میدان الکتریکی: ناحیهای که در آن به ذرات باردار نیرو وارد میشود
بار الکتریکی: نقطهٔ آغاز یک نیروی نامرئی
همه چیز از یک ویژگی ذاتی ذرات تشکیلدهندهٔ ماده شروع میشود که به آن بار الکتریکی۱ میگوییم. بارها دو نوع هستند: مثبت و منفی. بارهای همنام (مثبت با مثبت یا منفی با منفی) یکدیگر را میرانند و بارهای ناهمنام (مثبت با منفی) یکدیگر را میربایند. اما سوال جالب اینجاست: این نیروی رانش یا ربایش چگونه از طریق فضای خالی منتقل میشود؟ پاسخ در مفهوم میدان الکتریکی۲ نهفته است.
تصور کنید یک توپ پر از باد (نماد بار) را در یک استخر آب بیندازید. توپ باعث ایجاد امواجی در آب میشود. اگر یک توپ سبکتر (نماد بار دیگر) را در جای دیگری از استخر بیندازید، این توپ دوم تحت تأثیر امواج ایجاد شده توسط توپ اول قرار میگیرد و حرکت میکند. در اینجا، آب نقش میدان را بازی میکند. بهطور مشابه، هر بار الکتریکی، فضای اطراف خود را به گونهای تغییر میدهد که اگر بار دیگری در آن فضا قرار گیرد، نیرویی بر آن وارد میشود. به این فضای تغییریافته، میدان الکتریکی میگوییم.
نمایش میدان: نقشهکشی با خطوط نیرو
از آنجا که میدان الکتریکی را نمیتوان مستقیماً دید، دانشمندان روشی برای تجسم آن ابداع کردهاند: خطوط میدان الکتریکی۳. این خطوط خیالی، مسیری را نشان میدهند که یک بار آزمون مثبت کوچک تحت تأثیر میدان، آن را دنبال خواهد کرد.
| ویژگی خطوط | توضیح | مثال عینی |
|---|---|---|
| جهت | خطوط از بار مثبت خارج و به بار منفی وارد میشوند. | مانند پیکانهایی که بار مثبت را ترک میکنند. |
| تراکم | هرچه خطوط به هم نزدیکتر باشند، میدان قویتر است. | نزدیک یک توپ باردار، خطوط فشرده و دور از آن، پراکنده هستند. |
| عدم تقاطع | خطوط میدان یکدیگر را قطع نمیکنند. | در هر نقطه فقط یک جهت برای میدان وجود دارد. |
برای یک بار نقطهای منفرد مانند پروتون یا الکترون، خطوط میدان به صورت شعاعی هستند. اگر یک آهنربا داشته باشید و برادههای آهن اطراف آن را ببینید، الگوی مشابهی را مشاهده میکنید که در واقع الگوی میدان مغناطیسی است، اما ایدهای مشابه از نمایش میدان را ارائه میدهد.
محاسبه میدان: از قانون کولن تا فرمول کلی
برای محاسبهٔ عددی شدت میدان، ابتدا باید با قانون کولن۴ آشنا شویم. این قانون نیروی بین دو بار نقطهای را میدهد: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$. در این فرمول، $k$ ثابت کولن ($9 \times 10^9 N.m^2/C^2$)، $q_1$ و $q_2$ مقادیر بارها و $r$ فاصله بین آنهاست.
حال فرض کنید $q_1$ بار منبع میدان ماست. میخواهیم ببینیم این بار در نقطهای در فاصله $r$، چه میدانی ایجاد میکند. طبق تعریف، شدت میدان $E = F/q_2$ است. اگر نیروی $F$ را از قانون کولن قرار دهیم، به فرمول سادهتری میرسیم:
مثال: یک پروتون (بار $+1.6 \times 10^{-19} C$) را در نظر بگیرید. شدت میدان در فاصله 1 نانومتر ($10^{-9} m$) از آن چقدر است؟
حل: $E = (9 \times 10^9) \times \frac{1.6 \times 10^{-19}}{(10^{-9})^2} = (9 \times 10^9) \times \frac{1.6 \times 10^{-19}}{10^{-18}} = 9 \times 1.6 \times 10^{8} = 1.44 \times 10^{9} N/C$
این عدد بزرگی است که نشان میدهد میدان در فواصل بسیار کوچک اتمی، بسیار قوی است.
میدان الکتریکی در خدمت انسان: از فیلتر دود تا چاپگر لیزری
شاید فکر کنید میدان الکتریکی یک مفهوم انتزاعی است، اما کاربردهای عملی فراوانی دارد که زندگی ما را راحتتر و سالمتر کرده است. در اینجا به چند نمونه اشاره میکنیم:
فیلترهای الکترواستاتیک (تصفیهکنندههای هوا): در این دستگاهها، ذرات دود، گردوغبار و آلودگی از داخل یک میدان الکتریکی قوی عبور داده میشوند. این میدان به ذرات بار القا میکند. سپس ذرات باردار به صفحههایی با بار مخالف جذب و از جریان هوا حذف میشوند. این فناوری در بسیاری از هودهای آشپزخانه و سیستمهای تهویه صنعتی استفاده میشود.
چاپگر لیزری: در داخل این چاپگرها یک استوانهٔ حساس به نور (درام) وجود دارد که در ابتدا بهطور یکنواخت باردار میشود. لیزر با تابش بر روی قسمتهای خاصی از درام، بار آن نواحی را خنثی میکند. سپس تونر (پودر جوهر) که دارای بار الکتریکی است، فقط به قسمتهای باردار باقیمانده میچسبد. در نهایت کاغذ که بار مخالف دارد، تونر را به سوی خود جذب و عمل چاپ انجام میشود.
ژنراتورهای الکتریکی (مولدهای برق): اساس کار اغلب نیروگاههای برق (آبی، بخاری، بادی) بر القای الکترومغناطیسی استوار است. در قلب این ژنراتورها، آهنرباهای قوی میدانهای مغناطیسی تولید میکنند و با چرخش سیمپیچ درون این میدان، یک میدان الکتریکی القا میشود که در نهایت منجر به تولید جریان الکتریکی میشود. بدون درک مفهوم میدان، طراحی این مولدها ممکن نبود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
۱ بار الکتریکی (Electric Charge): یک ویژگی فیزیکی ماده که باعث میشود در حضور بار دیگر نیرو تجربه کند. واحد آن کولن (Coulomb) است.
۲ میدان الکتریکی (Electric Field): یک میدان برداری در فضای اطراف یک بار الکتریکی یا یک توزیع بار. در هر نقطه، جهت و قدر دارد و بر بارهای الکتریکی وارد شده در آن نقطه نیرو وارد میکند.
۳ خطوط میدان الکتریکی (Electric Field Lines): خطوط یا منحنیهای خیالی که جهت میدان الکتریکی را در هر نقطه نشان میدهند. مماس بر خط در هر نقطه، جهت میدان در آن نقطه است.
۴ قانون کولن (Coulomb's Law): قانونی در فیزیک که بزرگی نیروی الکترواستاتیک بین دو بار نقطهای را توصیف میکند. این نیرو با حاصلضرب بزرگی بارها نسبت مستقیم و با مربع فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد.
