مقدمه

از زماني که انسانهاي اوليه شروع به استفاده از انرژي کرده‌اند تا حال ، انرژي به انرژيهاي قديمي و انرژيهاي نو تقسيم بندي مي‌شود.
• انرژيهاي قديمي شامل: چوب ، زغال سنگ ، انرژي باد (براي کشتيهاي بادي) ، نفت و ... مي‌باشند.
• انرژيهاي نو شامل: انرژي خورشيد ، باد (براي ماشينهاي بادي امروزي) ، هيدروژن ، اتم ، انرژي هسته‌اي و ... هستند.
اين روزها همه صحبت از صرفه جويي در مصرف انرژي است و دانشمندان بيشترين تلاش خود را صرف پيدا کردن راههايي براي بدست آوردن انرژي بيشتر و ارزانتر مي‌کنند و از باد ، خورشيد ، جزر و مد درياها و انرژي موجود در اتمها نيز مدد مي‌جويند. اما جالب است بدانيد که همين دانشمندان هم به سختي مي‌توانند، تعريف دقيقي از انرژي ارائه کنند.
در حقيقت اگر انرژي را به صورت "کار ذخيره شده" يا "توانايي انجام کار" تعريف کنيم، توانسته‌ايم تا حدود زيادي تعريفي از انرژي ارائه نمائيم. هر چند که اين تعريف چندان جامع و کامل نيست. در حقيقت وجود ما و دنياي اطراف ما بدون وجود انرژي و حتي تبديل آن به صورتهاي گوناگون امري محال است. لذا انرژي نه از بين مي‌رود ونه به وجود مي‌آيد!
در تعريف انرژي مي‌توانيم بگوييم که: انرژي توانايي انجام کار است. يعني تمامي موجودات براي انجام کار بايد غذا مصرف کنند تا اين غذا بصورت انرژي در ماهيچه‌هاي آنها ذخيره شود که در موقع لازم بتوانند از آن استفاده کنند. با پيشرفت و انقلاب تکنولوژيک تمامي دستگاهها و ماشينها به نوعي از انرژيهاي مختلف استفاده مي‌کنند. مثلا ماشين بنزين مصرف نکند براي ما نمي‌تواند کار انجام دهد يا يخچال انرژي الکتريکي مصرف نکند، نمي‌تواند عمل سرمايشي انجام دهد.
در حقيقت انرژي همواره از صورتي به صورت ديگر تبديل مي‌شود و همين امر کارها را به سرانجام مي‌رساند. براي نمونه انرژي موجود در درياچه‌هاي پشت سدها ، انرژي ارتفاعي است. خودورهاي در حال حرکت ، مثل بسياري از اشيا متحرک ديگر ، داراي انرژي حرکتي هستند. در کمان تيراندازي انرژي کششي نهفته است و در ابرهاي باران زا نيز مي‌توانيم انرژي الکتريکي را بيابيم. اما اين انرژي کار آمد و مهم را چگونه اندازه گيري مي‌کنند!؟

موقعيت جهاني انرژي

• سرنوشت انسانها بر اين روال است که در مقابل خطر متحد مي‌شوند. ولي بر عکس در مورد مراکز هسته‌اي عقايد بسيار متفاوت است. زيرا بعضي از ملتها از ديگري مي‌ترسند. در چنين شرايطي ، قانون طبيعي اتحاد به علت استفاده نادرست توسط قانون ديگر طبيعت به نام عدم اعتماد جايگزين مي‌شود.
• بخشي از مردم به انرژي توجه بيشتري دارند و تنها راه حل را در افزايش مصرف انرژي الکتريکي که از انرژي اتمي توليد مي‌شود، مي‌دانند و تصور مي‌کنند که افزايش تکنيک ، سبب کاهش خطر به ميزان قابل توجه براي همه خواهد بود. آنان در اتم ، در ادامه آنچه که در شيمي ، در هواپيمايي ، در پزشکي و در تحقيقات فضايي انجام يافته ، پيشرفت حتمي را مي‌بينند.
• بعضي ديگر از انرژي اتمي بيمناک هستند آنها بمب اتمي را بخاطر مي‌آورند که به توسط مواد راديواکتيو تشعشعات هسته‌اي نامرئي را بوجود مي‌آورند، که براي محيط زيست بسيار زيان بار است.
• طرفداران استفاده از انرژيهاي غير هسته‌اي ، اجتماع طبيعت و علم را جويا هستند تا روشهاي ديگري را براي توليد انرژي و براي انرژي گيري بوجود مي‌آورند.

اندازه گيري انرژي

بدون ترديد اندازه گيري انرژي با توجه به اهميت زياد آن ، بايد بسيار دقيق باشد، آن هم با ارزش روز افزون انرژي ، که دنيا را دگرگون ساخته است. براي اندازه گيري انرژي واحدهايي وجود دارند که معروفترين آنها "کيلو وات - ساعت" (KWh) است. ميزان مصرف برق هر وسيله برقي خانگي را با همين واحد اندازه گيري مي‌کنند.

منابع انرژي

ما براي تأمين انرژي مورد نياز خود سه گروه انرژي را در اختيار داريم. گروه اول مواد سوختي سنگواره‌اي ، از قبيل زغال سنگ ، نفت و گاز طبيعي هستند که بازمانده گياهان وجانوراني مي‌باشند که ميليونها سال قبل مي‌زيسته‌اند. جالب اينکه ، اين منابع بسيار مهم انرژي ، که مي‌توان از آنها دارو و بسياري از مواد مصنوعي ارزشمند ديگر را تهيه کرد، در حجم وسيعي سوزانده مي‌شوند.
گروه دوم منابع انرژي تجديد شدني است. مانند خورشيد ، باد ، جزر و مد ، نيروي آب و گرماي محيط ، که بدون دخالت انسان خود به خود تجديد مي‌شوند و به محيط زيست نيز صدمه نمي‌زنند. متأسفانه استفاده چنداني از اينگونه انرژيها به عمل نمي‌آيد. گروه سوم نيز "مواد سوختني هسته‌اي" مانند "اورانيوم" و "پلوتونيوم" هستند که انرژي عظيم و شگفت آوري را براي ما به ارمغان مي‌آورند و اين انرژي از هسته اتم به عمل مي‌آيد. جالب است بدانيد که از سوختن يک کيلوگرم زغال سنگ تقريبا هشت کيلو وات ساعت حرارت بدست مي‌آيد، در صورتي که از يک کيلوگرم اورانيم 23000000 کيلو وات ساعت حرارت حاصل مي‌شود. البته اين انرژي در صورت استفاده نادرست خطرات غير قابل باوري را به همراه مي‌آورد.
انرژي را به صورت ديگر نيز دسته بندي مي‌کنند. براي نمونه آن را به دو دسته انرژي اوليه و ثانويه تقسيم بندي مي‌کنند. "انرژي اوليه" انرژي بدست آمده از موادي است که بطور طبيعي وجود دارند، که از جمله مي‌توان از نفت خام ، گاز و زغال سنگ نام برد. در حالي که "انرژي ثانويه" آن دسته از انرژيهايي هستند که از ناقلان انرژي اوليه بدست مي‌آيند. مانند جريان الکتريکي ، بنزين و مواد سوختني گرمازا. متأسفانه ، هنوز علم انسان آنقدر پيشرفت نکرده است که از قسمت اعظم انرژي استفاده کند، زيرا تنها قسمت بسيار کوچکي از آن بصورت مفيد به مصرف مي‌رسد که از اين مقدار کم ، بيشترين سهم به مصرف در لوازم خانگي اختصاص دارد و صنايع در رديف دوم قرار دارند و وسايل نقليه عمومي در رديف کم مصرف‌ترين وسايل قرار دارند.

چشم انداز

نياز جهاني به انرژي اوليه در حال حاضر حدود 12 ميليارد تن SKE (واحد زغال سنگ) در سال است و مسلما اين مقدار انرژي مورد نياز ، پيوسته بيشتر و بيشتر هم خواهد شد و اين در حالي است که اگر انسانها با صرفه جويي زياد هم انرژي را مصرف کنند، تا يکصد سال ديگر موادي مثل نفت خام و گاز پايان مي‌رسند و زغال سنگ نيز حداکثر تا دو قرن ديگر پاسخگوي بخشي از نياز شديد انسان به انرژي خواهد بود. ذخاير اورانيوم قابل استخراج زمين نيز توانايي توليد 153 ميليارد تن SKE انرژي را دارند.
اين مقدار در نگاه نخست ناچيز به نظر مي‌رسد، ولي با توجه به دستيابي انسان به فن‌آوريهاي جديد مي‌تواند چندين قرن مسأله انرژي را حل کند، اما براي آينده دور ناچيز است! به هر حال احتمال يافتن انرژيهاي نو در قرنهاي آينده هم غير ممکن نيست و مي‌توان آن را بدست آورد، مشروط بر اينکه آلودگي ناشي از مصرف انرژي طبق روند کنوني پيش نرود و محيط زيست انسان و ساير جانداران را به مخاطره نيندازد.
در حقيقت ما به اندازه مواد موجود انرژي داريم. سنگ ، ساعت و انسان همه يک وجه اشتراک دارند که همان جرم آنهاست که وزن مخصوص است. هر چيزي که جرم دارد ماده است. البته ناقلان انرژي بدون جرم نيز وجود دارند. براي نمونه امواج نوري جزو اين دسته هستند. تا آغاز قرن کنوني چنين فرض مي‌شد که جرم و انرژي دو چيز متفاوت هستند و هرگز به يکديگر تبديل نمي‌شوند. اما در اوايل قرن حاضر "آلبرت انيشتين" ثابت کرد که ماده فقط يکي از شکلهاي متعدد قابل تصور انرژي است. او با فرمول معروف خود E = mc2 که رابطه بين سرعت ، جرم و انرژي را بيان مي‌کند، سخن از تبديل ماده به انرژي را به ميان آورد و دنياي علم را دگرگون ساخت و واکنشگرهاي (رآکتورها) اتمي را براي بشر به ارمغان آورد.
هر چند که همچون هميشه ، بمبهاي اتمي و در پي آنها بمبهاي هيدروژني نيز روانه بازار پر رونق سلاحهاي جنگي مخوف شدند و در اولين قدم شهر هيروشيماي ژاپن را به تلي از خاک بدل کردند. به هر حال مطالعات و تحقيقات دانشمندان در مورد دستيابي به انواع ساده‌تر و ارزانتر انرژي در هر دو جهت مثبت و منفي کاربردهاي فراواني داشته است و در اين ميان شايد سهم ما بيشتر از هر چيزي درک آن حقيقت مهم و اساسي باشد که مصرف انرژي توسط فرد فرد ما مي‌تواند مشخص کننده (کاهش يا افزايش) سرعت حرکت کشور در مسير توسعه باشد.

قانون بقاي انرژي

اگر علاوهبر نيروهاي پايستار و اصطکاک ، نيروهاي ناپايستارو غير اصطکاکي را نيز درنظر بگيريم، بر اساسقضيه کار و انرژي، مجموع کار انجام شدهتوسط تمام اين نيروها با تغييراتانرژي جنبشي برابر است. اگر کار انجام شده توسط نيروهاي پايستار بر روي ذره را باو کارانجام شدهتوسط نيروي اصطکاک را باو کل کار انجامشده توسط نيروهاي ناپايستار غير اصطکاکي را بانشان دهيم، قضيهکار انرژي به صورت زير بيان خواهد شد:
 
دررابطه فوقتغيير انرژي جنبشي است. از طرف ديگر ، مي‌دانيم که هر نيروي پايستار را مي‌توان بهيک انرژي پتانسيل و هر نيروي اصطکاک را بهانرژي داخليوابسته کرد. بنابراين اگر علاوهبر موارد گفته شده صورتهاي ديگر انرژي را نيز درنظر بگيريم، خواهيم داشت:
 
عبارتفوق که در آنتغييرات انرژيجنبشي وتغييرات انرژي پتانسيل وانرژي داخليسيستم است،قانون بقاي انرژيناميده مي‌شود.

قانون بقاي انرژي در واقع از تجربيات ماست و مشاهدات ما از طبيعت آن را نقض نکرده است. بر اين اساس قانون بقاي انرژي را اصل پايستگي انرژي نيز مي‌گويند. در طول تاريخ علم فيزيک بارها درستي قانون بقاي انرژي مورد سوال قرار گرفته است، اما همين ترديدها خود به محرکي براي کشف دلايل قانون بقاي انرژي تبديل شده‌اند. در اين پژوهشها ، دانشمندان در پي يافتن پديده‌هايي غير از حرکت بوده‌اند، پديده‌هايي که همراه با نيروهاي برهمکنش ميان اجسام ظاهر مي‌شوند و البته اين نوع پديده‌ها همواره وجود دارند.
در برهمکنش‌هاي ديگر ، انرژي ممکن است به صورت نور ، الکتريسيته و مانند آن توليد شود. بنابراين علاوه بر انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل اجسامي که به صورت مستقيم قابل مشاهده هستند، صورتهاي ديگر انرژي نيز وجود دارد و در واقع ، قانون بقا انرژي بيانگر پايستگي انواع مختلف انرژي است که علاوه بر مکانيک در شاخه‌هاي ديگر علم فيزيک نيز بکار مي‌رود.

ارتباط پايستگي انرژي با پايستگي انرژي مکانيکي

هر چند اصل پايستگي انرژي جنبشي بعلاوه انرژي پتانسيل (انرژي مکانيکي) غالبا مفيد است، اما اين اصل در واقع حالت محدودي از اصل کلي بقاي انرژي است. انرژي‌هاي جنبشي و پتانسيل تنها هنگامي بقا خواهند داشت که نيروهاي پايستار عمل مي‌کنند، در صورتي که انرژي کل هميشه بقا دارد.

بقا انرژي در نسبيت

با ظهور نسبيت انيشتين ، در قوانين بقاي فيزيک کلاسيک تجديد نظر کلي حاصل شد. به عنوان مثال ، قانون بقاي اندازه حرکت خطي و قانون مطلق بودن فضا در فيزيک کلاسيک به هم خورده و به جاي آن کميتي تعريف شد که برابر مجموع مربع اندازه حرکت خطي و مربع فاصله است و همواره پايسته مي‌ماند.
قانون بقاي انرژي نيز از اين قاعده کلي مستثني نبوده، بلکه قانون جديدي به نام پايستگي جرم بوجود آمد. بر اساس اين قانون ، جرم به انرژي و بر عکس انرژي به جرم تبديل مي‌شود. البته تمام اين موارد در سرعت‌هاي نزديک به سرعت نور صورت مي‌گيرد و در سرعت‌هاي پائين قوانين بقاي فيزيک کلاسيک به قوت خود باقي است.

قوانين نيرو

وقتي چکشي را به ميخ مي‌کوبيم تا ميخ در ديوار فرو رود، چکش به هنگام تماس با ميخ بر آن اثر مي‌کند و نتيجه اين اثر فرو رفتن ميخ در ديوار است هنگامي که چوبي را با اره مي‌بريم اره در محل تماس با چوب بر ذرات آن اثر مي‌کند و ذرات چوب را از هم جدا مي‌کند هنگام لگد زدن به توپ فوتبال ، بازيکن در تماس با توپ بر آن اثر مي‌کند و در نتيجه اين اثر ، توپ به سويي پرتاب مي‌شود. وقتي يک شانه پلاستيکي را به موهاي خود مالش مي‌دهيم و به خرده‌هاي کاغذ نزديک مي‌کنيم شانه پلاستيکي بر خورده‌هاي کاغذ اثر مي‌کند و آنها را به طرف خود جذب مي‌کند، هر گاه يک آهنربا را به براده‌هاي آهن نزديک کنيم آهنربا بر براده‌هاي آهن اثر مي‌کند و آنها را به طرف خود جذب مي‌کند.
در فيزيک اين گونه اثرها را به نيرويي که جسم به جسم ديگر وارد مي‌کند نسبت مي‌دهند. به اين ترتيب چکش براي فرو بردن ميخ در ديوار بر آن نيرو وارد مي‌کند يا بازيکن براي لگد زدن با پاي خود به توپ فوتبال نيرو وارد مي‌کند، يک آهنربا از راه دور به براده‌هاي آهن نيرو وارد مي‌کند. زمين از فاصله دور بر ماه اثر مي‌کند و باعث گردش ماه به دور زمين مي‌شود، لذا بعضي از نيروها بطور مستقيم بين دو جسم وارد مي‌شود و برخي از نيروها بطور غير مستقيم و از فاصله دور بين دو جسم وارد مي‌شود.

سير تحولي و رشد

بررسي حرکت اجسام و يافتن عامل آن از قرنها پيش ذهن بشر را به خود مشغول کرده بود، بطوري که توضيح ارسطويي حرگت که با بسياري از مشاهدات مبتني بر حس سازگار بود براي مدت بيست قرن مورد پذيرش عام بود.
ارسطو معتقد بود هر جسم حتي براي ادامه حرکت يکنواخت نياز به نيرو دارد اين تصور از برداشت غير مو شکافانه حرکت اجسام در زندگي روزمره ناشي مي‌شود، زيرا به تجربه ثابت شده بود که اگر از هل دادن صندوقي که روي سطح افقي و با سرعت ثابت حرکت مي‌کند دست بردارند، يعني به آن نيرو وارد نکنند صندوق از حرکت باز مي‌ايستد.
گاليله با انجام آزمايش و پس از آن با تعميم ذهني نتيجه‌هاي آزمايش نخستين کسي بود که در برداشت ارسطو از علل حرکت ترديد کرد و بي‌نيازي حرکت يکنواخت اجسام به نيرو را ارائه کرد. نيوتن که در سال مرگ گاليله به دنيا آمد با بهره گيري از هوش سرشار خود بررسيهاي دقيقي درباره حرکت انجام داد و با تدوين قانونهاي حرکت که به نام خود او نام گذاري شده بود توانست قدم بزرگي بردارد.

قانون اول نيوتن

اگر بر جسمي هيچ نيرويي وارد نشود آن جسم به حرکت يکنواخت خود در راستاي خط مستقيم ادامه مي‌دهد، اگر جسم در ابتدا ساکن باشد در حالت سکون باقي مي‌ماند. يکي از وسايلي که در آزمايشگاه با آن مي‌توان شرايطي را فراهم کرد تا در راستاي افقي تقريبا نيرويي بر جسم وارد نشود ريل هواست روي دو وجه يک محفظه توخالي تعداد زيادي سوراخ ريز وجود دارد بطوري که هوا به سرعت وارد محفظه شده و از تمام سوراخها خارج مي‌شود. هر گاه ضربه خفيفي به جسم روي ريل وارد کنيم شروع به حرکت با سرعت يکنواخت مي‌کند.
قانون اول نشان مي‌دهد که هر جسم وضعيت خود را تغيير نمي‌دهد مگر آنکه توسط يک عامل خارجي مجبور به اينکار شود. اين ويژگي ماده را لختي مي‌نامند.
• قانون اول تفاوتي بين جسم ساکن و جسمي که با سرعت ثابت حرکت مي‌کند قائل نمي‌شود.

قانون دوم نيوتن

اين قانون رابطه شتاب جسم را با نيرويي که به آن وارد مي‌شود به صورت زير بيان مي‌کند:
شتاب جسمي به جرم m که نيروي F بر آن وارد مي‌شود هم جهت و متناسب با نيروي وارد برآن است و با جرم جسم نسبت وارون دارد a = F/m در اين رابطه F برآيند همه نيروهايي است که به دليل برهمکنش اجسام ديگر با جسم مورد نظر روي جسم وارد مي‌شود، a شتاب و m جرم جسم است.

قانون سوم نيوتن

اگر جسم (1) بر جسم (2) نيرو وارد کند ، جسم (2) نيز متقابلا بر جسم (1) نيرو خواهد کرد، اگر نيرويي را که جسم (2) بر جسم (1) وارد مي‌کند F21 و نيرويي را که جسم (1) بر جسم (2) وارد مي‌کند F12 بناميم اين دو نيرو هم اندازه ، هم راستا و در سوي مخالف يکديگرند يعني F21 = -F21.
• اگر يکي از دو نيرو را کنش بناميم نيروي ديگر واکنش ناميده مي‌شود.
• مفهوم اساسي در قانون سوم نيوتن که بايد حتما به آن توجه شود اين است که قطعا نيروي تک در طبيعت وجود ندارد. يعني نيروهاي موجود در طبيعت همواره به صورت دوتايي هستند.
سه قانون مطرح شده در بالا فقط قسمتي از برنامه مکانيک کلاسيک است بايد به روشهايي براي محاسبه نيروي وارد بر يک جسم معين بر حسب خواص آن دست يابيم، لذا توابع مختلفي از نوع زير را بايد مشخص کنيم: تابعي از خواص ذره و محيط آن = F و معادله‌اي بدست بياوريم که بوسيله آن شتاب ذره را برحسب خواص آن و محيطش محاسبه کنيم، زيرا به وضوح مي‌بينيم که نيرو شتاب ذره را ، از يک طرف با خواص آن و از طرف ديگر با محيطش مربوط مي‌کند. تعداد محيطهاي ممکن براي ذره شتابدار زياد است، در زير به چند مورد از آنها اشاره شده:

نيروي فنري

جسمي که بوسيله فنر روي يک سطح ناهموار افقي به جلو رانده مي‌شود، نيروي فنري به صورت F = -Kx بر آن اثر مي‌کند که در آن x افزايش طول فنر و K ثابتي است وابسته به فنر. به علت ناهموار بودن سطح ، نيروي اصطکاک به صورت F = µmg که در آن µ ضريب اصطکاک و mg وزن جسم است بر جسم وارد مي‌شود.

نيروي وزن

بر توپي که در هوا در حال حرکت است نيروي F = mg به نام نيروي وزن به سمت پايين وارد مي‌شود.

قانون جهاني گرانش

بر ماهواره‌اي که در فاصله r از مرکز زمين در حال حرکت است، نيروي گرانشي معادل F = GmM/r² وارد شود که G ثابت جهاني گرانش ، m جرم ماهواره ، M جرم زمين است و جهت نيروي F به طرف مرکز زمين است.

قانون الکترواستاتيک کولن

بر الکترودي که در مجاورت کره‌اي با بار مثبت حرکت مي‌کند نيروي (F=(1/4??0)( eQ/r² وارد مي شود که ?0 يک ضريب ثابت ، e بار الکترون و Q بار روي کره و r فاصله الکترون تا مرکز کره است.

قوانين اصطکاک

نيروي اصطکاک ميان سطوح ساکن نسبت به يکديگر نيروي اصطکاک ايستايي مي‌گويند و از رابطه fs = µsN تبعيت مي‌کنند که در µs ضريب اصطکاک ايستايي و N نيروي عمودي شده از سطح تماس است. نيروي اصطکاک جنبشي fk ميان سطوح خشک و لغزنده از همان قانون مربوط به اصطکاک ايستايي تبعيت مي‌کند. fk = µkN که µk ضريب اصطکاک جنبشي و N نيروي عمودي وارد شده از سطح تماس به جسم است.

قانون اول نيوتن

بررسي حرکت اجسام و يافتن اينکه چگونه يک حرکت بوجود مي‌آيد ذهن بشر را براي قرنها به خود مشغول کرده بود، اما توفيق چنداني در اين مورد بدست نيامده بود. نيوتن با بهره گيري از هوش سرشار و تلاش بسيار خود با تدوين قوانين حرکت که به نام خود او اسم گذاري شده است، توانست قدمهاي بزرگي بردارد و بسياري از مسائل حرکت را با موفقيت زياد حل کند. پيش از گاليه تصور مي‌شد که حتي براي ادامه حرکت يکنواخت اجسام بايد به آنها نيرو وارد کرد.
اين تصور از برداشت غير مو شکافانه حرکت اجسام در زندگي روزمره ناشي مي‌شد. به تجربه ثابت شده بود که اگر از هل دادن صندوقي که روي سطحي افقي با سرعت ثابت حرکت مي‌کند دست بردارند، يعني به آن نيرو وارد نکنند صندوق از حرکت باز مي‌ايستد. گاليله با انجام آزمايش و پس از آن نيز با تعميم ذهني نتايج آزمايش ،‌ نخستين کسي بود که در اين تصور عمومي ترديد کرد. نيوتن که در سال مرگ گاليله به دنيا آمد بررسيهاي دقيق درباره حرکت انجام داد و قوانين حرکت را استخراج کرد.

آزمايش

بنا به تعريف هيچ نيرويي نبايد بر جسم اثر کند اما حداقل نيروي گرانش زمين بر جسم اثر خواهد کرد و نمي‌توان آنرا از ميان برد. با استفاده از وسايل آزمايشگاهي مخصوص مي‌توان شرايطي فراهم کرد که بجز در راستاي قائم حداقل نيروي گرانش کره زمين بر جسم اثر مي‌کند، در کليه جهتهاي افقي تقريبا نيرويي بر جسم اثر نکند در نتيجه به کمک اين وسايل مي‌توان قانون اول نيوتن را در جهت افقي با تجربه آزمود. يکي از وسايل تخت هواست، تخت هوا از محفظه‌اي به شکل مکعب مستطيل ساخته شده است که روي آن تعدادي سوراخ ريز وجود دارد. در هنگام آزمايش بايد سطح آن کاملا افقي باشد هوا با سرعت وارد محفظه شده و از تمام سوراخها خارج مي‌شود.
اگر مهره‌اي روي تخت هوا قرار دهيم لايه نازکي از هوا ميان مهره و سطح تخت هوا تشکيل مي‌شود و تماس نزديک مهره با سطح تخت هوا از ميان مي‌رود. به اين ترتيب اصطکاک ميان مهره و سطح تخت هوا بسيار کوچک مي‌شود. در نتيجه در کليه جهتهاي افقي تقريبا نيروي بر جسم وارد نمي‌شود، اگر به مهره سرعت کمي داده شود تا کناره تخت هوا در امتداد خط مستيقم و با همان سرعت پيش مي‌رود و به اين ترتيب قانون اول نيوتن در جهت افقي با آزمايش تأييد مي‌شود. ملاحظه مي‌شود که حرکت جسم در امتداد خط مستقيم و افقي با سرعت ثابت نيازي به نيرو ندارد.

قانون لختي

يک کشتي فضايي در فضاي ميان ستاره‌ها و با فاصله بسيار زياد در آنها با هيچ چيزي برهمکنش ندارد. اگر اين کشتي فضايي موتور خود را خاموش کند طبق قانون اول نيوتن در امتداد يک خط راست با سرعت ثابت حرکت مي‌کند و مفهوم قانون لختي اين است که اگر بر جسمي نيرو وارد نشود جسم مايل است وضعيت حرکت خود را حفظ کند. اين خاصيت از اجسام که ميل دارند وضعيت حرکت خود را در غياب نيرو حفظ کنند لختي ناميده مي‌شود. از اينرو قانون اول نيوتن قانون لختي نيز ناميده مي‌شود و چارچوبهاي مرجعي که اين قانون در آنها بکار مي‌رود چارچوبهاي لخت نام دارند، اين چارچوبها نسبت به ستاره‌هاي دور ثابت فرض مي‌شوند.

نتايج قانون اول نيوتن

• در اين قانون تفاوتي ميان جسم ساکن و جسمي که با سرعت ثابت حرکت مي کند وجود ندارد، هر دو حرکت در غياب نيرو طبيعي‌اند، دليل اين امر وقتي روشن مي‌شود که جسم ساکن در يک چارچوب مرجع لخت ، مرجع لخت ديگري که با سرعت ثابت نسبت به اولي حرکت مي‌کند مشاهده کنيم. ناظري که در چارچوب اول قرار دارد جسم را در حال سکون مي‌بينيد و ناظر واقع در چارچوب دوم مي‌بيند که همان جسم با سرعت يکنواخت در حال حرکت است. هر دو ناظر متوجه مي‌شوند که جسم شتاب ندارد يعني سرعت آن تغيير نمي‌کند و هر دو از قانون اول نتيجه مي‌گيرند که هيچ نيرويي بر جسم وارد نمي‌شود.
• ميان نبودن و بودن نيروهايي که برآيندشان صفر است تفاوتي وجود ندارد. مثلا اگر فشار دستها به کتاب نيروي اصطکاک را کاملا خنثي کند کتاب با سرعت يکنواخت حرکت مي‌کند، بنابراين راه ديگر بيان قانون اول اين هست که اگر در مجموع نيرويي بر جسم اثر نکند شتاب آن صفر است.

قانون دوم نيوتن

بنا بر قانون اول نيوتن اگر بر جسمي نيرو وارد نشود جسم يا ساکن مي‌ماند و يا حرکت يکنواخت بر خط راست خواهد داشت. نتيجه آشکار قانون اول اين است که اگر بر جسم نيرو وارد شود جسم ساکن نمي‌ماند و حرکت يکنواخت بر خط راست نيز خواهد داشت، در اين صورت وارد کردن نيرو بر جسم در آن شتاب مي‌دهد. قانون دوم نيوتن در واقع رابطه شتاب با نيرويي که بر آن وارد مي‌شود را بيان مي‌کند. شتاب جسمي به جرم m که نيروي F بر آن وارد مي‌شود هم جهت و متناسب با نيروي وارد بر آن است و با جرم جسم نسبت عکس دارد. اين بيان را مي‌توان بصورت زير نوشت:
a = F/m
F برآيند نيروهايي است که به علت اثر اجسام ديگر روي جسم مورد نظر وارد مي‌شود. a شتاب آن و m جرم جسم است.

مفهوم قانون دوم نيوتن

جرم جسم به مقدار ماده‌اي که در ساختمان جسم بکار رفته است بستگي دارد رابطه بالا يک رابطه برداري است. و چون m يک کميت نرده‌اي است و مثبت ، شتاب جسم هم جهت با نيروي وارد بر آن است. هر چه نيروي وارد بر يک جسم بزرگتر باشد شتاب آن نيز بزرگتر مي‌شود، علاوه بر آن با يک نيروي معين هر چه جرم جسم بيشتر باشد شتاب آن يعني تغيير در سرعتش کمتر خواهد بود. به عبارت ديگر با يک نيروي معين هر چه جرم جسم بيشتر باشد وضعيت حرکت بيشتر حفظ مي‌شود، يعني جسم لختي بيشتري از خود نشان مي‌دهند.
يک دروازه‌بان فوتبال مي‌تواند با نيروي دست خود براحتي وضعيت حرکت توپ را تغيير دهد، ولي وي هرگز نمي‌تواند با دست خود و با همان نيرو ، وضعيت حرکت يک اتوبوس را تغيير دهد. آشکار است اين تفاوت به علت جرم زيادتر اتوبوس نسبت به توپ فوتبال است، بنابراين مي‌توان گفت اتوبوس بيش از توپ فوتبال لختي دارد.

شتاب

براي يافتن شتاب يک جسم بايد نيروهايي را که به آن وارد مي‌شود معلوم باشد. در کارهاي روزمره تنها نيروهاي گرانشي و يا الکترومغناطيسي به اجسام وارد مي‌شود و در نتيجه براي بدست آوردن شتاب جسم بايد قوانين نيروي گرانش و يا نيروي الکترومغناطيسي وارد بر اجسام را بشناسيم. بردارهاي F و a را مي‌توانيم روي محورهاي x و y تصوير کنيم، شتاب جسم در راستاي معين مثلا راستاي محور x صرفا مربوط به نيروي وارد بر جسم در همان راستا است. بنابراين با تجزيه نيروي وارد بر جسم روي دو محور بدست آوردن مؤلفه‌هاي نيرو مي‌توان شتاب جسم روي هر يک از دو محور يعني مؤلفه‌هاي شتاب را بدست آورد.

انتخاب دستگاه مختصات مناسب

مي‌دانيم حرکت نسبي است، يعني سرعت و شتاب اجسام نسبت به دستگاههاي مختصات مختلف متفاوت است. به عنوان مثال يک اتومبيل را که با شتاب به راه مي‌افتد در نظر بگيرد حرکت مسافر درون اين اتومبيل نسبت به دستگاه مختصات متصل به جاده شتابدار است، اما همين مسافر نسبت به دستگاه مختصات که به خود اتومبيل متصل باشد ساکن است، يعني شتاب ندارد. اما شتابي که در رابطه a = F/m براي جسم بدست مي‌آيد نسبت به کدام دستگاه مختصات است؟ يا اگر بخواهيم نيروي وارد بر يک جسم را تعيين کنيم، شتاب جسم نسبت به کدام دستگاه مختصات بايد در نظر گرفته شود، دستگاه مختصات لخت نام دارد.
در بسياري از مسأله‌ها مثل حرکت اتومبيل ، هواپيما و ... که سرعت اجسام زياد نيست، مي‌توان نشان داد که با تقريب خوبي دستگاه مختصات متصل به زمين يک دستگاه مختصات لخت است. ولي اين دستگاه براي بررسي حرکت اجسام سريع مانند موشکهاي قاره پيما و يا موشکهايي که ماهواره‌ها را در مدار قرار مي‌دهند، دستگاه مختصات لخت نيست. بنابراين همواره شتاب اجسام را نسبت به دستگاه مختصات متصل به زمين در رابطه a = F/m قرار دهيد.

قانون سوم نيوتن

شخصي را در نظر بگيريد که طنابي را در دست دارد و آنرا مي‌کشد، نيرويي از دست شخص بر طناب وارد مي‌شود. عامل وارد کننده اين نيرو دست شخص و جسمي که نيرو بر آن وارد مي‌شود طناب است. متقابلا طناب نيز در محلي که با دست وي تماس است نيرويي بدست وارد مي‌کند. با آزمايش در مي‌يابيم که هر گاه جسمي به جسم ديگر نيرو وارد کند جسم دوم نيز همواره نيرويي به جسم اول وارد مي‌کند، اين نيروها از نظر بزرگي مساوي‌اند، ولي جهتشان مخالف هم است. بنابراين وجود يک نيروي منزوي منفرد محال است.

مفهوم قانون سوم

مفهوم اساسي در قانون سوم نيوتن اين است که نيروي تک در طبيعت وجود ندارد. هر نيرويي که در محلي سراغ گرفته شود، قطعا نيروي ديگري با همان اندازه و در جهت مخالف آن وجود دارد. يعني نيروهاي موجود در طبيعت همواره بصورت دو تايي هستند، همانطور که تکه چوبي که فقط يک سر داشته باشد وجود ندارد. اگر يکي از اين دو نيرو را کنش (عمل) بناميم نيروي ديگر واکنش (عکس العمل) ناميده مي‌شود. تفاوتي ندارد که کدام نيرو را کنش و کدام نيرو را واکنش بناميم. در اينجا علت و معلول مورد نظر نيست، بلکه برهمکنش متقابل همزمان مورد توجه است.
به عنوان مثال همانطور که پاي فوتباليست بر توپ فوتبال نيرو وارد مي‌کند، متقابلا توپ فوتبال نيز بر پاي فوتباليست نيرو وارد مي‌کند (اگر در وجود اين نيرو شک داريد، براي يکبار هم که شده به جاي توپ با يک آجر فوتبال بازي کنيد!). مفهوم برهم دو طرفه بودن است، مثلا نيروي گرانش ، برهمکنش دو جرم بر يکديگر و نيروي الکتريکي - مغناطيسي برهمکنش دو بار الکتريکي بر يکديگر است.

بي دقتي در استفاده از قانون کنش و واکنش و مسأله تناقض

فرض کنيد که اسبي کالسکه‌اي را مي‌کشد طبق قانون سوم نيوتن کالسکه نيز با همان نيرو اسب را در جهت مخالف مي‌کشد، پس اسب مي‌تواند کالسکه را به حرکت در آورد؟ اشکال اين استدلال به اين صورت است: اگر مي‌خواهيم بدانيم که آيا اسب مي‌تواند حرکت کند يا نه، بايد نيروهاي وارد بر اسب را در نظر بگيريم. نيرويي که بر کالسکه وارد مي‌شود هيچ ربطي به اين مسأله ندارد.
اسب به اين دليل مي‌تواند حرکت کند که نيرويي که با سمهايش وارد مي‌کند بزرگتر از نيرويي است که کالسکه با آن اسب را به طرف عقب مي‌کشد و کالسکه به اين دليل به حرکت در مي‌آيد که نيرويي که اسب با آن کالسکه را بطرف جلو مي‌کشد بزرگتر از نيروهاي اصطکاکي است که کالسکه را به طرف عقب مي‌کشند. براي اينکه بدانيد يک جسم حرکت مي‌کند بايد نيروهاي وارد بر آنرا بررسي کنيم. کنش و واکنش هيچگاه بر يک جسم وارد نمي‌شود.

انرژي ذخيره اي و حرکتي

انرژي باعث وقوع پديده هاي مختلف شده و به دو نوع تقسيم مي شود:
- انرژي ذخيره اي که انرژي پتانسيل ناميده مي شود .
- انرژي حرکتي که انرژي جنبشي ناميده مي شود.
حال جهت آشنايي بيشتر با اين دو انرژي به کمک يک مداد آزمايش ذيل را انجام دهيد. مداد را در لبة ميز گذاشته و آن را به طرف زمين هل دهيد. در اين حالت انرژي جنبشي باعث حرکت مداد به طرف پايين مي شود.
حال مداد را برداشته و دوباره روي ميز بگذاريد. با استفاده از انرژي خود مداد را برداشته و حرکت دهيد . هرچه فاصله از کف زمين بيشتر شود به انرژي آن افزوده خواهد شد. در اين حالت اگر مداد برروي ميز قرار گيرد داراي انرژي پتانسيل است. هرچه مداد بالاتر باشد در فاصلة دورتري خواهد افتاد يا به عبارت ديگر مداد انرژي پتانسيل بيشتري خواهد داشت.

چگونه انرژي را اندازه گيري کنيم ؟

انرژي به روشهاي مختلفي اندازه گيري مي شود. يکي از واحدهاي اصلي اندازه گيري انرژي Btu مي باشد که يک واحد اندازه گيري حرارت بريتانيايي بوده که البته توسط انگليسي ها ابداع شده است.
Btu مقدار انرژي گرمايي است که باعث افزايش حرارت يک پوند آب به ميزان يک درجة فارنهايت ، در شرايط سطح دريا، مي شود. يک Btuمعادل حرارت يک چوب کبريت آشپرخانه است.
يک هزار Btu تقريباً معادل يک آب نبات متوسط يا 8/0 يک ساندويچ حاوي کرهء بادام زميني و مربا است . براي آماده نمودن يک قوري قهوه تقريباً Btu 2000 انرژي نياز مي باشد.
انرژي را مي توان برحسب واحد ژول نيز اندازه گيري نمود. تلفظ کلمة ژول (Joules) دقيقاً مثل کلمة Jewels (جواهرات) است. يک هزار ژول برابر يک واحد حرارت بريتانيايي مي باشد.
Btu 1 = 1000 ژول
بنابراين آماده ساختن يک قوري قهوه دو ميليون ژول انرژي نياز دارد.
واژه ژول برگرفته از يک دانشمند انگليسي به نام جيمز پرس کات ژول است که در سالهاي بين 1818 تا 1889 زندگي مي کرده است. او کشف نمود که حرارت يک نوع انرژي است. يک ژول مقدار انرژي است که براي بلند کردن يک شيء يک پوندي تا ارتفاع 19 اينچ نياز مي باشد. بنابراين اگر بخواهيد يک گوني شکر به وزن 5 پوند را از زمين بلند کرده و بر روي پيشخواني به ارتقاع 27 اينچ قرار دهيد ، حدوداً بايد 15 ژول انرژي مصرف کنيد.
در اقصي نقاط جهان دانشمندان از واحد ژول بيش از Btu جهت اندازه گيري انرژي استفاده مي کنند. اين امر دقيقاً مصداق استفاده بيشتر از سيستم متر يک (مترو کيلوگرم) به جاي سيستم انگليسي (فوت و پوند) است.
همانند سيستم متريک مي توان از کيلوژول نيز استفاده نمود. کيلو به معني 1000 مي باشد.
Btu 1 = 1 کيلو ژول = 1000
يک تکه نان تست کره اي حاوي 315 کيلو ژول (315000 ژول ) انرژي است . با اين مقدار انرژي مي توان اعمال زير را انجام داد :
6 دقيقه پياده روي آهسته
10 دقيقه دوچرخه سواري
15 دقيقه پياده روي سريع
خواب براي 1 تا 5/1 ساعت
حرکت دادن ماشين با سرعت 80 کيلومتر در ساعت براي 7 ثانيه
روشن نمودن يک لامپ 60 واتي براي 1 تا 5/1 ساعت
بلند نمودن گوني شکر فوق از کف زمين تا روي پيشخوان به ميزان 21000 دفعه

انرژي غذايي

در زنجيرة غذايي ، شکل انرژي دائماً درحال تغيير است، به عنوان مثال يک خوشه ذرت را در نظر بگيريد.نور خورشيد از طريق برگهاي ذرت جذب و از طريق فتوسنتز انتقال مي يابدو گياه نور خورشيد را جذب و با دي اکسيد کربن هوا ، آب و مواد معدني زمين ترکيب مي کند.
گياه رشد کرده و دانه هاي ذرت توليد مي شود. انرژي نور خورشيد در برگها و داخل دانه هاي ذرت ذخيره مي شود. دانه هاي ذرت پر از انرژي ذخيره شده از قبيل شکر و نشاسته است. ذرت بعد از برداشت براي تغذية جوجه و ساير حيوانات استفاده مي شود. جوجه، با استفاده از انرژي ذخيره شده در ذرت ، رشد نموده و شروع به حرکت مي کند. مقداري انرژي نيز در بافت ماهيچه اي حيوان (پروتئين) و در چربي ذخيره مي شود.
هنگامي که جوجه بزرگ مي شود، کشاورز آن را سر بريده و براي فروش به فروشگاههاي مواد غذايي عرضه مي کند. والدين شما جوجه را از فروشگاه خريده ، به خانه آورده و آن را مي پزند.
سپس شما گوشت جوجه را خورده و انرژي ذخيره شده را به بدن خود منتقل مي کنيد. شايد جوجه اي را در پيک نيک خورده و سپس به بازي بيسبال پرداخته باشيد. شما از انرژي ذخيره شده آن جوجه براي چرخاندن چوب ، دويدن به دور زمين و پرتاب توپ استفاده مي کنيد.
هنگامي که بدن شما از انرژي جوجه استفاده مي نمايد ، شما اکسيژن را تنفس نموده و دي اکسيد کربن را خارج مي نماييد . اين دي اکسيد کربن بعداًٌ براي رشد ساير گياهان استفاده مي شود.
انرژي به ساير شکلهاي ديگر از انرژي قابل تغيير است ، اما توليد پذير يا از بين رفتني نمي باشد. انرژي هميشه به يک شکل يا ساير اشکال ديگر وجود داشته است. در اينجا تبديل بعضي از انرژيها به يکديگر توضيح داده شده است.
انرژي ذخيره شده در باتري هاي يک چرغ قوه را در هنگام روشن بودن آن مي توان انرژي نوري ناميد. غذا يک نوع انرژي ذخيره شده بوده و مثل يک ماده شيميايي داراي انرژي پتانسيل است. هنگامي که بدن ما از اين انرژي براي انجام کاري استفاده مي کند ، باعث تبديل آن به انرژي جنبشي مي شود. اگر شما بيش از حد غذا بخوريد ، انرژي موجود در غذا سوخته شده و به صورت انرژي پتانسيل در سلولهاي چربي ذخيره مي شود.
زماني که با تلفن صحبت مي کنيد ، صداي شما به انرژي الکتريکي تبديل شده و از طريق سيم منتقل مي شود.
گوشي تلفني که در طرف ديگر قرار دارد انرژي الکتريکي را از طريق دهني به انرژي صوتي تبديل مي نمايد. ماشين از انرژي شيميايي ذخيره شده در بنزين براي حرکت استفاده مي کند. موتور، انرژي شيميايي را به انرژي گرمايي و جنبشي تبديل مي کند.
يک دستگاه تست نان، انرژي الکتريکي را به انرژي گرمايي و نوري تبديل مي کند. (اگر داخل دستگاه تست را نگاه کنيد سيمهاي درخشان را خواهيد ديد). يک تلويزيون، انرژي الکتريکي را به انرژي صوتي و نوري تبديل مي کند.

انرژي گرمايي

گرما شکلي از انرژي است . اين انرژي براي اهداف مختلفي از قبيل گرم نمودن خانه و پخت غذا استفاده مي شود.
انرژي حرارتي به 3 طريق قابل انتقال است
1 – هدايت
2 – انتقال
3 – تابش
زمانيکه انرژي مستقيماً از يک شئ به شئ ديگر عبور مي کند به آن هدايت مي گويند . اگر يک ظرف سوپ بر روي اجاق را با قاشق فلزي هم بزنيد ، قاشق گرم خواهد شد. بدين ترتيب گرما از محيط گرم سوپ به قاشق سرد منتقل مي شود.
فلزات هادي هاي بسيار خوبي براي انرژي گرمايي هستند، اما چوب و پلاستيک چنين خاصيتي ندارند. اين گونه هادي هاي بد را عايق گويند. به همين دليل است که معمولاً ظرف از جنس فلز بوده اما دستة آن از جنس پلاستيک قوي است.
انتقال، عبارت است از حرکت گازها و سيالات از يک محل سردتر به محل گرمتر . اگر ظرف سوپ از جنس شيشه باشد، مي توان حرکت جريانات انتقالي در ظرف را مشاهده نمود. سوپ گرمتر از ناحية پايين ظرف، که حرارت بيشتري دارد، به سمت بالا، که سردتر است، حرکت مي کند. سپس سوپ سردتر به سمت پايين حرکت نموده و مکان سوپ گرمتر را اشغال مي کند. اين حرکت باعث ايجاد يک الگوي چرخشي درون ظرف مي شود.
بادي که ما حس مي کنيم غالباً ناشي از جريانات انتقالي است. اين امر توسط وزش بادهاي نزديک اقيانوس به سهولت قابل درک است. هواي گرم سبکتر از هواي سرد بوده و بنابراين اوج مي گيرد. در خلال روز، هواي سرد روي آب حرکت نموده و در خشکي جايگزين هوايي مي شود که در اثر دماي زمين اوج گرفته است. اما به هنگام شب جهت اين جايگزيني تغيير مي کند، به عبارت ديگر بعضي اوقات سطح آب گرمتر و خشکي سردتر است.

انرژي جنبشي

در بررسي حرکت اجسام معمولا دو نوع انرژي بيشتر مورد توجه قرار مي‌گيرد. انرژي پتانسيل که ناشي از مکان قرار گيري جسم نسبت به سطحي که به عنوان سطح با پتانسيل صفر فرض مي‌شود و انرژي جنبشي که هر جسم به دليل حرکت داراي اين نوع انرژي است. يعني اگر جسمي ثابت باشد، انرژي جنبشي آن صفر خواهد بود. مخصوصا در مواردي که نيروهاي موجود در مسئله از نوع پايستار باشند در اين صورت انرژي مکانيکي بقا دارد و لذا اگر انرژي جنبشي جسم افزايش پيدا کند، انرژي پتانسيل کاهش مي‌يابد و برعکس کاهش انرژي جنبشي با افزايش انرژي پتانسيل همراه است.

قضيه کار و انرژي

معمولا بيشترين کاربرد انرژي جنبشي در بحث حرکت در قضيه کار و انرژي ظاهر مي‌شود. لازم به يادآوري است که هرگاه در اثر اعمال نيرويي ، يک جسم از محل اوليه خود جابجا شود، در اين صورت مي‌گويند که نيرو بر روي جسم کار انجام مي‌دهد. بنابراين قضيه کار و انرژي بيان مي‌کند که هرگاه بر روي جسمي کار انجام شود، انرژي جنبشي آن تغيير مي‌کند. به عبارت ديگر تغييرات انرژي جنبشي با انجام کار انجام شده بر روي جسم برابر است.
قضيه کار و انرژي قانون جديد و مستقلي از مکانيک کلاسيک نيست. اين قضيه براي حل مسائلي مفيد است که در آنها کار انجام شده توسط نيروي برايند به راحتي قابل محاسبه است و ما مي‌خواهيم سرعت ذره را در مکانهاي خاصي پيدا کنيم. آنچه بيشتر اهميت دارد اين واقعيت است که قضيه کار و انرژي نقطه آغازي براي يک تعميم جامع در علم فيزيک است. چون در بسياري از موارد بهتر است کار انجام شده توسط هر نيرو را جداگانه محاسبه کرده و نام خاصي براي کار انجام شده توسط هر نيرو قائل شويم. لذا آنچه قبلا در مورد معتبر بودن اين قضيه در مواردي که به صورت کار انجام شده توسط نيروي برايند تعبير مي‌کنيم، مشکلي ايجاد نمي‌کند.

يکاي انرژي جنبشي

انرژي جنبشي يک جسم در حال حرکت با کاري که مي‌تواند انجام دهد تا به حال سکون برسد، متناسب است. اين نتيجه اعم از اين که نيروهاي اعمال شده ثابت يا متغير باشند، صادق است. بنابراين يکاي انرژي جنبشي و کار يکسان خواهند بود و انرژي جنبشي مانند کار يک کميت اسکالر است. انرژي جنبشي گروهي از ذرات صرفا از انرژي جمع اسکالر انرژيهاي جنبشي تک تک ذرات آن گروه بدست مي‌آيد.

انرژي جنبشي جسم صلب

معمولا در مورد حرکت جسم صلب به عنوان سيستمي از ذرات ، دو نوع انرژي جنبشي مي‌توانيم تعريف کنيم. اين دو نوع انرژي که بواسطه نوع حرکت به دو صورت متفاوت مي‌تواند وجود داشته باشد.

انرژي جنبشي انتقالي

گفتيم که انرژي کميتي اسکالر است. بنابراين در مورد يک سيستم متشکل از چند ذره ، انرژي جنبشي کل برابر با مجموع انرژي جنبشي تک تک ذرات خواهد بود. اما در مورد يک جسم صلب که تعداد ذرات خيلي زياد است، نقطه‌اي به عنوان مرکز جرم تعريف مي‌شود که نماينده کل جسم صلب است. بنابراين انرژي جنبشي انتقالي نيز به صورت نصف حاصلضرب جرم جسم صلب در مجذور سرعت مرکز جرم تعريف مي‌شود.

انرژي جنبشي دوراني

جسم صلبي را در نظر بگيريد که با سرعت زاويه‌اي ? حول محوري که نسبت به يک چارچوب لخت خاص ثابت است، مي‌چرخد. هر ذره اين جسم در حال دوران مقدار معيني انرژي جنبشي دارد. چون تعداد اين ذرات در جسم صلب زياد است، لذا کميتي به نام لختي دوراني تعريف مي‌شود. لختي دوراني به صورت مجموع جملاتي تعريف مي‌شود که هر جمله با حاصل ضرب جرم يک ذره از جسم صلب در مجذور فاصله عمودي ذره از محور دوران برابر است. بنابراين انرژ ي جنبشي دوراني جسم صلب که بخاطر دوران حاصل مي‌شود، برابر است با نصف حاصل ضرب لختي دوراني جسم صلب در مجذور سرعت زاويه‌اي.
اين رابطه شبيه انرژي جنبشي انتقالي جسم است. يعني سرعت زاويه‌اي مانسته سرعت خطي است و لختي دوراني مانسته جرم لختي يا جرم انتقالي است. هر چند جرم يک جسم به محل آن بستگي ندارد، ولي لختي دوراني به محوري که جسم حول آن مي‌چرخد، بستگي دارد. در واقع مي‌توان گفت که انرژي جنبشي دوراني همان انرژي جنبشي انتقالي معمولي تمام اجزاي جسم است و نوع جديدي از انرژي نيست. انرژي جنبشي دوراني در واقع راه مناسبي براي بيان انرژي جنبشي هر جسم صلب در حال دوران است. انرژي جنبشي دوراني جسمي که با سرعت زاويه‌اي معين مي‌چرخد، نه تنها به جرم جسم بستگي دارد، بلکه به چگونگي توزيع جرم آن نسبت به محور دوران نيز وابسته است.

انرژي پتانسيل

انرژي به شکلهاي مختلف پديدار مي‌شود. يکي از آنها انرژي پتانسيل يا انرژي ذخيره‌اي است. اين شکل انرژي چه شباهتها يا چه تفاوتهايي با صورتهاي ديگر انرژي دارد؟ چگونه مي‌توانيم از آن بهره گيري کنيم؟ انرژي شيميايي به انرژي هسته‌اي ، انرژيِ گرانشي ، انرژيِ الکتريسته ساکن و انرژي مغناطيسي ، نمونه‌هايي از انرژي پتانسيل هستند. انرژي پتانسيل مي‌تواند براي ما اهميت زيادي داشته باشد.
براي مثال ، هنگامي که تلويزيون روشن مي‌کنيم و مأموريت رفت و برگشت سفينه‌اي فضايي را به تماشا مي‌نشينيم، در واقع از انرژي الکتريکي استفاده مي‌کنيم که از انرژي پتانسيل (مثلا انرژي پتانسيل گرانشي آب ذخيره شده در پشت سد) حاصل مي‌شود. يا تبديل انرژي پتانسيل شيميايي موجود در سوخت موشکها به انرژي جنبشي است، که سفينه از سکوي پرتاب به فضا پرتاب مي‌شود. باتريهاي مورد استفاده از فلاش دوربينها يا در راديوهاي کوچک ، بنزين مصرفي براي راندن اتومبيلي و بالاخره ، غذايي که مي‌خوريم همه و همه محتوي انرژي پتانسيل هستند.

سير تحولي و رشد

با توجه به نقش مهم انرژي پتانسيل در عرصه‌هاي دانش به فناوري زندگي روزانه ، ممکن است چنين تصور شود که از زمان تشخيص شناسايي اين انرژيِِ مدتي طولاني گذشته است، اما اينطور نيست. مفهوم نيرو را که بستگي نزديکي با انرژي پتانسيل دارد. اولين بار آيزااک نيوتن در قرن هفدهم مطرح کرد. ولي مفهوم انرژي يا پايستگي انرژي تا قرن نوزدهم مطرح نشد. مدتها قبل از آن ، در اواخر قرن هفدهم ، هويگنس در بحث حرکت ، به انرژي پتانسيل اشاره کرده بود؟ اما اصطلاح انرژي پتانسيل را بکار نبرده بود و اهميت آن را نيز در نيافته بود. در اوايل قرن هيجدهم ژاک برنولي کار مجازي را که مشابه انرژي پتانسيل است توصيف کرده ، ولي به اهميت آن پي نبرد.
در اواخر قرن هيجدهم و اوايل قرن نوزدهم ، ژوزف لاگرانژ ، لاپلاس ، پواسون و جورج گرين مفهوم پتانسيل الکتريکي را (که به انرژي پتانسيل الکتريکي بسيار نزديک است). در فرمول بندي رياضي اثرات الکتريکي بکار بردند، اما آن هم به اهميت انرژيِ پتانسيل پي نبرد. تمرکز اين دانشمندان روي مباحث مکانيک و گرما بود. بحثهاي بعدي تمام حوزه‌هاي علوم فيزيکي را در برگرفت. پس از اين کارها بود که با تلاش بسياري از مهندسان و دانشمندان توجه به اهميت انرژي پتانسيل بيشتر و بيشتر شد.

انرژي پتانسيل در کجا و چگونه ذخيره مي‌شود؟

انرژي پتانسيل ، نوعي انرژي ذخيره شده است. انرژي پتانسيل ، اثري سيستمي است و براي جسمي کاملا منزوي وجود ندارد. جسم به اعتبار خود کميت مکاني‌اش نسبت به ساير اجسامي که بر آن نيرو وارد مي‌کنند و يا به دليل موقعيت مکاني‌اش در ميداني که بر آن نيرو وارد مي‌کنند، داراي انرژي پتانسيل است. هيچ جسم منفردي انرژي پتانسيل ندارد. همه اجسامي که برهمکنش متقابل دارند، بطور جمعي انرژي ذخيره مي‌کنند.
توپي که روي ميز است انرژي پتانسيل گرانشي دارد و اين به گونه‌اي است توپ و زمين هر دو در ذخيره سازي اين انرژي سهيم‌اند. اين انرژي از آنجا ناشي مي‌شود که زمين و توپ بر يکديگر نيرو وارد مي‌کنند. اگر توپ با زمين در مکان خود نبودند انرژي پتانسيل گرانشي نمي‌توانست وجود داشته باشد. در دور و ميدان نيز انرژي پتانسيل از فضايي که ميدان وجود دارد ذخيره مي‌شود.

ويژگيهاي انرژي پتانسيل

• در واقع ، اين تغييرات انرژي پتانسيل است که در خور اهميت است نه مقدار آن قبل يا بعد تغيير. اگر چه مکاني که در آن انرژي پتانسيل صفر مي‌تواند انتخاب مفيدي باشد به مانند سطح دريا به عنوان مبناي صفر انرژي پتانسيل گرانشي زمين و يا سطح داخلي خازن استوانه‌اي به عنوان مبناي صفر انرژي الکتريکي ذخيره شده در آن ، اما اين انتخابها هيچ يک الزامي نيست. زيرا آنها اختلاف انرژي پتانسيل بين مکانهاي مختلف است که اهميت دارد. اندازه اختلاف پتانسيل هرگز هيچ ربطي به چگونگي پيدا شدن آن ندارد. يعني اين تغيير مستقل از مسير است. اين يکي از ويژگيهاي اساسي انرژي پتانسيل است.
• تغييرات انرژي پتانسيل ممکن است به پيدايش انرژي جنبشي ، انرژي الکتريکي ، يا انرژي گرمايي منجر شود. فناوري نوين بر همين پايه استوار است، دستيابي به چنين تغييري به پايداري انرژي ذخيره شده بستگي دارد. براي انرژي پتانسيل سه نوع منحني مي‌توان در نظر گرفت: اگر چه اين سخنها معرف همه حالتها نيستند، اما نشان مي‌دهند که چگونه انرژي پتانسيل ممکن است با مکان تغيير کند.
• مي‌توان جسم کوچکي مثل گلوله‌اي مرمرين را روي يک کاسه وارونه (در حالت ناپايدار) ، درون کاسه (در حالت پايدار) يا در فرورفتگي کاسه وارونه‌اي که لبه دارد (در حالت شبه پايدار) در نظر گرفت. آنگاه کاسه نقش منحني انرژي پتانسيل هسته‌اي را خواهد دانست.
• در حالت پايدار تغيير نامحتمل است.
• در حالت شبه پايدار غلبه بر سد پتانسيل (يعني بالا رفتن از لبه) مستلزم انرژي اضافي است، مثلا اين انرژي اضافي مي‌تواند از جرقه‌اي که بخار بنزين را در سيلندرهاي موتور خودرو مشتعل مي‌کند ناشي مي‌شود. در برخي موارد نادر هيچ انرژي اضافي لازم نيست. مثل وقتي که ذره‌اي در هسته اتم سد پتانسيل را طي فرآيندي به نام تونل زني سوراخ مي‌کند.

کاربرد حالتهاي انرژي پتانسيل در صنعت

در فناوري نوين تعادل شبه پايدار ترجيح داده مي‌شود. زيرا انرژي پتانسيل مي‌تواند تا زماني که ما بخواهيم در حالت تعليق باقي بماند. که نمونه آن در روشن کردن راديوي ترانزيستوري و تبديل انرژي شيميايي باتري به انرژي الکتريکي مي‌توان نشان داد.

تغيير انرژي پتانسيل

هر تغيير انرژي پتانسيلي به پيدايش نيرويي مي‌انجامد. نيروي گرانشي اي که در حالت تعادل ناپايدار موجب مي شود که گلوله روي سطح خارجي کاسه به پايين بلغزد. اندازه ي نيرو را از شيب سختي مي‌سنجيم. هر چه اين شيب تندتر باشد قويتر است. البته همه نيرو ، از تغيير انرژي پتانسيل ناشي نمي‌شوند. نيروهايي که اين گونه‌اند. نظير نيروي گرانشي و نيروي کولني نيروي تابعي پايستاري ، داريم:
F = - du/dx و u = -?F dx
که در آن F نيرو ، u انرژي پتانسيل و x مکان است.
نيروهايي که از تغيير انرژي پتانسيل ناشي نمي‌شوند، نظير نيروي اصطکاک ، نيروهاي ناپايستارند. براي چنين نيروهايي ، انرژي پتانسيل قابل تبيين نيست.

انرژي مکانيکي

ابداع مفهوم انرژي قطعا يکي ار برجسته‌ترين نمونه‌هاي خلاقيت بشر در زمينه علمي است. مطالعه علمي عالم فيزيکي ، از هر نوع که باشد در نهايت سر از مفاهيم ماده و انرژي در مي‌آورد. اين دو مفهوم در کنار هم ، همان چيزي است که عالم را تشکيل مي‌دهد. درک شهودي ما از ماده در همان سالهاي آغازين زندگي شکل مي‌گيرد و حتي همچنين از جنبه‌هاي کمي آنرا هم شامل مي‌شود. اما در مقابل پنداره مربوط به انرژي ظريفتر و انتزاعي تر است. ما معمولا نمي‌توانيم انرژي را مستقيما حس کنيم: انرژي چيزي نيست که بتوانيم آنرا لمس کنيم، ببينيم و يا بشنويم. در عوض انرژي را معمولا در جسمي که يا جسم ديگري برهمکنش دارد احساس مي‌کنيم.

مفهوم انرژي مکانيکي

مجموع انرژي پتانسيل و انرژي جنبشي هر جسم نسبت به محيط و نيز مي‌توانيم قانون بقاي انرژي مکانيکي را مطرح کنيم. انرژي مکانيکي به يکي از انواع متمايز انرژي نسبت به ديگر انواع انرژي مثل انرژي الکترومغناطيسي ، هسته‌اي ، اتمي و يا شيميايي است. که هميشه با مکان حرکت يا حرکت ماده يا جسم مادي سر و کار دارد. انرژي مکانيکي به دو صورت جنبشي و پتانسيل هستند.

قانون پايستگي انرژي مکانيکي

قانوني که بنا به آن ، در هر دستگاه پايستار ، انرژي مکانيکي کل پايسته (ثابت) است. يعني اگر دستگاهي بدون اصطکاک يا مقاومت هوا باشد، مجموع انرژيهاي پتانسيل و جنبشي آن ثابت است.

سير تحولي و رشد

با آنکه قضيه کار - انرژي مستقيما از قانون دوم نيوتن بدست مي‌آيد، اما بد نيست يادآوري شود که مفهوم انرژي در زمان نيوتن هنوز ابداع نشده بود. تقريبا غير ممکن است که بتوانيم مفهوم انرژي را بدون در نظر گرفتن مفهوم کار ، که رابطه تنگاتنگي با آن دارد به تصوير در آوريم. کار عبارت است از حاصل ضرب نيروي وارد بر بک جسم (ااF) و جابه جايي آن جسم (d) در اينجا ااF مؤلفه‌اي از نيرو است که جابجايي موازي است در شکل نمادين داريم w = f.d يا w = ?f.dr که در آن w کار انجام شده در اين جابجايي است.

انرژي پتانسيل مکانيکي

اصطلاح انرژي مکانيکي براي توصيف وضعيتي بکار مي‌رود که در آن يک جسم يا مقداري جرم بخاطر موقعيت يا مکانش توانايي انجام کار دارد و نمونه‌اي از جسمي که بخاطر مکانش داراي انرژي پتانسيل است نشان داده مي‌شود. در اين شکل گلوله به جرم m را مي‌بينند که درست بالاي سر بيضي که گلوله را نگه داشته است ناگهان رها بشود. گلوله روي ميخ مي‌افتد و آنرا بيشتر در تخته فرو مي‌برد. از ديدگاه علمي ، مي‌گوييم گلوله قبل از فرو افتادن انرژي پتانسيل گرانشي داشته است.
در اينجا دليل استفاده از اصطلاح انرژي پتانسيل ، g انرژي پتانسيل به معني انرژي ذخيره‌اي و بالقوه براي ما روشين مي‌شود. انرژي موجود در گلوله تا پيش از رها شدن آشکار شدني نيست. مقدار انرژي پتانسيل گلوله پيش از اين که رها بشود برابر است با mgH ارتفاع گلوله است که از مرکز نقطه تا بالاي تخته اندازه گيري مي‌شود. در حقيقت کميت mgH درست همان کاري است که درصورت سقوط گلوله از ارتفاع H ، نيروي گراني مي‌تواند روي گلوله انجام بدهد.

انرژي پتانسيل گرانشي

با آنکه گلوله پتانسيل انجام کار (يعني فرو رفتن ميخ در تخته) را دارد. اما تا وقتي که به علاوه ، ان انرژي پتانسيل کاري را به دليل گرانشي مي گويند که به محل رها شدن گلوله نيروي وزن mg گلوله شتاب مي‌دهد.

انرژي جنبشي مکانيکي

گلوله همين که شروع به سقوط کرد انرژي جنبشي کسب مي‌کند، که در واقع انرژي ناشي از حرکت گلوله است. اکنون انرژي مکانيکي گلوله ناگهان آشکار مي‌شود. قطعا هر کس که شاهد سقوط گلوله‌اي سنگين بوده باشد خيلي زود انرژي آنرا حس کرده است. مقدار انرژي جنبشي گلوله برابر است با: mV2/2 که در آن v سرعت گلوله است. البته موقعي که گلوله سقوط مي‌کند مي‌گوييم انرژي پتانسيل از دست مي‌دهد (چون ارتفاعش کم مي‌شود) و انرژي جنبشي بدست مي‌آورد (چون مداوم سرعتش زياد مي‌شود).

نکته‌اي در مورد انرژي پتانسيل و جنبشي

يک نکته مهم درباره اين دو صورت انرژي اين است که مجموع آنها تقريبا ثابت مي‌ماند. به اين دليل مي‌گوييم تقريبا ثابت که کمي از انرژي گلوله ، در حين سقوط ، بخاطر برخورد با مولکولهاي هوا تبديل به گرما مي‌شود (در اجسامي مانند شهاب سنگها که با سرعتهاي خيلي زياد سقوط مي‌کنند، مقداري زياد از انرژي پتانسيل تبديل به گرما مي‌شود). پس در جايي که هوا وجود نداشته باشد مثل سطح کره ماه يا داخل محفظه‌اي خلأ ، مي‌توانيم بگوييم که مجموع انرژيهاي پتانسيل و جنبشي ثابت مي‌ماند. به صورت رياضي مي‌توانيم mgh + 1/2 mv2 = mgH که در آن h عبارت است از ارتفاع گلوله از بالاي تخته در لحظه‌اي که سرعتش برابر v مي‌شود. در پايان و به ارتباط ميان انرژي و کار باز مي‌گرديم.

انرژي مغناطيسي

هرگاه يک منبع ولتاژي را که قادر به ايجاد ولتاژي به اندازه V است، به مداري متصل کنيم، در اين مدار جريان الکتريکي برقرار مي‌‌شود، اما هر ماده داراي يک مقاومت الکتريکي مي‌‌باشد، بنابراين مجموع ولتاژ چشمه و نيروي محرکه القايي در مدار با حاصلضرب مقاومت مدار در جرياني که از آن مي‌‌گذرد، برابر خواهد بود و چون جريان را به صورت مشتق زماني بار الکتريکي تعريف مي‌‌کنند، بنابراين مي‌‌توان گفت که چشمه ولتاژ يا باتري مقداري کار انجام مي‌‌دهد تا مقداري بار الکتريکي را در مدار انتقال دهد.
مقداري از اين کار انجام شده توسط منبع ولتاژ يا انرژي تزريق شده به مدار و مقداري هم به صورت گرما تلف مي‌‌شود. اين انرژي برگشت ناپذير است. مقدار ديگري از انرژي نيز صرف تغيير شار در مدار مي‌‌شود، يعني اين جمله دوم کاري است که عليه نيروي محرکه القا شده در مدار انجام مي‌‌شود. بنابراين اگر در يک مدار صلب و ساکن که بجز اتلاف گرماي ژول هيچ انرژي ديگري از دست نمي‌‌دهد، کار انجام شده توسط باتري با تغيير انرژي مغناطيسي مدار برابر خواهد بود.

انرژي مغناطيسي مدارهاي جفت شده

در بحث الکتريسيته به مجموع چند مقاومت و خازن يا قطعات ديگر الکترونيکي که به يک منبع ولتاژ وصل شده باشد، مدار الکتريکي مي‌‌گويند. در بحث مغناطيس به مجموعه سيم پيچي که بر اطراف حلقه‌اي از يک ماده مغناطيسي پيچيده شده باشد، مدار مغناطيسي مي‌‌گويند.
حال فرض کنيد که دستگاهي متشکل از تعدادي مدار که با يکديگر برهمکنش دارند، داشته باشيم. براي اينکه بتوانيم انرژي مغناطيسي اين دستگاه را بيان کنيم، فرض مي‌کنيم در حالت اول کليه اين مدارها بدون جريان هستند و ما تمام جريانها را بطور هماهنگ به مقدار نهايي‌شان مي‌‌رسانيم، يعني در هر لحظه از زمان تمام جريانها کسر يکساني از مقدار نهايي خود را دارند. البته اين امر تنها زماني درست است که مدارها صلب بوده و محيطهاي موجود خطي باشند، تا انرژي نهايي به ترتيب تغيير جريانها بستگي نداشته باشد.
بنابراين اگر جريان هر مدار را با I_i و شار مغناطيسي القا شده در آن را با ?_i نشان دهيم، به رابطه زير خواهيم رسيد:

که n تعداد مدارها مي‌‌باشد. البته اين رابطه را مي‌‌توان برحسب القا متقابل مدارها نوشت.

چگالي انرژي در ميدان مغناطيسي

رابطه‌اي که در قسمت قبلي براي انرژي مغناطيسي مدار محاسبه شد، رابطه مفيد است، چون پارامترهاي موجود در آن را مي‌توان با اندازه گيري مستقيم بدست آورد. از طرف ديگر ، مي‌‌توان انرژي را برحسب ميدانهاي برداري مغناطيسي و بردار شدت ميدان مغناطيسي بيان کرد. در اين صورت چون رابطه گوياتر است و تصويري را عرضه مي‌‌کند که در آن انرژي در خود ميدان مغناطيسي ذخيره شده است، لذا اين بيان مفيدتر است.
اين رابطه نسبت به رابطه قبلي کلي‌تر مي‌باشد و اگر محيط مورد نظر ما يک محيط خطي باشد، يعني بتوانيم با داشتن يکي از مقادير شدت ميدان مغناطيسي (H) يا القا مغناطيسي (B) يکي را برحسب ديگري محاسبه کنيم، به راحتي مي‌‌توانيم مقدار انرژي ذخيره شده در آن مدار را با استفاده از حل يک انتگرال ساده از رابطه زير محاسبه کنيم:

که در آن ضرب موجود از نوع ضرب عددي يا اسکالر است و انتگرال روي حجم مدار انجام مي‌‌گيرد.

چگالي انرژي مغناطيسي

تابع انتگرال (يا سيگما) که در رابطه مربوط به انرژي مغناطيسي ظاهر مي‌‌گردد، يک انتگرال حجمي ‌است که روي تمام نقاط فضا گرفته مي‌‌شود و لذا بديهي است که مي‌‌توانيم انرژي واحد حجم را به عنوان چگالي انرژي مغناطيسي تعريف کنيم، يعني اگر چگالي انرژي را با ? نشان دهيم، در اين صورت

خواهد بود.
در مورد خاص اجسام مغناطيسي همسانگر و خطي که بين H و B يک رابطه خطي وجود دارد، يعني

است که در آن ? تراوايي مغناطيسي ماده مي‌‌باشد، لذا رابطه چگالي انرژي به فرم ساده زير در مي‌‌آيد:

انرژي خورشيدي

انرژي خورشيد يکي از منابع تامين انرژي رايگان، پاك و عاري از اثرات مخرب زيست محيطي است که از دير باز به روش‌هاي گوناگون مورد استفاده بشر قرار گرفته است. بحران انرژي در سال‌هاي اخير، کشورهاي جهان را بر آن داشته که با مسائل مربوط به انرژي، برخوردي متفاوت نمايند که در اين ميان جاي‌گزيني انرژي‌هاي فسيلي با انرژي‌هاي تجديدپذير و از جمله انرژي خورشيدي به منظور کاهش و صرفه‌جويي در مصرف انرژي، کنترل عرضه و تقاضاي انرژي و کاهش انتشار گازهاي آلاينده با استقبال فراواني روبرو شده است.
به طور متوسط خورشيد در هر ثانيه 1020*1.1 كيلووات ساعت انرژي ساطع مي‌كند. از كل انرژي منتشر شده توسط خورشيد، تنها در حدود 47% آن به سطح زمين مي‌رسد. اين بدان معني است كه زمين در هر ساعت تابشي در حدود 60 ميليون Btu دريافت مي‌کند.
يعني انرژي ناشي از سه روز تابش خورشيد به زمين ‌برابر با تمام ‌انرژي ناشي از احتراق كل سوخت‌‌هاي ‌فسيلي در دل زمين است و بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت كه در اثر تابش خورشيد به مدت چهل روز، مي‌توان انرژي مورد نياز يک قرن را ذخيره نمود.
بنابراين با به كارگيري كلكتورهاي خورشيدي مي‌توان تا حدودي از اين منبع انرژي بي‌پايان، پاك و رايگان استفاده كرد و تا حد بسيار زيادي در مصرف سوخت‌هاي فسيلي صرفه جويي نمود

موقعيت كشور ايران از نظرميزان دريافت انرژي خورشيدي

كشور ايران در بين مدارهاي 25 تا 40 درجه عرض شمالي قرار گرفته است و در منطقه‌اي واقع شده كه به لحاظ دريافت انرژي خورشيدي در بين نقاط جهان در بالاترين رده‌ها قرار دارد. ميزان تابش خورشيدي در ايران بين 1800 تا 2200 كيلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمين زده شده است كه البته بالاتر از ميزان متوسط جهاني است. در ايران به طور متوسط ساليانه بيش از 280 روزآفتابي گزارش شده است كه بسيار قابل توجه است.

ويژگي‌هاي استفاده از انرژي خورشيدي

پاك و بدون آلودگي (حذف انتشار گازهاي گلخانه‌اي از جمله دي‌اكسيد كربن)
بي‌پايان
رايگان و دردسترس
كاهش مصرف سوخت‌هاي فسيلي
امن و بي‌خطر

كاربرد انرژي خورشيدي

به طور كلي موارد استفاده از انرژي خورشيد به صورت زير دسته‌بندي مي‌شود:
تامين روشنايي از انرژي خورشيدي
تامين انرژي الكتريسيته
توليد برق با استفاده از فوتوولتاييك‌ها
توليد برق با استفاده از گرمايش خورشيدي
سرمايش و گرمايش هوا
اجاق ها
آب شيرين كن
گرمايش آب
تهيه آب‌گرم مورد نياز مصارف خانگي با استفاده از آبگرمكن‌هاي خورشيدي
تامين آبگرم در فرايندهاي صنعتي و تامين گرماي مورد نياز برخي فرايندها
گرمايش استخرها
مخازن ذخيره آب فصلي

كاربرد انرژي خورشيدي

استفاده از گرمايش خورشيدي براي تامين آبگرم مصرفي در ايران از طريق راه اندازي دو نوع سيستم صورت گرفته است:
آبگرمكن‌هاي خانگي خورشيدي (Domestic Solar Water Heaters)
آبگرمكن‌هاي عمومي خورشيدي(Solar Bath water heater)

تاريخچه انرژي هسته اي

مي‌دانيم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتريکي) تشکيل شده است. بنابراين بار الکتريکي آن مثبت است. اگر بتوانيم هسته را به طريقي به دو تکه تقسيم کنيم، تکه‌ها در اثر نيروي دافعه الکتريکي خيلي سريع از هم فاصله گرفته و انرژي جنبشي فوق العاده‌اي پيدا مي‌کنند. در کنار اين تکه‌ها ذرات ديگري مثل نوترون و اشعه‌هاي گاما و بتا نيز توليد مي‌شود. انرژي جنبشي تکه‌ها و انرژي ذرات و پرتوهاي بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژي گرمايي تبديل مي‌شود. مثلا در واکنش هسته‌اي که در طي آن 235U به دو تکه تبديل مي‌شود، انرژي کلي معادل با 200MeV را آزاد مي‌کند. اين مقدار انرژي مي‌تواند حدود 20 ميليارد کيلوگالري گرما را در ازاي هر کيلوگرم سوخت توليد کند. اين مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کيلوگالري گرمايي است که از سوختن هر کيلوگرم زغال سنگ حاصل مي‌شود.
علم انرژي هسته اي، شکل گرفته از مطالعات در علوم شيمي و فيزيک در سده هاي اخير مي باشد. در 1879 با انجام يونيزاسيون يک گاز از طريق تخليه الکتريکي به وسيله کراکس شروع شده و در 1897 توسط تامسون الکترون به عنوان ذره باردار مسئول الکتريسيته معرفي شد.
"رونتگن" در 1895 پرتو ايکس نافذ حاصل از يک لوله تخليه را کشف کرد و "بکرل" در 1896 پرتوهايي مشابه (که امروزه لاندا مي ناميم) را يا منشا کاملا متفاوت کشف کرد که منجر به کشف اورانيوم و پديده ي پرتوزايي شد.
در 1905 "انيشتن" نتيجه گيري کرد که جرم هر جسمي با سرعت آن افزايش پيدا مي کند و فرمول مشهور خود E=mc2 راکه بيانگر هم ارزي جرم و انرژي است بيان نمود(کوري ها در 1898 عنصرپرتوزاي راديوم را جداسازي نمودند) در زمان انيشتين بررسي تجربي مقدور نبود و انيشتين نتوانست مفاهيم معادله خود را پيش بيني کند.
در اوايل قرن بيستم يک سري آزمايش با ذرات مختلف حاصل از مواد پرتوزا به فهم نسبتا شفاف ساختار اتم و هسته منجر شد. از کار "رادرفورد" و "بور" نتيجه گيري شد که اتم خنثي از نظر الکتريکي از بار منفي به شکل الکترون هاي احاطه کننده يک هسته مرکزي مثبت که قسمت اعظم ماده اتم را شامل مي شود، تشکيل شده است. اگرچه هسته از ذرات مقيد به يکديگر از طريق نيروهاي قوي هسته اي تشکيل شده است، تبديلات هسته اي مي توانند القا شوند يعني بمباران نيتروژن با هليم منجر به توليد اکسيژن وهيدروژن مي شود.
در 1930 "بوته" و" بکر" بريليم را با ذرات آلفاي حاصل از پولونيم بمباران کردند و آنچه را که فکر کردند پرتوهاي گاماست کشف کردند اما "چادويک" در 1932 نشان داد که بايد نوترون ها باشند. در حال حاضر واکنش هاي مشابهي در راکتورهاي هسته اي به عنوان چشمه نوترون به کار مي رود. پرتوزايي مصنوعي اولين بار توسط "کوري" و" ژوليو" گزارش شد ذرات تزريق شده به داخل هسته هاي بور، منيزيوم و آلومينيوم ايزوتوپ هاي پرتوزاي جديد عناصر متعددي را به وجود آورد. توسعه ماشين ها براي شتاب دادن ذرات باردار تا سرعت هاي بالا فرصت هاي جديدي را براي مطالعه واکنش هاي هسته اي فراهم ساخت . سيکلوترون، طراحي و ساخته شده در 1932 به وسيله "لارنس" اولين سري از دستگاه هاي با توانمندي بالا بود.

آشنايي با عبارات و اصطلاحات هسته اي و انرژي اتمي

باوجود بحثهاي فراوان درباره برنامه هاي اتمي ايران، هنوز به بسياري از پرسش هاي افكار عمومي، به ويژه از لحاظ علمي پاسخ روشني داده نشده است.
سعي کرده ايم براي آشنايي علاقه مندان درباره اصطلاحات هسته اي و انرژي اتمي، توضيحاتي ارائه کنيم مثلا اورانيوم چيست؟ چگونه غني مي شود؟ در كجا به مصرف توليد برق مي رسد و چگونه براي ساختن بمب اتمي آماده مي شود؟
دكتر كورش فرزين استاديار بازنشسته رشته فيزيك اتمي دانشگاه بوخوم آلمان که داراي 40 سال سابقه تحقيق در رشته فيزيك اتمي است و در كنار همكاران آلماني خود، مهمترين تحولات اتمي اين دوران را از ديدگاه علمي دنبال كرده است، مثل واقعه چرنوبيل.
?اورانيوم چيست؟
نخستين واژه اي كه در بحث برنامه هاي اتمي به كار برده مي شود، اورانيوم است. كورش فرزين درباره اين واژه توضيح مي دهد: اورانيوم سنگين ترين عنصر موجود در طبيعت است. در مركز اين عنصر 92 پروتون با بار مثبت و 143 نوترون وجود دارد. يكي از مهمترين خواص اورانيوم آن است كه به سرعت تجزيه و تبديل به عناصر ديگر مي شود. اما اگر عناصر تجزيه شده را وزن كنيم، مي بينيم كه وزن مجموع آن ها از وزن اوليه كمتر است. اين تفاوت وزن، ناشي از توليد جرمي است كه بر اساس فرمول معروف اينشتاين انرژي عظيمي توليد مي كند كه انرژي هسته اي است.
?غني سازي اورانيوم
غني سازي اورانيوم؛ اصطلاح رايج ديگري است كه از آغاز به راه افتادن بحث برنامه اتمي بر سر زبان ها جاري است. مي خواهيم بدانيم اورانيوم اصولا چگونه غني مي شود.
براي استفاده از اجرام انرژي زا، بايد اورانيوم تجزيه شود. اورانيومي كه به خوبي تجزيه مي شود، اورانيوم 235 است. اما از هر هزار واحد اورانيوم موجود در طبيعت تنها هفت واحد اورانيوم 235 است. به اين دليل است كه ما بايد بتوانيم اورانيوم را غني كنيم، يعني درصد خلوص آن را به وسيله دستگاه هاي غني كننده افزايش بدهيم. يكي از متدهاي رايج براي غني سازي استفاده از سانتريفوژها است.
?سانتريفوژ چيست؟
سانتريفوژ چيست و چگونه عمل مي كند؟ به اين پرسش، استاديار بازنشسته دانشگاه بوخوم چنين پاسخ مي دهد:
سانتريفوژ دستگاه استوانه اي شكلي است كه درست مثل توربين هواپيما پره هائي در وسط آن وجود دارد. اين پره ها در هر دقيقه بيش از صدهزار چرخش دارند. در نتيجه اين چرخش، اورانيوم سنگين روي ديواره آخري سانتريفوژ قرار مي گيرد و اورانيوم 235 در كنار آن مي نشيند. بايد هزاران سانتريفوژ در كنار هم قرار بگيرند تا ما بتوانيم با كمك مجموعه آن ها اورانيوم را غني كنيم. يعني با يك يا چند سانتريفوژ نمي توان اورانيوم را غني كرد.
?تفاوت رآكتورهاي آب سبك و سنگين
در باره رآكتور آب سنگين اراك، بسيار شنيده ايم. همچنين مي دانيم كه در كنار رآكتورهاي آب سنگين، رآكتورهاي آب سبك هم وجود دارند. از دكتر فرزين مي خواهيم درباره تفاوت اين رآكتورها و نقش آن ها در توليد انرژي اتمي توضيح بدهد.
وي مي گويد: رآكتورهاي آب سبك با آب معمولي كار مي كنند. هيدروژن آب معمولي از يك پروتون تشكيل شده است، اما در هيدروژن آب سنگين يك پروتون و يك نوترون وجود دارد. براي استفاده از رآكتورهاي آب سبك، به اورانيوم غني شده نياز داريم، اما در رآكتور آب سنگين از اورانيوم معمولي مي شود استفاده كرد. به اين ترتيب، در عمل استفاده از رآكتور آب سنگين، كه دولت ايران هم در پي آن است، نتيجه اي شبيه همان غني سازي اورانيوم را خواهد داشت.
?پلوتونيوم چيست؟
در بحث هاي مربوط به برنامه اتمي ايران، از پلوتونيوم نيز بسيار شنيده ايم. مي خواهيم بدانيم كه از اين عنصر چگونه انرژي اتمي توليد مي شود. دكتر فرزين در اين مورد مي گويد:
پلوتونيوم در طبيعت وجود ندارد، اما اگر ما يك نيروگاه برق اتمي را به كار بياندازيم و سي روز پس از آغاز كار آن سوختش را بيرون بياوريم، مي توانيم مقدار زيادي پلوتونيوم 239 از آن جدا كنيم و اين پلوتونيوم آنقدر غني است كه مي توان مستقيما از آن بمب اتمي درست كرد.
با توجه به همين نكته است كه آمريكا و متحدانش نگران راه اندازي نيروگاه برق اتمي بوشهر در پايان سال جاري ميلادي هستند. از دكتر فرزين مي پرسيم كه آيا با راه افتاده نيروگاه بوشهر ايران امكان توليد بمب اتمي را خواهد داشت؟ وي مي گويد: عملا اين امكان وجود دارد و همه نيز آن را مي دانند. براي همين است كه مي گويند هركه يك رآكتور دارد مي تواند بمب اتمي نيز توليد كند. مگر آن كه كنترل بين المللي جدي وجود داشته باشد.

انرژي باد، انرژي حاصل از هواي متحرك

باد هواي در حال حركت است. باد به وسيلة گرماي غير يكنواخت كه سطح كرة زمين كه حاصل عملكرد خورشيد است، بوجود مي‌آيد. از آنجائيكه سطح زمين از سازنده‌هاي خشكي و آبي قنوعي تشكيل شده‌اند، اشعة خورشيد را بطور غيريكنواخت جذب مي‌كند. وقتي خورشيد در طول روز مي‌تابد، هواي روي سرزمين‌هاي خشكي سريعتر از هواي روي سرزمين‌هاي آبي گرم مي‌شود. هواي گرم روي خشكي ضبط شده و بالا مي‌رود و هواي خنك تر و سنگين تر روي آب جاي آنرا مي‌گيرد كه اين فرآيند بادهاي محلي را مي‌سازد. در شب، از آنجا كه هوا روي خشكي سريعتر از هواي روي آب خنك مي‌شود، جهت باد برعكس مي‌شود.
به همين طريق بادهاي بزرگ جوي كه زمين را دور مي‌زنند به علت اينكه هواي سطحي نزديك استوا در اثر گرماي خورشيد بيشتر از هواي قطب شمال و جنوب گرم شده، بوجود مي‌آيند. از آنجا كه باد تا زمانيكه خورشيد به زمين مي‌تابد، بطور پيوسته توليد خواهد شد، آنرا منبع انرژي تجديد شونده مي‌نامند. امروزه، انرژي بادي عمدتاً براي توليد برق بكار برده مي‌شود.

تاريخچة باد

در طي تاريخ، انسانها باد را به شيوه‌هاي مختلف به كار بردند. بيش از پنج هزار سال پيش، مصريان باستان از نيروي باد براي راندن كشتي‌هاي خودروي رود نيل استفاده كردند. بعد از آن، انسان آسياب بادي را براي آسياب كردن بذر خود ساخت. جديدترين آسياب بادي متعلق به ايران است. اين آسياب شبيه به پاروهاي بسيار بزرگ بوده.
قرن‌ها بعد، مردم هلند طرح پاية آسياب بادي را بهبود دادند. آنها تيغه‌هاي پروانه مانند ساخته شده از پره‌هاي نو به آسياب بادي اضافه كردند و روشي براي تغيير جهت آن مطابق با جهت باد ابداع كردند. آسياب‌هاي بادي به هلندي‌ها كمك كردند كه در قرن 17 صنعتي ترين كشور جهان باشند.

برخي از كشورها آسياب‌هاي بادي را براي آسياب گندم و ذرت، پمپ كردن آب و قطع درختان به كار مي‌بردند. در سال 1920 در كشورهاي توسعه يافته از آسيابهاي كوچك براي توليد برق روستايي بدون خدمات برق به كار بردند. در سال 1930 زمانيكه خطوط نيرو شروع به انتقال برق از نواحي روستايي كرد، آسيابهاي محلي كمتر و كمتر شدند، اگرچه در حال حاضر نيز مي‌توان آنها را ديد.
ذخاير نفت در سال 1970 تصوير انرژي را براي كشورهاي جهان عوض كرد. اين امر محيطي بازتر براي منابع جايگزين انرژي خلق كرد و راه را براي ورود مجدد آسياب‌هاي بادي به چشم انداز آمريكايي در توليد برق هموار كرد.

مكانيسم‌هاي آسياب‌هاي بادي

آسيابهاي بادي چون سرعت باد را كم مي‌كنند، مي‌توانند كار كنند. باد روي تيغه‌هاي ورقه مانند نازكي جريان يافته و آنها را بلند مي‌كند و باعث چرخش آنها مي‌شوند (مانند تأثير باد روي بالهاي هواپيما) تيغه‌ها به ميلة هدايت متصل است و آن نيز يك مولد برق را چرخانده و الكتريسيته توليد مي‌كند.

مكانيسم‌هاي بادي نو

مكانيسم‌هاي بادي امروزه از لحاظ فني بسيار پيشرفته‌تر از انواع قديمي هستند. در اين مكانيسم همچنان براي جمع‌آوري انرژي حركتي باد از تيغه‌ها استفاده مي‌شود اما اين تيغه‌ها كه از فايبرگلاس يا هر مادة محكم ديگر ساخته شده‌اند.
مكانيسم‌هاي بادي مدرن هنوز با مشكلاتي دست و پنجه نرم مي‌كند، مثلاً اينكه وقتي باد نمي‌وزد بايد چه كرد. توربين‌هاي بزرگ به شبكة نيرويي خدماتي متصل شده‌اند. برخي از آنها هنگامي كه بادي نمي‌وزرد، جمع مي‌شوند. توربين‌هاي كوچك گاهي اوقات به مولدهاي الكتريكي ـ ديزلي متصلند و يا گاهي اوقات داراي باتري براي ذخيرة برق اضافي جمع آوري شده در هنگام وزش بادهاي شديد، هستند.

انواع آسيابهاي بادي

امروزه عموماً دو نوع مكانيسم بادي استفاده مي‌شود، محور افقي با تيغه‌هاي شبيه به پرة هواپيما و محور عمودي كه شبيه به فرفره است.
مكانيسم بادي محور افقي به علت اينكه مواد كمتري براي يك واحد برق نياز دارد، بيشتر مورد استفاده است. حدود 95 درصد مكانيسم‌هاي بادي افقي محور هستند. ماشين بادي افقي ويژه‌اي داراي ارتفاعي به اندازة يك ساختمان 20 طبقه و سه تيغه دارد كه قطر چرخش آن 200 متر است. بزرگترين ماشين‌هاي بادي دنيا تيغه‌هايي بزرگتر از يك زمين فوتبال دارند! ماشينهاي بادي براي اينكه باد بيشتري را به دام بيندازند، بلند و عريض هستند.

ماشين‌هاي آسياب بادي افقي

ماشينهاي بادي با محور قائم تنها پنج درصد ماشينهاي بادي بكار برده شده در دنياي امروز را به خود اختصاص داده است. نوع نمونه آن 100 متر طول و 50 متر پهنا دارد.
هر ماشين باري امتيازات و ايرادات خود را دارد. ماشينهاي با محور افقي نياز به روشي براي نگهداشتن گرداننده رو به باد دارد. اين كار با يك دم روي ماشينهاي كوچك انجام مي‌گيرد. در ماشينهاي بزرگ، يا يك گردانند در بخش پاييني برج قرار دارد كه كاري شبيه به بادنماي هواشناسي را انجام مي‌دهد و يا يك موتور هدايت كننده به كار برده مي‌شود، ماشينهاي با محور قائم مي‌توانند باد را در هر جهتي قبول كنند.

دستگاههاي نيروي بادي

دستگاههاي نيروي بادي يا فراري بادي، سري ماشينها بادي است كه براي توليد برق بكار برده مي‌شوند. يك مزرعة بادي معمولاً داراي چندين ماشين پخش شده در ناحية وسيعي است. دستگاههاي هسته‌اي يا ذغالي و بسياري از دستگاههاي بادي غالباً به شركت‌هاي با منافع عمومي داده نمي‌شوند. در عوض آنها توسط تاجراني كه برق توليد شده از مزرعة بادي را براي خدمات رفاهي مي‌فروشند، اداره و مديريت مي‌شود. اين شركت‌هاي خصوصي به عنوان «توليد كننده‌هاي مستقل نيرو» شناخته مي‌شوند.
به كار اندازي يك دستگاه نيروي بادي كار آساني نيست و مالكان آن بايد براي تعيين موقعيت نصب آن به دقت برنامه ريزي كنند. آنها بايد ميزان وزش باد، شرايط هواشناسي محلي، نزديكي خطوط انتقال برق و كدهاي منطقه‌بندي محلي را در نظر بگيرند.
دستگاههاي بادي به زمين‌هاي زيادي نياز دارند. يك ماشين بادي حدوداً به دو جريب زمين نياز دارد. يك دستگاه نيروي بادي صدها جريب زمين نياز دارد. از طرف ديگر، كشاورزان مي‌توانند در اطراف ماشينهاي بادي محصولات خود را به بار آورده و يا به چراي گله‌هاشان بپردازند.
وقتي يك دستگاه شناخته شد، هنوز هزينه‌هايي باقي مي‌ماند. در برخي حالات، هزينه‌هاي باقيمانده با بخشش‌هاي مالياتي كه به منابع تجديدپذير انرژي داده مي‌شود، حيران مي‌شوند. دستگاه سياليست‌هاي منظم منافع عمومي يا PURPA هم براي خريداري برق از توليد كننده‌هاي مستقل نيرو با قيمت‌هاي منصفانه به شركت‌هايي نياز دارد.

منابع بادي

بهترين محل براي نصب يا ساخت دستگاه بادي كجاست؟ ميانگين سرعت باد براي به صرفه بودن تبديل انرژي باد به برق حدود 23 كيلومتر در ساعت است. ميانگين سرعت باد در برخي از كشورها16 كيلومتر در ساعت است. به علت دسترسي آسان به باد با دوام و هميشگي، برخي شركت‌ها نصب ماشينها را در مناطق و دور از ساحل مدنظر دارند.

آنمومتر

دانشمندان از وسيله‌اي به نام آنمومتر (anemometer) براي اندازه‌گيري سرعت باد استفاده مي‌كنند. آنمومتر شبيه يك بادنماي هواشناسي است با ظاهري مدرن. اين وسيله سه پرده با فنجان‌هايي در سد آنها و روي ميلة چرخاني كه با وزش باد مي‌چرخد دارد. اين وسيله به متري وصل است كه سرعت باد را نشان مي‌دهد. يك بادنما جهت باد را نشان مي‌دهد اما سرعت باد را نشان نمي‌دهد. براساس يك قانون طبيعي سرعت باد در نواحي پهناور و بدون وقفه در وزش باد، با عرض جغرافيايي افزايش مي‌يابد. مكانهايي مناسب براي دستگاههاي بادي بالاي تپه‌هاي گرد و صاف، دشت يا سواحل باز و فواصل كوهي كه مثل قيف عمل مي‌كنند، هستند .

توليد باد

چقدر مي‌توانيم از باد انرژي بدست آوريم؟ دو اصطلاح وجود دارد كه توليد پاية برق را توضيح مي‌دهد. عامل كارايي و عامل گنجايش.
كارايي به اين موضوع بر مي‌گردد كه چقدر مي‌توان انرژي مفيد (در اين مورد، برق) از منبع انرژي كسب كرد. يك ماشين انرژي صد درصد كارا، مي‌تواند تمام انرژي را به انرژي مفيد تبديل كند و هيچ انرژي را هدر نمي‌دهد هيچ ماشين با كارايي يا بهره وري صد درصد وجود ندارد. بعضي انرژي‌ها هميشه وقتيكه شكلي از انرژي به شكل ديگر تبديل مي‌شود، از دست مي‌روند. انرژي هدر رفته معمولاً به شكل گرماي پراكنده شده در هوا است و نمي‌توان از آن بهرة اقتصادي مجدد برد. ماشين‌هاي بادي چقدر كارايي دارند؟ ماشينهاي بادي تنها به اندازة دستگاههاي ديگر مانند دستگاههاي زغال بهره وري دارند. ماشين‌هاي بادي 30 تا 40 درصد انرژي متحرك باد را به برق تبديل مي‌كند، يك دستگاه مولد نيروي زغال سوز، حدود 30 تا 35 درصد انرژي شيميايي زغال را به الكتريسيتة قابل استفاده تبديل مي‌كند.

واژة گنجايش به توانايي دستگاه نيرو در توليد برق بر مي‌گردد. يك دستگاه نيرو با گنجايش صد درصد تمام روز و هر روز هفته با تمام نيرو كار مي‌كند. در چنين شرايطي هيچ وقتي براي تعمير يا سوختگيري صرف نمي‌شود كه اينچنين چيزي براي هر دستگاهي غيرممكن است. مشخصاً دستگاههاي زغالي اگر تمام روزهاي سال و بطور شبانه روزي كار كنند، داراي ظرفيت 75 درصد خواهند بود.
دستگاههاي نيروي باد متفاوت از دستگاههاي مولد نيروي سوخت سوز هستند. بهره‌وري آنها به ميزان باد و ميزان سرعت باد بستگي دارد. بنابراين ماشين‌هاي بادي نمي‌توانند در طول سال بطور 24 ساعته كار كنند. يك توربين بادي در يك مزرعة بادي شاخص در 65 تا 80 درصد زمان كار مي‌كند، اما معمولاً كمتر از گنجايش كامل خود، زيرا سرعت باد هميشه در بيشترين مقدار خود نيست. بنابراين عامل گنجايش 30 تا 35 درصد است. علم اقتصاد نيز بخش عظيمي از گنجايش را داشته باشند، اما اين امر خود اقتصادي نيست. تصميم در اين مورد براساس خروجي الكتريسيته در هر دلار سرمايه‌گذاري است.
يك ماشين بادي مي‌تواند 5/1 تا 4 ميليون كيلو وات ساعت (kWh) برق در سال توليد كند. اين ميزان برق براي 150 تا 400 خانه در سال كافي‌ست. در اين كشور، ماشينهاي بادي 10 ميليارد كيلو وات ساعت انرژي در سال توليد مي‌شود. انرژي بادي حدود 1/0 درصد برق ملت را كه مقدار كمي هست تأمين مي‌كند. اين ميزان برق براي كارهاي خانگي يك ميليون خانه كه به اندازة شهرهاي شيكاگو و ايلي نويز است، كافي‌ست. كاليفرنيا بيشترين برق بادي را نسبت به ساير ايالت‌ها توليد مي‌كند و تگزاس، منيسوتا و آيوا بعد از آن قرار دارند، 1300 ماشين بادي موجود بيشتر از يك درصد برق كاليفرنيا كه حدود نصف ميزان برق توليدي در يك دستگاه نيروي هسته‌اي است را توليد مي‌كند.
در سه سال گذشته گنجايش باد كل جهان بيش از دو برابر شده است. متخصصان انتظار دارند در چند سال بعد، توليد انرژي از ماشينهاي بادي، سه برابر شود. هند و بسياري از كشورهاي اروپايي در حال برنامه‌ريزي براي تأسيس صنايع بادي جديد هستند. بسياري از طرحهاي جديد باد به علت عدم كنترل قانوني صنعت برق به تعويق درآورند. شركت‌هاي خدماتي رفاهي و اجتماعي اطمينان نداشتند كه چقدر عدم كنترل (deregulation) روي تكنولوژي‌هاي جديد تأثير مي‌گذارد. آيا دولت هنوز شركت‌هاي خدمات رفاهي براي سرمايه‌گذاري روي طرحهاي انرژي‌هاي تجديدپذير تشويق مي‌كند؟ آيا بازاري براي انرژي توليد شده وجود دارد؟ چنين سئوالاتي هنوز بي‌جواب مانده. با اين وجود سرمايه گذاري روي انرژي بادي به علت هزينة كم و تكنولوژي در حال پيشرفتش در حال افزايش است. باد در حال حاضر يكي از رقابتي‌ترين منابع براي توليد است.
نشانة اميدوار كنندة ديگر براي صنعت بادي تقاضاي مصرف كننده براي انرژي‌هاي سبز انرژي‌هايي كه به محيط زيست آسيبي نمي‌رسانند) است. بسياري از شركت‌هاي خدماتي به تازگي به مصرف كنندگان اجازه داده كه به طور داوطلبانه براي برق توليد شده از منابع تجديدپذير پول بيشتري بدهند. صنعت بادي براي برگشت به حالت تعويق يا موازنه درآمده است.

اقتصاد انرژي باد

از لحاظ اقتصادي، خبرهاي خوب زيادي براي انرژي بادي وجود دارد، اولين خبر اينكه يك دستگاه بادي بسيار ارزان تر از دستگاه انرژي موسوم از نظر ساخت ساخته شده است. دستگاههاي باد مي‌توانند به ماشينهاي بادي به راحتي اضافه كردند بطوريكه تقاضاي برق تقاضا پيدا مي‌كند. دومين خبر اينكه هزينة توليد برق از باد در دو دهة گذشته بطور برجسته‌اي كاهش يافته است. برق توليد شده توسط باد در سال 1975، 30 سنت براي هر كيلو وات ساعت بود، اما حالا به كمتر از 5 سنت رسيده است. توربين‌هاي جديد قيمت را كمتر هم خواهند كرد.

باد و محيط زيست

در سال 1970، ذخاير نفت بر توسعة منابع جايگزين انرژي فشار آورد. در سال 1990، از ديدگاه تجديدپذيري محيط زيست، در برابر مطالعة دانشمندان كه نشاندهندة تغييرات بالقوة آب و هواي جهاني درصورت افزايش استفادة مداوم از سوخت‌هاي فسيلي فشاري نيز بوجود آمد. انرژي بادي يك گزينة اقتصادي و راهبردي براي دستگاههاي نيروي سنتي در بسياري از نواحي كشور ارائه مي‌دهد، باد سوخت پاكي است و مزاع بادي از آنجا كه هيچ سوختي را نمي‌سوزانند، هيچ آلودگي آبي با هوايي نيز ايجاد نمي‌كنند.
جدي ترين آسيب زيست محيطي ماشينهاي بادي شايد تأثير منفي آنها روي جمعيت پرندگان وحشي و بر خود ديداري غيرطبيعي در چشم انداز محيط زيست باشد، براي برخي افراد، برق زدن تيغه‌هاي آسيابهاي بادي در افق مي‌تواند آزار دهنده باشد و براي برخي ديگر آنها جايگزين زيبايي براي دستگاههاي نيروي سنتي هستند.

استفاده بهينه از باد

با تيغه‌هايي كه حدود 87 متر قطر دارند، توربين Vestas V44-600 بزرگترين توربين بادي در حال فعاليت است. اين توربين كه در 96 متري روي برجي در غرب شهر تراورس (Traverse) ميشيگان قرار داد، كمتر از يك درصد روشنايي و نيروي خروجي مجموع شركت‌ها را فراهم مي‌كند. اما اين تعداد براي حدود 200 مصرف كننده ساكن در شهر كافي‌ست. اين دسته از مردم كه تمام برق خود را از نيروي باد به دست مي‌آورند، با پرداخت حدود 20 درصد بيشتر به عنوان بهاي برق به منظور حمايت از اين طرح موافقند. توربين در دانمارك ساخته شد. تيغه‌ها طوري طراحي شده‌اند كه بيشترين انرژي را از بادها بگيرد و سرعت مولد و موتور چرخاننده مي‌تواند براي يكنواخت كردن نوسانات نيرو كمي تغيير كند. در بادهاي متوسط 24 تا 25، ساليانه از توربين بادي بين 1/1 تا 2/1 ميليون كيلو وات ساعت تخمين زده مي‌شود.

توربين Vestas V44-600

وارپ (WARP)

سيستم متفاوت مبدل انرژي باد به برق بوسيله يك مهندس هوانورد در كنتاكي طراحي شدن بسكوي چرخان شدت يافته بود انكو (Eneco) يا همان WARP (Wind Amplified Rotor Platform) از تيغه‌هاي بزرگ استفاده نمي‌كند هر مدل يك جفت توربين پر ظرفيت سوار شده روي هردو سطح كانال مدل تشديد كنندة هواي مقعر دارد. سطوح مقعر كانال هوا، باد را به سمت توربين‌ها هدايت كرده و سرعت آن را 50 درصد افزايش مي‌دهند. انكو، براي بازاريابي تكنولوژي نيروي سكوهاي نفتي دور از ساحل و سيستم‌هاي ارتباطات بي سيم از راه دور برنامه ريزي مي‌كند. بنابراين در آينده طرح انكو مي‌تواند با توليد نيروي براي خدمات رساني رفاهي مردم بكار برده شود. نواحي WARP عظيم مي‌تواند با برج‌هاي چندين متري كه هركدام چندين مگاوات برق توليد مي‌كند، ساخته شود. حتي توربين‌ها مي‌توانند براي تهيه نيروي ساكنين يك ساختمان، با ساختمان يكي شود

انرژي آب

آسيابهاي آبي شايد از 3 هزار سال پيش مورد استفاده بوده است. آسيابهاي قديمي داراي چرخهايي قديمي بوده که روي ميله قائم سوار مي‌شده‌اند. روميها از آسيابهايي با چرخهاي قائم استفاده کرده‌اند در قرن شانزدهم انرژي آب بصورت صنعتي در آمد، تکنولوژي پيشرفته توليد انرژي الکتريکي از آب در ابعاد بزرگ در قرن نوزدهم بوجود آمد. انرژي آب يک منبع قابل تجديد (انرژي برگشت پذير) و وابسته به انرژي خورشيدي است.

اصول فيزيکي لازم براي استفاده از انرژي آب

• انرژي ناشي از آب در کاربردهاي قراردادي توان هيدرو الکتريکي مجموع انرژي پتاسيل که وضعيت يا ارتفاع مشخص مي‌شود.
• انرژي جنبشي که با سرعت جريان آب مشخص مي‌شود، انرژي پتاسيل آبهاي ساکن با جريان يا سقوط آب به يک توربين هيدروليکي به آساني به انرژي جنبشي تبديل مي‌شود. تعريف ارتفاع انرژي: ارتفاع مربوط به انرژي مفيد در هر نقطه از جريان آب با تخليه ثابت را ارتفاع انرژي گويند و آن را با he نشان مي‌دهند.
ارتفاع انرژي براي واحد جرم بصورت زير معين مي‌شود. he = Z + v2/2g که در اين فرمول Z ارتفاع سطح آزاد آب و v سرعت متوسط جريان آب و g شتاب گرانشي مي‌باشد. چرخهايي که در توربين مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
ارتفاع انرژي به ارتفاع آب سقوط نيز بستگي دارد. براي ارتفاع زياد اغلب چرخ پلتون نصب مي‌شود، براي ارتفاع متوسط حدود 100 متر بهتر است توربين فراميس انتخاب شود و براي ارتفاع کمتر توربين کاپلان ترجيح داده مي‌شود.

انرژي الکتريکي

هر ماده از تعداد بسيار اتم تشکيل شده است که هر اتم نيز از سه قسمت نوترون ، پروتون و الکترون تشکليل شده است. تعداد الکترونها با تعداد پروتونها در حالت عادي (خنثي) برابر است، الکترون داراي بار منفي و پروتون داراي بار مثبت مي‌باشند، که الکترونها به دور پروتن و نوترون (هسته اتم) با سرعت بسيار زيادي مي‌چرخند. در اثر اين چرخش نيروي گريز از مرکزي بوجود مي‌آيد که مقدار اين نيرو با مقدار نيروي جاذبه بين الکترونها و هسته برابر است، پس اين برابري نيرو الکترونها را در حالت تعادل نگه مي‌دارد و نمي‌گذارد که از هسته دور شوند.
يک سيم مسي هم داراي تعداد زيادي اتم و در نتيجه الکترون است. هر گاه ما بتوانيم توسط يک نيرويي الکترونهاي در حال چرخش به دور هسته را از مدار خود خارج کنيم و در يک جهت معين به حرکت در آوريم جريان الکتريکي برقرار مي‌شود. پس اين نکته را دريافتيم که جريان برق چيزي جز حرکت الکترونها نيست، البته اين حرکت بصورت انتقالي انجام مي‌شود، يعني يک اتم تعدادي الکترون به اتم کناري خود مي‌دهد و اتم کناري نيز به همين ترتيب تعدادي الکترون به اتم بعدي مي‌دهد و بدين صورت جريان برقرار مي‌شود. پس هر گاه که گفته شود جريان برق کم يا زياد است، يعني تعداد الکترونهايي که در مسير سيم در حال حرکت هستند کم يا زياد است.
نيروهايي که باعث جدا شدن الکترون از هسته مي‌شوند

نيروي مغناطيسي خارجي

هرگاه يک سيم را در يک ميدان مغناطيسي حرکت دهيم؛ نيروي اين ميدان باعث حرکت الکترونهاي سيم مي‌شود.

ضربه

فرض کنيد يک اتوبوس کنار خيابان ايستاده و تمام مسافران آن محکم روي صندليها نشستند، بعد يک اتومبيل ديگر با سرعت زياد به جلوي اين اتوبوس برخورد مي‌کند. حال اتوبوس با سرعت به عقب پرتاب مي‌شود و مسافران که در آنها اينرسي سکون ذخيره شده تمايل دارند که به همان حالت سکون باقي بمانند، در نتيجه اتوبوس به عقب رفته ولي مسافران در همان نقطه مکاني باقي مي‌مانند. در نتيجه مسافران از صندليهاي خود جدا شده و از شيشه اتوبوس به بيرون پرتاب مي‌شوند. پس اين نيروي ضربه بود که مسافران را از اتوبوس جدا کرد، به همين صورت نيز ضربه مي‌تواند الکترونها را از مدار خود خارج کند. نمونه اين توليد برق در فندکها مي‌باشد.

انرژي خورشيدي

انرژي خورشيدي نيز داراي نيرويي است که قادر است الکترونها را از مدار خود جدا کند.

حرارت و ...

حرارت باعث مي‌شود که جنبش ملکولي اجسام زياد شود، در اثر اين جنبش تعداد زيادي مولکول به شدت باهم برخورد مي‌کنند که همان نيروي ضربه را بوجود مي‌آوردند و باعث جدا شدن الکترون از اتم مي‌شوند. يک سيم مانند دالاني مي‌ماند که در يک دوره زماني مشخص تعداد معيني از افراد مي‌توانند از آن عبور کنند، يعني براي اينکه در دوره زماني مشخص مثلا در 1 دقيقه افراد بيشتري بتوانند از اين دالان عبور کنند بايد سرعت حرکت آنها بيشتر شود، در نتيجه در اثر برخورد با هم و با ديواره دالان باعث ايجاد اصطکاک و گرما مي‌شوند.
براي سيم نيز چنين اتفاقي مي‌افتد، يعني اگر بخواهيم تعداد الکترونهاي در حال حرکت را افزايش دهيم (جريان را افزايش دهيم) سرعت حرکت الکترونها و نيز تعداد الکترونهايي که همراه باهم از مقطع سيم عبور مي‌کنند افزايش مي‌يابد، در نتيجه اصطکاک افزايش يافته و توليد گرما مي‌کند که اگر جريان بيش از حد مجاز خود از سيم عبور کند گرماي توليد شده باعث ذوب شدن سيم مي‌شود (سيم مي‌سوزد).

برق

توان الکتريکي که اغلب به عنوان برق يا الکتريسيته شناخته مي شود، شامل توليد و ارايه انرژي الکتريکي به ميزان کافي براي راه اندازي لوازم خانگي، تجهيزات اداري، دستگاه هاي صنعتي و فراهم آوردن انرژي کافي براي روشنايي، پخت و پز، گرماي خانگي و صنعتي و فرايندهاي صنعتي بکار مي رود.

تاريخچه

اگرچه که الکتريسته به عنوان نتيجه واکنش شيميايي اي که در يک پيل الکتروليک از زماني که الساندرو ولتا در سال1800م اين آزمايش را انجام داد، شناخته مي شده است، اما توليد آن به اين روش گران بوده و هست. در سال 1831م، ميشل فارادي ماشيني ابداع کرد که از حرکت چرخشي توليد الکتريسته مي کرد، اما حدود پنجاه سال طول کشيد تا اين فن آوري از نظر اقتصادي مقرون به صرفه شود. در سال 1878م، توماس اديسون جايگزين عملي تجاري اي را براي روشنايي هاي گازي و سيستم هاي حرارتي ايجاد کرد و به فروش رساند که از الکتريسته جريان مستقيمي استفاده مي کرد که بطور منطقه اي توليد و توزيع شده بود، استفاده مي کرد. در سيستم جريان مستقيم اديسون، ايستگاه هاي توليد توان اضافي مي بايست نصب مي شدند. بدليل اينکه اديسون قادر نبود سيستمي را توليد کند که به ژنراتورهاي چندگانه اجازه بدهد که به يکديگر متصل شوند، گسترش سيستم او نياز داشت که تمامي ايستگاه هاي توليد جديد مورد نياز ساخته شوند.
نياز به نيروگاه هاي اضافي ابتدا توسط قانون اهم بيان شده است: بدليل اينکه تلفات با مربع جريان يا بار و با خود مقاومت متناسب است، بکار بردن کابل هاي طولاني در سيستم اديسون به مفهوم داشتن ولتاژهاي خطرناک در برخي نقاط يا کابل هاي بزرگ و گران قيمت و يا هر دوي اينها بود.
نيکولا تسلا که مدت کوتاهي براي اديسون کار مي کرد و تئوري الکتريسته را بگونه اي درک کرده بود که اديسون درک نکرده بود، سيستم جايگزيني را ابداع کرد که از جريان متناوب استفاده مي کرد. تسلا بيان داشت که دو برابر کردن ولتاژ جريان را نصف مي کند و منجر به کاهش تلفات به ميزان 4/3 مي شود و تنها يک سيستم جريان متناوب اجازه انتقال بين سطوح ولتاژ را در قسمت هاي مختلف آن سيستم ممکن مي سازد. او به توسعه و تکميل تئوري کلي سيستم اش ادامه داد و جايگزين تئوري و عملي اي را براي تمامي ابزارهاي جريان مستقيم آن زمان ابداع کرد و ايده هاي بديعش را در سال 1887م در 30 حق انحصاري اختراع به ثبت رساند.
در سال 1888م کار تسلا مورد توجه جرج وستينگهاوس که حق انحصاري اختراع يک ترانسفورماتور را در اختيار داشت و يک کارخانه روشنايي را از سال 1886م در گريت بارينگتون، ماساچوست راه اندازي کرده بود، قرار گرفت. اگرچه که سيستم وستينگهاوس مي توانست از روشنايي هاي اديسون استفاده کند و داراي گرم کننده نيز بود، اما اين سيستم داراي موتور نبود. توسط تسلا و اختراع ثبت شده اش، وستينگهاوس يک سيستم قدرت براي يک معدن طلا در تلوريد، کلورادو در سال 1891 ساخت که داراي يک ژنراتور آبي 100 اسب بخار(75 کيلو وات) بود که يک موتور 100 اسب بخار (75 کيلو وات) را در آنسوي خط انتقالي به فاصله 5/2 مايل (4 کيلومتر) تغذيه مي کرد. سپس در يک قرارداد با جنرال الکتريک که اديسون مجبور به فروش آن شده بود، شرکت وستينگهاوس اقدام به ساخت يک نيرگاه در نياگارا فالس کرد که داراي سه ژنراتور تسلاي 5000 اسب بخار بود که الکتريسته را به يک کوره ذوب آلومينيوم در نياگارا ، نيويورک و به شهر بوفالو، نيويورک به فاصله 22 مايل (35 کيلومتر) انتقال مي داد. نيروگاه نياگارا در 20 آوريل 1895م شروع به کار کرد.

انرژي الکتريکي در حال حاضر

امروزه سيستم انرژي الکتريکي جريان متناوب تسلا کماکان مهمترين ابزار ارايه انرژي الکتريکي به مصرف کنندگان در سراسر جهان است. با وجود جريان مستقيم ولتاژ بالا (HVDC) براي ارسال مقادير عظيم الکتريسته در طول فواصل بلند بکار مي رود، اما قسمت اعظم توليد الکتريسته، انتقال توان الکتريکي، توزيع الکتريسته و داد و ستد الکتريسته با استفاده از جريان متناوب محقق مي شود.
در بسياري از کشورها شرکت هاي توان الکتريکي کليه زيرساخت ها را از نيروگاه ها تا زيرساخت هاي انتقال و توزيع در اختيار دارند. به همين علت، توان الکتريکي به عنوان يک حق انحصاري طبيعي در نظر گرفته مي شود. صنعت عموماْ به شدت با کنترل قيمت ها کنترل مي شود و معمولا مالکيت و عملکرد آن در دست دولت است. در برخي کشورها بازارهاي الکتريسته وسيع با توليد کننده ها و فروشندگان الکتريسته، الکتريسته را مانند پول نقد و سهام معامله مي کنند.

ولتاژ

آيا يک منبع که ولتاژش بيشتر باشد برق بيشتري توليد مي‌کند يا منبعي که جريانش بيشتر باشد؟ هرگاه يک اتم الکترنهايش را از دست دهد بار منفي آن کم مي‌شود و به اصطلاح بطور مثبت باردار شده است، بين بار مثبت و منفي نيروي جاذبه وجود دارد و نيروي جاذبه يک عدد الکترون با نيروي جاذبه يک عدد پروتون برابر است. به همين جهت است که در اتم هر پروتون براي خود يک الکترون اختيار مي‌کند تا اينکه بار الکتريکي اتم خنثي شود. در حالت عادي تمام اتمهاي يک سيم از نظر بار الکتريکي خنثي هستند، وقتي ما توسط نيروي خارجي الکترونهاي اتمهاي سيم را جدا مي‌کنيم و آنها را به يک سمت هدايت مي‌کنيم آن طرف سيم که الکترونها به آنجا هدايت شده‌اند داراي زيادي الکترون است، پس بارش منفي مي‌شود و طرف ديگر که کمبود الکترون دارد بارش مثبت مي‌شود.
در نتيجه بين دو سر سيم يک اختلاف بوجود مي‌آيد اين اختلاف بصورت انرژي پتانسيل در دو سر سيم ذخيره مي‌شود تا زماني که راهي براي خنثي شدنش پيدا کند. پس در اين حالت هيچگونه جرياني در سيم و جود ندارد و فقط يک انرژي پتانسيل دو سر سيم ذخيره شده است که به اين نيروي پتانسيل ولتاژ الکتريکي گويند. حال چنانچه نيروي خارجي قطع شود الکترونها به سرعت به جاي قبلي خود برمي‌گردند و در يک لحظه چريان برقرار مي‌شود.
پس تا زماني که نيروي خارجي وجود دارد نمي‌گذارد که الکترونها از مسير همان سيم به جاي خود برگردند، پس بايد راه ديگري پيدا کنند. براي همين اگر توسط يک سيم ديگر که ميدان خارجي آن را تحت تأثير خود قرار نداده باشد دو سر سيم قبلي را به هم وصل کنيم الکترونها راهي براي حرکت به سمت مکان کمبود الکترون پيدا مي‌کنند در نتيجه جريان در سيم برقرار مي‌شود. پس نتيجه گرفتيم که در يک مدار الکتريکي کار اصلي را جريان انجام مي‌دهد و ولتاژ فقط يک نيروي ذخيره شده است که باعث به حرکت در آوردن الکترونها مي‌شود. حال براي بهتر متوجه شدن اينکه ولتاژ چگونه باعث به حرکت در آوردن الکترونها (برقراري جريان) مي‌شود، به مثال زير دقت کنيد:
فرض کنيد دو ليوان داريم که يکي پر و ديگري نصفه است. ليوانها را در کنار هم قرار داده ، مي‌دانيم که بين اين دو ليوان اختلاف مقدار آب وجود دارد. همانگونه که بين دو سر سيم اختلاف مقدار الکترون وجود داشت اگر اين ليوانها چندين ساعت هم در کنار هم قرار بگيرند هيچ اتفاقي نمي‌افتد، اما چنانچه توسط يک لوله ته دو ليوان را به هم وصل کنيم آب از طرف ليوان پر تر به سمت ليوان نصفه حرکت مي‌کند تا زمانيکه سطح آب درون دو ليوان به يک اندازه شود. پس در اينجا اختلاف آب است که باعث حرکت مي‌شود و در آنجا اختلاف الکترون (اختلاف پتانسيل) که اين اختلاف پتانسيل خود داراي مقدار است که به آن مقدار ولتاژ مي‌گويند.

پتانسيل الکتريکي

انرژي لازم (يا کار لازم) براي انتقال واحد بار الکتريکي از بي‌نهايت به جسم يا نقطه مورد نظر ، واحد پتانسيل الکتريکي در دستگاه SI ولت است و نيز اختلاف پتانسيل الکتريکي دو نقطه از مدار الکتريکي وقتي از پتانسيل بيشتر به سمت پتانسيل کم بوديم. ميدان الکتريکي را به دو راه مي‌توان تعريف کرد: از راه بردار ميدان الکتريکي ? و از راه کميت نرده‌اي پتانيسل الکتريکي (V(p (پتانسيل نقطه p) و هرگاه کار لازم براي بردن يک کولن بار الکتريکي از نقطه‌اي به نقطه‌اي ديگر برابر 1J باشد. اختلاف پتانسيل ميان دو نقطه برابر 1V خواهد بود.

اختلاف پتانسيل الکتريکي

اختلاف پتانسيل الکتريکي، (VB - VA) ميان دو نقطه B و A در يک ميدان الکتريکي برابر است با کار مکانيکي VAB، لازم براي جابجا کردن بار آزمودن مثبت q0 از A تا B تقسيم بر مقدار بار الکتريکي آزمون (q0) مي‌باشد. نقطه A را به عنوان مرجع استاندارد انتخاب مي‌کنيم، اين نقطه معمولا در بي‌نهايت دور يا روي زمين انتخاب مي‌شود که در آنجا پتانسيل الکتريکي صفر است. بنابراين ، پتانسيل الکترکي (V(p در نقطه (P(X,Y,S را مي‌توان چنين تعريف کرد:
V(P) = U(P)/q0
که در آن (V(P کار لازم براي انتقال دادن بار آزمون q0 از نقطه مرجع به نقطه (P(X,Y,S است. اين کار برابر است با منفي کاري که ميدان الکتريکي روي بار آزمون انجام مي‌دهد.

ماهيت پتانسيل الکتريکي

همانطور که جسم به هنگام حرکت در خلاف جهت نيروي گرانشي انرژِي پتانسيل کسب مي‌کند. ذره باردار هم هنگام حرکت در خلاف جهت نيروي حاصل از ميدان الکتريکي داراي انرژِي پتانسيل مي‌شود. چون نيروي الکتريکي بر خلاف نيروي گرانشي ، مي‌تواند هم به صورت جاذبه و هم به صورت دافعه باشد. جهت افزايش پتانسيل به علامت بار الکتريکي ذره و نيز به جهت ميدان الکتريکي بستگي دارد. جهت ميدان الکتريکي از طرف ذره با بار مثبت به طرف ذره با بار منفي (يا به طرف بي‌نهايت) است. براي جابجا کردن ذره با بار منفي در جهت ميدان الکتريکي بايد کار انجام گيرد. زيرا اين ذره به طرف چشمه مولد ميدان الکتريکي جذب مي‌شود و اين درست مانند جسمي است که از حال سکون رها مي‌شود و بر اثر گراني به طرف زمين کشيده مي‌شود.
براي به حرکت در آوردن ذره‌اي با بار مثبت در خلاف جهت ميدان الکتريکي (نيز به طرف چشمه مثبت) نيز بايد کار انجام داد. ذره مثبت خود به خود در جهت ميدان الکتريکي حرکت مي‌کند، در نتيجه انرژي پتانسيل آن به انرژي جنبشي تبديل مي‌شود. در اين حالت ميدان الکتريکي روي ذره کار مثبت انجام مي‌دهد). چون کميت ميدان الکتريکي با استفاده از آثارش روي ذره مثبت تعريف مي‌شود، پتانسيل الکتريکي در جهت ميدان الکتريي کاهش مي‌يابد.

کاربرد پتانسيل الکتريکي در ميدان الکتريکي

چون در حالتي که نيرو و جابجايي هم جهت هستند کار برابر با حاصل ضرب نيرو در جابجايي است. به کار انجام شده روي واحد بار الکتريکي وقتي که بر مسافت پيموده شده تقسيم مي‌شود، حاصل آن با نيروي وارد شده بر واحد الکتريکي برابر مي‌شود. پتانسيل الکتريکي به تغيير انرژي هر واحد بار است و برابر مي‌شود با کار روي واحد بار با علامت منفي ، چون بنا به تعريف &&20:شدت ميدان الکتريي برابر با نيروي وارد شده بر واحد بار است&&. نسبت تغيير پتانسيل الکتريکي به مسافت پيموده شده برابر مي‌شود با V/?d?- که با ميدان الکتريکي E برابر است. کاسته شدن پتانسيل در جهت ميدان الکتريکي ، استفاده از علامت منفي را الزامي مي‌کند.
اين رابطه دقيق فقط براي ميدانهاي الکتريي ثابت صادق است. هنگامي که ميدان الکتريکي به فاصله بستگي داشته باشد. حد تغييرات در فاصله‌هاي بسيار کوچک را بايد در نظر گرفت. در نتيجه ، براي محاسبه ميدان الکتريکي بر حسب پتانسيل بايد از مشتق جزئي به صورت زير استفاده کرد:
Ex = -5V(P)/5X
Ey = -5V(p)/5y
Ez = -5V(p)/5s
بطور کلي ، چون پتانسيل کميتي نرده‌اي است، بهتر است ابتدا پتانسيل الکتريکي را پيدا کنيم و آنگاه ميدان الکتريکي را از پتانسيل بدست آورديم. چون پتانسيل الکتريکي بردار نيست، نسبت به بردار ميدان الکتريکي E اطلاعات کمتر دارد.

سطوح هم پتانسيل

انرژي پتانسيل گرانشي جسمي که روي سطح ميزي افقي حرکت مي‌کند، نه کاهش پيدا مي‌کند و نه افزايش مي‌يابد. چنين سطحهايي براي انرژي پتانسيل الکتريکي هم وجود دارند که آنها را سطحهاي هم پتانسيل مي‌نامند. در سطح هم پتانسيل انرژِي پتانسيل الکتريکي تغيير نمي‌کند. در نتيجه براي حرکت ذره بار دار در اين سطح نيازي به انجام کار نيست. سطح هم پتانسيل ، يک سطح فيزيکي نيست بلکه توصيفي رياضي است.
چون پتانسيل الکتريکي در جهت ميدان الکتريکي کاهش پيدا مي‌کند، خطها يا سطحهاي هم پتانسيل بايد در هر نقطه بر ميدان عمود باشند. از آنجا که در حالت تعادل الکتروستاتيکي ، ميدان الکتريکي در هر نقطه بر سطح رسانا عمود است. پس سطح رسانا هميشه يک سطح هم پتانسيل است. اگر چنين نباشد، بارهاي الکتريکي در روي سطح رسانا آن قدر حرکت مي‌کنند تا هيچ نيرويي بر آنها وارد نشود و باز هم يک سطح هم پتانسيل بدست مي‌آيد. هنگامي که جسمي به زمين وصل مي‌شود، به صورت سطح هم پتانسيلي در مي‌آيد، که پتانسيل الکتريکي آن برابر صفر است.
منابع :
انرژي http://daneshnameh.roshd.ir
انرژي خورشيدي http://www.ifco.ir
انرژي باد، انرژي حاصل از هواي متحرك http://www.hupaa.com
تاريخچه انرژي هسته اي http://www.askquran.ir
انرژي چيست ؟ http://funblog.vatanblog.com
انرژي جنبشي http://daneshnameh.roshd.ir
آشنايي با عبارات و اصطلاحات هسته اي و انرژي اتمي http://aftab.ir
/خ