بار الکتریکی: خاصیتی از ماده که باعث ایجاد نیروهای الکتریکی می‌شود.

بار الکتریکی: نیروی پنهان درون ماده

بار الکتریکی چیست و از کجا می‌آید؟

برای فهم بار الکتریکی باید نگاهی به درون ماده بیندازیم. همه مواد از اتم‌ها ساخته شده‌اند و هر اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است: پروتون² (با بار مثبت)، الکترون³ (با بار منفی) و نوترون (بدون بار). بار الکتریکی در واقع خاصیت این ذرات زیراتمی است.

معمولاً تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های یک اتم برابر است، بنابراین اتم در حالت عادی از نظر الکتریکی خنثی⁴ است. اما اگر اتمی یک یا چند الکترون از دست بدهد، تعداد پروتون‌هایش بیشتر می‌شود و دارای بار مثبت می‌گردد. برعکس، اگر اتمی الکترون اضافی بگیرد، تعداد الکترون‌ها افزایش یافته و اتم بار منفی پیدا می‌کند. این فرآیند «الکتریسیته شدن» نام دارد.

انواع بار و قانون طلایی الکتریسیته

بارها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند: مثبت و منفی. رفتار این دو نوع بار در مقابل یکدیگر، قانون بسیار ساده‌ای دارد که به قانون کولن⁶ معروف است:

این نیرو با حاصلضرب بارها نسبت مستقیم و با مجذور فاصله بین آن‌ها نسبت معکوس دارد. رابطه ریاضی آن به صورت زیر است:

$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$
در این فرمول: $F$ نیروی الکتریکی (بر حسب نیوتن)، $q_1$ و $q_2$ اندازه بارها (بر حسب کولن)، $r$ فاصله بین مراکز بارها (بر حسب متر) و $k$ ثابت تناسب (ثابت کولن) است.

مواد در برابر بار الکتریکی: رسانا و نارسانا

همه مواد به یک شکل با بار الکتریکی رفتار نمی‌کنند. بر اساس توانایی عبور دادن بار (الکترون‌های آزاد)، مواد را به دو دسته اصلی تقسیم می‌کنیم:

رساناهای الکتریکی: موادی که به راحتی اجازه می‌دهند بار الکتریکی از درون آن‌ها عبور کند. در این مواد، الکترون‌های لایه آخر اتم‌ها به راحتی می‌توانند آزادانه حرکت کنند. فلزاتی مانند مس، طلا، آلومینیوم و همچنین بدن انسان رسانای خوبی هستند.

نارساناهای الکتریکی (عایق): موادی که اجازه حرکت آزادانه بار الکتریکی را نمی‌دهند. در این مواد، الکترون‌ها به شدت به هسته اتم خود مقید هستند. چوب خشک، پلاستیک، شیشه، لاستیک و هوای خشک از عایق‌های خوب به شمار می‌روند.

این تقسیم‌بندی دلیل سیم‌کشی برق را توضیح می‌دهد: سیم مسی (رسانا) بار را منتقل می‌کند و پوشش پلاستیکی دور آن (عایق) مانع از نشت بار و برق‌گرفتگی می‌شود.

بار الکتریکی در عمل: از آذرخش تا اسکناس‌شمار

بار الکتریکی پدیده‌ای انتزاعی نیست؛ بلکه در اطراف ما ملموس و فعال است. در اینجا به چند مثال عملی توجه کنید:

• آذرخش (رعد و برق): هنگام طوفان، برخورد ذرات در ابر باعث ایجاد بار زیاد می‌شود. بخشی از ابر بار مثبت و بخش دیگر بار منفی پیدا می‌کند. وقتی اختلاف بار بین ابر و زمین یا بین دو ابر بسیار زیاد شود، بار به صورت یک جرقه عظیم (صاعقه) از طریق هوا (که معمولاً عایق است) جریان می‌یابد تا تعادل بار برقرار شود.
• چسبیدن بادکنک به دیوار: اگر بادکنکی را به موهای خود بمالید، الکترون‌ها از موهای شما به بادکنک منتقل می‌شوند و بادکنک بار منفی پیدا می‌کند. وقتی این بادکنک را به دیوار (که خنثی است) نزدیک کنید، بار منفی بادکنک، بارهای مثبت دیوار را جذب کرده و باعث می‌شود بادکنک به صورت موقت به دیوار بچسبد.
• کارکرد چاپگر لیزری و دستگاه کپی: این دستگاه‌ها با استفاده از بار الکتریکی عمل می‌کنند. درام⁷ داخل دستگاه به صورت الکتریکی باردار می‌شود. سپس لیزر تصویر مورد نظر را روی آن می‌تاباند و قسمت‌های روشن بار خود را از دست می‌دهند. مرکب پودری (تونر) که دارای بار مخالف است، فقط به قسمت‌های باردار باقی‌مانده می‌چسبد و سپس روی کاغذ منتقل و پخته می‌شود.
• اسکناس‌شمار: بسیاری از اسکناس‌شمارها با تشخیص بار الکتریکی اسکناس‌های تقلبی را شناسایی می‌کنند. جنس کاغذ و مرکب اسکناس واقعی خاصیت الکتریکی خاصی دارد که هنگام عبور از دستگاه، الگوی بار مشخصی ایجاد می‌کند. اسکناس تقلبی این الگو را ندارد.

پرسش‌های مهم و باورهای نادرست

پاورقی

¹ بار الکتریکی (Electric Charge): خاصیت فیزیکی ماده که باعث می‌شود در میدان الکترومغناطیسی نیرو تجربه کند.

² پروتون (Proton): ذره‌ای با بار الکتریکی مثبت که در هسته اتم قرار دارد.

³ الکترون (Electron): ذره‌ای با بار الکتریکی منفی که به دور هسته اتم می‌چرخد.

⁴ خنثی (Neutral): حالتی که در آن مجموع بارهای مثبت و منفی برابر صفر است.

⁵ کولن (Coulomb): یکای استاندارد اندازه‌گیری بار الکتریکی در سیستم SI.

⁶ قانون کولن (Coulomb's Law): قانونی که نیروی بین دو بار نقطه‌ای ساکن را توصیف می‌کند.

⁷ درام (Drum): استوانه‌ای حساس به نور در دستگاه‌های چاپ لیزری که بار الکتریکی روی آن ایجاد و پاک می‌شود.

⁸ الکتریسیته ساکن (Static Electricity): انباشت بار الکتریکی روی سطح یک جسم که معمولاً ناشی از اصطکاک است.