم وصل شدن. اگر دو سر مثبت باتری‌ها به هم وصل باشن، باید دو سر منفی هم به هم وصل باشن:
این روش کار می‌کنه. گفته میشه باتری‌ها به صورت موازی به هم وصل شدن، نه سری مثل قبل. ولتاژ ترکیبی ۱.۵ ولته، که با ولتاژ هر باتری برابر هست. احتمالاً لامپ هنوز روشن میشه، اما نه به اندازه‌ی وقتی که دو باتری سری شدن. ولی عمر باتری‌ها دو برابر میشه.
معمولاً ما باتری رو منبع برق برای مدار فرض می‌کنیم. اما دیدیم که می‌تونیم مدار رو هم راهی برای انجام واکنش‌های شیمیایی داخل باتری در نظر بگیریم. مدار الکترون‌ها رو از سر منفی باتری می‌بره و به سر مثبت باتری می‌رسونه. واکنش‌های شیمیایی توی باتری ادامه پیدا می‌کنه تا وقتی که مواد شیمیایی تموم بشن، اون موقع باتری رو یا باید دور انداخت یا شارژش کرد.
الکترون‌ها از سر منفی باتری تا سر مثبتش از طریق سیم‌ها و لامپ جریان پیدا می‌کنن. ولی چرا سیم لازم داریم؟ نمی‌تونن برق از هوا عبور کنه؟ خب، جواب هم بله و هم نه هست. بله، برق می‌تونه از هوا عبور کنه (خصوصاً هوای مرطوب)، وگرنه رعد و برق دیده نمی‌شد. اما برق به راحتی از هوا عبور نمی‌کنه.
برخی مواد بهتر از بقیه برق رو منتقل می‌کنن. قابلیت انتقال برق به ساختار زیراتمی ماده بستگی داره. الکترون‌ها دور هسته در سطوح مختلفی به نام لایه یا پوسته می‌گردن. اتمی که فقط یه الکترون در لایه‌ی بیرونی داشته باشه، راحت می‌تونه اون الکترون رو از دست بده، که لازمه برای انتقال برق. این مواد هادی نامیده میشن. بهترین هادی‌ها مس، نقره و طلا هستن. اتفاقی نیست که این سه عنصر توی یه ستون جدول تناوبی کنار هم هستن. مس رایج‌ترین ماده برای ساخت سیمه.
برعکس هادی، مقاومت وجود داره. بعضی مواد مقاومت بیشتری نسبت به عبور برق دارن و بهشون مقاومت‌گذار یا رزیستور میگن. اگر ماده‌ای مقاومت خیلی بالایی داشته باشه و عملاً برق رو منتقل نکنه، بهش عایق میگن. لاستیک و پلاستیک عایق‌های خوبی هستن و به همین دلیل معمولا برای روکش سیم‌ها استفاده میشن. پارچه و چوب هم عایق خوبی هستن، مثل هوای خشک. البته تقریباً هر چیزی می‌تونه برق رو هدایت کنه، اگر ولتاژ به اندازه‌ی کافی بالا باشه.
مس مقاومت خیلی کمی داره، اما باز هم کمی مقاومت داره. هر چی سیم بلندتر باشه، مقاومتش بیشتر میشه. اگه بخوای سیم چراغ‌قوه رو با سیم‌های کیلومتری ببندی، مقاومت اونقدر زیاد میشه که چراغ‌قوه کار نمی‌کنه.
هر چی سیم ضخیم‌تر باشه، مقاومتش کمتره. شاید این برات عجیب باشه. ممکنه فکر کنی سیم ضخیم‌تر برق بیشتری لازم داره تا پر بشه، اما در واقع ضخامت سیم باعث میشه تعداد الکترون‌های بیشتری برای عبور فراهم باشه.
من قبلاً ولتاژ رو گفتم اما تعریف نکردم. وقتی می‌گیم یه باتری ۱.۵ ولت داره، یعنی چی؟ ولتاژ که اسمش از کنت آلِساندرو ولتا (۱۷۴۵–۱۸۲۷)، مخترع اولین باتری در ۱۸۰۰، گرفته شده، یکی از مفاهیم پیچیده‌تر در برق ابتداییه. ولتاژ نشون‌دهنده‌ی پتانسیل انجام کاره. ولتاژ وجود داره چه چیزی به باتری وصل باشه و چه نباشه.
مثلاً یه آجر رو در نظر بگیر. وقتی روی زمین باشه، پتانسیلش خیلی کمه. وقتی چهار فوت بالاتر از زمین توی دستته، پتانلش بیشتره. کافیه آجر رو رها کنی تا این پتانسیل فعال بشه. وقتی دستت بالای ساختمون بلندی باشه، پتانسیل خیلی بیشتری داره. در هر سه حالت تو داری آجر رو نگه می‌داری و آجر کاری نمی‌کنه، ولی پتانسیل فرق داره.
مفهوم خیلی ساده‌تر توی برق، جریانه. جریان به تعداد الکترون‌هایی که واقعاً توی مدار حرکت می‌کنن مربوطه. جریان با واحد آمپر اندازه‌گیری میشه، که اسمش از آندره-ماری آمپر (۱۷۷۵–۱۸۳۶) گرفته شده، ولی معمولاً فقط می‌گیم آمپر، مثل «فیوز ۱۰ آمپری». برای داشتن یک آمپر جریان، باید بیش از ۶ کوینتیلیون (۶ با ۱۸ صفر) الکترون در ثانیه از نقطه‌ای عبور کنن. یعنی ۶ میلیارد میلیارد.
مثال آب و لوله کمک می‌کنه این رو بفهمیم: جریان مثل مقدار آب جاری شده توی لوله‌ست. ولتاژ مثل فشار آب. مقاومت مثل قطر لوله — هر چی لوله باریک‌تر باشه، مقاومت بیشتره. پس هر چی فشار آب بیشتر باشه، آب بیشتری از لوله عبور می‌کنه. هر چی لوله باریک‌تر باشه، آب کمتری عبور می‌کنه. مقدار آب جاری شده (جریان) نسبت مستقیم با فشار آب (ولتاژ) و نسبت معکوس با باریکی لوله (مقاومت) داره.
تو برق، می‌تونیم مقدار جریان رو حساب کنیم اگر ولتاژ و مقاومت رو بدونیم. مقاومت — تمایل ماده برای جلوگیری از عبور الکترون‌ها — با واحد اهم اندازه‌گیری میشه، که اسمش از گئورگ سیمون اهم (۱۷۸۹–۱۸۵۴) گرفته شده که قانون معروف اهم رو هم معرفی کرده. این قانون میگه:
I = E / R
که توش I معمولاً جریان به آمپر، E ولتاژ یا نیروی محرکه الکتریکی و R مقاومت هست.
برای مثال، بیایم یه باتری رو در نظر بگیریم که هیچ چیزی بهش وصل نیست:
ولتاژ، یعنی E، برابر با ۱.۵ه. این مقدار نشون‌دهنده‌ی پتانسیل انجام کاره. اما چون ترمینال مثبت و منفی فقط از طریق هوا به هم وصل شدن، مقاومت (علامت R) خیلی، خیلی، خیلی بالاست، یعنی جریان (I) میشه ۱.۵ ولت تقسیم بر یه عدد خیلی بزرگ. این یعنی جریان تقریباً صفره.
حالا بیایم ترمینال مثبت و منفی رو با یه قطعه کوتاه سیم مسی وصل کنیم (و از اینجا به بعد، روکش سیم‌ها نشون داده نمیشه):
این رو مدار کوتاه یا شورت‌سیرکیت میگن. ولتاژ هنوز ۱.۵ ولته، ولی مقاومت الآن خیلی، خیلی کمه. جریان میشه ۱.۵ ولت تقسیم بر یه عدد خیلی کوچیک. یعنی جریان خیلی، خیلی زیاد خواهد بود. تعداد زیادی الکترون از سیم عبور می‌کنن.
در واقعیت، جریان واقعی توسط اندازه‌ی فیزیکی باتری محدود میشه. احتمالاً باتری نمی‌تونه همچین جریان بالایی رو تامین کنه و ولتاژ از ۱.۵ ولت کمتر میشه. اگر باتری بزرگ باشه، سیم داغ میشه چون انرژی الکتریکی به گرما تبدیل میشه. اگه سیم خیلی داغ بشه، حتی می‌تونه نور بده و شاید آب هم بشه.
بیشتر مدارها جایی بین این دو حالت هستن. ما می‌تونیم اون‌ها رو اینطوری نشون بدیم:
خط موج‌دار برای مهندسان برق نماد مقاومته. اینجا یعنی مدار مقاومتی داره که نه خیلی کم و نه خیلی زیاده.
اگر سیم مقاومت کمی داشته باشه، می‌تونه داغ بشه و شروع کنه به تابیدن نور. این همون کاریه که لامپ‌های رشته‌ای انجام میدن.
رشته‌ی معمولی که توی لامپ‌های رشته‌ای چراغ‌قوه استفاده میشه حدود ۴ اهم مقاومت داره. اگر چراغ‌قوه به دو باتری پشت سر هم نیاز داشته باشه، جریان میشه ۳ ولت تقسیم بر ۴ اهم، یعنی ۰.۷۵ آمپر یا همون ۷۵۰ میلی‌آمپر. این یعنی بیش از ۴.۵ کوینتیلیون الکترون هر ثانیه از لامپ عبور می‌کنن. مقاومت رشته باعث میشه انرژی الکتریکی به نور و گرما تبدیل بشه.
یکی دیگه از واحدهای اندازه‌گیری برق واته، که به اسم جیمز وات (۱۷۳۶–۱۸۱۹) نامگذاری شده، کسی که بیشتر به خاطر کارش روی موتور بخار شناخته میشه. وات واحد قدرت (P) هست و میشه حسابش کرد به صورت:
P = E × I
ولتاژ ۳ ولت و جریان ۰.۷۵ آمپر چراغ‌قوه ما نشون میده که با لامپی ۲.۲۵ وات سروکار داریم. لامپ‌های LED داره جای لامپ‌های رشته‌ای رو می‌گیره چون نور همون‌قدر میدن ولی گرمای کمتر و مصرف وات کمتری دارن. قبوض برق بر اساس وات حساب میشه، پس کاهش وات لامپ‌ها باعث صرفه‌جویی در هزینه و حفظ محیط زیست میشه.
حالا به نظر میاد همه چیز درباره چراغ‌قوه رو تحلیل کردیم — باتری‌ها، سیم‌ها و لامپ. اما مهم‌ترین بخش رو فراموش کردیم!
بله، کلید. کلید تعیین می‌کنه که برق توی مدار جریان داشته باشه یا نه. وقتی کلید اجازه جریان برق رو میده، می‌گیم کلید روشن یا بسته است. کلید خاموش یا باز اجازه عبور برق نمی‌ده. (نحوه استفاده ما از واژه‌های بسته و باز برای کلید برعکس نحوه استفاده‌شون برای در هست. در بسته جلوی عبور رو می‌گیره؛ ولی کلید بسته اجازه عبور برق رو میده.)
کلید یا بسته است یا باز. جریان یا وجود داره یا نداره. لامپ یا روشنه یا خاموش.
مثل کدهای دودویی که مورس و بریل اختراع کردن، این چراغ‌قوه ساده یا روشنه یا خاموش. هیچ حالت میانی وجود نداره. این شباهت بین کدهای دودویی و مدارهای الکتریکی ساده توی فصل‌های بعدی خیلی به درد می‌خوره.