انرژی پتانسیل الکتریکی
در حال خواندن فیزیک با آن فرمول‌ها زیاد و مفاهیم سنگین‌اش هستی که ناگهان صدای رعد و برق تو را از آن کتاب خسته کننده جدا می‌کند. از جایت بلند می‌شوی و پنجره را باز می‌کنی.
به آن رعدهای زیگزاگی نور که تو را یاد زخم روی پیشانی هری‌پاتر می‌اندازد نگاه می‌کنی و با خودت فکر می‌کنی «این نور چیه؟ از کجا می‌آد؟ اصلن چی باعثش میشه؟» نگاهی به کتاب فیزیک‌ات می‌اندازی و ناامیدانه دوباره به آسمان نگاه می‌کنی.
شاید آسمان جواب ساده‌تر و قابل فهم‌تری در دل آن وصله‌های زیگزاگی نورانی‌اش داشته باشد. اما آسمان فقط می‌غرد و تو یک قدم عقب‌تر می‌روی. روی شانه‌ات می‌زنم، از جا می‌جهی و برمی‌گردی سمت من. لبخند می‌زنم و دستت را می‌گیرم و روی صندلی می‌نشانم. بیا اینجا بنشین تا داستان آن نورهای زیگزاگی را برایت بگویم.
انرژی پتانسیل الکتریکی
انرژی یعنی توانایی انجام کار. یکی از شکل‌های انرژی، انرژی پتانسیل است؛ یعنی انرژی‌ای که یک جسم به خاطر مکانش در یک میدان (مثل میدان گرانشی یا میدان الکتریکی) دارد.
مثلاً ما و همه اجسام اطراف‌مان، به دلیل اینکه در میدان گرانشی زمین قرار داریم؛ دارای انرژی پتانسیل گرانشی هستیم. فرض کنید خودکاری روی زمین افتاده است. آن را برمی‌دارید و روی میز می‌گذارید.
شما با دست‌تان بر خلاف جهت میدان گرانش روی آن کار انجام می‌دهید. طبق قانون پایستگی انرژی، این انرژی از بین نمی‌رود؛ بلکه در جسم (خودکار) به صورت انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره می‌شود. حالا اگر خودکار از روی میز بیفتد؛ این انرژی به انرژی جنبشی تبدیل و آزاد می‌شود.
بار الکتریکی هم داستان مشابهی دارد. وقتی یک بار الکتریکی را در یک میدان الکتریکی قرار می‌هیم (مثلاً نزدیک یک بار دیگر)، به آن نیرو وارد می‌شود. اگر بخواهیم یکی از بارها را به سمت دیگری ببریم، باید زور بزنیم، یعنی کار انجام دهیم. هر کاری که برای جابه‌جا کردن بار انجام دهیم، به شکل انرژی پتانسیل الکتریکی در آن بار ذخیره می‌شود.
دو تا بار الکتریکی مثبت را در نظر بگیرید. این دو بار به هم نیروی رانشی وارد می‌کنند. حالا اگر یکی از بارها را به زور به سمت دیگری ببریم، چون خلاف طبیعت‌شان حرکت می‌کنند؛ باید کار انجام شود. کار هم که از جنس انرژی‌ست و انرژی هم تابع قانون پایستگی. پس کار انجام شده روی بار برای جابه‌جایی به شکل انرژی پتانسیل در میدان الکتریکی بار ذخیره می‌شود.
این انرژی برابر است با کاری که برای جابه‌جایی بار انجام می‌شود، ولی با علامت مخالف. این انرژی را می‌توانیم به شکل زیر فرمول‌بندی کنیم.
پتانسیل الکتریکی
فرض کنید دو کره‌ی باردارفلزی مشابه، یکی دارای بار 8- میکروکولن و دیگری دارای 2- میکروکولن را به یکدیگر تماس می‌دهیم. بارها از کدام کره به کره‌ی دیگر می‌رود؟ آفرین. از کره‌‌ای که دارای بار الکتریکی بیشتر (یعنی 8- میکروکولن ) به کره‌ی دارای بار کمتر. یعنی اینجا شرط جابه‌جایی بار اندازه و تعداد بار است
حالا دو کره فلزی با اندازه‌های متفاوت را در نظر بگیرید که هر کدام دارای بار 5+ میکروکولن هستند. اگر این دو کره را با یک سیم فلزی به هم وصل کنیم، بارها از کجا به کجا می‌رود؟ ممکن است در نگاه اول پاسخ‌تان این باشد که بارها برابرند و باری منتقل نمی‌شود.
اما این اشتباه است. یکی از کره‌ها اندازه و حجم کوچکتری دارد و بارها در آن نسبت به کره با ابعاد بزرگتر، تنگ‌چین هم قرار گرفته‌اند. پس نیروی دافعه‌‌ی بیشتری میان‌شان وجود دارد. این نیروی رانشی، بارها را از کره‌ی کوچک‌تر هُل می‌دهد به سمت کره‌ی بزرگتر. پس اینجا شرط جابه‌جایی بار اندازه‌ی کره‌هاست.
همانطور که در دو مثال بالا دیدید شارش بار الکتریکی گاهی می‌تواند؛ وابسته به مقدار بار باشد و گاهی هم وابسته به اندازه‌ی جسم. برای اینکه همه‌ی این عوامل را به یک زبان مشترک بیان کنیم، از کمیتی به نام پتانسیل الکتریکی استفاده می‌کنیم. پتانسیل الکتریکی ، عامل اصلی جابه‌جایی بار الکتریکی است.
حالا می‌خواهیم آن را به شکل کمی تعریف کنیم. فرض کنید می‌خواهیم بار الکتریکی مثبتی را در خلاف جهت میدان الکتریکی جابه‌جا کنیم؛ به بار نیرو وارد می‌شود؛ در میدان حرکت می‌کند در نتیجه کاری روی آن انجام می‌شود. این کار به شکل انرژی پتانسیل در میدان الکتریکی بار ذخیره می‌شود.
اگر در این حالت اندازه‌ی بار را دو برابر کنیم، کار و در نتیجه انرژی پتانسیل الکتریکی آن نیز دو برابر خواهد شد. پس می‌توان نتیجه گرفت که اگر انرژی پتانسیل را بر اندازه‌ی بار تقسیم کنیم؛ عددی ثابت به دست می‌آید که به آن اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ گفته می‌شود که به شکل زیر نوشته می‌شود.
این رابطه نشان می‌دهد؛ اختلاف پتانسیل الکتریکی به اندازه و نوع بار بستگی ندارد. جهت خودبه‌خودی حرکت بارهای الکتریکی همواره از پتانسیل بیشتر به پتانسیل کمتر است.
برای اینکه بتوانیم مقدار انرژی و پتانسیل را در هر نقطه از میدان را بسنجیم؛ نیاز داریم یک نقطه‌ی مرجع در نظر بگیریم؛ نقطه‌ای که پتانسیل و انرژی آن را صفر فرض می‌کنیم. با در نظر گرفتن زمین به عنوان نقطه‌ی مرجع، پتانسیل الکتریکی در هر نقطه از میدان با رابطة زیر بیان می‌شود.
پل.جی.هیوئیت در کتاب فیزیک مفهومی درباره اهمیت پتانسیل الکتریکی نوشته است.
«اهمیت پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در آن است که می‌توان مقداری معین را به هر مکان اختصاص داد. می‌توان پتانسیل الکتریکی در جاهای مختلف یک میدان الکتریکی، بدون توجه به اینکه در آنها بار وجود دارد یا نه (پس از مشخص کردن محل پتانسیل صفر) صحبت کرد.»
توجه داشته باشید که بین پتانسیل الکتریکی و انرژی الکتریکی تفاوت مهمی وجود دارد. انرژی پتانسیل الکتریکی وابسته به اندازه و نوع بار است. در حالیکه پتانسیل الکتریکی مستقل از نوع و اندازه‌ی بار الکتریکی است.
پتانسیل الکتریکی زیاد الزامن به معنای انرژی پتانسیل الکتریکی زیاد نیست. ولتاژ زیاد در صورتی به معنای انرژی زیاد است که که بار دخیل در آن زیاد باشد.
ولتاژ زیاد اما با انرژی کم، مثل جرقه‌هایی است که از یک فشفشه‌ی کوچک بیرون می‌زنند؛ نورانی و چشم‌گیر ولی بی‌خطر. یا اگر بادکنکی را با موهایتان مالش دهید، پتانسیل الکتریکی بادکنک زیاد است اما انرژی پتانسیل الکتریکی آن به دلیل بار کوچک آن، کم است.
رعد و برق و صاعقه؛ نمایش قدرتمند اختلاف پتانسیل الکتریکی در آسمان
حالا که با مفاهیم انرژی پتانسیل الکتریکی و اختلاف پتانسیل آشنا شدیم، بیایید ببینیم این مفاهیم چه نقشی در پدیده‌ی پرهیاهوی رعد و برق و صاعقه دارند.
در دل ابرهای طوفانی، حرکت شدید قطرات و ذرات باعث جدا شدن بارهای الکتریکی می‌شود. معمولاً بارهای مثبت به بالای ابر و بارهای منفی به پایین ابر می‌روند. این جدایش، باعث می‌شود بین نقاط مختلف درون یک ابر یا بین دو ابر، اختلاف پتانسیل زیادی به وجود بیاید.
این اختلاف پتانسیل ممکن است به چند میلیون ولت برسد. اگر این اختلاف از یک حد بیشتر شود؛ هوای میان دو ناحیه باردار یونیزه می‌شود و رعد و برق شکل می‌گیرد؛ یعنی تخلیه‌ی ناگهانی بار (حرکت بارها از مناطقی با پتانسیل بیشتر به مناطقی با پتانسیل کمتر) بین دو بخش باردار ابر، یا بین دو ابر. آن نور زیگزاگی که در آسمان می‌بینیم، همین بارهای الکتریکی‌اند که به خاطر اختلاف پتانسیل بین دو ابر یا در قسمت‌های مختلف یک ابر جابه‌جا می‌شوند.
در بعضی شرایط، بارهای منفی تجمع‌یافته در پایین ابر باعث می‌شوند به سطح زمین بار مثبت القا شود. اگر اختلاف پتانسیل بین این دو آن‌قدر زیاد شود که هوای بین‌شان رسانا شود؛ تخلیه‌ی الکتریکی از ابر به زمین رخ می‌دهد. این پدیده را صاعقه یا آذرخش می‌نامیم، که همراه با نور شدید (جریان بارهای الکتریکی) و صدای انفجاری (رعد) دیده و شنیده می‌شود.
در واقع، انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره‌شده در میدان الکتریکی بین ابر و زمین، ناگهان آزاد می‌شود و به شکل نور، گرما و صدا درمی‌آید.
اختلاف پتانسیل الکتریکی، مایه‌ی حیات
علاوه بر رعد و برق وصاعقه، اختلاف پتانسیل در بدن ما هم نقش مهمی عهده‌دار است. هر بار که شما فکر می‌کنید؛ حرکت می‌کنید یا حتی چیزی را لمس می‌کنید؛ میلیون‌ها نورون در بدنتان با استفاده از اختلاف پتانسیل الکتریکی بین درون و بیرون سلول‌ها سیگنال ارسال می‌کنند. این پتانسیل‌ها معمولاً در حد میلی‌ولت هستند، اما کارهای بزرگی انجام می‌دهند. بدون این اختلاف پتانسیل، هیچ فعالیت عصبی‌ای ممکن نبود.
کمی آن طرف‌تر از خودمان در گیاهان هم اختلاف پتاسیل الکتریکی دستی در کار دارد. در فرآیند فتوسنتز، وقتی نور به کلروفیل برخورد می‌کند؛ الکترون‌ها تحریک شده و بین مولکول‌ها جابه‌جا می‌شوند. این جابه‌جایی، اختلاف پتانسیلی ایجاد می‌کند که در نهایت به تولید انرژی شیمیایی (مثل گلوکز) منجر می‌شود.
کاربردهای اختلاف پتانسیل الکتریکی در صنعت
حالا بیایید نگاهی بیاندازیم به چند کاربرد اختلاف پتانسیل الکتریکی در صنعت.
1- در باتری‌ها، اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود باعث می‌شود که الکترون‌ها از پایانه‌ی منفی به پایانه‌ی مثبت جریان پیدا کنند. این جریان انرژی لازم برای روشن شدن وسایل الکترونیکی مثل گوشی، چراغ‌قوه، لپ‌تاپ و… را فراهم می‌کند. هر چه اختلاف پتانسیل بیشتر باشد، ولتاژ باتری هم بیشتر است و انرژی بیشتری می‌تواند منتقل کند.
2- در تمام وسایل الکترونیکی، از شارژر گوشی گرفته تا یخچال و تلویزیون، منبع تغذیه ولتاژ مشخصی را به اجزای مختلف دستگاه می‌دهد تا عملکرد درستی داشته باشند. تنظیم دقیق پتانسیل الکتریکی در اینجا نقش کلیدی دارد.
3- در دستگاه‌هایی مانند دفیبریلاتور (قلب برگردان)، از انرژی ذخیره‌شده در خازن‌ها استفاده می‌شود که با ایجاد ولتاژ بسیار بالا می‌تواند شوک الکتریکی به قلب بدهد و آن را به ریتم طبیعی بازگرداند. بدون استفاده از انرژی پتانسیل الکتریکی، چنین عملکردی ممکن نبود.
4- در ژنراتورها، انرژی مکانیکی (مثلاً از حرکت توربین‌ها) تبدیل به انرژی الکتریکی می‌شود. این تبدیل به‌واسطه‌ی القای اختلاف پتانسیل در سیم‌پیچ‌ها انجام می‌شود. تمام نیروگاه‌ها، از برق‌آبی تا بادی، از این اصل بهره می‌برند.
5- در صنعت برای استخراج فلزاتی مانند آلومینیوم و مس، از الکترولیز استفاده می‌شود. در این فرآیند، با ایجاد اختلاف پتانسیل بین دو الکترود، یون‌های مثبت و منفی در محلول به سمت الکترودهای مخالف حرکت می‌کنند و واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شود. این کاربرد حیاتی برای تولید فلزات خالص است.
سخن پایانی در مورد انرژی پتانسیل الکتریکی
در نگاه اول، «پتانسیل الکتریکی» و «انرژی پتانسیل الکتریکی» شاید فقط مفاهیمی خشک و فرمولی به نظر برسند، اما وقتی دقیق‌تر نگاه کنیم؛ می‌بینیم این مفاهیم در قلب بسیاری از پدیده‌های طبیعی و فناوری‌های اطراف ما قرار دارند.
از نور مهیب رعد و برق گرفته تا جریان نامرئی اطلاعات در مغز انسان، از باتری‌های کوچک در وسایل روزمره‌مان تا ماشین‌آلات بزرگ صنعتی، همه و همه بر پایه‌ی اختلاف پتانسیل کار می‌کنند.
شناخت این مفاهیم، ما را فقط در درس فیزیک قوی‌تر نمی‌کند، بلکه به ما کمک می‌کند دنیا را با چشم بازتری ببینیم. وقتی می‌فهمیم چرا بارها از یک نقطه به نقطه‌ای دیگر می‌روند، یا چطور می‌توان با یک ولتاژ بالا جان انسانی را نجات داد، آن وقت است که فیزیک از دل کتاب بیرون می‌آید و در زندگی جاری می‌شود.
پس دفعه‌ی بعد که صدای رعدی شنیدی یا گوشی‌ات را به شارژ زدی، یادت بیاید پشت این اتفاق ساده، دنیایی از مفاهیم شگفت‌انگیز فیزیکی نهفته است. دنیا پر است از پتانسیل‌هایی که اگر خوب بشناسیم‌شان، می‌توانیم درک‌مان را از زندگی و علم دگرگون کنیم.
دیدگاهتان را بنویسید