الکترونیک روباتها

امروز میخواهیم کمی در مورد مفاهیم الکترونیک صحبت کنیم و تا حدودی ادای دانشمندان بزرگ را درآوردیم!

یک کمی خودتان را بگیرید، سینه جلو، سر بالا ... آها ... حالا شدید دانشمند، یک امروز را فعلا بی‌خیال روبات ساختن بشویم ببینیم دانشمندان چه میگویند تا بعدا دوباره از مطلب بعدی برگردیم سر کار اصلی خودمان.
راستش را بخواهید ممکن است درس امروز یک کمی کسل کننده و یا ثقیل باشد. اما به خواندنش حسابی می ارزد چون تا این مفاهیم را یاد نگیریم هیچ جوری نمیشود برویم سواغ بورد های روباتهای.

البته من معمولا عادت دارم کمی شلوغش کنم! ... آن قدر ها هم تئوری مزخرف نیست بابا! ... بیایید ببینید خودتان:

مفهوم نیرو الکترونیکی:

میبینم که آنهایی که عشق فیزیک هستند دارد از لب و لوچه هایشان آب سرازیر میشود!
بله ... درست است، خواستگاه اصلی الکترونیک فیزیک است، فیزیک الکترونیک. و ما هم الان یکمی در مورد این مسئله ها میخواهیم با هم حرف بزنیم.

همان طور که میدانید تمام چیز هایی که دور و بر ما هستند از واحد های کوچکی به نام مولکول درست شده اند، این مولکولها هم به نوبه خودشان از ترکیب اتمهای مختلف پدید آمده اند و سر آخر اتم ها هم از سه تا ذره الکترون، نوترون و پروتون تشکیل شده اند. البته دانشمند ها عادت دارند همه چیز را از آنچه که هست ریز تر کنند، بر همین اساس میگویند که این ذره ها هم از چیز هایی به نام کوآرک تشکیل شده است ... منتها چون خیلی علمی میشود ما فرض میکنیم که از این سه تا کوچکتر دیگر نداریم

خدا بیامرزد پدر جناب هایزنبرگ مرحوم را! ایشان یک نظریه دارد به نام " اصل عدم قطعیت هایزنبرگ" که میگوید ما هیچ جوری نمیتوانیم بفهمیم الکترون دقیقا کجای آن ابر الکترونی که گفتیم قرار دارد، فقط میتوانیم بگوییم یک چیزی این طرفها بود. البته اصل هایزنبرگ چیز های دیگری هم میگوید، که باز هم چون خیلی به روبوتیک ربطی ندارد واگذارش میکنیم به وقتی که بزرگ شدیم و رفتیم دانشگاه!

خوب حالا این همه داستان تعریف کردیم که چی بشود؟
که برسیم به این مطلب که هر چی آتش میسوزد از همین الکترون پدرسوخته میسوزد که اصلا هم معلوم نیست کجاست و چی کار میکند یا از کجا آمده و به کجا میرود....!
از صدقه سری همین الکترون های ناکجا آبادی است که الان شما توانسته‌اید کامپیوترتان را روشن کنید و به اینترنت وصل بشوید و این مطلب را مطالعه کنید. اصولا هر کاری توی الکترونیک سر و کارش با این الکترون ها است.

بیایید یک کمی علمی تر با این پدیده کوچک ولی مهم برخورد کنیم:

پایه ترین چیزی که توی الکترونیک با اون برخورد میکنیم، مثل همه جاهای دیگر فیزیک، نیروی است، نیروی الکتریکی

اصلا لازم نیست این فرمول را حفظ کنید، فقط برای اینکه بدانید قضیه چی است این فرمول را توضیح میدهم.

این فرمول میگوید که دو تا ذره بار دار، مثل دو تا الکترون یا یک الکترون و یک پروتون به هم نیرو وارد میکنند و میزان این نیرو از رابطه بالا حساب میشود. یعنی میزان نیرو به میزان هر کدام از بارهای الکتریکی ( کیو ها ) و توان دوم فاصله آنها ربط دارد. "کا" هم یک ضریب است و چیز مهمی نیست.

همان طور که میدانید الکترون ها بار منفی و پروتون ها بار مثبت دارند، بار های هم‌نام از هم دیگر فرار میکنند و بار های ناهم‌نام به طرف هم جذب میشوند.
این نیرو مبنای تمام کارکرد هایی است که توی الکترونیک میبینیم، ما با سو استفاده کردن از این نیرو باعث ایجاد اختلاف پتانسیل یا ولتاژ میشویم و یا جریانی از الکترون ها توی سیم ها به راه می‌اندازیم.

خودتون رو بگذارید جای یک الکترون بی کس و تنها!
فرض کنید دارید دور هسته اتم خودتان میچرخید، و بنا به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ کسی هم نمیتواند شما را ببیند، حالا از بد حادثه شما توی یک جسم رسانا هستید. جسم رسانا فرقش با اجسام نارسانا این است که الکترونها میتوانند به طور دلبخواهی دور هم هسته اتمی که خودشان پسندیدند بچرخند و در واقع از این هسته به اون یکی هسته پرش کنند! ... به این وضعیت در هم برهم و قاراشمیش میگویند دریای الکترونی. حالا شما در نقش یک الکترون بی کس و تنها مشغول چرخیدن به دور هسته خودتان هستید. یک هو یک دانشمندی به بی کاری پیدا میشود و میآید و از یک سر جسم رسانا یک عالمه الکترون وارد سیستم میکند، چه اتفاقی میفتد؟
معلوم است خوب، جا کم می آید بنابر این الکترون ها به هم نزدیک میشوند، بر اساس فرمول نیرو این مسئله باعث میشود که به هم نیرو وارد کنند، یعنی در حقیقت جا که کم بیاید شروع میکنند به هول دادن بغلدستی هایشان و بغلدستی ها هم به نوبه خودشان بغلدستی های خودشان را هول میدهند و همینجور بگیر و برو تا برسی به آن طرف جسم رسانا – بر اساس نسبیت آقای انیشتن این هول دادن با سرعت نور توی یک جسم رسانا حرکت میکند

بیایید این حرکت الکترون ها را بیشتر بررسی کنیم، فعلا کایر نداریک که اصلا آن آقای دانشمند قشنگ این همه الکترون از کجا آورد و یک هو ریخت توی سیم، فعلا ما در نقش یک الکترون بی کس و تنها ( مطابق شکل!) هستیم و باید گلیم خودمان را از این آب گلالود بکشیم بیرون!

این موج توی سیم شروع به حرکت میکند، میرود و میرود و میرود تا میرسد به جایی که سیم باریک میشود. یا میرد به جایی که حرکت این دریای الکترونی توی آنجا کند است.
فعلا بگذارید به مورد "جاده باریک میشود" توجه کنیم و بعد برویم سراغ "جاده پر دست انداز میشود"!

به نظر شما چه اتفاقاتی می افتد؟

این موج الکترون، درست عین موج آب دریا وقتی که به یک باریکه میرسد داخل باریکه با همان سرعت شروع به حر کت میکند اما برای موج چند تا اتفاق هم می افتد.

درست است که سرعت موج کم نمیشود اما زور آن به نسبت باریک بودن سیم کم میشود ( مثال موج دریا و کانال را به خاطر بیاورید).
ما توی فیزیک یک قانون خوب داریم به نام قانون بقای انرژی، بر اساس: این قانون حالا اینجا باید "زور موج الکترون" به نوع دیگری از انرژی تبدیل شود. توی مثال موج دریا و کانال این زور عمدتا تبدیل به صدا و موج بازگشتی میشود و البته با کمک همان زور هم یک عالمه آب از کناره های کانال به هوا پرتاب میشوند!
در تقریبا تمام انرژی به گرما تبدیل میشود. حالا این گرما ممکن است باعث پرتوزایی هم بشوند و نور هم تولید کند ( درست مانند مثل موج دریا وقتی ذرات آب توی هوا پرت میشدند)


وقتی به "جاده پر دست انداز هم میشود هم میرسیم همین اتفاق ها می افتد، یعنی سرعت حرکت موج کم نمیشود اما زورش کم میشود و در عوض انرژی گرمایی آزاد میشود. میتوانید برای خودتان مجسم کنید که "جاده پر دست انداز میشود" یعنی چی؟
میدانیم که توی ریانا ها الکترون ها تقریبا به طور آزاد حرکت میکنند. اما موادی هستند که به خاطر وجود ناخالصی تیو آنها جلوی حرکت آزاد الکترون ها مانع ایجاد میکنند و باعث میشوند که آنها کند حرکت کنند.

در کل به این جور چیز ها، چه "جاده باریک میشود" و چه " جاده پر دست‌انداز میشود" میگوییم مقاومت، یعنی این شرایط در برابر حرکت موج الکترون مقاومت ایجاد میکنند.

یادتان می اید چند پاراگراف بالاتتر گفت که : ، ما با سو استفاده کردن از این نیرو باعث ایجاد اختلاف پتانسیل یا ولتاژ میشویم و یا جریانی از الکترون ها توی سیم ها به راه می‌اندازیم"؟

حالا بیایید معنی دقیق کلمه های این جمله را بررسی کنیم:

جریان در حقیقت همان سرعت حرکت موج است. برای خودش کلی فرمول دارد، که فعلا بی خیال. همین را داشته باشید که جریان یعنی تعداد الکترون های عبوری از مقطع سیم در ثانیه ( همان سرعت حرکت موج)

ولتاژ هم معادل "زور موج الکترون ها" است. این هم برای خودش کلی فرمول و بند و بساط دارد که ما بیخیالش میشویم. در حقیقت ولتاژ یک جور هایی بیان کننده انرژی نهفته در موج الکترون است ....
اصل اصلش را بخواهید بر میگردد به مقدار زوری که آن آقای دانشمند قشنگ زده تا الکترون ها را جمع آوری کرده و توی جسم رسانای ما هل بدهد ( همان قانون بقای انرژی!)
البته معلوم است که معمولا ما از باتری یا منبع تغذیه برای این کار استفاده میکنیم و اگر دقت کرده باشید روی بدنه باتری مدار ولتاژ باتری را نوشته استف مثلا برای باتری های معمولای نوشته "1.5 ولت" یعنی به اندازه 1.5 ولت میتواند زور ایجاد کند!

حالا بین این سه تا پارامتر اصلی الکترونیک قانون اهم برقرار است

V = I * R

ترجمه:
ولتاژ برابر است با جریان ضرب در مقاومت

دوستان عشق فیزیک حتما میدانند که در اینجا دانشتن واحد ها خیلی مهم است. در این فرمول، که به قانون "اهم" مشهور است، ولتاژ که ولتاژ است ( دانشمندان به این اختلاف پتانسیل هم میگویند، ولی ما از همان اول گفتیم ولتاژ !) جریان بر حسب آمپر بیان میشود و مقاومت هم بر حسب اهم.

خیلی گیر ندهید که این ها یعنی چی، بعدا در مقاطع بالاتر تحصیلی کامل در باره آنها صحبت خواهیم کرد. فعلا تا همین جا داشته باشید که جریان را با آمپر و مقاومت را با اهم بیان میکنند.
برای اینکه یک کمی حساب کار دستتان بیاید بهتر است بدانید که اهم واحد کوچکی است و ما معمولا با کیلو هم ( یعنی هزار اهم) سر و کار داریم و در عوض آمپر واحد خیلی بزرگی است و ما معمولا با میلی آمپر ( یک هزارم آمپر) برخورد میکنیم....
از روی فرمول هم معلوم است دیگر، وقتی یک باتری فسقلی 1.5 ولت باشد باید طرف دیگر تساوی هم توی همین حدود ها بشود ( هر جای مدار که بگویید باید این قاتنون برقرار باشد) در نتیجه اگر مقدار نرمال مقاومت ما چند هزار اهم باشد باید مقدار جریان هم چند هزارم آمپر باشد دیگر

***

بیایید یک بار دیگر بررسی کنیم

وقتی یک باتری را به دو سر یک مقاومت وصل میکنیم:

بین دو سر آن مقاومت به اندازه عدد روی باتری ولتاژ می افتد
توی مقاومت بر اساس میزان مقاومت و عدد ولتاژ یک جریانی از الکترون ها برقرار میشود
زورش را به گرما تبدیل میکند و از آن طرف خارج میشود

به بخش هایی که سیاه کرده ام توجه کنید:

ولتاژ روی دو سر یک چیز می افتد، یادتان می آید دانشمندان به آن میگفتند اختلاف پتانسیل، یک کمی اسمش ثقیل بود، گذاشتم تا الان توضیح بدهم، در حقیقت ولتاژ مقدار تفاوت بین انرژی بین دو تا نقطه توی مدار است. مثلا بین سر مثبت باتری و سر منفی باتری به مقدار 1.5 ولت اختلاف انرژی وجود دارد.
حالا اگر خواستید مقدار ولتاژ جای دیگری را اندازه بگیرید یادتان باشد که باید نسبت به یک جایی اندازه بگیرید. یعنی ولتاژ برای محاسبه شدن نیاز به دو تا جا دارد تا اختلاف آنها را بیان کند.

جریان از توی یک چیزی رد میشود. معلوم است دیگر، یک موج الکترون های تنها و بی کس هستند و از توی یک چیزی رد میشوند. حالا اگر بخواهیم جریان را اندازه بگیریم باید برویم توی سیم!
یا اینکه سیم را قطع کنیم و الکترون ها را بریزیم توی شمارش گر خودمان و بعد دوباره از آنطرف شمارش گر آنها را توی سیم بیندازیم.

این دو تا نکته برای استفاده از مولتی متر – که هفته پیش معرفی کردیم – خیلی به درد میخورد. حالا دقیقترش را بعدا میبینید...

و اما نکته سوم:
نکته سوم بیان کننده یک مفهوم اساسی دیگر در الکترونیک است به نام مفهوم "توان‌" که واحدش "وات" است و از فرمول زیر حساب میشود

P = V* I
ترجمه:
توان برابر است با ولتاژ در جریان

به صورت خلاصه یعنی اینکه هر کدام از اجزای مدار که یک جریانی از آنها میگذرد و یک ولتاژی روی دو سر آنها افتاده با یک آهنگی انرژی الکتریکی را تبدیل به گرما میکنند و دود میکنند می فرستند هوا!

وقتی ولتاژ دو سر مقاومت و جریان توی آن را در هم ضرب کنیم معلوم میشود که در هر ثانیا چه قدر انرژی تلف میکند.

دقت کنید که مقدار ولتاژ و جریانی که به هر قطعه مداری تعلق میگیرد ربط مستقیم به همه چی دارد! یعنی بسته به اینکه مدار را چه جوری ببندید و باتری چند ولت باشد و اینها روی هر تکه از مدار یک اختلاف ولتاژ می افتد و توی هر تکه از مدار هم یک جریان خاص می افتد و در نتیجه هر تکه از مدار یک جوری شروع به تلف کردن انرژی میکنند....

گاهی اوقات روی قطعات الکترونیکی مینویسند که تا فلان توان تاقل استفاده است. یعنی اینکه اگر جوری در مدار قرار بگیرد که ضرب ولتاژ دو سرش در جریان داخلش از آن ععد گقته شده بیشتر شود قطعه مذکور بیچاره آن قدر داغ میکند تا بسوزد!
در حقیقت روی اجزای مداری – یا توی برگه های اطلاعات مربوط به آنها – با استفاده از مفهوم توان مینوسیند که قطعه چه قدر تاب تحمل گرما را دارد و چه وقتهایی میسوزد