الکتریسیته ساکن — به زبان ساده

هنگامی که صاعقه با شدت به سمت زمین حرکت می‌‌کند، نمایش بسیار واضحی از قدرت الکتریسیته ساکن (انرژی الکتریکی جمع شده در یک جا) را می‌بینیم. در واقع، صاعقه یک نمونه قابل مشاهده از الکتریسیته ساکن است که تحت کنترل ما نیست. اما در موارد دیگر، از چاپگرهای لیزری و دستگاه‌‌های فتوکپی گرفته تا در نیروگاه‌‌ها برای از بین بردن آلودگی، الکتریسیته ساکن بسیار مفید است. در این آموزش، نگاهی دقیق‌‌تر به الکتریسیته ساکن و کاربرد آن می‌اندازیم.

تصویر بالا صاعقه را نشان می‌دهد. صاعقه حجم بسیار زیادی از الکتریسیته ساکن است که در آن، انرژی پتانسیل الکتریکی انباشته شده و به صورت یک جریان الکتریکی ناگهانی و سریع از آسمان به سوی زمین رها می‌‌شود.

الکتریسیته ساکن و جاری

هنگامی که یک بادکنک را روی پیراهن خود مالش می‌‌دهیم، در واقع الکتریسیته ساکن ایجاد می‌‌کنیم و به همین دلیل است که بادکنک به پیراهن می‌‌چسبد. مالش، الکترون‌‌ها را از روی پیراهن - که به صورت مثبت باردار می‌‌شود - به روی لاستیک بادکنک - که به صورت منفی باردار می‌‌شود - انتقال می‌‌دهد.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم – بخش فیزیک در فرادرس

کلیک کنید

بارهای مخالف باعث می‌‌شود که این دو شیء به هم بچسبند.

در قرن نوزدهم میلادی، پیشگامانی همچون «آلساندرو ولتا» (Alessandro Volta)، «مایکل فارادی» (Michael Faraday)، «جوزف هنری» (Joseph Henry) و «توماس ادیسون» (Thomas Alva Edison)، به اسرار الکتریسیته، چگونگی تولید و کاربردهای آن پی بردند. پیش از آن، الکتریسیته بیشتر یک موضوع عجیب بود. در آن روزها، مردم با استفاده از هیزم یا اجاق‌‌های زغال سنگ غذا می‌‌پختند و خانه‌‌های خود را گرم می‌‌کردند و اتاق‌‌هایشان را با شمع یا چراغ‌‌های نفتی روشن می‌‌کردند و وسایلی مثل رادیو یا تلویزیون، تلفن همراه یا کامپیوتر وجود نداشت.

«الکتریسیته مدرن» که ما آن را الکتریسیته جاری (یا جریان الکتریکی) می‌‌نامیم، نیروی هر چیزی از تلفن همراه جیبی شما گرفته تا مترویی که برای رفتن به مدرسه یا سر کار سوار آن می‌‌شوید را تأمین می‌‌کند. الکتریسیته جاری، یک انرژی‌‌‌ است که در طول یک سیم فلزی از جایی که تولید می‌‌شود (مثل یک نیروگاه برق بسیار بزرگ یا یک باتری بسیار کوچک) به جایی که مصرف می‌‌شود (اغلب یک موتور الکتریکی، المنت حرارتی یا لامپ) حرکت می‌‌کند. در حقیقت، الکتریسیته جاری با حمل انرژی از جایی به جای دیگر همیشه در حال حرکت است.

یک نمایش کلاسیک دیگر از الکتریسیته ساکن، این است که یک شانه پلاستیکی را روی پیراهن خود مالش دهیم و آن را نزدیک تکه‌‌های کوچک کاغذ ببریم. خواهیم دید که شانه می‌‌تواند تکه‌‌های کاغذ را جذب کند. جذب یک تکه کاغذ توسط شانه شبیه برداشتن یک گیره کاغذ به وسیله آهنربا است. هنگامی که آهنربا یک گیره کاغذ را جذب می‌‌کند، گیره کاغذ جذب‌شده نیز می‌‌تواند گیره‌های دیگری را به صورت زنجیروار بلند کند، اما یک خط‌‌کش با بار ساکن نمی‌‌تواند این کار را انجام دهد.

پیش از قرن نوزدهم، مردم فقط الکتریسیته ساکن را می‌‌شناختند. یونانیان باستان دریافتند که مالش اشیاء به همدیگر می‌‌تواند به راحتی بار الکتریکی ساکن (انبوهی از الکتریسیته ساکن) ایجاد کند، اما تصور نمی‌‌کردند که همین انرژی می‌‌تواند برای تولید نور یا دستگاه‌‌های برقی مورد استفاده قرار گیرد. یکی از افرادی که به ایجاد ارتباط بین الکتریسیته ساکن و الکتریسیته جاری کمک کرد، سیاستمدار، ناشر و دانشمند آمریکایی، «بنجامین فرانکلین» (Benjamin Franklin) بود.

در سال 1752، فرانکلین سعی کرد اسرار الکتریسیته را کشف کند و این کار را خیلی خوب انجام داد. او یک بادبادک را در هوای طوفانی همراه با رعد و برق به پرواز در آورد تا خودش مقداری انرژی الکتریکی دریافت کند (یک کار بسیار خطرناک). صاعقه به سرعت به پایین بادبادک و به زمین اصابت ‌‌کرد، در حالی که فرانکلین خودش را عایق نکرده بود و امکان داشت به راحتی بمیرد. فرانکین پی برد هنگامی که صاعقه الکتریسیته ساکن جمع شده در آسمان را به سمت پایین تا سطح زمین حمل می‌‌کند، به الکتریسیته جاری تبدیل می‌‌شود. از طریق چنین تحقیقاتی بود که یکی از معروف‌‌ترین اختراعاتش، میله برق‌‌گیر (رسانای برق) را به ثبت رساند. کار فرانکلین راه را برای انقلاب الکتریکی قرن نوزدهم باز کرد و در حقیقت، زمانی جهان دگرگون شد که افرادی همچون ولتا و فارادی، با اتکا بر کشفیات فرانکلین، به چگونگی تولید الکتریسیته و کارایی آن پی بردند.

انرژی پتانسیل و جنبشی

یک راه دیگر برای بررسی الکتریسیته ساکن و جاری، مرتبط کردن آن‌ها با انرژی است. الکتریسیته را می‌‌توان نوعی انرژی پتانسیل در نظر گرفت: یک انرژی‌‌ که ذخیره می‌‌شود تا به کاری مفید تبدیل شود. به همین ترتیب، الکتریسیته جاری نیز تقریباً مشابه انرژی جنبشی خواهد بود: انرژی هنگام حرکت، هرچند از نوع الکتریکی باشد.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

درست همان‌گونه که می‌‌توان انرژی پتانسیل را به انرژی جنبشی تبدیل کرد (مثلاً با رها کردن یک تخته سنگ از بالای یک تپه و غلتیدن آن به سمت پایین)، می‌‌توان الکتریسیته ساکن را نیز به الکتریسیته جاری (همان چیزی که در صاعقه اتفاق می‌‌افتد) و بالعکس، الکتریسیته جاری را به الکتریسیته ساکن تبدیل کرد (همان کاری که مولد واندوگراف انجام می‌‌دهد).

 الکتریسیته ساکن چگونه ایجاد می‌شود؟

ما نیز مانند یونانیان باستان، تصور می‌‌کنیم که الکتریسیته ساکن از مالش اشیاء به یکدیگر به وجود می‌‌آید. برای مثال، حتماً تا به حال تجربه کرده‌‌اید که وقتی روی یک فرش نایلونی راه می‌‌روید و پس از آن، یک دستگیره فلزی را لمس می‌‌کنید، با یک شوک الکتریکی کوچک مواجه می‌‌شوید. این اتفاق به این دلیل روی می‌‌دهد که هنگام راه رفتن روی فرش، بدن شما بار ساکن جمع می‌‌کند و با لمس دستگیره این بار تخلیه می‌‌شود.

فیلم آموزش فیزیک الکتریسیته + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

سؤالی که در اینجا به وجود می‌‌آید این است که یک شیء مثلاً یک بادکنک را روی کدام قسمت لباس مالش دهیم تا به آن بچسبد؟ ممکن است پاسخ شما این باشد که الکتریسیته ساکن به نوعی مرتبط با اصطکاک است که همان عمل مالش دادن شدید چیزی است که انبوهی از انرژی الکتریکی تولید می‌‌کند (درست به همان روشی که اصطکاک می‌‌تواند گرما و حتی آتش تولید کند). اما پاسخ صحیح چیز دیگری است.

اثر الکتریکی مالشی

همان‌طور که گفته شد، برای ایجاد الکتریسیته ساکن، باید دو شیء (دو ماده مختلف) را در تماس با یکدیگر قرار داده و آن‌ها را به شدت به یکدیگر مالش دهیم، به گونه‌‌ای که به طور پیوسته با هم تماس داشته باشند. تولید الکتریسیته ساکن با این روش را الکتریسیته مالشی (یا اثر الکتریکی مالشی) می‌‌نامند. پرسشی که ممکن است برای شما به وجود آید این است که چرا مالش دادن دو ماده مختلف، الکتریسیته ساکن تولید می‌‌کند؟ پاسخ این پرسش به ساختار مواد بر می‌‌گردد. همان‌طور که می‌‌دانیم تمام مواد از اتم‌‌ها ساخته می‌‌شوند. این اتم‌‌ها یک هسته مرکزی مثبت دارند که توسط ابر الکترونی (حاوی الکترون‌‌های متحرک) محصور شده است.

بسته به نوع ماده، ممکن است اتم‌‌های برخی از مواد نسبت به اتم‌‌های مواد دیگر کشش قوی‌‌تری روی الکترون‌‌ها داشته باشند. بنابراین، اگر دو ماده مختلف که یکی از آن‌ها الکترون‌‌های بیشتری نسبت به دیگری جذب می‌‌کند را در تماس با یکدیگر قرار دهیم، این امکان وجود دارد که الکترون‌های یکی از مواد به طرف دیگری جذب شوند. در واقع، هنگامی که دو ماده را از یکدیگر جدا می‌‌کنیم، الکترون‌ها به سمت ماده‌‌ای جهش می‌‌یابند که آن‌ها را قوی‌‌تر جذب می‌‌کند. در نتیجه، یکی از مواد تعدادی الکترون اضافه به دست می‌‌آورد (به صورت منفی باردار می‌‌شود) و ماده دیگر تعدادی الکترون از دست می‌‌دهد (به صورت مثبت باردار می‌‌شود). هنگامی که اشیاء را پیوسته به همدیگر مالش می‌‌دهیم، در حقیقت احتمال اینکه اتم‌‌های بیشتری در مبادله الکترونی شرکت کنند را افزایش می‌‌دهیم و به همین دلیل است که بار ساکن جمع می‌‌شود.

ٰتصویر بالا اثر الکتریکی مالشی را نشان می‌دهد. در (1)، ابونیت (لاستیک سیاه و سخت که در اینجا به صورت یک میله سیاه نشان داده شده است) و پشم (که به رنگ خاکستری نشان داده شده است) در حالت عادی هیچ گونه بار الکتریکی ندارند. در (2) آن‌ها را در تماس با یکدیگر قرار می‌‌دهیم. ابونیت، الکترون‌‌های پشم را جذب می‌‌کند. و در نهایت، در (3) آن‌ها را از یکدیگر جدا می‌‌کنیم. الکترون‌ها پشم را رها کرده و روی ابونیت باقی می‌‌مانند که باعث می‌‌شود ابونیت به صورت منفی و پشم به صورت مثبت باردار شود. مالش این دو جسم به یکدیگر، تماس بین آن‌ها افزایش داده و احتمال انتقال الکترون‌ها از پشم به ابونیت را بیشتر می‌‌کند. بار منفی روی ابونیت دقیقاً هم‌‌اندازه بار مثبت روی پشم است؛ به عبارت دیگر، هیچ بار خالصی ایجاد نمی‌‌شود.

مجموعه الکتریکی مالشی

اگر تولید الکتریسیته ساکن را با مواد گوناگون آزمایش کنیم، خواهیم دید که هنگام مالش دادن، بعضی از آن‌ها بار مثبت و بعضی دیگر بار منفی به دست می‌‌آورند. برخی مواد نیز بار بیشتری نسبت به سایر مواد جذب خواهند کرد. بنابراین، می‌‌توان مواد را بر اساس بار به دست آمده، به ترتیب از مثبت تا منفی دسته‌‌بندی کرد. لازم به ذکر است که ترتیب این فهرست به هر دلیلی ممکن است تغییر کند. برای مثال، نوع تغییر مواد تشکیل‌‌دهنده در لاستیک می‌‌تواند ماهیت آن را تغییر دهد.

این فهرست، مجموعه الکتریکی مالشی نامیده می‌‌شود. اگر در این مجموعه دو ماده‌‌ای را به هم مالش دهیم که در جدول فاصله زیادی از هم دارند، الکتریسیته ساکن بیشتری را انباشته خواهند کرد، اما در صورتی که این دو ماده خیلی به هم نزدیک باشند، به سختی می‌‌توان آن‌ها را وادار به تجمع هر باری کرد؛ حتی اگر به شدت به یکدیگر مالش داده شوند. این مسئله تأیید می‌‌کند که الکتریسیته ساکن صرفاً ناشی از مالش دادن اشیاء نیست، بلکه به ماهیت موادی بر می‌گردد که ما آن‌ها را در تماس با یکدیگر قرار می‌‌دهیم.

کاربرد الکتریسیته ساکن

شاید فکر کنید که الکتریسیته ساکن با وجود اینکه پدیده بسیار جالبی است، هیچ کاربرد مفیدی ندارد. اما این تصور اشتباه است، چرا که الکتریسیته ساکن در هر نوع تکنولوژی امروزی به صورت روزمره مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. برای مثال، چاپگرهای لیزری و دستگاه‌‌های فتوکپی از الکتریسیته ساکن برای جمع کردن جوهر روی درام و انتقال آن روی کاغذ استفاده می‌‌کنند. سم‌‌پاشی محصولات کشاورزی نیز متکی به الکتریسیته ساکن است، زیرا کمک می‌‌کند آفت‌‌کش‌‌ها به شاخ و برگ گیاهان بچسبند و به صورت یکنواخت روی برگ‌‌ها توزیع شوند. دستگاه‌‌های خودکار اسپری رنگ کارخانه نیز از روشی مشابه استفاده می‌‌کنند تا قطرات کوچک رنگ را جذب بدنه فلزی اتومبیل کنند، نه ماشین‌‌آلات اطراف آن. در بسیاری از نیروگاه‌‌ها و کارخانه‌‌های شیمیایی نیز، الکتریسیته ساکن در دودکش‌‌ها برای پاکسازی آلودگی به کار می‌‌رود.

تصویر بالا جلوگیری از رهاسازی آلودگی هوا به بیرون از دودکش‌‌ها توسط الکتریسیته ساکن را نشان می‌دهد. در این روش، ابتدا بار الکتریکی ساکن به دود می‌‌دهند، سپس آن را از طریق یک توری فلزی با بار مخالف جمع می‌‌کنند که باعث می‌‌شود ذرات کثیف دوده از بین برود.

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

• آموزش الکترومغناطیس ۱
• حل مسائل الکتریسیته ساکن — به زبان ساده
• توان الکتریکی — از صفر تا صد
• قانون اهم و توان — مفاهیم کلیدی

^^