بار الکتریکی: تفاوت بین نسخه‌ها

بار الکتریکی یک خاصیت فیزیکی ماده است که باعث می‌شود، هنگامی که ماده در مجاورت مادهٔ باردار دیگری قرار می‌گیرد به آن نیرو وارد شود. بار الکتریکی دو نوع است بار مثبت و بار منفی. بین دو ماده یا جسم با بارهای هم‌نام نیروی رانش ایجاد می‌شود و برعکس اگر ناهم‌نام باشند بین آن‌ها ربایش ایجاد می‌شود. در سامانه استاندارد بین‌المللی یکاها واحد بار الکتریکی کولن (C) است. البته در مهندسی برق از یکای آمپرمتر (Ah) نیز استفاده می‌کنند. در مطالعهٔ اندرکنش میان اجسام باردار، دانش الکترومغناطیس کلاسیک کافی است و از اثرهای کوانتومی صرف نظر می‌شود.

بار الکتریکی یک خاصیت پایسته در ماده است به این معنی که بار الکتریکی تولید نمی‌شود یا از بین نمی‌رود؛ بار الکتریکی از ذرات زیراتمی ماده که تعیین‌کنندهٔ خواص الکترومغناطیس ماده‌اند ناشی می‌شود. یک مادهٔ باردار الکتریکی، تولید‌کنندهٔ میدان‌های الکترومغناطیسی است و خود از آنها تاثیر می‌گیرد. اندرکنش میان یک بار متحرک و یک میدان الکترومغناطیسی عامل ایجاد نیروهای الکترومغناطیسی است. این نیرو خود یکی از چهار نیروهای بنیادی در فیزیک است.

آزمایش‌ها در قرن بیستم، توضیحی کوانتومی از بار الکتریکی ارائه کرده‌اند (این عمل را کوانتومی کردن می نامند)، به عبارت دیگر دانشمندان دریافته‌اند که بار الکتریکی خود از واحد کوچک‌تری با نام بار بنیادی تشکیل شده‌است. پروتون باری به اندازهٔ e و الکترون باری برابر با e- دارد. علم مطالعه ذرات باردار و توضیح ارتباط آنها با فوتون ها، الکترودینامیک کوانتومی نام دارد.

مقدمه

بار یک ویژگی بنیادی در انواع ماده است که به صورت ربایش یا رانش الکتروستاتیکی در حضور ماده‌ای دیگر نمود پیدا می‌کند. بار الکتریکی ویژگیی است که سرچشمهٔ آن به بسیاری از ذرات زیراتمی ماده برمی‌گردد. بارِ ذراتی که به صورت آزاد یافت می‌شوند به اندازهٔ ضریب صحیحی از بار بنیادی (بار یک الکترون) است، در این حالت می‌گوییم بار الکتریکی یک کمیت گسسته است. مایکل فاراده در آزمایش‌های برق‌کافت خود دریافت که بار الکتریکی کمیتی گسسته است. رابرت میلیکان نیز در آزمایش‌های خود به این حقیقت می‌رسد و مقدار بار یک الکترون را نیز اندازه می‌گیرد.

بنابراین به صورت کمیت‌های گسسته می‌گوییم که بار یک الکترون ۱- و بار یک پروتون ۱+ است. ذرات بارداری که بار آن‌ها هم‌نام باشد یکدیگر را می‌رانند و ذراتی که بارهای ناهم‌نام دارند یک دیگر را می‌ربایند. قانون کولمب مقدار عددی نیروی الکتروستاتیک بین دو ذرهٔ باردار را بدست می‌آورد و بیان می‌دارد که مقدار این نیرو با اندازهٔ بار ذرات رابطهٔ مستقیم و با مربع فاصلهٔ بین دو ذره رابطهٔ وارون دارد.

بار الکتریکی یک جسم برابر با مجموع بارهای الکتریکی ذرات سازندهٔ آن است. این بار به طور معمول کوچک است چون ماده از اتم ساخته شده و اتم‌ها به تعداد مساوی از پروتون و الکترون در هستهٔ خود دارند، در نتیجه از نظر الکتریکی خنثی اند. یک یون، اتمی (یا دسته‌ای از اتم‌ها) است که یک یا چند الکترون ازدست داده‌است یا به‌دست آورده‌است. اتمی که الکترون از دست دهد بار خالص آن مثبت می‌شود که آن را کاتیون می‌نامیم و اتمی که الکترون بدست آورد بار خالص آن منفی می‌شود و آن را آنیون می‌نامیم.

در هنگام تشکیل یک جسم (ماکروسکوپیک) اتم‌ها و یون‌های تشکیل دهندهٔ آن‌ به گونه‌ای با هم ترکیب می‌شوند که جسم از نظر الکتریکی خنثی باشد و یا اینکه همیشه تمایل به ازدست دادن یا گرفتن الکترون و درنتیجه خنثی بودن دارند اما به‌ندرت جسمی پیدا می‌شود که به طور خالص بی‌بار (خنثی) باشد.

گاهی یون‌ها در سراسر مادهٔ تشکیل دهندهٔ جسم پخش شده‌است و به آن جسم‌ بار مثبت یا منفی داده است. هم‌چنین اجسام رسانای جریان الکتریسیته گاهی سخت‌تر یا راحت‌تر (بسته به نوع ماده) الکترون بدست می‌آورند یا از دست می‌دهند و بار خالص مثبت یا منفی پیدا می‌کنند. به این پدیده که جسمی دارای بار غیر صفر ساکن باشد الکتریسیته ساکن می‌گوییم. به راحتی با بر روی هم مالیدن دو مادهٔ ناهمسان، مانند کهربا روی یک پارچه خزدار یا شیشه روی ابریشم می‌توانیم الکتریسیتهٔ ساکن تولید کنیم. با این روش اجسام نارسانا می‌توانند مقدار قابل توجهی بار الکتریکی بدست آورند یا ازدست دهند. واضح است که وقتی یکی از این اجسام بار الکتریکی بدست می‌آورد دیگری دقیقا به همان اندازه بار الکتریکی از دست می‌دهد و این به دلیل قانون پایستگی بار الکتریکی است که همواره برقرار است.

گاهی مجموع بارهای الکتریکی یک جسم صفر است اما بار آن به صورت غیریکنواخت پخش شده است (مثلا به دلیل حضور یک میدان الکترومغناطیسی یا دوقطبی‌های موجود در ماده) در این حالت می‌گوییم جسم قطبی شده‌است. بار الکتریکی بدست آمده از قطبی‌شدن ماده را بار مرزی، بار تولید شده بر روی یک جسم که ناشی از بار گرفته‌شده یا داده‌شده به جسمی دیگر است را بار آزاد و حرکت الکترون‌ها را در یک جهت خاص در فلزات رسانا، جریان الکتریکی می‌نامیم.

پیشینه

تالس، فیلسوف یونانی سده ششم پیش از میلاد گفته است که با مالیدن پارچه خزدار روی مواد مختلف مانند کهربا می‌توان بار یا الکتریسیته تولید کرد، همچنین یونانی‌ها گفته بودند که دکمه های باردار کهربایی می‌توانند اجسام سبک مانند مو را به سمت خود بربایند و یا اگر کهربا را برای مدت طولانی مالش دهند ممکن است جرقه تولید شود.

در سال ۱۶۰۰ دانشمند انگلیسی، ویلیام گیلبرت بازگشتی به بحث الکتریسیتهداشت و واژه لاتین الکتریکوس گرفته شده از واژه یونانی ηλεκτρον به معنی کهربا را ایجاد کرد که البته خیلی زود این واژه به شکل انگلیسی electric و electricity تغییر پیدا کرد. در سال ۱۶۶۰ اتوفون گوريك تلاش‌های گیلبرت را دنبال کرد و احتمالا او کسی است که دستگاه تولیدکننده الکتریسیته ساکن را اختراع کرده است. از دیگر اروپاییان پیشرو در این زمینه می‌توان از رابرت بویل نام برد. بویل کسی است که در سال ۱۶۶۷ اظهار داشت که ربایش و رانش الکتریکی در فضای خالی نیز امکان‌پذیر است. استفان گری در سال ۱۷۲۹ مواد را به گروه‌های رسانا و نارسانا دسته‌بندی کرد. چارلز فرانسوا دو فی در سال ۱۷۳۳ گفت که: الکتریسیته از دو راه مختلف می‌آید که می‌توانند یکدیگر را خنثی کنند او این اظهارات را با عنوان تئوری "دو سیال" مطرح کرد که: وقتی شیشه روی ابریشم مالیده می‌شود شیشه باردار می‌شود یا بار شیشه‌ای و وقتی کهربا روی خز مالیده می‌شود کهربا باردار می‌شود یا بار صمغی. در سال ۱۸۳۹ مایکل فاراده نشان داد که تقسیم‌بندی ظاهری بین الکتریسیته ساکن، جریان الکتریکی و بیوالکتریسیته درست نیست و همه این‌ها ناشی از رفتار الکتریکی قطب‌های مختلف دوقطبی‌ها است که به طور دلخواه یک را مثبت و دیگری را منفی نامیده‌ایم. بار مثبت، همان بار باقی مانده روی میله شیشه‌ای پس از مالش با ابریشم است.

بنجامین فرانکلین در قرن ۱۸ بیشترین تجربه را در این زمینه دارد. وی به حمایت از تئوری تک سیال الکتریکی بحث کرد. او تصور می‌کرد که بارالکتریکی یک سیال نامرئی است که در تمام مواد وجود دارد. مثلا او معتقد بود که شیشه است که در ظرف لیدن بار الکتریکی را انباشته می‌کند. او اثبات کرد که مالیدن دو سطح نارسانا روی هم باعث می‌شود که این سیال تغییر مکان دهد و همین‌طور جاری شدن این سیال جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. وی این را نیز اثبات کرد که اگر ماده مقدار کمی از این سیال را داشته باشد می‌گوییم بار منفی دارد و اگر مقدار اضافی از آن را داشته باشد می‌گوییم بار مثبت دارد. به طور دلخواه (یا به دلیلی که ثبت نشده است) وی انتخاب کرد که باری که روی شیشه انباشته شده، بار شیشه‌ای بار مثبت است و بار صمغی منفی است. همچنین او بود که واژه‌های بار و باتری را وارد فرهنگ الکتریسیته کرد. ویلیام واتسون نیز هم‌زمان با فرانکلین به همین نتایج رسید.

الکتریسیتهٔ ساکن و الکتریسیتهٔ جاری

الکتریسیتهٔ ساکن و جاری دو پدیدهٔ جداگانه و در اثر بار الکتریکی اند، که می‌توانند همزمان در یک جسم رخ دهند. الکتریسیتهٔ ساکن منبعی برای بار الکتریکی جسم است و اگر دو جسم که در تعادل الکتریکی نیستند را به هم بچسبانیم تخلیهٔ الکتریکی بین آن‌ها اتفاق می‌افتد. تخلیهٔ الکتریکی در بار الکتریکی هر دو جسم تغییر ایجاد می‌کند. در مقابل الکتریسیتهٔ جاری، جریان یافتن بارهای الکتریکی در یک جسم است که موجب ازدست‌دادن یا گرفتن هیچ‌گونه باری در آن جسم نمی‌شود. البته در تخلیه الکتریکی هم بارها از یکی به سمت دیگری جاری می‌شود اما این جریان خیلی کوتاه است که بخواهیم آن را جریان الکتریکی بخوانیم.

باردار کردن از راه تماس

یک آزمایس ساده

یک میلهٔ شیشه‌ای و صمغ را در نظر بگیرید، هیچ کدام از آن‌ها خواص الکتریکی از خود نشان نمی‌دهند؛ آن‌ها را باهم مالش دهید و همچنان در تماس با هم نگه دارید، همچنان هیچ اثر الکتریکی از خود نشان نمی‌دهند؛ حال آن‌ها را از هم جدا کنید حالا یکدیگر را جذب می‌کنند. اگر میلهٔ شیشه‌ای دیگری را با صمغ دیگری مالش دهید و آن دو را جدا از هم قرار دهید و دو میله شیشه‌ای را در کنار هم و دو تکه صمغ را هم کنار هم از نقطه‌ای آویزان کنید می‌بینید که:

1. دو میلهٔ شیشه‌ای یکدیگر را می‌رانند.
2. هر دو میلهٔ شیشه‌ای صمغ را می‌ربایند.
3. دو تکه صمغ یکدیگر را می‌رانند.

این پدیده‌های ربایش و رانش در هر دو مادهٔ دیگری که مانند شیشه و صمغ باردار شده باشد دقیقا به همین شکل تکرار می‌شود. جسمی که شیشه را براند می‌گوییم به شکل شیشه‌ای باردار شده و اگر جسمی شیشه را جذب کند و صمغ را براند می‌گوییم به شکل صمغی باردار شده‌است.

امروزه در کاربرد علمی می‌گوییم جسمی که مانند شیشه باردار باشد بار مثبت و اگر مانند صمغ باردار باشد بار منفی دارد این علامت‌گذاری‌ها مانند قراردادهای ریاضی در علامت‌گذاری‌اند. هیچ نیرویی (ربایش یا رانش) بین یک جسم بدون بار و یک جسم باردار وجود ندارد.

در نگاه میکروسکوپی، راه‌های زیادی برای بوجود آمدن جریان الکتریکی وجود دارد مانند حرکت الکترون‌ها، حرکت حفره الکترونی که مانند جابجایی بار مثبت می‌ماند و یا حرکت ذره‌های مثبت یا منفی یونی (یون‌ها یا هر ذره باردار دیگری در جهت خلاف یکدیگر در برق‌کافت یا پلاسما حرکت می‌کنند). حرکت هرکدام از این ذرات باردار در ماده ایجاد جریان الکتریکی می‌کند و معمولا هم گفته نمی‌شود که ذره در حال جریان بار مثبت حمل می‌کند یا منفی.

کاربرد نیروهای الکتریکی بین اجسام باردار

نیروهای الکتریکی موجود بین اجسام باردار در صنعت کاربردهای زیادی دارند، که از آن جمله می‌توان به رنگ افشانی الکتروستاتیکی، گردنشانی، دود گیری، مرکب پاشی چاپگرها و فتوکپی اشاره کرد. به عنوان مثال در یک دستگاه فتوکپی دانه‌های حامل ماشین با ذرات گرد سیاه رنگی که تونر نام دارد، پوشیده می‌شوند. این ذرات بوسیله نیروهای الکتروستاتیکی به دانه حامل می‌چسبند.

ذرات با بار منفی تونر، سرانجام از دانه‌های حاملشان جدا می‌شوند. جذب این ذرات توسط تصویر با بار مثبت متن مورد نسخه برداری، که بر روی یک غلتک چرخان قرار دارد، صورت می‌گیرد. آنگاه ورقه کاغذ باردار ذرات تونر را روی غلتک جذب می‌کند و بعد از پخته شدن و نشستن ذرات بر روی کاغذ، کپی مورد نظر به‌دست می‌آید.

جستارهای دیگر

• میدان الکتریکی
• یون

منابع

ویکی پدیا فارسی[۱]