فرکانس ها 16 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 17

انرژی الکتریکی در صنعت به دو صورت ارائه می شود:a- جریان متناوب: که از زمان قدیم مورد استفاده بوده است و امروز در محدوده بسیاری بزرگی از احتیاجات انرژی الکتریکی به کار می رود.این نوع ولتاژ به راحتی توسط یک ترانسفورماتور قابل تنظیم برای انتقال انرژی و توزیع ومصرف می باشد.دربعضی مواقع که لازم است توسط فرکانسی غیر از فرکانس شبکه کار کنیم بعلت اینکه از منبع انرژی جداگانه ای استفاده نکینم لازم است یک کبدل فرکانسی را به کار ببریم.b- جریان مستقیم:این نوع جریان برای تولید و توزیع به کارنمی رودو لیکن در بعضی موارد مانند استفاده از لوازم حفاظتی و یا شارژ باطری ها مجبوریم از آن استفاده نمائیم یک حالت خاص و خیلی مهم در کاربرد جریان مستقیم انتقال انرژی در ولتاژهای خیلی بالاست مانند وصل شبکه اهی بین قاره ای و بین المللی برای انتقال انری به فواصل بسیار دور استدراین حالت شبکه های انتقال درمحل تولیدانرژی از یک مبدل متناوب به مستقیم گذشته و در انتهای خط از یک مبدل مستقیم به متناوب می گذردنقش مبدل های استاتیک انرژی الکتریکی عبارت است از آداپته کردن تولید و مصرف . دراین مورد راه حل های الکترومکانیکی نیز وجوددارد که از جمله می توان گروهای تبدیل کننده و یا کموتاسیون را نام برد. راه حل های کاملا استاتیک نیز لامپ های تیوب یا همان خلا و یا نیمه هادی ها نیز وجود داردکه بعدا به طور مفصل به آنها پرداخته خواهد شد.

انواع مختلف مبدل ها:A:مبدل های متناوب - مستقیم (یا یکسو کننده های Rectifier-Redresseur)منبع تولید انرژی عبارت است از یک ژنراتور ولتاژمتناوب یک فازه یا چند فازه . دراین حالت نقش مبدل عبارت است از این که:((جریان را دربار دریک جهت معین به گردش درمیاورد.))دراین دستگا ها ازالمانهائی (Elements)نظیردیود و تریستورو....که جریان را فقط دریک جهت از خود عبور می دهندتشکیل می شود.مورد استعمال این دستگاها خیلی زیاد است به خصوص درمورد یکسو کننده های کنترل شده که امکان رگلاژخیلی ظریف را نیز به ما می دهد.حدود ولتاژ دراین گونه از مبدل ها از چند ولت تا چندین صد هزارولت (خطوط انرژی جریان مستقیم ) و حدود جریان آ‹ها از چند میلی آمپر تا چند صد هزار آمپر(وسایل الکتروشیمی) تغییر می کند.موادر استعمال این گونه از مبدل ها عبارت است از:1- تغذیه جریان مستقیم وسایل مختلف از قبیل وسایل الکترونیکی وامپلی فایرهاو......و تغذیه قسمت های کنترلی سیستم های الکتریکی و الکترونیکی2- شارژباطریها3-الکترومتالوژی - الکتروشیمی4- تغییر سرعت موتورهای جریان مستقیم5-کشش الکتریکی (Traction)B: مبدل های مستقیم - متناوب (اندولر یا اینورتر     Inverter - Onduleur)هدف از تولید این وسایل این است که از یک ژنراتورمستقیم یک منبع ولتاژ یا جریان متناوب (سینوسی یا غیر سینوسی )با یک فرکانس ثابت یا متغییر بتوان به دست آورد.نقش اصلی این مبدل ها انتقال انرژی گرفته شده از یک منبع جریان مستقیم به یک شبکه جریان متناوب است.موارد اساسی این مبدل هاعبارت است از:1- جانشین شدن یک شبکه (برای مدت معینی )بعنوان یک گروه کمکی برای تغذیه یک سری تشکیلات که درحالت عادی توسط شبکه تغذیه می شونددرمواردئیکه که شبکه قطع می شوند(تغذیه اضظراری)2- ژنراتور ولتاژ متناوب با فرکانسی متغییر درانتقال قدرت بالاو همچنینی درکوره های القائی و......3-انتقال انرژی از یک ژنراتور جریان مستقیم به یک شبکه جریان متناوب4-برگشت دادن انرژی مانند کشش الکتریکی یا ترمز الکتریکیC:مبدلهای متناوب - متناوب(تغییر دهنده فرکانسی)یک یکسوکننده همراه با یک اندولرامکان ایجاد یک جریان با فرکانس دلخواه ( تا چند هزار هرتز) را ازجریان با فرکانس برق صنعتی بدست می دهداین مونتاژ هم چنین بهم متصل نمودن شبکه ها با فرکانس های متفاوت را بوجود میاورد.D:مبدل های مستقیم - مستقیماین مونتاژ برای تبادل انرژی بین دو شبکه جریان مستقیم که با ولتاژهای مختلف کار می کند به کا رمی رود.

انرژی هسته ای 23 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 23

انرژی هسته ای

چکیده وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور می‌شود. اگر ما انرژی هسته‌ای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار می‌دهد، آشنا ‌شویم، شیفته آن خواهیم شد.

آیا می‌دانید که

انرژی گرمایی تولید شده از واکنشهای هسته‌ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟

منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق می‌تواند تولید کند؟

کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ای را می‌برند، کدامند؟ و ... .

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای

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.

کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای

گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.

سوخت راکتورهای هسته‌ای

ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.

مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها

بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.

اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ 235U نفوذ کند،

در اثربرخورد به هسته اتم 235U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود که

اصطلاحا شکافت هسته‌ای نامیده می‌شود.

در واکنشهای شکافت هسته‌ای مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد (در حدود 200Mev)، اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته 235U ، آزادی دو نوترون است که می‌تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد. این چهار نوترون نیز چهار هسته 235U را می‌شکند. چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند. سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می‌شود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته‌ای شروع

فرکانس ها 16 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 15

انرژی الکتریکی در صنعت به دو صورت ارائه می شود:a- جریان متناوب: که از زمان قدیم مورد استفاده بوده است و امروز در محدوده بسیاری بزرگی از احتیاجات انرژی الکتریکی به کار می رود.این نوع ولتاژ به راحتی توسط یک ترانسفورماتور قابل تنظیم برای انتقال انرژی و توزیع ومصرف می باشد.دربعضی مواقع که لازم است توسط فرکانسی غیر از فرکانس شبکه کار کنیم بعلت اینکه از منبع انرژی جداگانه ای استفاده نکینم لازم است یک کبدل فرکانسی را به کار ببریم.b- جریان مستقیم:این نوع جریان برای تولید و توزیع به کارنمی رودو لیکن در بعضی موارد مانند استفاده از لوازم حفاظتی و یا شارژ باطری ها مجبوریم از آن استفاده نمائیم یک حالت خاص و خیلی مهم در کاربرد جریان مستقیم انتقال انرژی در ولتاژهای خیلی بالاست مانند وصل شبکه اهی بین قاره ای و بین المللی برای انتقال انری به فواصل بسیار دور استدراین حالت شبکه های انتقال درمحل تولیدانرژی از یک مبدل متناوب به مستقیم گذشته و در انتهای خط از یک مبدل مستقیم به متناوب می گذردنقش مبدل های استاتیک انرژی الکتریکی عبارت است از آداپته کردن تولید و مصرف . دراین مورد راه حل های الکترومکانیکی نیز وجوددارد که از جمله می توان گروهای تبدیل کننده و یا کموتاسیون را نام برد. راه حل های کاملا استاتیک نیز لامپ های تیوب یا همان خلا و یا نیمه هادی ها نیز وجود داردکه بعدا به طور مفصل به آنها پرداخته خواهد شد.

انواع مختلف مبدل ها:A:مبدل های متناوب - مستقیم (یا یکسو کننده های Rectifier-Redresseur)منبع تولید انرژی عبارت است از یک ژنراتور ولتاژمتناوب یک فازه یا چند فازه . دراین حالت نقش مبدل عبارت است از این که:((جریان را دربار دریک جهت معین به گردش درمیاورد.))دراین دستگا ها ازالمانهائی (Elements)نظیردیود و تریستورو....که جریان را فقط دریک جهت از خود عبور می دهندتشکیل می شود.مورد استعمال این دستگاها خیلی زیاد است به خصوص درمورد یکسو کننده های کنترل شده که امکان رگلاژخیلی ظریف را نیز به ما می دهد.حدود ولتاژ دراین گونه از مبدل ها از چند ولت تا چندین صد هزارولت (خطوط انرژی جریان مستقیم ) و حدود جریان آ‹ها از چند میلی آمپر تا چند صد هزار آمپر(وسایل الکتروشیمی) تغییر می کند.موادر استعمال این گونه از مبدل ها عبارت است از:1- تغذیه جریان مستقیم وسایل مختلف از قبیل وسایل الکترونیکی وامپلی فایرهاو......و تغذیه قسمت های کنترلی سیستم های الکتریکی و الکترونیکی2- شارژباطریها3-الکترومتالوژی - الکتروشیمی4- تغییر سرعت موتورهای جریان مستقیم5-کشش الکتریکی (Traction)B: مبدل های مستقیم - متناوب (اندولر یا اینورتر     Inverter - Onduleur)هدف از تولید این وسایل این است که از یک ژنراتورمستقیم یک منبع ولتاژ یا جریان متناوب (سینوسی یا غیر سینوسی )با یک فرکانس ثابت یا متغییر بتوان به دست آورد.نقش اصلی این مبدل ها انتقال انرژی گرفته شده از یک منبع جریان مستقیم به یک شبکه جریان متناوب است.موارد اساسی این مبدل هاعبارت است از:1- جانشین شدن یک شبکه (برای مدت معینی )بعنوان یک گروه کمکی برای تغذیه یک سری تشکیلات که درحالت عادی توسط شبکه تغذیه می شونددرمواردئیکه که شبکه قطع می شوند(تغذیه اضظراری)2- ژنراتور ولتاژ متناوب با فرکانسی متغییر درانتقال قدرت بالاو همچنینی درکوره های القائی و......3-انتقال انرژی از یک ژنراتور جریان مستقیم به یک شبکه جریان متناوب4-برگشت دادن انرژی مانند کشش الکتریکی یا ترمز الکتریکیC:مبدلهای متناوب - متناوب(تغییر دهنده فرکانسی)یک یکسوکننده همراه با یک اندولرامکان ایجاد یک جریان با فرکانس دلخواه ( تا چند هزار هرتز) را ازجریان با فرکانس برق صنعتی بدست می دهداین مونتاژ هم چنین بهم متصل نمودن شبکه ها با فرکانس های متفاوت را بوجود میاورد.D:مبدل های مستقیم - مستقیماین مونتاژ برای تبادل انرژی بین دو شبکه جریان مستقیم که با ولتاژهای مختلف کار می کند به کا رمی رود.این سیستم عبارت است ازیک اندولرکه بطورسری با یک گروه یکسو کننده قرارگرفته باشدیک ترانسفورماتور که بین اندولر و یکسوکننده قرار گرفته باشدعمل آداپته کردن ولتاژرا انجام می دهد.

مبدل های DC به DC فرکانس بالا با ویژگی حفاظت load-dump:

به گزارش سرویس علم و فناوری  پایگاه اطلاع رسانی صبا به نقل از پاور الکترونیس ، این مبدل ها طوری طراحی شده اند که برای کار مستقیماً از باتری خودرو استفاده می

انرژی گرمایی درون زمین 37 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 37

انرژی گرمایی درون زمین

مرکز زمین( به عمق تقریبی 6400 کیلومتر)که در حدود 4000 درجه سانتیگراد حرارت دارد، به عنوان یک منبع حرارتی عمل نموده و موجب تشکیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت 650 تا 1200 درجه سانتیگراد در اعماق 80 تا 100 کیلومتری از سطح زمین می گردد. بطورمیانگین میزان انتشار این حرارت از سطح زمین که فرایندی مستمر است معادل 82 میلی وات در واحد سطح است که با در نظر گرفتن مساحت کل سطح زمین(10*1/5 متر مربع) ، مجموع کل اتلاف حرارت از سطح آن، برابر با 42 ملیون مگاوات است. در واقع این میزان حرارت غیر عادی، عامل اصلی پدیده های زمین شناسی از جمله فعالیتهای آتشفشانی، ایجاد زمین لرزه ها، پیدایش رشته کوه ها( فعالیتهای کوه زایی) و همچنین جابجایی صفحات تکتونیکی می باشد که کره زمین را به یک سیستم دینامیک تبدیل نموده و پیوسته آن را تحت تغییرات گوناگون قرار می دهد.امروزه با بهره گیری از فنآوریهای موجود، تنها بخش کوچکی از این منبع سرشار مهار شده و بطور اقتصادی قابل بهره برداری است.بنابراین انرژی زمین گرمایی، همان انرژی حرارتی قابل استحصال از پوسته جامد زمین است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژی های تجدیدپذیر منشاء یک انرژی پایدار با فاکتور دسترسی 100% است که بطور شبانه روزی در طول سال قابل بهره برداری است.از انرژی زمین گرمایی در دو بخش کاربردهای نیروگاهی( غیر مستقیم) و غیر نیروگاهی ( مستقیم) استفاده می شود. تولید برق از منابع زمین گرمایی هم اکنون در 22 کشور جهان صورت میگیرد که مجموع قدرت اسمی کل نیروگاههای تولید برق از این انرژی بیش از 8000 مگاوات می باشد. این در حالی است که بیش از 64 کشور جهان نیز با مجموع ظرفیت نصب شده بیش از 15000 مگاوات حرارتی از این منبع انرژی در کاربردهای غیر نیروگاهی بهره برداری می نمایند.نیروگاه زمین گرمایی تبخیر آنیدر این نیروگاه ها سیالی که معمولاً به حالت دوفاز مایع و بخار از اعماق زمین واز طریق چاه های زمین گرمایی استخراج می شود به مخزن جدا کننده هدایت شده و بدینوسیله فاز بخار از فاز مایع جدا می شود.بخار جدا شده وارد توربین شده و باعث چرخش پره های توربین می شود.پره ها نیز به نوبه خود محور توربین و در نتیجه محور ژنراتور رابه حرکت وا می دارند که باعث بوجود آمدن قطبهای مثبت و منفی در ژنراتور شده و در نتیجه برق تولید می شود.نیروگاه زمین گرمایی با چرخه دو مداره(باینری)در این نوع نیروگاه ها نیاز به مخزن جداکننده در تجهیزات نیروگاه وجود ندارد زیراآب گرم استخراج شده وارد مبدل حرارتی شده و حرارت خود را به سیال عامل دیگری که معمولاً ایزوپنتان می باشد و نقطه جوش پایینتری نسبت به آب دارد منتقل میکند. در این فرآیند ایزوپنتان به بخار تبدیل شده و به توربین منتقل می شود که در اینجا توربین و ژنراتور طبق توضیحات فوق می توانند برق تولید کنند.از کاربردهای مستقیم انرژی زمین گرمایی میتوان به مواردی همچون احداث مراکز آب درمانی و تفریحی-توریستی ، گرمایش انواع گلخانه، احداث مراکز پرورش آبزیان و طیور، پیش گیری از یخ زدگی معابر در فصل سرما، تامین گرمایش و سرمایش ساختمانها توسط پمپهای حرارتی زمین گرمایی اشاره نمود.

از گرمای درونزمینی که زیر پای ما قرار دارد، منبع بسیار عظیم انرژی است. این انرژی که به صورت حرارت از اعماق زمین به سطح آن هدایت می شود در صورت توسعه فناوری استخراج آن، به تنهایی قادر خواهد بود کلیه نیازهای انرژی امروز و آینده بشر را تامین کند. زمینی که زیر پای ما قرار دارد، منبع بسیار عظیم انرژی است. این انرژی که به صورت حرارت از اعماق زمین به سطح آن هدایت می شود در صورت توسعه فناوری استخراج آن، به تنهایی قادر خواهد بود کلیه نیازهای انرژی امروز و آینده بشر را تامین کند. طبق محاسبه ها، مشخص شده است که انرژی حرارتی ذخیره شده در ۱۱ کیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر کل انرژی به دست آمده از منابع نفت و گاز شناخته شده امروز جهان است. پس این منبع عظیم انرژی می تواند در آینده جایگزین قابل اطمینانی برای انرژی حاصل از سوخت های فسیلی باشد. البته بدیهی است که بهره برداری گسترده از ذخایر انرژی زمین گرمایی، مستلزم توسعه بیشتر در زمینه تکنیک های اکتشاف و استخراج آن است.●انرژی زمین گرمایی چیستاصطلاح زمین گرمایی ترجمه واژه Geothermal است که ریشه یونانی داشته و از کلمات Geo به معنای زمین و Therme به معنی حرارت تشکیل شده است. در حقیقت انرژی زمین گرمایی، انرژی ای است که از سیال آب داغ

انرژی پتانسیل 14 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 14

انرژی پتانسیل

نگاه اجمالی

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.

تجربه ژول

در اکثر مشاهدات روزمره، می بینید که انرژی مکانیکی یک جسم از انرژی پتانسیل به جنبشی و یا بالعکس تبدیل می شود. اما اگر با دقت سیستم‏های مکانیکی را مطالعه کنیم یا برای مدت طولانی حرکت آنها را بررسی کنیم، مشاهده می‏ کنیم که قانون بقای انرژی مکانیکی نقض می‏ شود.