انرژی ، اینجا ، اونجا ، همه جا

مقدمه

از زمانی که انسانهای اولیه شروع به استفاده از انرژی کرده‌اند تا حال ، انرژی به انرژیهای قدیمی و انرژیهای نو تقسیم بندی می‌شود.
• انرژیهای قدیمی شامل: چوب ، زغال سنگ ، انرژی باد (برای کشتیهای بادی) ، نفت و ... می‌باشند.
• انرژیهای نو شامل: انرژی خورشید ، باد (برای ماشینهای بادی امروزی) ، هیدروژن ، اتم ، انرژی هسته‌ای و ... هستند.
این روزها همه صحبت از صرفه جویی در مصرف انرژی است و دانشمندان بیشترین تلاش خود را صرف پیدا کردن راههایی برای بدست آوردن انرژی بیشتر و ارزانتر می‌کنند و از باد ، خورشید ، جزر و مد دریاها و انرژی موجود در اتمها نیز مدد می‌جویند. اما جالب است بدانید که همین دانشمندان هم به سختی می‌توانند، تعریف دقیقی از انرژی ارائه کنند.
در حقیقت اگر انرژی را به صورت "کار ذخیره شده" یا "توانایی انجام کار" تعریف کنیم، توانسته‌ایم تا حدود زیادی تعریفی از انرژی ارائه نمائیم. هر چند که این تعریف چندان جامع و کامل نیست. در حقیقت وجود ما و دنیای اطراف ما بدون وجود انرژی و حتی تبدیل آن به صورتهای گوناگون امری محال است. لذا انرژی نه از بین می‌رود ونه به وجود می‌آید!
در تعریف انرژی می‌توانیم بگوییم که: انرژی توانایی انجام کار است. یعنی تمامی موجودات برای انجام کار باید غذا مصرف کنند تا این غذا بصورت انرژی در ماهیچه‌های آنها ذخیره شود که در موقع لازم بتوانند از آن استفاده کنند. با پیشرفت و انقلاب تکنولوژیک تمامی دستگاهها و ماشینها به نوعی از انرژیهای مختلف استفاده می‌کنند. مثلا ماشین بنزین مصرف نکند برای ما نمی‌تواند کار انجام دهد یا یخچال انرژی الکتریکی مصرف نکند، نمی‌تواند عمل سرمایشی انجام دهد.
در حقیقت انرژی همواره از صورتی به صورت دیگر تبدیل می‌شود و همین امر کارها را به سرانجام می‌رساند. برای نمونه انرژی موجود در دریاچه‌های پشت سدها ، انرژی ارتفاعی است. خودورهای در حال حرکت ، مثل بسیاری از اشیا متحرک دیگر ، دارای انرژی حرکتی هستند. در کمان تیراندازی انرژی کششی نهفته است و در ابرهای باران زا نیز می‌توانیم انرژی الکتریکی را بیابیم. اما این انرژی کار آمد و مهم را چگونه اندازه گیری می‌کنند!؟

موقعیت جهانی انرژی

• سرنوشت انسانها بر این روال است که در مقابل خطر متحد می‌شوند. ولی بر عکس در مورد مراکز هسته‌ای عقاید بسیار متفاوت است. زیرا بعضی از ملتها از دیگری می‌ترسند. در چنین شرایطی ، قانون طبیعی اتحاد به علت استفاده نادرست توسط قانون دیگر طبیعت به نام عدم اعتماد جایگزین می‌شود.
• بخشی از مردم به انرژی توجه بیشتری دارند و تنها راه حل را در افزایش مصرف انرژی الکتریکی که از انرژی اتمی تولید می‌شود، می‌دانند و تصور می‌کنند که افزایش تکنیک ، سبب کاهش خطر به میزان قابل توجه برای همه خواهد بود. آنان در اتم ، در ادامه آنچه که در شیمی ، در هواپیمایی ، در پزشکی و در تحقیقات فضایی انجام یافته ، پیشرفت حتمی را می‌بینند.
• بعضی دیگر از انرژی اتمی بیمناک هستند آنها بمب اتمی را بخاطر می‌آورند که به توسط مواد رادیواکتیو تشعشعات هسته‌ای نامرئی را بوجود می‌آورند، که برای محیط زیست بسیار زیان بار است.
• طرفداران استفاده از انرژیهای غیر هسته‌ای ، اجتماع طبیعت و علم را جویا هستند تا روشهای دیگری را برای تولید انرژی و برای انرژی گیری بوجود می‌آورند.

اندازه گیری انرژی

بدون تردید اندازه گیری انرژی با توجه به اهمیت زیاد آن ، باید بسیار دقیق باشد، آن هم با ارزش روز افزون انرژی ، که دنیا را دگرگون ساخته است. برای اندازه گیری انرژی واحدهایی وجود دارند که معروفترین آنها "کیلو وات - ساعت" (KWh) است. میزان مصرف برق هر وسیله برقی خانگی را با همین واحد اندازه گیری می‌کنند.

منابع انرژی

ما برای تأمین انرژی مورد نیاز خود سه گروه انرژی را در اختیار داریم. گروه اول مواد سوختی سنگواره‌ای ، از قبیل زغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی هستند که بازمانده گیاهان وجانورانی می‌باشند که میلیونها سال قبل می‌زیسته‌اند. جالب اینکه ، این منابع بسیار مهم انرژی ، که می‌توان از آنها دارو و بسیاری از مواد مصنوعی ارزشمند دیگر را تهیه کرد، در حجم وسیعی سوزانده می‌شوند.
گروه دوم منابع انرژی تجدید شدنی است. مانند خورشید ، باد ، جزر و مد ، نیروی آب و گرمای محیط ، که بدون دخالت انسان خود به خود تجدید می‌شوند و به محیط زیست نیز صدمه نمی‌زنند. متأسفانه استفاده چندانی از اینگونه انرژیها به عمل نمی‌آید. گروه سوم نیز "مواد سوختنی هسته‌ای" مانند "اورانیوم" و "پلوتونیوم" هستند که انرژی عظیم و شگفت آوری را برای ما به ارمغان می‌آورند و این انرژی از هسته اتم به عمل می‌آید. جالب است بدانید که از سوختن یک کیلوگرم زغال سنگ تقریبا هشت کیلو وات ساعت حرارت بدست می‌آید، در صورتی که از یک کیلوگرم اورانیم 23000000 کیلو وات ساعت حرارت حاصل می‌شود. البته این انرژی در صورت استفاده نادرست خطرات غیر قابل باوری را به همراه می‌آورد.
انرژی را به صورت دیگر نیز دسته بندی می‌کنند. برای نمونه آن را به دو دسته انرژی اولیه و ثانویه تقسیم بندی می‌کنند. "انرژی اولیه" انرژی بدست آمده از موادی است که بطور طبیعی وجود دارند، که از جمله می‌توان از نفت خام ، گاز و زغال سنگ نام برد. در حالی که "انرژی ثانویه" آن دسته از انرژیهایی هستند که از ناقلان انرژی اولیه بدست می‌آیند. مانند جریان الکتریکی ، بنزین و مواد سوختنی گرمازا. متأسفانه ، هنوز علم انسان آنقدر پیشرفت نکرده است که از قسمت اعظم انرژی استفاده کند، زیرا تنها قسمت بسیار کوچکی از آن بصورت مفید به مصرف می‌رسد که از این مقدار کم ، بیشترین سهم به مصرف در لوازم خانگی اختصاص دارد و صنایع در ردیف دوم قرار دارند و وسایل نقلیه عمومی در ردیف کم مصرف‌ترین وسایل قرار دارند.

چشم انداز

نیاز جهانی به انرژی اولیه در حال حاضر حدود 12 میلیارد تن SKE (واحد زغال سنگ) در سال است و مسلما این مقدار انرژی مورد نیاز ، پیوسته بیشتر و بیشتر هم خواهد شد و این در حالی است که اگر انسانها با صرفه جویی زیاد هم انرژی را مصرف کنند، تا یکصد سال دیگر موادی مثل نفت خام و گاز پایان می‌رسند و زغال سنگ نیز حداکثر تا دو قرن دیگر پاسخگوی بخشی از نیاز شدید انسان به انرژی خواهد بود. ذخایر اورانیوم قابل استخراج زمین نیز توانایی تولید 153 میلیارد تن SKE انرژی را دارند.
این مقدار در نگاه نخست ناچیز به نظر می‌رسد، ولی با توجه به دستیابی انسان به فن‌آوریهای جدید می‌تواند چندین قرن مسأله انرژی را حل کند، اما برای آینده دور ناچیز است! به هر حال احتمال یافتن انرژیهای نو در قرنهای آینده هم غیر ممکن نیست و می‌توان آن را بدست آورد، مشروط بر اینکه آلودگی ناشی از مصرف انرژی طبق روند کنونی پیش نرود و محیط زیست انسان و سایر جانداران را به مخاطره نیندازد.
در حقیقت ما به اندازه مواد موجود انرژی داریم. سنگ ، ساعت و انسان همه یک وجه اشتراک دارند که همان جرم آنهاست که وزن مخصوص است. هر چیزی که جرم دارد ماده است. البته ناقلان انرژی بدون جرم نیز وجود دارند. برای نمونه امواج نوری جزو این دسته هستند. تا آغاز قرن کنونی چنین فرض می‌شد که جرم و انرژی دو چیز متفاوت هستند و هرگز به یکدیگر تبدیل نمی‌شوند. اما در اوایل قرن حاضر "آلبرت انیشتین" ثابت کرد که ماده فقط یکی از شکلهای متعدد قابل تصور انرژی است. او با فرمول معروف خود E = mc2 که رابطه بین سرعت ، جرم و انرژی را بیان می‌کند، سخن از تبدیل ماده به انرژی را به میان آورد و دنیای علم را دگرگون ساخت و واکنشگرهای (رآکتورها) اتمی را برای بشر به ارمغان آورد.
هر چند که همچون همیشه ، بمبهای اتمی و در پی آنها بمبهای هیدروژنی نیز روانه بازار پر رونق سلاحهای جنگی مخوف شدند و در اولین قدم شهر هیروشیمای ژاپن را به تلی از خاک بدل کردند. به هر حال مطالعات و تحقیقات دانشمندان در مورد دستیابی به انواع ساده‌تر و ارزانتر انرژی در هر دو جهت مثبت و منفی کاربردهای فراوانی داشته است و در این میان شاید سهم ما بیشتر از هر چیزی درک آن حقیقت مهم و اساسی باشد که مصرف انرژی توسط فرد فرد ما می‌تواند مشخص کننده (کاهش یا افزایش) سرعت حرکت کشور در مسیر توسعه باشد.

قانون بقای انرژی

اگر علاوهبر نیروهای پایستار و اصطکاک ، نیروهای ناپایستارو غیر اصطکاکی را نیز درنظر بگیریم، بر اساسقضیه کار و انرژی، مجموع کار انجام شدهتوسط تمام این نیروها با تغییراتانرژی جنبشی برابر است. اگر کار انجام شده توسط نیروهای پایستار بر روی ذره را باو کارانجام شدهتوسط نیروی اصطکاک را باو کل کار انجامشده توسط نیروهای ناپایستار غیر اصطکاکی را بانشان دهیم، قضیهکار انرژی به صورت زیر بیان خواهد شد:
 
دررابطه فوقتغییر انرژی جنبشی است. از طرف دیگر ، می‌دانیم که هر نیروی پایستار را می‌توان بهیک انرژی پتانسیل و هر نیروی اصطکاک را بهانرژی داخلیوابسته کرد. بنابراین اگر علاوهبر موارد گفته شده صورتهای دیگر انرژی را نیز درنظر بگیریم، خواهیم داشت:
 
عبارتفوق که در آنتغییرات انرژیجنبشی وتغییرات انرژی پتانسیل وانرژی داخلیسیستم است،قانون بقای انرژینامیده می‌شود.

قانون بقای انرژی در واقع از تجربیات ماست و مشاهدات ما از طبیعت آن را نقض نکرده است. بر این اساس قانون بقای انرژی را اصل پایستگی انرژی نیز می‌گویند. در طول تاریخ علم فیزیک بارها درستی قانون بقای انرژی مورد سوال قرار گرفته است، اما همین تردیدها خود به محرکی برای کشف دلایل قانون بقای انرژی تبدیل شده‌اند. در این پژوهشها ، دانشمندان در پی یافتن پدیده‌هایی غیر از حرکت بوده‌اند، پدیده‌هایی که همراه با نیروهای برهمکنش میان اجسام ظاهر می‌شوند و البته این نوع پدیده‌ها همواره وجود دارند.
در برهمکنش‌های دیگر ، انرژی ممکن است به صورت نور ، الکتریسیته و مانند آن تولید شود. بنابراین علاوه بر انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل اجسامی که به صورت مستقیم قابل مشاهده هستند، صورتهای دیگر انرژی نیز وجود دارد و در واقع ، قانون بقا انرژی بیانگر پایستگی انواع مختلف انرژی است که علاوه بر مکانیک در شاخه‌های دیگر علم فیزیک نیز بکار می‌رود.

ارتباط پایستگی انرژی با پایستگی انرژی مکانیکی

هر چند اصل پایستگی انرژی جنبشی بعلاوه انرژی پتانسیل (انرژی مکانیکی) غالبا مفید است، اما این اصل در واقع حالت محدودی از اصل کلی بقای انرژی است. انرژی‌های جنبشی و پتانسیل تنها هنگامی بقا خواهند داشت که نیروهای پایستار عمل می‌کنند، در صورتی که انرژی کل همیشه بقا دارد.

بقا انرژی در نسبیت

با ظهور نسبیت انیشتین ، در قوانین بقای فیزیک کلاسیک تجدید نظر کلی حاصل شد. به عنوان مثال ، قانون بقای اندازه حرکت خطی و قانون مطلق بودن فضا در فیزیک کلاسیک به هم خورده و به جای آن کمیتی تعریف شد که برابر مجموع مربع اندازه حرکت خطی و مربع فاصله است و همواره پایسته می‌ماند.
قانون بقای انرژی نیز از این قاعده کلی مستثنی نبوده، بلکه قانون جدیدی به نام پایستگی جرم بوجود آمد. بر اساس این قانون ، جرم به انرژی و بر عکس انرژی به جرم تبدیل می‌شود. البته تمام این موارد در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور صورت می‌گیرد و در سرعت‌های پائین قوانین بقای فیزیک کلاسیک به قوت خود باقی است.

قوانین نیرو

وقتی چکشی را به میخ می‌کوبیم تا میخ در دیوار فرو رود، چکش به هنگام تماس با میخ بر آن اثر می‌کند و نتیجه این اثر فرو رفتن میخ در دیوار است هنگامی که چوبی را با اره می‌بریم اره در محل تماس با چوب بر ذرات آن اثر می‌کند و ذرات چوب را از هم جدا می‌کند هنگام لگد زدن به توپ فوتبال ، بازیکن در تماس با توپ بر آن اثر می‌کند و در نتیجه این اثر ، توپ به سویی پرتاب می‌شود. وقتی یک شانه پلاستیکی را به موهای خود مالش می‌دهیم و به خرده‌های کاغذ نزدیک می‌کنیم شانه پلاستیکی بر خورده‌های کاغذ اثر می‌کند و آنها را به طرف خود جذب می‌کند، هر گاه یک آهنربا را به براده‌های آهن نزدیک کنیم آهنربا بر براده‌های آهن اثر می‌کند و آنها را به طرف خود جذب می‌کند.
در فیزیک این گونه اثرها را به نیرویی که جسم به جسم دیگر وارد می‌کند نسبت می‌دهند. به این ترتیب چکش برای فرو بردن میخ در دیوار بر آن نیرو وارد می‌کند یا بازیکن برای لگد زدن با پای خود به توپ فوتبال نیرو وارد می‌کند، یک آهنربا از راه دور به براده‌های آهن نیرو وارد می‌کند. زمین از فاصله دور بر ماه اثر می‌کند و باعث گردش ماه به دور زمین می‌شود، لذا بعضی از نیروها بطور مستقیم بین دو جسم وارد می‌شود و برخی از نیروها بطور غیر مستقیم و از فاصله دور بین دو جسم وارد می‌شود.

سیر تحولی و رشد

بررسی حرکت اجسام و یافتن عامل آن از قرنها پیش ذهن بشر را به خود مشغول کرده بود، بطوری که توضیح ارسطویی حرگت که با بسیاری از مشاهدات مبتنی بر حس سازگار بود برای مدت بیست قرن مورد پذیرش عام بود.
ارسطو معتقد بود هر جسم حتی برای ادامه حرکت یکنواخت نیاز به نیرو دارد این تصور از برداشت غیر مو شکافانه حرکت اجسام در زندگی روزمره ناشی می‌شود، زیرا به تجربه ثابت شده بود که اگر از هل دادن صندوقی که روی سطح افقی و با سرعت ثابت حرکت می‌کند دست بردارند، یعنی به آن نیرو وارد نکنند صندوق از حرکت باز می‌ایستد.
گالیله با انجام آزمایش و پس از آن با تعمیم ذهنی نتیجه‌های آزمایش نخستین کسی بود که در برداشت ارسطو از علل حرکت تردید کرد و بی‌نیازی حرکت یکنواخت اجسام به نیرو را ارائه کرد. نیوتن که در سال مرگ گالیله به دنیا آمد با بهره گیری از هوش سرشار خود بررسیهای دقیقی درباره حرکت انجام داد و با تدوین قانونهای حرکت که به نام خود او نام گذاری شده بود توانست قدم بزرگی بردارد.

قانون اول نیوتن

اگر بر جسمی هیچ نیرویی وارد نشود آن جسم به حرکت یکنواخت خود در راستای خط مستقیم ادامه می‌دهد، اگر جسم در ابتدا ساکن باشد در حالت سکون باقی می‌ماند. یکی از وسایلی که در آزمایشگاه با آن می‌توان شرایطی را فراهم کرد تا در راستای افقی تقریبا نیرویی بر جسم وارد نشود ریل هواست روی دو وجه یک محفظه توخالی تعداد زیادی سوراخ ریز وجود دارد بطوری که هوا به سرعت وارد محفظه شده و از تمام سوراخها خارج می‌شود. هر گاه ضربه خفیفی به جسم روی ریل وارد کنیم شروع به حرکت با سرعت یکنواخت می‌کند.
قانون اول نشان می‌دهد که هر جسم وضعیت خود را تغییر نمی‌دهد مگر آنکه توسط یک عامل خارجی مجبور به اینکار شود. این ویژگی ماده را لختی می‌نامند.
• قانون اول تفاوتی بین جسم ساکن و جسمی که با سرعت ثابت حرکت می‌کند قائل نمی‌شود.

قانون دوم نیوتن

این قانون رابطه شتاب جسم را با نیرویی که به آن وارد می‌شود به صورت زیر بیان می‌کند:
شتاب جسمی به جرم m که نیروی F بر آن وارد می‌شود هم جهت و متناسب با نیروی وارد برآن است و با جرم جسم نسبت وارون دارد a = F/m در این رابطه F برآیند همه نیروهایی است که به دلیل برهمکنش اجسام دیگر با جسم مورد نظر روی جسم وارد می‌شود، a شتاب و m جرم جسم است.

قانون سوم نیوتن

اگر جسم (1) بر جسم (2) نیرو وارد کند ، جسم (2) نیز متقابلا بر جسم (1) نیرو خواهد کرد، اگر نیرویی را که جسم (2) بر جسم (1) وارد می‌کند F21 و نیرویی را که جسم (1) بر جسم (2) وارد می‌کند F12 بنامیم این دو نیرو هم اندازه ، هم راستا و در سوی مخالف یکدیگرند یعنی F21 = -F21.
• اگر یکی از دو نیرو را کنش بنامیم نیروی دیگر واکنش نامیده می‌شود.
• مفهوم اساسی در قانون سوم نیوتن که باید حتما به آن توجه شود این است که قطعا نیروی تک در طبیعت وجود ندارد. یعنی نیروهای موجود در طبیعت همواره به صورت دوتایی هستند.
سه قانون مطرح شده در بالا فقط قسمتی از برنامه مکانیک کلاسیک است باید به روشهایی برای محاسبه نیروی وارد بر یک جسم معین بر حسب خواص آن دست یابیم، لذا توابع مختلفی از نوع زیر را باید مشخص کنیم: تابعی از خواص ذره و محیط آن = F و معادله‌ای بدست بیاوریم که بوسیله آن شتاب ذره را برحسب خواص آن و محیطش محاسبه کنیم، زیرا به وضوح می‌بینیم که نیرو شتاب ذره را ، از یک طرف با خواص آن و از طرف دیگر با محیطش مربوط می‌کند. تعداد محیطهای ممکن برای ذره شتابدار زیاد است، در زیر به چند مورد از آنها اشاره شده:

نیروی فنری

جسمی که بوسیله فنر روی یک سطح ناهموار افقی به جلو رانده می‌شود، نیروی فنری به صورت F = -Kx بر آن اثر می‌کند که در آن x افزایش طول فنر و K ثابتی است وابسته به فنر. به علت ناهموار بودن سطح ، نیروی اصطکاک به صورت F = µmg که در آن µ ضریب اصطکاک و mg وزن جسم است بر جسم وارد می‌شود.

نیروی وزن

بر توپی که در هوا در حال حرکت است نیروی F = mg به نام نیروی وزن به سمت پایین وارد می‌شود.

قانون جهانی گرانش

بر ماهواره‌ای که در فاصله r از مرکز زمین در حال حرکت است، نیروی گرانشی معادل F = GmM/r² وارد شود که G ثابت جهانی گرانش ، m جرم ماهواره ، M جرم زمین است و جهت نیروی F به طرف مرکز زمین است.

قانون الکترواستاتیک کولن

بر الکترودی که در مجاورت کره‌ای با بار مثبت حرکت می‌کند نیروی (F=(1/4πε0)( eQ/r² وارد می شود که ε0 یک ضریب ثابت ، e بار الکترون و Q بار روی کره و r فاصله الکترون تا مرکز کره است.

قوانین اصطکاک

نیروی اصطکاک میان سطوح ساکن نسبت به یکدیگر نیروی اصطکاک ایستایی می‌گویند و از رابطه fs = µsN تبعیت می‌کنند که در µs ضریب اصطکاک ایستایی و N نیروی عمودی شده از سطح تماس است. نیروی اصطکاک جنبشی fk میان سطوح خشک و لغزنده از همان قانون مربوط به اصطکاک ایستایی تبعیت می‌کند. fk = µkN که µk ضریب اصطکاک جنبشی و N نیروی عمودی وارد شده از سطح تماس به جسم است.

قانون اول نیوتن

بررسی حرکت اجسام و یافتن اینکه چگونه یک حرکت بوجود می‌آید ذهن بشر را برای قرنها به خود مشغول کرده بود، اما توفیق چندانی در این مورد بدست نیامده بود. نیوتن با بهره گیری از هوش سرشار و تلاش بسیار خود با تدوین قوانین حرکت که به نام خود او اسم گذاری شده است، توانست قدمهای بزرگی بردارد و بسیاری از مسائل حرکت را با موفقیت زیاد حل کند. پیش از گالیه تصور می‌شد که حتی برای ادامه حرکت یکنواخت اجسام باید به آنها نیرو وارد کرد.
این تصور از برداشت غیر مو شکافانه حرکت اجسام در زندگی روزمره ناشی می‌شد. به تجربه ثابت شده بود که اگر از هل دادن صندوقی که روی سطحی افقی با سرعت ثابت حرکت می‌کند دست بردارند، یعنی به آن نیرو وارد نکنند صندوق از حرکت باز می‌ایستد. گالیله با انجام آزمایش و پس از آن نیز با تعمیم ذهنی نتایج آزمایش ،‌ نخستین کسی بود که در این تصور عمومی تردید کرد. نیوتن که در سال مرگ گالیله به دنیا آمد بررسیهای دقیق درباره حرکت انجام داد و قوانین حرکت را استخراج کرد.

آزمایش

بنا به تعریف هیچ نیرویی نباید بر جسم اثر کند اما حداقل نیروی گرانش زمین بر جسم اثر خواهد کرد و نمی‌توان آنرا از میان برد. با استفاده از وسایل آزمایشگاهی مخصوص می‌توان شرایطی فراهم کرد که بجز در راستای قائم حداقل نیروی گرانش کره زمین بر جسم اثر می‌کند، در کلیه جهتهای افقی تقریبا نیرویی بر جسم اثر نکند در نتیجه به کمک این وسایل می‌توان قانون اول نیوتن را در جهت افقی با تجربه آزمود. یکی از وسایل تخت هواست، تخت هوا از محفظه‌ای به شکل مکعب مستطیل ساخته شده است که روی آن تعدادی سوراخ ریز وجود دارد. در هنگام آزمایش باید سطح آن کاملا افقی باشد هوا با سرعت وارد محفظه شده و از تمام سوراخها خارج می‌شود.
اگر مهره‌ای روی تخت هوا قرار دهیم لایه نازکی از هوا میان مهره و سطح تخت هوا تشکیل می‌شود و تماس نزدیک مهره با سطح تخت هوا از میان می‌رود. به این ترتیب اصطکاک میان مهره و سطح تخت هوا بسیار کوچک می‌شود. در نتیجه در کلیه جهتهای افقی تقریبا نیروی بر جسم وارد نمی‌شود، اگر به مهره سرعت کمی داده شود تا کناره تخت هوا در امتداد خط مستیقم و با همان سرعت پیش می‌رود و به این ترتیب قانون اول نیوتن در جهت افقی با آزمایش تأیید می‌شود. ملاحظه می‌شود که حرکت جسم در امتداد خط مستقیم و افقی با سرعت ثابت نیازی به نیرو ندارد.

قانون لختی

یک کشتی فضایی در فضای میان ستاره‌ها و با فاصله بسیار زیاد در آنها با هیچ چیزی برهمکنش ندارد. اگر این کشتی فضایی موتور خود را خاموش کند طبق قانون اول نیوتن در امتداد یک خط راست با سرعت ثابت حرکت می‌کند و مفهوم قانون لختی این است که اگر بر جسمی نیرو وارد نشود جسم مایل است وضعیت حرکت خود را حفظ کند. این خاصیت از اجسام که میل دارند وضعیت حرکت خود را در غیاب نیرو حفظ کنند لختی نامیده می‌شود. از اینرو قانون اول نیوتن قانون لختی نیز نامیده می‌شود و چارچوبهای مرجعی که این قانون در آنها بکار می‌رود چارچوبهای لخت نام دارند، این چارچوبها نسبت به ستاره‌های دور ثابت فرض می‌شوند.

نتایج قانون اول نیوتن

• در این قانون تفاوتی میان جسم ساکن و جسمی که با سرعت ثابت حرکت می کند وجود ندارد، هر دو حرکت در غیاب نیرو طبیعی‌اند، دلیل این امر وقتی روشن می‌شود که جسم ساکن در یک چارچوب مرجع لخت ، مرجع لخت دیگری که با سرعت ثابت نسبت به اولی حرکت می‌کند مشاهده کنیم. ناظری که در چارچوب اول قرار دارد جسم را در حال سکون می‌بینید و ناظر واقع در چارچوب دوم می‌بیند که همان جسم با سرعت یکنواخت در حال حرکت است. هر دو ناظر متوجه می‌شوند که جسم شتاب ندارد یعنی سرعت آن تغییر نمی‌کند و هر دو از قانون اول نتیجه می‌گیرند که هیچ نیرویی بر جسم وارد نمی‌شود.
• میان نبودن و بودن نیروهایی که برآیندشان صفر است تفاوتی وجود ندارد. مثلا اگر فشار دستها به کتاب نیروی اصطکاک را کاملا خنثی کند کتاب با سرعت یکنواخت حرکت می‌کند، بنابراین راه دیگر بیان قانون اول این هست که اگر در مجموع نیرویی بر جسم اثر نکند شتاب آن صفر است.

قانون دوم نیوتن

بنا بر قانون اول نیوتن اگر بر جسمی نیرو وارد نشود جسم یا ساکن می‌ماند و یا حرکت یکنواخت بر خط راست خواهد داشت. نتیجه آشکار قانون اول این است که اگر بر جسم نیرو وارد شود جسم ساکن نمی‌ماند و حرکت یکنواخت بر خط راست نیز خواهد داشت، در این صورت وارد کردن نیرو بر جسم در آن شتاب می‌دهد. قانون دوم نیوتن در واقع رابطه شتاب با نیرویی که بر آن وارد می‌شود را بیان می‌کند. شتاب جسمی به جرم m که نیروی F بر آن وارد می‌شود هم جهت و متناسب با نیروی وارد بر آن است و با جرم جسم نسبت عکس دارد. این بیان را می‌توان بصورت زیر نوشت:
a = F/m
F برآیند نیروهایی است که به علت اثر اجسام دیگر روی جسم مورد نظر وارد می‌شود. a شتاب آن و m جرم جسم است.

مفهوم قانون دوم نیوتن

جرم جسم به مقدار ماده‌ای که در ساختمان جسم بکار رفته است بستگی دارد رابطه بالا یک رابطه برداری است. و چون m یک کمیت نرده‌ای است و مثبت ، شتاب جسم هم جهت با نیروی وارد بر آن است. هر چه نیروی وارد بر یک جسم بزرگتر باشد شتاب آن نیز بزرگتر می‌شود، علاوه بر آن با یک نیروی معین هر چه جرم جسم بیشتر باشد شتاب آن یعنی تغییر در سرعتش کمتر خواهد بود. به عبارت دیگر با یک نیروی معین هر چه جرم جسم بیشتر باشد وضعیت حرکت بیشتر حفظ می‌شود، یعنی جسم لختی بیشتری از خود نشان می‌دهند.
یک دروازه‌بان فوتبال می‌تواند با نیروی دست خود براحتی وضعیت حرکت توپ را تغییر دهد، ولی وی هرگز نمی‌تواند با دست خود و با همان نیرو ، وضعیت حرکت یک اتوبوس را تغییر دهد. آشکار است این تفاوت به علت جرم زیادتر اتوبوس نسبت به توپ فوتبال است، بنابراین می‌توان گفت اتوبوس بیش از توپ فوتبال لختی دارد.

شتاب

برای یافتن شتاب یک جسم باید نیروهایی را که به آن وارد می‌شود معلوم باشد. در کارهای روزمره تنها نیروهای گرانشی و یا الکترومغناطیسی به اجسام وارد می‌شود و در نتیجه برای بدست آوردن شتاب جسم باید قوانین نیروی گرانش و یا نیروی الکترومغناطیسی وارد بر اجسام را بشناسیم. بردارهای F و a را می‌توانیم روی محورهای x و y تصویر کنیم، شتاب جسم در راستای معین مثلا راستای محور x صرفا مربوط به نیروی وارد بر جسم در همان راستا است. بنابراین با تجزیه نیروی وارد بر جسم روی دو محور بدست آوردن مؤلفه‌های نیرو می‌توان شتاب جسم روی هر یک از دو محور یعنی مؤلفه‌های شتاب را بدست آورد.

انتخاب دستگاه مختصات مناسب

می‌دانیم حرکت نسبی است، یعنی سرعت و شتاب اجسام نسبت به دستگاههای مختصات مختلف متفاوت است. به عنوان مثال یک اتومبیل را که با شتاب به راه می‌افتد در نظر بگیرد حرکت مسافر درون این اتومبیل نسبت به دستگاه مختصات متصل به جاده شتابدار است، اما همین مسافر نسبت به دستگاه مختصات که به خود اتومبیل متصل باشد ساکن است، یعنی شتاب ندارد. اما شتابی که در رابطه a = F/m برای جسم بدست می‌آید نسبت به کدام دستگاه مختصات است؟ یا اگر بخواهیم نیروی وارد بر یک جسم را تعیین کنیم، شتاب جسم نسبت به کدام دستگاه مختصات باید در نظر گرفته شود، دستگاه مختصات لخت نام دارد.
در بسیاری از مسأله‌ها مثل حرکت اتومبیل ، هواپیما و ... که سرعت اجسام زیاد نیست، می‌توان نشان داد که با تقریب خوبی دستگاه مختصات متصل به زمین یک دستگاه مختصات لخت است. ولی این دستگاه برای بررسی حرکت اجسام سریع مانند موشکهای قاره پیما و یا موشکهایی که ماهواره‌ها را در مدار قرار می‌دهند، دستگاه مختصات لخت نیست. بنابراین همواره شتاب اجسام را نسبت به دستگاه مختصات متصل به زمین در رابطه a = F/m قرار دهید.

قانون سوم نیوتن

شخصی را در نظر بگیرید که طنابی را در دست دارد و آنرا می‌کشد، نیرویی از دست شخص بر طناب وارد می‌شود. عامل وارد کننده این نیرو دست شخص و جسمی که نیرو بر آن وارد می‌شود طناب است. متقابلا طناب نیز در محلی که با دست وی تماس است نیرویی بدست وارد می‌کند. با آزمایش در می‌یابیم که هر گاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند جسم دوم نیز همواره نیرویی به جسم اول وارد می‌کند، این نیروها از نظر بزرگی مساوی‌اند، ولی جهتشان مخالف هم است. بنابراین وجود یک نیروی منزوی منفرد محال است.

مفهوم قانون سوم

مفهوم اساسی در قانون سوم نیوتن این است که نیروی تک در طبیعت وجود ندارد. هر نیرویی که در محلی سراغ گرفته شود، قطعا نیروی دیگری با همان اندازه و در جهت مخالف آن وجود دارد. یعنی نیروهای موجود در طبیعت همواره بصورت دو تایی هستند، همانطور که تکه چوبی که فقط یک سر داشته باشد وجود ندارد. اگر یکی از این دو نیرو را کنش (عمل) بنامیم نیروی دیگر واکنش (عکس العمل) نامیده می‌شود. تفاوتی ندارد که کدام نیرو را کنش و کدام نیرو را واکنش بنامیم. در اینجا علت و معلول مورد نظر نیست، بلکه برهمکنش متقابل همزمان مورد توجه است.
به عنوان مثال همانطور که پای فوتبالیست بر توپ فوتبال نیرو وارد می‌کند، متقابلا توپ فوتبال نیز بر پای فوتبالیست نیرو وارد می‌کند (اگر در وجود این نیرو شک دارید، برای یکبار هم که شده به جای توپ با یک آجر فوتبال بازی کنید!). مفهوم برهم دو طرفه بودن است، مثلا نیروی گرانش ، برهمکنش دو جرم بر یکدیگر و نیروی الکتریکی - مغناطیسی برهمکنش دو بار الکتریکی بر یکدیگر است.

بی دقتی در استفاده از قانون کنش و واکنش و مسأله تناقض

فرض کنید که اسبی کالسکه‌ای را می‌کشد طبق قانون سوم نیوتن کالسکه نیز با همان نیرو اسب را در جهت مخالف می‌کشد، پس اسب می‌تواند کالسکه را به حرکت در آورد؟ اشکال این استدلال به این صورت است: اگر می‌خواهیم بدانیم که آیا اسب می‌تواند حرکت کند یا نه، باید نیروهای وارد بر اسب را در نظر بگیریم. نیرویی که بر کالسکه وارد می‌شود هیچ ربطی به این مسأله ندارد.
اسب به این دلیل می‌تواند حرکت کند که نیرویی که با سمهایش وارد می‌کند بزرگتر از نیرویی است که کالسکه با آن اسب را به طرف عقب می‌کشد و کالسکه به این دلیل به حرکت در می‌آید که نیرویی که اسب با آن کالسکه را بطرف جلو می‌کشد بزرگتر از نیروهای اصطکاکی است که کالسکه را به طرف عقب می‌کشند. برای اینکه بدانید یک جسم حرکت می‌کند باید نیروهای وارد بر آنرا بررسی کنیم. کنش و واکنش هیچگاه بر یک جسم وارد نمی‌شود.

انرژی ذخیره ای و حرکتی

انرژی باعث وقوع پدیده های مختلف شده و به دو نوع تقسیم می شود:
- انرژی ذخیره ای که انرژی پتانسیل نامیده می شود .
- انرژی حرکتی که انرژی جنبشی نامیده می شود.
حال جهت آشنایی بیشتر با این دو انرژی به کمک یک مداد آزمایش ذیل را انجام دهید. مداد را در لبة میز گذاشته و آن را به طرف زمین هل دهید. در این حالت انرژی جنبشی باعث حرکت مداد به طرف پایین می شود.
حال مداد را برداشته و دوباره روی میز بگذارید. با استفاده از انرژی خود مداد را برداشته و حرکت دهید . هرچه فاصله از کف زمین بیشتر شود به انرژی آن افزوده خواهد شد. در این حالت اگر مداد برروی میز قرار گیرد دارای انرژی پتانسیل است. هرچه مداد بالاتر باشد در فاصلة دورتری خواهد افتاد یا به عبارت دیگر مداد انرژی پتانسیل بیشتری خواهد داشت.

چگونه انرژی را اندازه گیری کنیم ؟

انرژی به روشهای مختلفی اندازه گیری می شود. یکی از واحدهای اصلی اندازه گیری انرژی Btu می باشد که یک واحد اندازه گیری حرارت بریتانیایی بوده که البته توسط انگلیسی ها ابداع شده است.
Btu مقدار انرژی گرمایی است که باعث افزایش حرارت یک پوند آب به میزان یک درجة فارنهایت ، در شرایط سطح دریا، می شود. یک Btuمعادل حرارت یک چوب کبریت آشپرخانه است.
یک هزار Btu تقریباً معادل یک آب نبات متوسط یا 8/0 یک ساندویچ حاوی کرهء بادام زمینی و مربا است . برای آماده نمودن یک قوری قهوه تقریباً Btu 2000 انرژی نیاز می باشد.
انرژی را می توان برحسب واحد ژول نیز اندازه گیری نمود. تلفظ کلمة ژول (Joules) دقیقاً مثل کلمة Jewels (جواهرات) است. یک هزار ژول برابر یک واحد حرارت بریتانیایی می باشد.
Btu 1 = 1000 ژول
بنابراین آماده ساختن یک قوری قهوه دو میلیون ژول انرژی نیاز دارد.
واژه ژول برگرفته از یک دانشمند انگلیسی به نام جیمز پرس کات ژول است که در سالهای بین 1818 تا 1889 زندگی می کرده است. او کشف نمود که حرارت یک نوع انرژی است. یک ژول مقدار انرژی است که برای بلند کردن یک شیء یک پوندی تا ارتفاع 19 اینچ نیاز می باشد. بنابراین اگر بخواهید یک گونی شکر به وزن 5 پوند را از زمین بلند کرده و بر روی پیشخوانی به ارتقاع 27 اینچ قرار دهید ، حدوداً باید 15 ژول انرژی مصرف کنید.
در اقصی نقاط جهان دانشمندان از واحد ژول بیش از Btu جهت اندازه گیری انرژی استفاده می کنند. این امر دقیقاً مصداق استفاده بیشتر از سیستم متر یک (مترو کیلوگرم) به جای سیستم انگلیسی (فوت و پوند) است.
همانند سیستم متریک می توان از کیلوژول نیز استفاده نمود. کیلو به معنی 1000 می باشد.
Btu 1 = 1 کیلو ژول = 1000
یک تکه نان تست کره ای حاوی 315 کیلو ژول (315000 ژول ) انرژی است . با این مقدار انرژی می توان اعمال زیر را انجام داد :
6 دقیقه پیاده روی آهسته
10 دقیقه دوچرخه سواری
15 دقیقه پیاده روی سریع
خواب برای 1 تا 5/1 ساعت
حرکت دادن ماشین با سرعت 80 کیلومتر در ساعت برای 7 ثانیه
روشن نمودن یک لامپ 60 واتی برای 1 تا 5/1 ساعت
بلند نمودن گونی شکر فوق از کف زمین تا روی پیشخوان به میزان 21000 دفعه

انرژی غذایی

در زنجیرة غذایی ، شکل انرژی دائماً درحال تغییر است، به عنوان مثال یک خوشه ذرت را در نظر بگیرید.نور خورشید از طریق برگهای ذرت جذب و از طریق فتوسنتز انتقال می یابدو گیاه نور خورشید را جذب و با دی اکسید کربن هوا ، آب و مواد معدنی زمین ترکیب می کند.
گیاه رشد کرده و دانه های ذرت تولید می شود. انرژی نور خورشید در برگها و داخل دانه های ذرت ذخیره می شود. دانه های ذرت پر از انرژی ذخیره شده از قبیل شکر و نشاسته است. ذرت بعد از برداشت برای تغذیة جوجه و سایر حیوانات استفاده می شود. جوجه، با استفاده از انرژی ذخیره شده در ذرت ، رشد نموده و شروع به حرکت می کند. مقداری انرژی نیز در بافت ماهیچه ای حیوان (پروتئین) و در چربی ذخیره می شود.
هنگامی که جوجه بزرگ می شود، کشاورز آن را سر بریده و برای فروش به فروشگاههای مواد غذایی عرضه می کند. والدین شما جوجه را از فروشگاه خریده ، به خانه آورده و آن را می پزند.
سپس شما گوشت جوجه را خورده و انرژی ذخیره شده را به بدن خود منتقل می کنید. شاید جوجه ای را در پیک نیک خورده و سپس به بازی بیسبال پرداخته باشید. شما از انرژی ذخیره شده آن جوجه برای چرخاندن چوب ، دویدن به دور زمین و پرتاب توپ استفاده می کنید.
هنگامی که بدن شما از انرژی جوجه استفاده می نماید ، شما اکسیژن را تنفس نموده و دی اکسید کربن را خارج می نمایید . این دی اکسید کربن بعداًٌ برای رشد سایر گیاهان استفاده می شود.
انرژی به سایر شکلهای دیگر از انرژی قابل تغییر است ، اما تولید پذیر یا از بین رفتنی نمی باشد. انرژی همیشه به یک شکل یا سایر اشکال دیگر وجود داشته است. در اینجا تبدیل بعضی از انرژیها به یکدیگر توضیح داده شده است.
انرژی ذخیره شده در باتری های یک چرغ قوه را در هنگام روشن بودن آن می توان انرژی نوری نامید. غذا یک نوع انرژی ذخیره شده بوده و مثل یک ماده شیمیایی دارای انرژی پتانسیل است. هنگامی که بدن ما از این انرژی برای انجام کاری استفاده می کند ، باعث تبدیل آن به انرژی جنبشی می شود. اگر شما بیش از حد غذا بخورید ، انرژی موجود در غذا سوخته شده و به صورت انرژی پتانسیل در سلولهای چربی ذخیره می شود.
زمانی که با تلفن صحبت می کنید ، صدای شما به انرژی الکتریکی تبدیل شده و از طریق سیم منتقل می شود.
گوشی تلفنی که در طرف دیگر قرار دارد انرژی الکتریکی را از طریق دهنی به انرژی صوتی تبدیل می نماید. ماشین از انرژی شیمیایی ذخیره شده در بنزین برای حرکت استفاده می کند. موتور، انرژی شیمیایی را به انرژی گرمایی و جنبشی تبدیل می کند.
یک دستگاه تست نان، انرژی الکتریکی را به انرژی گرمایی و نوری تبدیل می کند. (اگر داخل دستگاه تست را نگاه کنید سیمهای درخشان را خواهید دید). یک تلویزیون، انرژی الکتریکی را به انرژی صوتی و نوری تبدیل می کند.

انرژی گرمایی

گرما شکلی از انرژی است . این انرژی برای اهداف مختلفی از قبیل گرم نمودن خانه و پخت غذا استفاده می شود.
انرژی حرارتی به 3 طریق قابل انتقال است
1 – هدایت
2 – انتقال
3 – تابش
زمانیکه انرژی مستقیماً از یک شئ به شئ دیگر عبور می کند به آن هدایت می گویند . اگر یک ظرف سوپ بر روی اجاق را با قاشق فلزی هم بزنید ، قاشق گرم خواهد شد. بدین ترتیب گرما از محیط گرم سوپ به قاشق سرد منتقل می شود.
فلزات هادی های بسیار خوبی برای انرژی گرمایی هستند، اما چوب و پلاستیک چنین خاصیتی ندارند. این گونه هادی های بد را عایق گویند. به همین دلیل است که معمولاً ظرف از جنس فلز بوده اما دستة آن از جنس پلاستیک قوی است.
انتقال، عبارت است از حرکت گازها و سیالات از یک محل سردتر به محل گرمتر . اگر ظرف سوپ از جنس شیشه باشد، می توان حرکت جریانات انتقالی در ظرف را مشاهده نمود. سوپ گرمتر از ناحیة پایین ظرف، که حرارت بیشتری دارد، به سمت بالا، که سردتر است، حرکت می کند. سپس سوپ سردتر به سمت پایین حرکت نموده و مکان سوپ گرمتر را اشغال می کند. این حرکت باعث ایجاد یک الگوی چرخشی درون ظرف می شود.
بادی که ما حس می کنیم غالباً ناشی از جریانات انتقالی است. این امر توسط وزش بادهای نزدیک اقیانوس به سهولت قابل درک است. هوای گرم سبکتر از هوای سرد بوده و بنابراین اوج می گیرد. در خلال روز، هوای سرد روی آب حرکت نموده و در خشکی جایگزین هوایی می شود که در اثر دمای زمین اوج گرفته است. اما به هنگام شب جهت این جایگزینی تغییر می کند، به عبارت دیگر بعضی اوقات سطح آب گرمتر و خشکی سردتر است.

انرژی جنبشی

در بررسی حرکت اجسام معمولا دو نوع انرژی بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. انرژی پتانسیل که ناشی از مکان قرار گیری جسم نسبت به سطحی که به عنوان سطح با پتانسیل صفر فرض می‌شود و انرژی جنبشی که هر جسم به دلیل حرکت دارای این نوع انرژی است. یعنی اگر جسمی ثابت باشد، انرژی جنبشی آن صفر خواهد بود. مخصوصا در مواردی که نیروهای موجود در مسئله از نوع پایستار باشند در این صورت انرژی مکانیکی بقا دارد و لذا اگر انرژی جنبشی جسم افزایش پیدا کند، انرژی پتانسیل کاهش می‌یابد و برعکس کاهش انرژی جنبشی با افزایش انرژی پتانسیل همراه است.

قضیه کار و انرژی

معمولا بیشترین کاربرد انرژی جنبشی در بحث حرکت در قضیه کار و انرژی ظاهر می‌شود. لازم به یادآوری است که هرگاه در اثر اعمال نیرویی ، یک جسم از محل اولیه خود جابجا شود، در این صورت می‌گویند که نیرو بر روی جسم کار انجام می‌دهد. بنابراین قضیه کار و انرژی بیان می‌کند که هرگاه بر روی جسمی کار انجام شود، انرژی جنبشی آن تغییر می‌کند. به عبارت دیگر تغییرات انرژی جنبشی با انجام کار انجام شده بر روی جسم برابر است.
قضیه کار و انرژی قانون جدید و مستقلی از مکانیک کلاسیک نیست. این قضیه برای حل مسائلی مفید است که در آنها کار انجام شده توسط نیروی برایند به راحتی قابل محاسبه است و ما می‌خواهیم سرعت ذره را در مکانهای خاصی پیدا کنیم. آنچه بیشتر اهمیت دارد این واقعیت است که قضیه کار و انرژی نقطه آغازی برای یک تعمیم جامع در علم فیزیک است. چون در بسیاری از موارد بهتر است کار انجام شده توسط هر نیرو را جداگانه محاسبه کرده و نام خاصی برای کار انجام شده توسط هر نیرو قائل شویم. لذا آنچه قبلا در مورد معتبر بودن این قضیه در مواردی که به صورت کار انجام شده توسط نیروی برایند تعبیر می‌کنیم، مشکلی ایجاد نمی‌کند.

یکای انرژی جنبشی

انرژی جنبشی یک جسم در حال حرکت با کاری که می‌تواند انجام دهد تا به حال سکون برسد، متناسب است. این نتیجه اعم از این که نیروهای اعمال شده ثابت یا متغیر باشند، صادق است. بنابراین یکای انرژی جنبشی و کار یکسان خواهند بود و انرژی جنبشی مانند کار یک کمیت اسکالر است. انرژی جنبشی گروهی از ذرات صرفا از انرژی جمع اسکالر انرژیهای جنبشی تک تک ذرات آن گروه بدست می‌آید.

انرژی جنبشی جسم صلب

معمولا در مورد حرکت جسم صلب به عنوان سیستمی از ذرات ، دو نوع انرژی جنبشی می‌توانیم تعریف کنیم. این دو نوع انرژی که بواسطه نوع حرکت به دو صورت متفاوت می‌تواند وجود داشته باشد.

انرژی جنبشی انتقالی

گفتیم که انرژی کمیتی اسکالر است. بنابراین در مورد یک سیستم متشکل از چند ذره ، انرژی جنبشی کل برابر با مجموع انرژی جنبشی تک تک ذرات خواهد بود. اما در مورد یک جسم صلب که تعداد ذرات خیلی زیاد است، نقطه‌ای به عنوان مرکز جرم تعریف می‌شود که نماینده کل جسم صلب است. بنابراین انرژی جنبشی انتقالی نیز به صورت نصف حاصلضرب جرم جسم صلب در مجذور سرعت مرکز جرم تعریف می‌شود.

انرژی جنبشی دورانی

جسم صلبی را در نظر بگیرید که با سرعت زاویه‌ای ω حول محوری که نسبت به یک چارچوب لخت خاص ثابت است، می‌چرخد. هر ذره این جسم در حال دوران مقدار معینی انرژی جنبشی دارد. چون تعداد این ذرات در جسم صلب زیاد است، لذا کمیتی به نام لختی دورانی تعریف می‌شود. لختی دورانی به صورت مجموع جملاتی تعریف می‌شود که هر جمله با حاصل ضرب جرم یک ذره از جسم صلب در مجذور فاصله عمودی ذره از محور دوران برابر است. بنابراین انرژ ی جنبشی دورانی جسم صلب که بخاطر دوران حاصل می‌شود، برابر است با نصف حاصل ضرب لختی دورانی جسم صلب در مجذور سرعت زاویه‌ای.
این رابطه شبیه انرژی جنبشی انتقالی جسم است. یعنی سرعت زاویه‌ای مانسته سرعت خطی است و لختی دورانی مانسته جرم لختی یا جرم انتقالی است. هر چند جرم یک جسم به محل آن بستگی ندارد، ولی لختی دورانی به محوری که جسم حول آن می‌چرخد، بستگی دارد. در واقع می‌توان گفت که انرژی جنبشی دورانی همان انرژی جنبشی انتقالی معمولی تمام اجزای جسم است و نوع جدیدی از انرژی نیست. انرژی جنبشی دورانی در واقع راه مناسبی برای بیان انرژی جنبشی هر جسم صلب در حال دوران است. انرژی جنبشی دورانی جسمی که با سرعت زاویه‌ای معین می‌چرخد، نه تنها به جرم جسم بستگی دارد، بلکه به چگونگی توزیع جرم آن نسبت به محور دوران نیز وابسته است.

انرژی پتانسیل

انرژی به شکلهای مختلف پدیدار می‌شود. یکی از آنها انرژی پتانسیل یا انرژی ذخیره‌ای است. این شکل انرژی چه شباهتها یا چه تفاوتهایی با صورتهای دیگر انرژی دارد؟ چگونه می‌توانیم از آن بهره گیری کنیم؟ انرژی شیمیایی به انرژی هسته‌ای ، انرژیِ گرانشی ، انرژیِ الکتریسته ساکن و انرژی مغناطیسی ، نمونه‌هایی از انرژی پتانسیل هستند. انرژی پتانسیل می‌تواند برای ما اهمیت زیادی داشته باشد.
برای مثال ، هنگامی که تلویزیون روشن می‌کنیم و مأموریت رفت و برگشت سفینه‌ای فضایی را به تماشا می‌نشینیم، در واقع از انرژی الکتریکی استفاده می‌کنیم که از انرژی پتانسیل (مثلا انرژی پتانسیل گرانشی آب ذخیره شده در پشت سد) حاصل می‌شود. یا تبدیل انرژی پتانسیل شیمیایی موجود در سوخت موشکها به انرژی جنبشی است، که سفینه از سکوی پرتاب به فضا پرتاب می‌شود. باتریهای مورد استفاده از فلاش دوربینها یا در رادیوهای کوچک ، بنزین مصرفی برای راندن اتومبیلی و بالاخره ، غذایی که می‌خوریم همه و همه محتوی انرژی پتانسیل هستند.

سیر تحولی و رشد

با توجه به نقش مهم انرژی پتانسیل در عرصه‌های دانش به فناوری زندگی روزانه ، ممکن است چنین تصور شود که از زمان تشخیص شناسایی این انرژیِِ مدتی طولانی گذشته است، اما اینطور نیست. مفهوم نیرو را که بستگی نزدیکی با انرژی پتانسیل دارد. اولین بار آیزااک نیوتن در قرن هفدهم مطرح کرد. ولی مفهوم انرژی یا پایستگی انرژی تا قرن نوزدهم مطرح نشد. مدتها قبل از آن ، در اواخر قرن هفدهم ، هویگنس در بحث حرکت ، به انرژی پتانسیل اشاره کرده بود؟ اما اصطلاح انرژی پتانسیل را بکار نبرده بود و اهمیت آن را نیز در نیافته بود. در اوایل قرن هیجدهم ژاک برنولی کار مجازی را که مشابه انرژی پتانسیل است توصیف کرده ، ولی به اهمیت آن پی نبرد.
در اواخر قرن هیجدهم و اوایل قرن نوزدهم ، ژوزف لاگرانژ ، لاپلاس ، پواسون و جورج گرین مفهوم پتانسیل الکتریکی را (که به انرژی پتانسیل الکتریکی بسیار نزدیک است). در فرمول بندی ریاضی اثرات الکتریکی بکار بردند، اما آن هم به اهمیت انرژیِ پتانسیل پی نبرد. تمرکز این دانشمندان روی مباحث مکانیک و گرما بود. بحثهای بعدی تمام حوزه‌های علوم فیزیکی را در برگرفت. پس از این کارها بود که با تلاش بسیاری از مهندسان و دانشمندان توجه به اهمیت انرژی پتانسیل بیشتر و بیشتر شد.

انرژی پتانسیل در کجا و چگونه ذخیره می‌شود؟

انرژی پتانسیل ، نوعی انرژی ذخیره شده است. انرژی پتانسیل ، اثری سیستمی است و برای جسمی کاملا منزوی وجود ندارد. جسم به اعتبار خود کمیت مکانی‌اش نسبت به سایر اجسامی که بر آن نیرو وارد می‌کنند و یا به دلیل موقعیت مکانی‌اش در میدانی که بر آن نیرو وارد می‌کنند، دارای انرژی پتانسیل است. هیچ جسم منفردی انرژی پتانسیل ندارد. همه اجسامی که برهمکنش متقابل دارند، بطور جمعی انرژی ذخیره می‌کنند.
توپی که روی میز است انرژی پتانسیل گرانشی دارد و این به گونه‌ای است توپ و زمین هر دو در ذخیره سازی این انرژی سهیم‌اند. این انرژی از آنجا ناشی می‌شود که زمین و توپ بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. اگر توپ با زمین در مکان خود نبودند انرژی پتانسیل گرانشی نمی‌توانست وجود داشته باشد. در دور و میدان نیز انرژی پتانسیل از فضایی که میدان وجود دارد ذخیره می‌شود.

ویژگیهای انرژی پتانسیل

• در واقع ، این تغییرات انرژی پتانسیل است که در خور اهمیت است نه مقدار آن قبل یا بعد تغییر. اگر چه مکانی که در آن انرژی پتانسیل صفر می‌تواند انتخاب مفیدی باشد به مانند سطح دریا به عنوان مبنای صفر انرژی پتانسیل گرانشی زمین و یا سطح داخلی خازن استوانه‌ای به عنوان مبنای صفر انرژی الکتریکی ذخیره شده در آن ، اما این انتخابها هیچ یک الزامی نیست. زیرا آنها اختلاف انرژی پتانسیل بین مکانهای مختلف است که اهمیت دارد. اندازه اختلاف پتانسیل هرگز هیچ ربطی به چگونگی پیدا شدن آن ندارد. یعنی این تغییر مستقل از مسیر است. این یکی از ویژگیهای اساسی انرژی پتانسیل است.
• تغییرات انرژی پتانسیل ممکن است به پیدایش انرژی جنبشی ، انرژی الکتریکی ، یا انرژی گرمایی منجر شود. فناوری نوین بر همین پایه استوار است، دستیابی به چنین تغییری به پایداری انرژی ذخیره شده بستگی دارد. برای انرژی پتانسیل سه نوع منحنی می‌توان در نظر گرفت: اگر چه این سخنها معرف همه حالتها نیستند، اما نشان می‌دهند که چگونه انرژی پتانسیل ممکن است با مکان تغییر کند.
• می‌توان جسم کوچکی مثل گلوله‌ای مرمرین را روی یک کاسه وارونه (در حالت ناپایدار) ، درون کاسه (در حالت پایدار) یا در فرورفتگی کاسه وارونه‌ای که لبه دارد (در حالت شبه پایدار) در نظر گرفت. آنگاه کاسه نقش منحنی انرژی پتانسیل هسته‌ای را خواهد دانست.
• در حالت پایدار تغییر نامحتمل است.
• در حالت شبه پایدار غلبه بر سد پتانسیل (یعنی بالا رفتن از لبه) مستلزم انرژی اضافی است، مثلا این انرژی اضافی می‌تواند از جرقه‌ای که بخار بنزین را در سیلندرهای موتور خودرو مشتعل می‌کند ناشی می‌شود. در برخی موارد نادر هیچ انرژی اضافی لازم نیست. مثل وقتی که ذره‌ای در هسته اتم سد پتانسیل را طی فرآیندی به نام تونل زنی سوراخ می‌کند.

کاربرد حالتهای انرژی پتانسیل در صنعت

در فناوری نوین تعادل شبه پایدار ترجیح داده می‌شود. زیرا انرژی پتانسیل می‌تواند تا زمانی که ما بخواهیم در حالت تعلیق باقی بماند. که نمونه آن در روشن کردن رادیوی ترانزیستوری و تبدیل انرژی شیمیایی باتری به انرژی الکتریکی می‌توان نشان داد.

تغییر انرژی پتانسیل

هر تغییر انرژی پتانسیلی به پیدایش نیرویی می‌انجامد. نیروی گرانشی ای که در حالت تعادل ناپایدار موجب می شود که گلوله روی سطح خارجی کاسه به پایین بلغزد. اندازه ی نیرو را از شیب سختی می‌سنجیم. هر چه این شیب تندتر باشد قویتر است. البته همه نیرو ، از تغییر انرژی پتانسیل ناشی نمی‌شوند. نیروهایی که این گونه‌اند. نظیر نیروی گرانشی و نیروی کولنی نیروی تابعی پایستاری ، داریم:
F = - du/dx و u = -∫F dx
که در آن F نیرو ، u انرژی پتانسیل و x مکان است.
نیروهایی که از تغییر انرژی پتانسیل ناشی نمی‌شوند، نظیر نیروی اصطکاک ، نیروهای ناپایستارند. برای چنین نیروهایی ، انرژی پتانسیل قابل تبیین نیست.

انرژی مکانیکی

ابداع مفهوم انرژی قطعا یکی ار برجسته‌ترین نمونه‌های خلاقیت بشر در زمینه علمی است. مطالعه علمی عالم فیزیکی ، از هر نوع که باشد در نهایت سر از مفاهیم ماده و انرژی در می‌آورد. این دو مفهوم در کنار هم ، همان چیزی است که عالم را تشکیل می‌دهد. درک شهودی ما از ماده در همان سالهای آغازین زندگی شکل می‌گیرد و حتی همچنین از جنبه‌های کمی آنرا هم شامل می‌شود. اما در مقابل پنداره مربوط به انرژی ظریفتر و انتزاعی تر است. ما معمولا نمی‌توانیم انرژی را مستقیما حس کنیم: انرژی چیزی نیست که بتوانیم آنرا لمس کنیم، ببینیم و یا بشنویم. در عوض انرژی را معمولا در جسمی که یا جسم دیگری برهمکنش دارد احساس می‌کنیم.

مفهوم انرژی مکانیکی

مجموع انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی هر جسم نسبت به محیط و نیز می‌توانیم قانون بقای انرژی مکانیکی را مطرح کنیم. انرژی مکانیکی به یکی از انواع متمایز انرژی نسبت به دیگر انواع انرژی مثل انرژی الکترومغناطیسی ، هسته‌ای ، اتمی و یا شیمیایی است. که همیشه با مکان حرکت یا حرکت ماده یا جسم مادی سر و کار دارد. انرژی مکانیکی به دو صورت جنبشی و پتانسیل هستند.

قانون پایستگی انرژی مکانیکی

قانونی که بنا به آن ، در هر دستگاه پایستار ، انرژی مکانیکی کل پایسته (ثابت) است. یعنی اگر دستگاهی بدون اصطکاک یا مقاومت هوا باشد، مجموع انرژیهای پتانسیل و جنبشی آن ثابت است.

سیر تحولی و رشد

با آنکه قضیه کار - انرژی مستقیما از قانون دوم نیوتن بدست می‌آید، اما بد نیست یادآوری شود که مفهوم انرژی در زمان نیوتن هنوز ابداع نشده بود. تقریبا غیر ممکن است که بتوانیم مفهوم انرژی را بدون در نظر گرفتن مفهوم کار ، که رابطه تنگاتنگی با آن دارد به تصویر در آوریم. کار عبارت است از حاصل ضرب نیروی وارد بر بک جسم (ااF) و جابه جایی آن جسم (d) در اینجا ااF مؤلفه‌ای از نیرو است که جابجایی موازی است در شکل نمادین داریم w = f.d یا w = ∫f.dr که در آن w کار انجام شده در این جابجایی است.

انرژی پتانسیل مکانیکی

اصطلاح انرژی مکانیکی برای توصیف وضعیتی بکار می‌رود که در آن یک جسم یا مقداری جرم بخاطر موقعیت یا مکانش توانایی انجام کار دارد و نمونه‌ای از جسمی که بخاطر مکانش دارای انرژی پتانسیل است نشان داده می‌شود. در این شکل گلوله به جرم m را می‌بینند که درست بالای سر بیضی که گلوله را نگه داشته است ناگهان رها بشود. گلوله روی میخ می‌افتد و آنرا بیشتر در تخته فرو می‌برد. از دیدگاه علمی ، می‌گوییم گلوله قبل از فرو افتادن انرژی پتانسیل گرانشی داشته است.
در اینجا دلیل استفاده از اصطلاح انرژی پتانسیل ، g انرژی پتانسیل به معنی انرژی ذخیره‌ای و بالقوه برای ما روشین می‌شود. انرژی موجود در گلوله تا پیش از رها شدن آشکار شدنی نیست. مقدار انرژی پتانسیل گلوله پیش از این که رها بشود برابر است با mgH ارتفاع گلوله است که از مرکز نقطه تا بالای تخته اندازه گیری می‌شود. در حقیقت کمیت mgH درست همان کاری است که درصورت سقوط گلوله از ارتفاع H ، نیروی گرانی می‌تواند روی گلوله انجام بدهد.

انرژی پتانسیل گرانشی

با آنکه گلوله پتانسیل انجام کار (یعنی فرو رفتن میخ در تخته) را دارد. اما تا وقتی که به علاوه ، ان انرژی پتانسیل کاری را به دلیل گرانشی می گویند که به محل رها شدن گلوله نیروی وزن mg گلوله شتاب می‌دهد.

انرژی جنبشی مکانیکی

گلوله همین که شروع به سقوط کرد انرژی جنبشی کسب می‌کند، که در واقع انرژی ناشی از حرکت گلوله است. اکنون انرژی مکانیکی گلوله ناگهان آشکار می‌شود. قطعا هر کس که شاهد سقوط گلوله‌ای سنگین بوده باشد خیلی زود انرژی آنرا حس کرده است. مقدار انرژی جنبشی گلوله برابر است با: mV2/2 که در آن v سرعت گلوله است. البته موقعی که گلوله سقوط می‌کند می‌گوییم انرژی پتانسیل از دست می‌دهد (چون ارتفاعش کم می‌شود) و انرژی جنبشی بدست می‌آورد (چون مداوم سرعتش زیاد می‌شود).

نکته‌ای در مورد انرژی پتانسیل و جنبشی

یک نکته مهم درباره این دو صورت انرژی این است که مجموع آنها تقریبا ثابت می‌ماند. به این دلیل می‌گوییم تقریبا ثابت که کمی از انرژی گلوله ، در حین سقوط ، بخاطر برخورد با مولکولهای هوا تبدیل به گرما می‌شود (در اجسامی مانند شهاب سنگها که با سرعتهای خیلی زیاد سقوط می‌کنند، مقداری زیاد از انرژی پتانسیل تبدیل به گرما می‌شود). پس در جایی که هوا وجود نداشته باشد مثل سطح کره ماه یا داخل محفظه‌ای خلأ ، می‌توانیم بگوییم که مجموع انرژیهای پتانسیل و جنبشی ثابت می‌ماند. به صورت ریاضی می‌توانیم mgh + 1/2 mv2 = mgH که در آن h عبارت است از ارتفاع گلوله از بالای تخته در لحظه‌ای که سرعتش برابر v می‌شود. در پایان و به ارتباط میان انرژی و کار باز می‌گردیم.

انرژی مغناطیسی

هرگاه یک منبع ولتاژی را که قادر به ایجاد ولتاژی به اندازه V است، به مداری متصل کنیم، در این مدار جریان الکتریکی برقرار می‌‌شود، اما هر ماده دارای یک مقاومت الکتریکی می‌‌باشد، بنابراین مجموع ولتاژ چشمه و نیروی محرکه القایی در مدار با حاصلضرب مقاومت مدار در جریانی که از آن می‌‌گذرد، برابر خواهد بود و چون جریان را به صورت مشتق زمانی بار الکتریکی تعریف می‌‌کنند، بنابراین می‌‌توان گفت که چشمه ولتاژ یا باتری مقداری کار انجام می‌‌دهد تا مقداری بار الکتریکی را در مدار انتقال دهد.
مقداری از این کار انجام شده توسط منبع ولتاژ یا انرژی تزریق شده به مدار و مقداری هم به صورت گرما تلف می‌‌شود. این انرژی برگشت ناپذیر است. مقدار دیگری از انرژی نیز صرف تغییر شار در مدار می‌‌شود، یعنی این جمله دوم کاری است که علیه نیروی محرکه القا شده در مدار انجام می‌‌شود. بنابراین اگر در یک مدار صلب و ساکن که بجز اتلاف گرمای ژول هیچ انرژی دیگری از دست نمی‌‌دهد، کار انجام شده توسط باتری با تغییر انرژی مغناطیسی مدار برابر خواهد بود.

انرژی مغناطیسی مدارهای جفت شده

در بحث الکتریسیته به مجموع چند مقاومت و خازن یا قطعات دیگر الکترونیکی که به یک منبع ولتاژ وصل شده باشد، مدار الکتریکی می‌‌گویند. در بحث مغناطیس به مجموعه سیم پیچی که بر اطراف حلقه‌ای از یک ماده مغناطیسی پیچیده شده باشد، مدار مغناطیسی می‌‌گویند.
حال فرض کنید که دستگاهی متشکل از تعدادی مدار که با یکدیگر برهمکنش دارند، داشته باشیم. برای اینکه بتوانیم انرژی مغناطیسی این دستگاه را بیان کنیم، فرض می‌کنیم در حالت اول کلیه این مدارها بدون جریان هستند و ما تمام جریانها را بطور هماهنگ به مقدار نهایی‌شان می‌‌رسانیم، یعنی در هر لحظه از زمان تمام جریانها کسر یکسانی از مقدار نهایی خود را دارند. البته این امر تنها زمانی درست است که مدارها صلب بوده و محیطهای موجود خطی باشند، تا انرژی نهایی به ترتیب تغییر جریانها بستگی نداشته باشد.
بنابراین اگر جریان هر مدار را با I_i و شار مغناطیسی القا شده در آن را با Ф_i نشان دهیم، به رابطه زیر خواهیم رسید:

که n تعداد مدارها می‌‌باشد. البته این رابطه را می‌‌توان برحسب القا متقابل مدارها نوشت.

چگالی انرژی در میدان مغناطیسی

رابطه‌ای که در قسمت قبلی برای انرژی مغناطیسی مدار محاسبه شد، رابطه مفید است، چون پارامترهای موجود در آن را می‌توان با اندازه گیری مستقیم بدست آورد. از طرف دیگر ، می‌‌توان انرژی را برحسب میدانهای برداری مغناطیسی و بردار شدت میدان مغناطیسی بیان کرد. در این صورت چون رابطه گویاتر است و تصویری را عرضه می‌‌کند که در آن انرژی در خود میدان مغناطیسی ذخیره شده است، لذا این بیان مفیدتر است.
این رابطه نسبت به رابطه قبلی کلی‌تر می‌باشد و اگر محیط مورد نظر ما یک محیط خطی باشد، یعنی بتوانیم با داشتن یکی از مقادیر شدت میدان مغناطیسی (H) یا القا مغناطیسی (B) یکی را برحسب دیگری محاسبه کنیم، به راحتی می‌‌توانیم مقدار انرژی ذخیره شده در آن مدار را با استفاده از حل یک انتگرال ساده از رابطه زیر محاسبه کنیم:

که در آن ضرب موجود از نوع ضرب عددی یا اسکالر است و انتگرال روی حجم مدار انجام می‌‌گیرد.

چگالی انرژی مغناطیسی

تابع انتگرال (یا سیگما) که در رابطه مربوط به انرژی مغناطیسی ظاهر می‌‌گردد، یک انتگرال حجمی ‌است که روی تمام نقاط فضا گرفته می‌‌شود و لذا بدیهی است که می‌‌توانیم انرژی واحد حجم را به عنوان چگالی انرژی مغناطیسی تعریف کنیم، یعنی اگر چگالی انرژی را با μ نشان دهیم، در این صورت

خواهد بود.
در مورد خاص اجسام مغناطیسی همسانگر و خطی که بین H و B یک رابطه خطی وجود دارد، یعنی

است که در آن μ تراوایی مغناطیسی ماده می‌‌باشد، لذا رابطه چگالی انرژی به فرم ساده زیر در می‌‌آید:

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)

تاریخچه انرژی هسته ای

می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.
علم انرژی هسته ای، شکل گرفته از مطالعات در علوم شیمی و فیزیک در سده های اخیر می باشد. در 1879 با انجام یونیزاسیون یک گاز از طریق تخلیه الکتریکی به وسیله کراکس شروع شده و در 1897 توسط تامسون الکترون به عنوان ذره باردار مسئول الکتریسیته معرفی شد.
"رونتگن" در 1895 پرتو ایکس نافذ حاصل از یک لوله تخلیه را کشف کرد و "بکرل" در 1896 پرتوهایی مشابه (که امروزه لاندا می نامیم) را یا منشا کاملا متفاوت کشف کرد که منجر به کشف اورانیوم و پدیده ی پرتوزایی شد.
در 1905 "انیشتن" نتیجه گیری کرد که جرم هر جسمی با سرعت آن افزایش پیدا می کند و فرمول مشهور خود E=mc2 راکه بیانگر هم ارزی جرم و انرژی است بیان نمود(کوری ها در 1898 عنصرپرتوزای رادیوم را جداسازی نمودند) در زمان انیشتین بررسی تجربی مقدور نبود و انیشتین نتوانست مفاهیم معادله خود را پیش بینی کند.
در اوایل قرن بیستم یک سری آزمایش با ذرات مختلف حاصل از مواد پرتوزا به فهم نسبتا شفاف ساختار اتم و هسته منجر شد. از کار "رادرفورد" و "بور" نتیجه گیری شد که اتم خنثی از نظر الکتریکی از بار منفی به شکل الکترون های احاطه کننده یک هسته مرکزی مثبت که قسمت اعظم ماده اتم را شامل می شود، تشکیل شده است. اگرچه هسته از ذرات مقید به یکدیگر از طریق نیروهای قوی هسته ای تشکیل شده است، تبدیلات هسته ای می توانند القا شوند یعنی بمباران نیتروژن با هلیم منجر به تولید اکسیژن وهیدروژن می شود.
در 1930 "بوته" و" بکر" بریلیم را با ذرات آلفای حاصل از پولونیم بمباران کردند و آنچه را که فکر کردند پرتوهای گاماست کشف کردند اما "چادویک" در 1932 نشان داد که باید نوترون ها باشند. در حال حاضر واکنش های مشابهی در راکتورهای هسته ای به عنوان چشمه نوترون به کار می رود. پرتوزایی مصنوعی اولین بار توسط "کوری" و" ژولیو" گزارش شد ذرات تزریق شده به داخل هسته های بور، منیزیوم و آلومینیوم ایزوتوپ های پرتوزای جدید عناصر متعددی را به وجود آورد. توسعه ماشین ها برای شتاب دادن ذرات باردار تا سرعت های بالا فرصت های جدیدی را برای مطالعه واکنش های هسته ای فراهم ساخت . سیکلوترون، طراحی و ساخته شده در 1932 به وسیله "لارنس" اولین سری از دستگاه های با توانمندی بالا بود.

آشنایی با عبارات و اصطلاحات هسته ای و انرژی اتمی

باوجود بحثهای فراوان درباره برنامه های اتمی ایران، هنوز به بسیاری از پرسش های افكار عمومی، به ویژه از لحاظ علمی پاسخ روشنی داده نشده است.
سعی کرده ایم برای آشنایی علاقه مندان درباره اصطلاحات هسته ای و انرژی اتمی، توضیحاتی ارائه کنیم مثلا اورانیوم چیست؟ چگونه غنی می شود؟ در كجا به مصرف تولید برق می رسد و چگونه برای ساختن بمب اتمی آماده می شود؟
دكتر كورش فرزین استادیار بازنشسته رشته فیزیك اتمی دانشگاه بوخوم آلمان که دارای ۴۰ سال سابقه تحقیق در رشته فیزیك اتمی است و در كنار همكاران آلمانی خود، مهمترین تحولات اتمی این دوران را از دیدگاه علمی دنبال كرده است، مثل واقعه چرنوبیل.
●اورانیوم چیست؟
نخستین واژه ای كه در بحث برنامه های اتمی به كار برده می شود، اورانیوم است. كورش فرزین درباره این واژه توضیح می دهد: اورانیوم سنگین ترین عنصر موجود در طبیعت است. در مركز این عنصر ۹۲ پروتون با بار مثبت و ۱۴۳ نوترون وجود دارد. یكی از مهمترین خواص اورانیوم آن است كه به سرعت تجزیه و تبدیل به عناصر دیگر می شود. اما اگر عناصر تجزیه شده را وزن كنیم، می بینیم كه وزن مجموع آن ها از وزن اولیه كمتر است. این تفاوت وزن، ناشی از تولید جرمی است كه بر اساس فرمول معروف اینشتاین انرژی عظیمی تولید می كند كه انرژی هسته ای است.
●غنی سازی اورانیوم
غنی سازی اورانیوم؛ اصطلاح رایج دیگری است كه از آغاز به راه افتادن بحث برنامه اتمی بر سر زبان ها جاری است. می خواهیم بدانیم اورانیوم اصولا چگونه غنی می شود.
برای استفاده از اجرام انرژی زا، باید اورانیوم تجزیه شود. اورانیومی كه به خوبی تجزیه می شود، اورانیوم ۲۳۵ است. اما از هر هزار واحد اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت واحد اورانیوم ۲۳۵ است. به این دلیل است كه ما باید بتوانیم اورانیوم را غنی كنیم، یعنی درصد خلوص آن را به وسیله دستگاه های غنی كننده افزایش بدهیم. یكی از متدهای رایج برای غنی سازی استفاده از سانتریفوژها است.
●سانتریفوژ چیست؟
سانتریفوژ چیست و چگونه عمل می كند؟ به این پرسش، استادیار بازنشسته دانشگاه بوخوم چنین پاسخ می دهد:
سانتریفوژ دستگاه استوانه ای شكلی است كه درست مثل توربین هواپیما پره هائی در وسط آن وجود دارد. این پره ها در هر دقیقه بیش از صدهزار چرخش دارند. در نتیجه این چرخش، اورانیوم سنگین روی دیواره آخری سانتریفوژ قرار می گیرد و اورانیوم ۲۳۵ در كنار آن می نشیند. باید هزاران سانتریفوژ در كنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم با كمك مجموعه آن ها اورانیوم را غنی كنیم. یعنی با یك یا چند سانتریفوژ نمی توان اورانیوم را غنی كرد.
●تفاوت رآكتورهای آب سبك و سنگین
در باره رآكتور آب سنگین اراك، بسیار شنیده ایم. همچنین می دانیم كه در كنار رآكتورهای آب سنگین، رآكتورهای آب سبك هم وجود دارند. از دكتر فرزین می خواهیم درباره تفاوت این رآكتورها و نقش آن ها در تولید انرژی اتمی توضیح بدهد.
وی می گوید: رآكتورهای آب سبك با آب معمولی كار می كنند. هیدروژن آب معمولی از یك پروتون تشكیل شده است، اما در هیدروژن آب سنگین یك پروتون و یك نوترون وجود دارد. برای استفاده از رآكتورهای آب سبك، به اورانیوم غنی شده نیاز داریم، اما در رآكتور آب سنگین از اورانیوم معمولی می شود استفاده كرد. به این ترتیب، در عمل استفاده از رآكتور آب سنگین، كه دولت ایران هم در پی آن است، نتیجه ای شبیه همان غنی سازی اورانیوم را خواهد داشت.
●پلوتونیوم چیست؟
در بحث های مربوط به برنامه اتمی ایران، از پلوتونیوم نیز بسیار شنیده ایم. می خواهیم بدانیم كه از این عنصر چگونه انرژی اتمی تولید می شود. دكتر فرزین در این مورد می گوید:
پلوتونیوم در طبیعت وجود ندارد، اما اگر ما یك نیروگاه برق اتمی را به كار بیاندازیم و سی روز پس از آغاز كار آن سوختش را بیرون بیاوریم، می توانیم مقدار زیادی پلوتونیوم ۲۳۹ از آن جدا كنیم و این پلوتونیوم آنقدر غنی است كه می توان مستقیما از آن بمب اتمی درست كرد.
با توجه به همین نكته است كه آمریكا و متحدانش نگران راه اندازی نیروگاه برق اتمی بوشهر در پایان سال جاری میلادی هستند. از دكتر فرزین می پرسیم كه آیا با راه افتاده نیروگاه بوشهر ایران امكان تولید بمب اتمی را خواهد داشت؟ وی می گوید: عملا این امكان وجود دارد و همه نیز آن را می دانند. برای همین است كه می گویند هركه یك رآكتور دارد می تواند بمب اتمی نیز تولید كند. مگر آن كه كنترل بین المللی جدی 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

انرژی آب

آسیابهای آبی شاید از 3 هزار سال پیش مورد استفاده بوده است. آسیابهای قدیمی دارای چرخهایی قدیمی بوده که روی میله قائم سوار می‌شده‌اند. رومیها از آسیابهایی با چرخهای قائم استفاده کرده‌اند در قرن شانزدهم انرژی آب بصورت صنعتی در آمد، تکنولوژی پیشرفته تولید انرژی الکتریکی از آب در ابعاد بزرگ در قرن نوزدهم بوجود آمد. انرژی آب یک منبع قابل تجدید (انرژی برگشت پذیر) و وابسته به انرژی خورشیدی است.

اصول فیزیکی لازم برای استفاده از انرژی آب

• انرژی ناشی از آب در کاربردهای قراردادی توان هیدرو الکتریکی مجموع انرژی پتاسیل که وضعیت یا ارتفاع مشخص می‌شود.
• انرژی جنبشی که با سرعت جریان آب مشخص می‌شود، انرژی پتاسیل آبهای ساکن با جریان یا سقوط آب به یک توربین هیدرولیکی به آسانی به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. تعریف ارتفاع انرژی: ارتفاع مربوط به انرژی مفید در هر نقطه از جریان آب با تخلیه ثابت را ارتفاع انرژی گویند و آن را با he نشان می‌دهند.
ارتفاع انرژی برای واحد جرم بصورت زیر معین می‌شود. he = Z + v2/2g که در این فرمول Z ارتفاع سطح آزاد آب و v سرعت متوسط جریان آب و g شتاب گرانشی می‌باشد. چرخهایی که در توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ارتفاع انرژی به ارتفاع آب سقوط نیز بستگی دارد. برای ارتفاع زیاد اغلب چرخ پلتون نصب می‌شود، برای ارتفاع متوسط حدود 100 متر بهتر است توربین فرامیس انتخاب شود و برای ارتفاع کمتر توربین کاپلان ترجیح داده می‌شود.

انرژی الکتریکی

هر ماده از تعداد بسیار اتم تشکیل شده است که هر اتم نیز از سه قسمت نوترون ، پروتون و الکترون تشکلیل شده است. تعداد الکترونها با تعداد پروتونها در حالت عادی (خنثی) برابر است، الکترون دارای بار منفی و پروتون دارای بار مثبت می‌باشند، که الکترونها به دور پروتن و نوترون (هسته اتم) با سرعت بسیار زیادی می‌چرخند. در اثر این چرخش نیروی گریز از مرکزی بوجود می‌آید که مقدار این نیرو با مقدار نیروی جاذبه بین الکترونها و هسته برابر است، پس این برابری نیرو الکترونها را در حالت تعادل نگه می‌دارد و نمی‌گذارد که از هسته دور شوند.
یک سیم مسی هم دارای تعداد زیادی اتم و در نتیجه الکترون است. هر گاه ما بتوانیم توسط یک نیرویی الکترونهای در حال چرخش به دور هسته را از مدار خود خارج کنیم و در یک جهت معین به حرکت در آوریم جریان الکتریکی برقرار می‌شود. پس این نکته را دریافتیم که جریان برق چیزی جز حرکت الکترونها نیست، البته این حرکت بصورت انتقالی انجام می‌شود، یعنی یک اتم تعدادی الکترون به اتم کناری خود می‌دهد و اتم کناری نیز به همین ترتیب تعدادی الکترون به اتم بعدی می‌دهد و بدین صورت جریان برقرار می‌شود. پس هر گاه که گفته شود جریان برق کم یا زیاد است، یعنی تعداد الکترونهایی که در مسیر سیم در حال حرکت هستند کم یا زیاد است.
نیروهایی که باعث جدا شدن الکترون از هسته می‌شوند

نیروی مغناطیسی خارجی

هرگاه یک سیم را در یک میدان مغناطیسی حرکت دهیم؛ نیروی این میدان باعث حرکت الکترونهای سیم می‌شود.

ضربه

فرض کنید یک اتوبوس کنار خیابان ایستاده و تمام مسافران آن محکم روی صندلیها نشستند، بعد یک اتومبیل دیگر با سرعت زیاد به جلوی این اتوبوس برخورد می‌کند. حال اتوبوس با سرعت به عقب پرتاب می‌شود و مسافران که در آنها اینرسی سکون ذخیره شده تمایل دارند که به همان حالت سکون باقی بمانند، در نتیجه اتوبوس به عقب رفته ولی مسافران در همان نقطه مکانی باقی می‌مانند. در نتیجه مسافران از صندلیهای خود جدا شده و از شیشه اتوبوس به بیرون پرتاب می‌شوند. پس این نیروی ضربه بود که مسافران را از اتوبوس جدا کرد، به همین صورت نیز ضربه می‌تواند الکترونها را از مدار خود خارج کند. نمونه این تولید برق در فندکها می‌باشد.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی نیز دارای نیرویی است که قادر است الکترونها را از مدار خود جدا کند.

حرارت و ...

حرارت باعث می‌شود که جنبش ملکولی اجسام زیاد شود، در اثر این جنبش تعداد زیادی مولکول به شدت باهم برخورد می‌کنند که همان نیروی ضربه را بوجود می‌آوردند و باعث جدا شدن الکترون از اتم می‌شوند. یک سیم مانند دالانی می‌ماند که در یک دوره زمانی مشخص تعداد معینی از افراد می‌توانند از آن عبور کنند، یعنی برای اینکه در دوره زمانی مشخص مثلا در 1 دقیقه افراد بیشتری بتوانند از این دالان عبور کنند باید سرعت حرکت آنها بیشتر شود، در نتیجه در اثر برخورد با هم و با دیواره دالان باعث ایجاد اصطکاک و گرما می‌شوند.
برای سیم نیز چنین اتفاقی می‌افتد، یعنی اگر بخواهیم تعداد الکترونهای در حال حرکت را افزایش دهیم (جریان را افزایش دهیم) سرعت حرکت الکترونها و نیز تعداد الکترونهایی که همراه باهم از مقطع سیم عبور می‌کنند افزایش می‌یابد، در نتیجه اصطکاک افزایش یافته و تولید گرما می‌کند که اگر جریان بیش از حد مجاز خود از سیم عبور کند گرمای تولید شده باعث ذوب شدن سیم می‌شود (سیم می‌سوزد).

برق

توان الکتریکی که اغلب به عنوان برق یا الکتریسیته شناخته می شود، شامل تولید و ارایه انرژی الکتریکی به میزان کافی برای راه اندازی لوازم خانگی، تجهیزات اداری، دستگاه های صنعتی و فراهم آوردن انرژی کافی برای روشنایی، پخت و پز، گرمای خانگی و صنعتی و فرایندهای صنعتی بکار می رود.

تاریخچه

اگرچه که الکتریسته به عنوان نتیجه واکنش شیمیایی ای که در یک پیل الکترولیک از زمانی که الساندرو ولتا در سال1800م این آزمایش را انجام داد، شناخته می شده است، اما تولید آن به این روش گران بوده و هست. در سال 1831م، میشل فارادی ماشینی ابداع کرد که از حرکت چرخشی تولید الکتریسته می کرد، اما حدود پنجاه سال طول کشید تا این فن آوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه شود. در سال 1878م، توماس ادیسون جایگزین عملی تجاری ای را برای روشنایی های گازی و سیستم های حرارتی ایجاد کرد و به فروش رساند که از الکتریسته جریان مستقیمی استفاده می کرد که بطور منطقه ای تولید و توزیع شده بود، استفاده می کرد. در سیستم جریان مستقیم ادیسون، ایستگاه های تولید توان اضافی می بایست نصب می شدند. بدلیل اینکه ادیسون قادر نبود سیستمی را تولید کند که به ژنراتورهای چندگانه اجازه بدهد که به یکدیگر متصل شوند، گسترش سیستم او نیاز داشت که تمامی ایستگاه های تولید جدید مورد نیاز ساخته شوند.
نیاز به نیروگاه های اضافی ابتدا توسط قانون اهم بیان شده است: بدلیل اینکه تلفات با مربع جریان یا بار و با خود مقاومت متناسب است، بکار بردن کابل های طولانی در سیستم ادیسون به مفهوم داشتن ولتاژهای خطرناک در برخی نقاط یا کابل های بزرگ و گران قیمت و یا هر دوی اینها بود.
نیکولا تسلا که مدت کوتاهی برای ادیسون کار می کرد و تئوری الکتریسته را بگونه ای درک کرده بود که ادیسون درک نکرده بود، سیستم جایگزینی را ابداع کرد که از جریان متناوب استفاده می کرد. تسلا بیان داشت که دو برابر کردن ولتاژ جریان را نصف می کند و منجر به کاهش تلفات به میزان 4/3 می شود و تنها یک سیستم جریان متناوب اجازه انتقال بین سطوح ولتاژ را در قسمت های مختلف آن سیستم ممکن می سازد. او به توسعه و تکمیل تئوری کلی سیستم اش ادامه داد و جایگزین تئوری و عملی ای را برای تمامی ابزارهای جریان مستقیم آن زمان ابداع کرد و ایده های بدیعش را در سال 1887م در 30 حق انحصاری اختراع به ثبت رساند.
در سال 1888م کار تسلا مورد توجه جرج وستینگهاوس که حق انحصاری اختراع یک ترانسفورماتور را در اختیار داشت و یک کارخانه روشنایی را از سال 1886م در گریت بارینگتون، ماساچوست راه اندازی کرده بود، قرار گرفت. اگرچه که سیستم وستینگهاوس می توانست از روشنایی های ادیسون استفاده کند و دارای گرم کننده نیز بود، اما این سیستم دارای موتور نبود. توسط تسلا و اختراع ثبت شده اش، وستینگهاوس یک سیستم قدرت برای یک معدن طلا در تلورید، کلورادو در سال 1891 ساخت که دارای یک ژنراتور آبی 100 اسب بخار(75 کیلو وات) بود که یک موتور 100 اسب بخار (75 کیلو وات) را در آنسوی خط انتقالی به فاصله 5/2 مایل (4 کیلومتر) تغذیه می کرد. سپس در یک قرارداد با جنرال الکتریک که ادیسون مجبور به فروش آن شده بود، شرکت وستینگهاوس اقدام به ساخت یک نیرگاه در نیاگارا فالس کرد که دارای سه ژنراتور تسلای 5000 اسب بخار بود که الکتریسته را به یک کوره ذوب آلومینیوم در نیاگارا ، نیویورک و به شهر بوفالو، نیویورک به فاصله 22 مایل (35 کیلومتر) انتقال می داد. نیروگاه نیاگارا در 20 آوریل 1895م شروع به کار کرد.

انرژی الکتریکی در حال حاضر

امروزه سیستم انرژی الکتریکی جریان متناوب تسلا کماکان مهمترین ابزار ارایه انرژی الکتریکی به مصرف کنندگان در سراسر جهان است. با وجود جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) برای ارسال مقادیر عظیم الکتریسته در طول فواصل بلند بکار می رود، اما قسمت اعظم تولید الکتریسته، انتقال توان الکتریکی، توزیع الکتریسته و داد و ستد الکتریسته با استفاده از جریان متناوب محقق می شود.
در بسیاری از کشورها شرکت های توان الکتریکی کلیه زیرساخت ها را از نیروگاه ها تا زیرساخت های انتقال و توزیع در اختیار دارند. به همین علت، توان الکتریکی به عنوان یک حق انحصاری طبیعی در نظر گرفته می شود. صنعت عموماْ به شدت با کنترل قیمت ها کنترل می شود و معمولا مالکیت و عملکرد آن در دست دولت است. در برخی کشورها بازارهای الکتریسته وسیع با تولید کننده ها و فروشندگان الکتریسته، الکتریسته را مانند پول نقد و سهام معامله می کنند.

ولتاژ

آیا یک منبع که ولتاژش بیشتر باشد برق بیشتری تولید می‌کند یا منبعی که جریانش بیشتر باشد؟ هرگاه یک اتم الکترنهایش را از دست دهد بار منفی آن کم می‌شود و به اصطلاح بطور مثبت باردار شده است، بین بار مثبت و منفی نیروی جاذبه وجود دارد و نیروی جاذبه یک عدد الکترون با نیروی جاذبه یک عدد پروتون برابر است. به همین جهت است که در اتم هر پروتون برای خود یک الکترون اختیار می‌کند تا اینکه بار الکتریکی اتم خنثی شود. در حالت عادی تمام اتمهای یک سیم از نظر بار الکتریکی خنثی هستند، وقتی ما توسط نیروی خارجی الکترونهای اتمهای سیم را جدا می‌کنیم و آنها را به یک سمت هدایت می‌کنیم آن طرف سیم که الکترونها به آنجا هدایت شده‌اند دارای زیادی الکترون است، پس بارش منفی می‌شود و طرف دیگر که کمبود الکترون دارد بارش مثبت می‌شود.
در نتیجه بین دو سر سیم یک اختلاف بوجود می‌آید این اختلاف بصورت انرژی پتانسیل در دو سر سیم ذخیره می‌شود تا زمانی که راهی برای خنثی شدنش پیدا کند. پس در این حالت هیچگونه جریانی در سیم و جود ندارد و فقط یک انرژی پتانسیل دو سر سیم ذخیره شده است که به این نیروی پتانسیل ولتاژ الکتریکی گویند. حال چنانچه نیروی خارجی قطع شود الکترونها به سرعت به جای قبلی خود برمی‌گردند و در یک لحظه چریان برقرار می‌شود.
پس تا زمانی که نیروی خارجی وجود دارد نمی‌گذارد که الکترونها از مسیر همان سیم به جای خود برگردند، پس باید راه دیگری پیدا کنند. برای همین اگر توسط یک سیم دیگر که میدان خارجی آن را تحت تأثیر خود قرار نداده باشد دو سر سیم قبلی را به هم وصل کنیم الکترونها راهی برای حرکت به سمت مکان کمبود الکترون پیدا می‌کنند در نتیجه جریان در سیم برقرار می‌شود. پس نتیجه گرفتیم که در یک مدار الکتریکی کار اصلی را جریان انجام می‌دهد و ولتاژ فقط یک نیروی ذخیره شده است که باعث به حرکت در آوردن الکترونها می‌شود. حال برای بهتر متوجه شدن اینکه ولتاژ چگونه باعث به حرکت در آوردن الکترونها (برقراری جریان) می‌شود، به مثال زیر دقت کنید:
فرض کنید دو لیوان داریم که یکی پر و دیگری نصفه است. لیوانها را در کنار هم قرار داده ، می‌دانیم که بین این دو لیوان اختلاف مقدار آب وجود دارد. همانگونه که بین دو سر سیم اختلاف مقدار الکترون وجود داشت اگر این لیوانها چندین ساعت هم در کنار هم قرار بگیرند هیچ اتفاقی نمی‌افتد، اما چنانچه توسط یک لوله ته دو لیوان را به هم وصل کنیم آب از طرف لیوان پر تر به سمت لیوان نصفه حرکت می‌کند تا زمانیکه سطح آب درون دو لیوان به یک اندازه شود. پس در اینجا اختلاف آب است که باعث حرکت می‌شود و در آنجا اختلاف الکترون (اختلاف پتانسیل) که این اختلاف پتانسیل خود دارای مقدار است که به آن مقدار ولتاژ می‌گویند.

پتانسیل الکتریکی

انرژی لازم (یا کار لازم) برای انتقال واحد بار الکتریکی از بی‌نهایت به جسم یا نقطه مورد نظر ، واحد پتانسیل الکتریکی در دستگاه SI ولت است و نیز اختلاف پتانسیل الکتریکی دو نقطه از مدار الکتریکی وقتی از پتانسیل بیشتر به سمت پتانسیل کم بودیم. میدان الکتریکی را به دو راه می‌توان تعریف کرد: از راه بردار میدان الکتریکی Ē و از راه کمیت نرده‌ای پتانیسل الکتریکی (V(p (پتانسیل نقطه p) و هرگاه کار لازم برای بردن یک کولن بار الکتریکی از نقطه‌ای به نقطه‌ای دیگر برابر 1J باشد. اختلاف پتانسیل میان دو نقطه برابر 1V خواهد بود.

اختلاف پتانسیل الکتریکی

اختلاف پتانسیل الکتریکی، (VB - VA) میان دو نقطه B و A در یک میدان الکتریکی برابر است با کار مکانیکی VAB، لازم برای جابجا کردن بار آزمودن مثبت q0 از A تا B تقسیم بر مقدار بار الکتریکی آزمون (q0) می‌باشد. نقطه A را به عنوان مرجع استاندارد انتخاب می‌کنیم، این نقطه معمولا در بی‌نهایت دور یا روی زمین انتخاب می‌شود که در آنجا پتانسیل الکتریکی صفر است. بنابراین ، پتانسیل الکترکی (V(p در نقطه (P(X,Y,S را می‌توان چنین تعریف کرد:
V(P) = U(P)/q0
که در آن (V(P کار لازم برای انتقال دادن بار آزمون q0 از نقطه مرجع به نقطه (P(X,Y,S است. این کار برابر است با منفی کاری که میدان الکتریکی روی بار آزمون انجام می‌دهد.

ماهیت پتانسیل الکتریکی

همانطور که جسم به هنگام حرکت در خلاف جهت نیروی گرانشی انرژِی پتانسیل کسب می‌کند. ذره باردار هم هنگام حرکت در خلاف جهت نیروی حاصل از میدان الکتریکی دارای انرژِی پتانسیل می‌شود. چون نیروی الکتریکی بر خلاف نیروی گرانشی ، می‌تواند هم به صورت جاذبه و هم به صورت دافعه باشد. جهت افزایش پتانسیل به علامت بار الکتریکی ذره و نیز به جهت میدان الکتریکی بستگی دارد. جهت میدان الکتریکی از طرف ذره با بار مثبت به طرف ذره با بار منفی (یا به طرف بی‌نهایت) است. برای جابجا کردن ذره با بار منفی در جهت میدان الکتریکی باید کار انجام گیرد. زیرا این ذره به طرف چشمه مولد میدان الکتریکی جذب می‌شود و این درست مانند جسمی است که از حال سکون رها می‌شود و بر اثر گرانی به طرف زمین کشیده می‌شود.
برای به حرکت در آوردن ذره‌ای با بار مثبت در خلاف جهت میدان الکتریکی (نیز به طرف چشمه مثبت) نیز باید کار انجام داد. ذره مثبت خود به خود در جهت میدان الکتریکی حرکت می‌کند، در نتیجه انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. در این حالت میدان الکتریکی روی ذره کار مثبت انجام می‌دهد). چون کمیت میدان الکتریکی با استفاده از آثارش روی ذره مثبت تعریف می‌شود، پتانسیل الکتریکی در جهت میدان الکتریی کاهش می‌یابد.

کاربرد پتانسیل الکتریکی در میدان الکتریکی

چون در حالتی که نیرو و جابجایی هم جهت هستند کار برابر با حاصل ضرب نیرو در جابجایی است. به کار انجام شده روی واحد بار الکتریکی وقتی که بر مسافت پیموده شده تقسیم می‌شود، حاصل آن با نیروی وارد شده بر واحد الکتریکی برابر می‌شود. پتانسیل الکتریکی به تغییر انرژی هر واحد بار است و برابر می‌شود با کار روی واحد بار با علامت منفی ، چون بنا به تعریف &&20:شدت میدان الکتریی برابر با نیروی وارد شده بر واحد بار است&&. نسبت تغییر پتانسیل الکتریکی به مسافت پیموده شده برابر می‌شود با V/∆d∆- که با میدان الکتریکی E برابر است. کاسته شدن پتانسیل در جهت میدان الکتریکی ، استفاده از علامت منفی را الزامی می‌کند.
این رابطه دقیق فقط برای میدانهای الکتریی ثابت صادق است. هنگامی که میدان الکتریکی به فاصله بستگی داشته باشد. حد تغییرات در فاصله‌های بسیار کوچک را باید در نظر گرفت. در نتیجه ، برای محاسبه میدان الکتریکی بر حسب پتانسیل باید از مشتق جزئی به صورت زیر استفاده کرد:
Ex = -5V(P)/5X
Ey = -5V(p)/5y
Ez = -5V(p)/5s
بطور کلی ، چون پتانسیل کمیتی نرده‌ای است، بهتر است ابتدا پتانسیل الکتریکی را پیدا کنیم و آنگاه میدان الکتریکی را از پتانسیل بدست آوردیم. چون پتانسیل الکتریکی بردار نیست، نسبت به بردار میدان الکتریکی E اطلاعات کمتر دارد.

سطوح هم پتانسیل

انرژی پتانسیل گرانشی جسمی که روی سطح میزی افقی حرکت می‌کند، نه کاهش پیدا می‌کند و نه افزایش می‌یابد. چنین سطحهایی برای انرژی پتانسیل الکتریکی هم وجود دارند که آنها را سطحهای هم پتانسیل می‌نامند. در سطح هم پتانسیل انرژِی پتانسیل الکتریکی تغییر نمی‌کند. در نتیجه برای حرکت ذره بار دار در این سطح نیازی به انجام کار نیست. سطح هم پتانسیل ، یک سطح فیزیکی نیست بلکه توصیفی ریاضی است.
چون پتانسیل الکتریکی در جهت میدان الکتریکی کاهش پیدا می‌کند، خطها یا سطحهای هم پتانسیل باید در هر نقطه بر میدان عمود باشند. از آنجا که در حالت تعادل الکتروستاتیکی ، میدان الکتریکی در هر نقطه بر سطح رسانا عمود است. پس سطح رسانا همیشه یک سطح هم پتانسیل است. اگر چنین نباشد، بارهای الکتریکی در روی سطح رسانا آن قدر حرکت می‌کنند تا هیچ نیرویی بر آنها وارد نشود و باز هم یک سطح هم پتانسیل بدست می‌آید. هنگامی که جسمی به زمین وصل می‌شود، به صورت سطح هم پتانسیلی در می‌آید، که پتانسیل الکتریکی آن برابر صفر است.
منابع :
انرژی http://daneshnameh.roshd.ir
انرژي خورشيدي http://www.ifco.ir
انرژي باد، انرژي حاصل از هواي متحرك http://www.hupaa.com
تاریخچه انرژی هسته ای http://www.askquran.ir
انرژی چیست ؟ http://funblog.vatanblog.com
انرژی جنبشی http://daneshnameh.roshd.ir
آشنایی با عبارات و اصطلاحات هسته ای و انرژی اتمی http://aftab.ir
/خ