بار الکتریکی (Electric Charge) یکی از خواص ماده است. در حقیقت، وقتی دو ماده باردار در مجاورت هم قرار می‌گیرند، به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. در این آموزش، با بار الکتریکی آشنا می‌شویم.

بار الکتریکی چیست؟

حتماً تا به حال با پدیده‌‌های بسیاری که ناشی از الکتریسیته 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.

شانه و جریان آب
تصویر ۱: یک شانه با بار الکتریکی از فاصله دور، جریان آب را جذب می‌کند. توجه کنید که آب شانه را لمس نمی‌کند.

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.

شانه و تکه‌های کاغذ
تصویر ۲: شانه پس از شانه زدن مو، نوارهای کوچکی از کاغذ را از فاصله دور و بدون تماس جذب می‌کند. بررسی این رفتار به مفهوم نیروی الکتریکی منجر شد.

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.

کهربا و پارچه پشمی
شکل ۳: کهربای عنبر جزیره صباحِ مالزی، از رگه‌های شِیل-ماسه‌سنگ-گِل‌ماسه استخراج شده است. هنگامی که یک تکه کهربا را به یک تکه پارچه پشمی مالش دهیم، کهربا الکترون‌های بیشتری به دست می‌آورد و بار منفی خالص به آن می‌دهد. همزمان، پارچه پشمی با از دست دادن الکترون‌ها، دارای بار مثبت می‌شود.

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 (1544-1603) 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.

پارچه و کهربا
شکل ۴: هنگامی که دو جسم به یکدیگر مالش داده می‌‌شوند، بارها از یک جسم جدا شده و به جسم دیگری که قدرت جذب الکترون در آن بیشتر است، منتقل می‌‌شوند.

در شکل ۴ (الف) پارچه و کهربا هر دو با داشتن بارهای مثبت و منفی یکسان در ابتدا خنثی هستند و هنگام مالش، تنها کسر کوچکی از بارها درگیر می‌‌شوند که در اینجا فقط تعداد کمی از آن‌‌ها نشان داده شده است. در شکل ۴ (ب) هنگامی که پارچه و کهربا را به هم مالش می‌‌دهیم، تعدادی بار منفی از پارچه به کهربا منتقل شده و بار خالص پارچه، مثبت می‌‌شود. در شکل ۴ (ج) با جدا کردن کهربا و پارچه از یکدیگر، هر دوی آن‌‌ها بارهای خالصی خواهند داشت که قدر مطلق آن‌‌ها با هم برابر است.

در حقیقت، مالش اجسام به یکدیگر نشان می‌‌دهد که دو نوع ویژگی الکتریکی می‌‌تواند در اجسام وجود داشته باشد. این ویژگی، بار الکتریکی نامیده می‌‌شود. یکای بار الکتریکی در دستگاه SI به افتخار فیزیک‌‌دان فرانسوی، چارلز آگوستین دو کولن (Charles Augustine de Coulomb) کولن (C) نامیده شده است. 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 (Benjamin Franklin) دریافت که می‌‌تواند با استفاده از وسیله‌‌ای به نام بطری لیدن (Leyden Jar) 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
شکل ۵: بطری لیدن

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.

مدل ساده اتم هیدروژن
شکل ۶: مدل ساده اتم هیدروژن

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 (James Chadwick) 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.

اتم کربن 
شکل ۷: اتم کربن

شکلی ۷، هسته اتم کربن را نشان می‌دهد که 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.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

سید سراج حمیدی (+)

سید سراج حمیدی دانش‌آموخته مهندسی برق است و به ریاضیات و زبان و ادبیات فارسی علاقه دارد. او آموزش‌های مهندسی برق، ریاضیات و ادبیات مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 41 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

4 نظر در “بار الکتریکی چیست؟ — به زبان ساده

    1. سلام، وقت شما بخیر؛

      چهار اصل پایستگی فیزیک یعنی پایستگی انرژی، تکانه خطی، تکانه زاویه‌ای و جرم تمام قوانین فیزیک کلاسیک را در یک چارچوب خاص قرار می‌دهند.

      به همین دلیل در کنار این موضوع که از لحاظ ذاتی نیرو چه معنایی دارد و بررسی سیستم از لحاظ ماکروسکوپی، قوانین پایستگی پیش بینی رفتار ماکروسکوپی یک سیستم را بدون نیاز به در نظر گرفتن جزئیات میکروسکوپی امکان پذیر می کنند و بدین ترتیب می‌توان بیان کرد که وارد کردن نیرو بین بارهای الکتریکی باعث برقرار بودن پایستگی تکانه و انرژی است. برای مطالعه بیشتر در مورد قوانین پایستگی و ارتباط نیرو و تکانه می‌توانید مطلب تکانه چیست؟ — به زبان ساده و پایستگی انرژی — به زبان ساده را مطالعه کنید.

      از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید از شما بسیار سپاسگزاریم.

  1. سلام. میدانیم که اجسام رسانا الکترون آزاد دارن اما اجسام نارسانا الکترون آزاد ندارند. پس چگونه است که وقتی میله شیشه ای را به پارچه پشمی مالش میدهیم الکترون ها از میله شیشه ای به پارچه پشمی منتقل میشوند؟ درحالی که هم میله شیشه ای و هم پارچه پشمی نارسانا هستند. آیا این الکترون جابجا شده الکترون آزاد نیست؟ اگر نیست چه نام دارد؟

    1. سلام، وقت شما بخیر؛

      رسانایی و نارسانایی اجسام کمیتی است که در اجسام نسبت به یکدیگر سنجیده می‌شود. میله شیشه‌ای یا پارچه پشمی ممکن است به عنوان مثال نسبت به نقره نارسانا باشند ولی نسبت به مواد دیگری در جدول رسانایی در رتبه بهتری قرار گیرند. در مورد میله شیشه‌ای و پارچه پشمی نیز موضوع به همین شکل است. برای درک بهتر این موضوع می توانید مطلب رسانا و نارسانا را در این لینک مطالعه کنید.

      از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید از شما بسیار سپاسگزاریم.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *