همه آنچه باید از بار الکتریکی در فیزیک بدانیم

امروز فضای مجازی و بستر اینترنت به یکی از مراجع مهم برای دانش آموزان تبدیل شده است تا با مراجعه به آن پاسخ بسیاری از پرسش های خود را بیابند.

تحریریۀ مدرسه آنلاین تلاش می‌کند تا در این بخش اطلاعات به روز و مستندی را پیرامون موضوعات درسی تهیه و در اختیار کاربران فضای مجازی قرار دهد.

امروز به بحث بار الکتریکی در فیزیک دهم می‌پردازیم.

بار الکتریکی چیست؟

بار الکتریکی یکی از خواص ماده است. در حقیقت، وقتی دو مادۀ باردار در مجاورت هم قرار می‌گیرند، به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند.

حتماً تا به حال با پدیده‌‌های بسیاری که ناشی از الکتریسیتۀ ساکن هستند، مواجه شده‌‌اید. به عنوان مثال، هنگامی که لباس‌‌های خود را از خشک‌‌کن بیرون می‌‌آورید، مشاهده می‌‌کنید که بیشتر آن‌‌ها به یکدیگر می‌‌چسبند و حتی بعضی از آن‌‌ها خیلی سخت از هم جدا می‌‌شوند.

همچنین، زمانی که لباس پشمی خود را به سرعت از تن در می‌‌آورید، می‌بینید که به موی سر شما می‌‌چسبد و حتی گاهی اوقات صدایی از آن شنیده می‌‌شود. اگر موی خود را در یک روز خشک شانه کنید و سپس شانه را نزدیک باریکه آبی که از شیر آب بیرون می‌‌آید قرار دهید، مشاهده خواهید کرد که جریان آب به سمت شانه منحرف می‌‌شود.

همچنین، اگر این شانه را به چند تکه کاغذ نزدیک کنید، تکه‌‌های کاغذ به سمت شانه کشیده خواهند شد. مثال دیگری که می‌‌توان به آن اشاره کرد، مالش دادن بادکنک روی دیوار و چسبیدن آن به دیوار است. شاید آزاردهنده‌‌ترین اثر الکتریسیته ساکن برای شما دریافت شوکی است که به دلیل دست زدن به دستگیره در یا حتی دوست خود بعد از راه رفتن روی بعضی از فرش‌‌ها ایجاد می‌‌شود.

بسیاری از این پدیده‌‌ها از قرن‌‌ها پیش شناخته شده بودند. تالس، فیلسوف یونان باستان، در نوشته‌‌های خود یادداشت کرده بود که در اثر مالش شدید کهربا (صمغ فسیل‌ شده سفت و معمولاً شفاف که از درختان به دست می‌‌آید) با پارچه پشمی، نیرویی به وجود آمده است که باعث شده پارچه پشمی و کهربا به سمت هم جذب شوند. علاوه بر این، او پی برد که نه تنها کهربای مالش‌‌ داده‌‌ شده و پارچه پشمی به سمت هم کشیده می‌‌شوند، بلکه هر دوی آن‌‌ها می‌‌توانند روی سایر اشیاء (غیرفلزی) نیز تأثیر بگذارند، حتی اگر با آن اشیاء در تماس نباشند.
هنگامی که کهربا و پارچه پشمی به همدیگر مالش داده می‌‌شوند، کهربا الکترون‌‌های بیشتری دریافت می‌‌کند و بار خالص منفی بدست می‌‌آورد. به طور همزمان، پارچه نیز الکترون از دست داده و بار خالص آن مثبت می‌‌شود.

فیزیک‌‌دان انگلیسی، ویلیام گیلبرت  با استفاده از مواد گوناگون، در مورد نیروی جاذبه حاصل از مالش دو جسم به یکدیگر تحقیق کرد. او علاوه بر کهربا، سنگ بلور و سنگ‌‌های قیمتی و نیمه قیمتی گوناگونی را نیز مورد بررسی قرار داد. همچنین، چندین فلز را نیز امتحان کرد و دریافت که برخلاف کانی‌‌ها، فلزات هرگز این نیرو را بروز نمی‌‌دهند.

اگرچه یک قطعه کهربای باردار، پارچه پشمی را جذب می‌‌کند، اما یک قطعه کهربای باردار دیگر را دفع خواهد کرد؛ به طور مشابه، دو تکه پارچه پشمی باردار نیز همدیگر را دفع می‌‌کنند.

مالش اجسام به یکدیگر نشان می‌‌دهد که دو نوع ویژگی الکتریکی می‌‌تواند در اجسام وجود داشته باشد. این ویژگی، بار الکتریکی نامیده می‌‌شود. تفاوت این دو نوع بار الکتریکی مربوط به جهت نیروهای الکتریکی است که هر کدام از آن‌‌ها ایجاد می‌‌کنند. در واقع، اگر دو جسمی که برهم‌‌کنش دارند، دارای بار مشابهی باشند، نیروی بین آن‌‌ها دافعه است و درصورتی که بار آن‌‌ها مخالف هم باشد، این نیرو جاذبه خواهد بود. ویژگی جالب این نیرو این است که برای ایجاد شتاب، نیازی به تماس فیزیکی بین دو جسم ندارد. این نیرو نمونه‌‌ای از نیروی «دوربرد» است که بعدها آلبرت انیشتین آن را به عنوان «کنش از راه دور» بیان کرد.

فیزیک‌‌دان و سیاست‌‌مدار آمریکایی، بنجامین فرانکلین  دریافت که می‌‌تواند با استفاده از وسیله‌‌ای به نام بطری لیدن بار الکتریکی را جمع‌‌آوری کند. این بطری شیشه‌‌ای به وسیله دو ورقه فلزی که یکی از آن‌‌ها در داخل و دیگری در بیرون شیشه قرار دارد، می‌‌تواند یک نیروی الکتریکی بزرگ بین ورقه‌‌ها ایجاد کند. بطری لیدن نمونه قدیمی خازن است و به آزمایشگران این امکان را می‌‌دهد تا مقدار زیادی بار الکتریکی ذخیره کنند. بنجامین فرانکلین از این بطری استفاده کرد تا نشان دهد که صاعقه نیز درست شبیه الکتریسیته عمل می‌‌کند.

فرانکلین معتقد بود با فرض اینکه یکی از دو نوع بار بی‌‌حرکت باقی می‌‌ماند و نوع دیگر از یک قطعه ورقه به سمت ورقه دیگر جریان می‌‌یابد، می‌‌توان عملکرد این بطری را برای ایجاد نیروی الکتریکی، توضیح داد. او همچنین پیشنهاد کرد که اضافه بودن بار الکتریکی متحرک، «الکتریسیته مثبت» و کمبود آن «الکتریسیته منفی» نامیده شود. پیشنهاد او با اندکی اصلاح جزئی، مدلی است که امروزه از آن استفاده می‌‌کنیم. او هیچ روشی برای تعیین علامت بار متحرک نداشت و حدس او در مورد نامگذاری بارها اشتباه بود، اما به احترام او تا به امروز از این نامگذاری پیروی شده است و می‌‌دانیم بارهایی که جریان دارند، آن‌‌هایی هستند که فرانکلین آن‌‌ها را منفی نامگذاری کرده بود و بارهای مثبت نیز آن‌‌هایی هستند که عمدتاً بی‌‌حرکت باقی می‌‌مانند.

مشاهدات خاصی درباره نیروی الکتریکی به دست آمده است که شامل موارد زیر است:

این نیرو بدون تماس فیزیکی بین دو جسم اعمال می‌‌شود.

این نیرو می‌‌تواند جاذبه یا دافعه باشد؛ اگر دو جسمی که برهم‌‌کنش دارند، حامل بار همنام باشند، نیروی بین آن‌‌ها دافعه است، اما اگر بارها ناهمنام باشند، این نیرو جاذبه خواهد بود. این برهم‌‌کنش‌‌ها به ترتیب، به دافعه و جاذبه الکتروستاتیکی مربوط می‌‌شوند.

همه اجسام تحت تأثیر این نیرو قرار نمی‌‌گیرند.

اندازه این نیرو با افزایش فاصله بین اجسام، به سرعت کاهش می‌‌یابد.

به طور دقیق‌‌تر، می‌‌توان گفت اگر مجذور فاصله بین دو جسم باردار افزایش یابد، اندازه این نیرو کاهش می‌‌یابد. به عنوان مثال، هنگامی که فاصله بین دو جسم باردار دو برابر می‌‌شود، اندازه نیروی بین آن‌‌ها نسبت به حالت قبل، به اندازه یک‌‌چهارم کاهش می‌‌یابد. همچنین، محیطی که اجسام باردار در آن قرار دارند نیز می‌‌تواند بر اندازه این نیرو تأثیر بگذارد.

ویژگی‌‌های بار الکتریکی

ویژگی‌های بار الکتریکی عبارتند از:

بار الکتریکی کوانتیده است. کمترین مقدار باری که یک جسم می‌‌تواند داشته باشد، در دستگاه SI، برابر است با $$e \equiv 1.602 \times 10^{-19} \, C$$. هیچ ذره آزادی نمی‌‌تواند باری کمتر از این مقدار داشته باشد. از این رو، بار روی تمام اجسام باید مضرب صحیحی از این مقدار باشد.

اندازه بار مستقل از نوع آن است. کوچکترین بار مثبت ممکن $$+1.602 \times 10^{-19} \, C$$ و کوچکترین بار منفی ممکن برابر با $$-1.602 \times 10^{-19} \, C$$ است؛ قدر مطلق این مقادیر دقیقاً با هم برابرند.

بار پایسته است. بار الکتریکی نه به وجود می‌‌آید و نه از بین می‌‌رود، بلکه فقط از جایی به جای دیگر و از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌‌شود. از این رو، می‌‌توان گفت که بار خالص جهان ثابت است.

بار در سیستم‌‌های بسته پایسته است. از آنجایی که بین یک سیستم بسته و محیط اطراف آن، تبادل بار الکتریکی وجود ندارد، بار خالص در یک سیستم بسته ثابت خواهد بود.

دو مورد آخر به عنوان قانون پایستگی بار شناخته می‌‌شوند.

ساختار اتم

همان‌طور که می‌‌دانیم، اتم از ذرات باردار مثبت و منفی ساخته شده است. ذره باردار منفی نخستین ذره‌‌ای بود که کشف شد. فیزیک‌‌دان انگلیسی، ویلیام کروکس (William Crookes) با آزمایش روی پرتوهای کاتدی نشان داد که این پرتوها بار منفی دارند. این نتیجه دلیل محکمی برای خاصیت ذره‌‌ای این پرتوها بود. چند سال بعد، در سال 1897، فیزیک‌‌دان انگلیسی جوزف جان تامسون (J. J. Thomson) پرتوهای کاتدی را مورد بررسی قرار داد. او پرتو خالصی از این ذرات را از طریق میدان‌‌های الکتریکی و مغناطیسی گسیل کرد و شدت‌‌های مختلفی از میدان را امتحان کرد تا انحراف خالص این پرتو صفر شود. او به کمک این آزمایش توانست نسبت بار به جرم این ذره را تعیین کند. این نسبت نشان داد که جرم این ذره بسیار کوچک‌تر (1837 بار کوچک‌تر) از جرم ذراتی است که قبلاً شناخته شده بودند. سرانجام، این ذره الکترون نامیده شد.

از آنجایی که دانشمندان می‌‌دانستند که اتم خنثی است، سؤال دیگری که برای آن‌‌ها پیش می‌‌آمد، این بود که بارهای مثبت و منفی چگونه درون اتم توزیع شده‌‌اند. تامسون تصور کرد که الکترون‌‌ها داخل خمیری با بار مثبت پراکنده شده‌‌اند. اما در سال 1908، فیزیک‌‌دان نیوزیلندی، ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford) نشان داد که مدل تامسون اشتباه بوده و بارهای مثبت اتم درون یک هسته کوچک قرار دارند. طبق مدل رادرفورد، این هسته کسر بسیار کوچکی از کل حجم اتم و بیش از 99 درصد جرم آن را در بر می‌‌گیرد. علاوه بر این، او نشان داد که الکترون‌‌ها با تشکیل ابر باردار الکترونی، هسته را محاصره می‌‌کنند و پیوسته حول آن می‌‌چرخند. رادرفورد نتیجه گرفت که هسته از ذرات سنگین و کوچکی به نام پروتون ساخته شده است.

در این شکل، مدل ساده‌‌ای از یک اتم هیدروژن را مشاهده می‌‌کنید که در آن هسته توسط یک ابر الکترونی محصور شده است. به دلیل اینکه الکترون پیوسته در حال چرخش است و موقعیت مشخصی در فضا ندارد، به صورت یک توده در اطراف هسته نشان داده شده است.

از آنجایی که اتم‌‌های گوناگونی با جرم‌‌های مختلف شناخته شده بودند و اتم نیز از نظر الکتریکی خنثی بود، این فرض که اتم‌‌های مختلف دارای تعداد مختلفی از پروتون‌‌ها و الکترون‌‌های برابر هستند، بدیهی به نظر می‌‌رسید. هنگامی که کشف شد سبک‌‌ترین اتم، هیدروژن، دارای یک پروتون و اتم سنگین هلیوم دارای دو پروتون است، اما چهار برابر هیدروژن جرم دارد، این سؤال پیش آمد که چرا با وجود اینکه تعداد پروتون‌‌های هلیوم دو برابر تعداد پروتون‌‌های هیدروژن است، اما جرم هسته هلیوم چهار برابر هسته هیدروژن است؟

این معما در سال 1932 توسط فیزیک‌‌دان انگلیسی، جیمز چادویک با کشف نوترون حل شد. در واقع، نوترون یکی دیگر از ذرات سازنده اتم است که در کنار پروتون‌‌ها درون هسته قرار دارد و جرم آن تقریباً برابر با جرم پروتون برابر است (جرم نوترون اندکی بیشتر از جرم پروتون است)، اما از نظر الکتریکی خنثی بوده و بار الکتریکی ندارد. بنابراین، مشخص شد که هسته هلیم دارای دو نوترون و دو پروتون است و به همین دلیل، چهار برابر هسته هیدروژن جرم دارد.

در سال 1932، تصور دانشمندان از اتم، یک هسته سنگین و کوچک شامل پروتون‌‌ها و نوترون‌‌ها بود که توسط مجموعه‌‌ای از الکترون‌‌ها محصور شده و الکترون‌‌ها نیز حول هسته در حرکت‌‌اند. همان‌طور که می‌‌دانیم، در یک اتم خنثی، کل بار منفی مجموعه الکترون‌‌ها برابر با کل بار مثبت در هسته است. الکترون‌‌ها به دلیل اینکه جرم خیلی کمی دارند، راحت‌‌تر از اتم جدا شده و به سختی به آن اضافه می‌‌شوند، در نتیجه می‌‌توانند بار خالص اتم را تغییر دهند. اتمی که بارش این‌گونه تغییر کند، یون نامیده می‌‌شود. از این‌‌رو، می‌‌توان گفت که دو نوع یون مثبت و منفی وجود دارد. یون‌‌های مثبت، اتم‌‌هایی هستند که کمبود الکترون دارند و یون‌‌های منفی نیز اتم‌‌هایی هستند که دارای الکترون اضافی‌‌اند.

هسته اتم کربن از شش پروتون و شش نوترون ساخته شده است. این پروتون‌‌ها و نوترون‌‌ها توسط شش الکترون که موقعیت آن‌‌ها مشخص نیست و به صورت یک ابر الکترونی هستند، احاطه شده‌‌اند.

منبع: فرادرس