مدل آب برای جریان الکتریکی

حرکت بار در یک مدار کامل، شبیه حرکت آب در مجموعه‌ای از لوله‌ها می ‌باشد. در این حالت باتری شبیه پمپ، سیم شبیه لوله و لامپ ( که انرژی را از صورتی به صورت دیگر تبدیل می‌کند) شبیه چرخ آبی عمل می کند. در یک سیستم کامل لوله‌ها، آب از یک طرف پمپ خارج شده و به طرف دیگر پمپ وارد می ‌شود.

این مدل به خوبی تفاوت بین جریان و ولتاژ را نشان می ‌دهد.

جریان I به معنی مقدار بار q عبوری در واحد زمان از هر مقطع مدار می ‌باشد.

این تعریف بسیار شبیه میزان عبور آب داخل لوله‌ ها در واحد زمان است. جریان آب در لوله برحسب لیتر بر ثانیه اندازه‌ گیری می ‌شود. جریان الکتریکی برحسب کولن بر ثانیه که به اختصار آمپر (A) نامیده می ‌شود، اندازه‌گیری می ‌گردد. 

برای اینکه مقدار یک آمپر را بهتر تصور کنید به موارد زیر توجّه کنید: یک باتری معمولی کمتر از یک آمپر جریان تولید می ‌کند. مدارهای داخلی خانه حداکثر می توانند جریانی معادل 20 آمپر را تحمل کنند. در هنگام استارت زدن، باتری ماشین حدود 100 آمپر جریان تأمین می‌ کند.

ولتاژ بین دو نقطه از مدار، نشان دهندة اختلاف پتانسیل الکتریکی بین آن دو نقطه می ‌باشد. به عبارت دیگر، ولتاژ نشان دهندة کار انجام شده بر واحد بار در مدار است و به یک معنی بیانگر فشار وارد بر بار الکتریکی در مدار می باشد. ولتاژ را می توان همانند فشار وارد بر آب در مدل آبی در نظر گرفت.

اگر چه مدل آبی بسیار مفید است ولی این نکته را باید یادآور شد که محدودیت هایی نیز در این مدل سازی وجود دارد. برای مثال اگر یک قسمت از سیم مدار بریده شود، جریان الکتریکی قطع می ‌شود، اما اگر لوله آب بریده شود، آب از آن محل خارج می  شود (مدار الکتریکی همانند سیستم آب پاش پارک ‌ها نمی‌باشد، یعنی اگر سیم قطع شود بارها از آن محل به بیرون ریخته نمی شوند).

در ضمن، شیر آب مانع جریان آب می ‌شود در حالی که یک کلید مانع بوجود آمدن هر نوع جریان الکتریکی می ‌گردد.

 تفاوت دیگر جریان الکتریکی با مدل آبی این است که مایع فقط می تواند در یک جهت در مسیر لوله حرکت کند ولی یک یا هر دو نوع بار، می‌توانند آزادانه در یک رسانا حرکت کنند (در مایعات و گازها هر دو نوع بار می‌توانند حرکت کنند).

البته در سال 1879 با در نظر گرفتن نتایج یک سری آزمایش مشخص شد که در فلزات، تنها بار منفی (الکترون ) است که حرکت می کند.

از دیدگاه بیرونی، عبور بار مثبت در یک جهت  معادل عبور بار منفی در جهت مخالف می ‌باشد. 

برای مثال دو کره فلزی خنثی را در نظر بگیرید. اگر یک کولن بار مثبت از کره A به کره B ببرید، کره B حامل 1 کولن بار مثبت اضافی خواهد شد و کره A نیز به اندازة 1 کولن کمبود بار مثبت خواهد داشت، که معادل داشتن یک کولن بار منفی اضافی است. اگر در ابتدا یک کولن بار منفی نیز از B به کره A می رفت وضعیت بار کره‌ها، به همین شکل می بود.

از آنجا که حرکت بار مثبت در یک جهت، معادل حرکت بار منفی در جهت دیگر است و بنا به دلایل تاریخی، وقتی از دیدگاه خارجی، عبور جریان مورد بررسی قرار می‌گیرد، فرض می‌کنیم که جریان الکتریکی فقط شامل حرکت بارهای مثبت است. به این فرض که در مدار بارهای مثبت در جریان هستند، اصطلاحاً جهت قرار دادی جریان گفته می شود. در مدار شکل فوق جهت حرکت واقعی بارهای الکتریکی، در یک رسانای فلزی دیده می شود.

منبع

موتور الکتریکی جاروبک دار (brushed)

یکی دیگر از موتورهای مورد استفاده در ساخت سازه های هوافضا موتور جاروبک دار است. قبلا موتور بدون جاروبک را در همین بخش معرفی کردیم. در  بعضی هواپیماهای مدل ساده تر و سبک تر  و یا در هلیکوپترهایی که امروزه به عنوان سرگرمی زیاد استفاده می شوند، از موتورهای الکتریکی معمولی نیز استفاده می گردد.

این موتورها که معمولا استوانه ای هستند، از یک بخش بیرونی و ثابت به نام استاتور (STATOR) و از یک بخش هسته مرکزی گردنده روتور(ROTOR) تشکیل می شوند. استاتور از سیم پیچ هایی بر روی شفت مرکزی تشکیل شده و روتور از دو آهنربا بر روی بدنه تشکیل شدهاست.  بخش متحرک از یک جهت دهنده یا کموتاتور(commutator)، جریان الکتریکی را دریافت می کند . جریان مستقیم (DC) حداقل به دو جاروبک (brushe) انتقال پیدا می کند و باعث ایجاد الکترومغناطیسی در هر یک از جاروبک ها می شود. با ایجاد میدان مغناطیسی و با توجه به قطب های ثابت که از آهن رباهای دائمی تشکیل شده اند، بخش متحرک شروع به حرکت می کند. در هر گردش با تغییر قطب های جریان که به وسیله ی کموتاتور انجام می شود حرکت بخش متحرک تداوم پیدا می کند. سرعت موتور DC وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جریان است. به شکل زیر دقت کنید

در شکل زیر نحوه ی قرارگیری هر قسمت در موتور را می بینید:

موتورهای الکتریکی  با نام هایی از قبیل 280، 300،380، 400 ، 480،600 تولید می شوند  که بر روی بدنه درج می شود. این نام بر اساس طول و وزن و یا در برخی مدل ها بر اساس بازده آن به کار می رود. برای نمونه یک آرمیچر 480 نشان دهنده آن است که این مدل دارای 48 میلی متر طول است، سنگین تر از مدلی مانند 280 محسوب می شود.

مثلا یک موتود 280 برای هواپیماهای مدلی با وزن تقریبی 400 گرم مناسب است و یا یک موتور 480 برای مدلی به وزن تقریبی 800 گرم کاربرد دارد. موتورهای گفته شده از 30 درصد تا 80 درصد عموما بازدهی دارند.

در نهایت محاسبه ی این که چه موتوری برای چه هواپیمای مدلی مناسب است نیاز به محاسبات و تجربه دارد. بهتر است برای شروع از نقشه های موجودی که کامل هستند استفاده کنید که در آن ها نوع موتور پیشنهادی مشخص شده است.

برای خرید این موتورها می توانید به فروشگاه های قطعات الکترونیکی واقع در خیابان جمهوری تقاطع خیابان حافظ مراجعه کنید یا از فروشگاه های لوازم مدل و سرگرمی تهیه کنید.

عجیبترین روش های موجود برای تولید برق

باکتری‌ها برق تولید می‌کنند

محققان دانشگاه آرهوس در تحقیقات خود نشان دادند که باکتری هایی که زیر رسوبات اعماق دریاها زندگی می کنند الکترون هایی را آزاد می کنند که این جریان الکتریسیته برای تامین انرژی واکنش هایی که این باکتریها با باکتریهای تولیدکننده اکسیژن برقرار می کنند مورد استفاده قرار می گیرد. برخی از میکروارگانیسم ها نیز همانند حیوانات با سوزاندن غذای خود با اکسیژن، انرژی به دست می آورند.

باکتری هایی که در لایه های عمیق تر رسوبات زندگی می کنند غذای خود را به دیگر ترکیبات آلی و به سولفات هیدروژن تبدیل می کنند.الکترونهایی که در مدت این واکنش آزاد می شوند در مسیر رسوبات حرکت می کنند و به سفر خود تا رسیدن به سطوح ادامه می دهند و در آنجا سایر باکتریها برای تولید اکسیژن مورد نیاز سایر ارگانیسم ها از این جریان الکتریسیته استفاده می کنند. در این انتقال برق میان میکروارگانیسم ها، الکترونها می توانند حتی از یک سانتیمتر و یا 20 هزار برابر ابعاد یک باکتری هم فراتر رود.نتایج این کشف می تواند به بهبود تکنیکهای تولید برق توسط میکروارگانیسم ها و ایجاد سوخت های طبیعی کمک کند.

فضولات طیور

دست‌اندرکاران انرژی در ایالت نوادا می‌گویند با استفاده از روش پاک و سازگار با محیط زیست، قصد دارند فضولات مرغ‌ها در این ایالت را برای روشن کردن خانه‌ها و اداره‌ها به کار برند. محققان شرکت انرژی پاک (Green energy) می‌خواهند با تبدیل فضله پرندگان به متان و تولید گاز پاک به عنوان یک سوخت تجدیدپذیر الکتریسیته تولید کنند.

محققان شرکت انرژی پاک برای حل این مشکل پیشنهاد کردند از متان استخراج شده و تفاله باقیمانده به عنوان کود استفاده شود. قرار است اولین نیروگاه که از این سوخت استفاده می‌کند در ژوئن 2010 در کارولینای جنوبی شروع به کار کند. این نیروگاه شبیه به بسیاری از نمونه‌های مشابه در اروپاست و با 13 مرغداری بزرگ به منظور تهیه سوخت آلی قرارداد بسته است. این نیروگاه، برق تولیدی را به صنایع همگانی، کارخانه‌ها و شرکت تعاونی‌های روستایی خواهد فروخت.محققان شرکت انرژی پاک اولین گروهی نیستند که تلاش کرده‌اند از فضولات طیور به عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر استفاده کنند.Fibro watt دیگر شرکتی است واقع در پنسیلوانیا که 3 سایت در ایالت مینه‌سوتا دارد. عمدتا در کارولینای شمالی و دیگر مناطق آن با استفاده از متان استخراج شده از زباله‌های دفن شده الکتریسیته تولید می‌شود.

دی‌اکسید کربن منتشر شده ناشی از سوختن متان در فضا معادل مقداری است که از سوختن زغال منتشر می‌شود. سوختن زغال‌سنگ باعث تولید و اضافه شدن دی‌اکسید کربن جدید به اتمسفر می‌شود. در حالی‌که دی‌اکسید کربن ناشی از سوختن متان همانی است که به صورت طبیعی و در اثر فساد فضولات حیوانی به جو اضافه می‌شود.

حرکات بدن

گروهی از محققان دانشگاه پرینستون با کمک فناوری نانو موفق به تولید برق از حرکات طبیعی بدن شدند.

فیلم‌های لاستیکی تولیدکننده توان که توسط مهندسان دانشگاه پرینستون ساخته ‌شده ، می‌توانند حرکات طبیعی بدن مانند تنفس و پیاده‌روی را برای توان دادن به تنظیم‌کننده‌های قلب، گوشی‌های موبایل و سایر افزاره‌های برقی به خدمت گیرند.

این ماده، که از نانوروبان‌های سرامیکی جاسازی شده در داخل ورقه لاستیکی سیلکونه تشکیل شده‌است، هنگام خم شدن الکتریسیته تولید می‌کند و کارآیی زیادی در تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی دارد.

کفش‌های ساخته‌ شده از این ماده روزی خواهند توانست انرژی پیاده‌روی و دویدن را برای تغذیه افزاره‌های الکتریکی قابل‌حمل جمع‌آوری کنند. این ورقه‌ها با قرار گرفتن بر روی شش‌ها خواهند توانست حرکات تنفسی را به منبع تغذیه تنظیم‌کننده قلب تبدیل کنند و نیاز به جراحی برای تعویض باطری‌های تغذیه آنها را برطرف کنند.

گروه پرینستون اولین تیمی است که با موفقیت سیلیکونه و نانوروبان‌های تیتانات زیرکونات سرب (PZT) را ترکیب کرده است. PZT یک سرامیک پیزوالکتریک است به این معنا که با قرار گرفتن تحت فشار مکانیکی می‌تواند ولتاژ الکتریکی تولید کند. در بین تمام مواد پیزوالکتریک، PZT کارآترین می‌باشد و قادر است که 80 درصد انرژی مکانیکی اعمال شده را به انرژی الکتریکی تبدیل کند.

فرایند ساخت این پژوهشگران با تولید نانوروبان‌های PZT شروع می‌شود. آنها در یک فرایند جداگانه این روبان‌ها را در داخل ورقه‌های شفافی از پلاستیک سیلکونه جاسازی کرده و چیزی به نام A«تراشه‌های پیزو-پلاستیکA» درست کردند. سیلیکونه که در کاشت‌های زیبایی و افزاره‌های پزشکی استفاده می‌شود یک ماده زیست‌سازگار است.

نیروی باد

شاید به طور بالقوه بتوان نیاز جامعه جهانی به انرژی را به وسیله تبدیل انرژی باد به الکتریسیته با استفاده از توربین‌های بادی جبران کرد. با وجود این که دریا از منابع انرژی باد فراوانی برخوردار است، اما توربین‌های بادی به دلیل نوسانات طبیعی در جهت و قدرت باد قادر به تولید برق مداوم و پایدار نیستند.

با توجه به تحقیقات انجام شده در دانشگاه Deloware و Stony Brook می‌توان برق خروجی از این منابع بادی دریایی را با انتخاب محل‌های درست که از الگوهای آب و هوایی مناسب بهره‌ می‌برند و اتصال ژنراتورهای بادی به خطوط انتقال و تقسیم انرژی برق را پایدارتر و مداوم‌تر از قبل کرد.

اگر بتوانیم الکتریسیته تولید شده توسط باد را پایدارتر کنیم، سهم بادها در برآوردن نیازهای بشر به برق بیشتر می‌شود و منابع تولید برق بیشتری برای انسان به وجود می‌آید.

بررسی‌ها حاکی از آن است که هنگام طراحی سیستم‌های انتقال قدرت براساس منابع تجدیدپذیر مانند باد باید فاکتورهای مهم هواشناسی که شامل جریان‌های غالبا سیستم‌های پرفشار و کم‌فشار است در مقیاس قابل توجهی در نظر گرفته شود.

ستاره دریایی

گروهی از دانشمندان سوئدی با کشف یک پروتئین فلورسانت در ستاره دریایی موفق شدند از این جاندار ساکن اقیانوس ها انرژی الکتریکی تجدیدپذیر به دست آورند.ستاره های دریایی همواره در گروه جانورانی قرار داشتند که بیشترین ترس و وحشت را در میان انسان ها ایجاد می کنند. اکنون گروهی از محققان دانشگاه گوتبورگ و دانشگاه فناوری چالمرز در سوئد به کشف جدیدی دست یافته اند که می تواند این جانداران به یک منبع مهم انرژی تجدیدپذیر تبدیل کند.این دانشمندان موفق شدند امکان تولید انرژی برق از یک پروتئین فلورسانت سبز رنگ (GFP) حاضر در این ارگانیسم دریایی را مورد آزمایش و بررسی قرار دهند.

دانشمندان سوئدی یک پانل از جنس دی اکسید سیلیکون با دو الکترود آلومینیومی ایجاد کردند. این دو الکترود از طریق چند قطره از این پروتئین فلورسانت که مستقیم از بدن ستاره دریایی استخراج شده بود تفکیک شدند و هر یک از الکترودها به یک سیم متصل شد. سپس این پانل در معرض نور ماوراء بنفش گذاشته شد و راندمان جذب فوتونها از سوی پروتئین مورد آزمایش قرار گرفت.

نتایج این آزمایش نشان داد که پروتئین فلورسانت ستاره دریایی شروع به انتشار الکترون و در نتیجه تولید برق کرد.به گفته این محققان در آینده و با تکامل این پانل ها ستاره دریایی می تواند به یک منبع عالی برای توسعه سیستم های تولید انرژی پاک تبدیل شود.

تولید برق ‌ارزان از ریل‌های قطار

صحبت از قطارهای فوق‌مدرن همواره از هیجان خاصی برخوردار است. نسل جدید قطارهای سرعتی جهان که لوکوموتیوهای آنان نیز ساختار فوق آیرودینامیکی دارند نشان‌دهنده آن است که در سراسر جهان به طراحی قطارهای مجهز به فناوری‌های پیشرفته توجه زیادی می‌شود.

تقریبا هر کسی که در نزدیکی ریل‌های راه‌آهن زندگی می‌کند به شما خواهد گفت که قطارهای تندرو که اتفاقا شمار آنها به سرعت در حال افزایش است در حین حرکت روی ریل جریان قابل توجهی از باد تولید می‌کنند.

شاید برای بسیاری از افراد این جریان هوا چیزی چندان عجیب و هیجان‌انگیزی نباشد اما برای طراحان صنعتی نظیرکوان جینگ و الساندرو لئونتی نباید از کنار کوچک‌ترین تحولاتی که می‌توان از آنها برای تولید انرژی استفاده کرد بی‌تفاوت عبور کرد. آنها برای این‌که ایده‌شان را به واقعیت تبدیل کنند به فکر نصب دستگاهی روی ریل قطار افتاده‌اند که همزمان با عبور قطار از روی ریل، جریان هوای تولید شده توربین موجود در این مجموعه را به گردش درآورده و در نتیجه الکتریسیته تولید کند.

این دستگاه که تحت عنوان T-box شناخته می‌شود قابلیت نصب روی ریل راه‌آهن و خطوط ریلی مترو را نیز دارد و جدای از این دو مکان از پیش در نظر گرفته شده می‌توان از آن در سایر نقاطی که همواره منابع مستعد تولید انرژی به هدر می‌روند استفاده کرد.

تصاویر نوت بوک جدید فوجیتسو که چند بار تا می شود

منبع