میدان الکتریکی: نیروی نامرئی در اطراف ما
بار الکتریکی و تولد یک میدان
همه مواد از اتمها ساخته شدهاند. در مرکز هر اتم، هسته با بار مثبت و در اطراف آن، الکترونها با بار منفی وجود دارند. وقتی تعداد پروتونها و الکترونهای یک جسم برابر باشد، جسم از نظر الکتریکی خنثی است. اما اگر به دلیلی الکترونهای یک جسم زیاد یا کم شوند، آن جسم باردار میشود. این بار میتواند مثبت (کمبود الکترون) یا منفی (افزونی الکترون) باشد. نکته جالب اینجاست که هر بار الکتریکی، بدون تماس مستقیم، میتواند روی بار دیگر نیرو وارد کند. این نیرو چگونه منتقل میشود؟ پاسخ در ایجاد یک میدان الکتریکی است.
تصور کنید یک توپ پر از بار مثبت را در فضا رها کنید. این توپ، فضای اطراف خود را دگرگون میکند. این دگرگونی نامرئی، همان میدان الکتریکی است. اگر حالا یک بار مثبت کوچک (به نام بار آزمون4) را نزدیک این توپ بیاوریم، این بار کوچک یک نیرو دافعه (هلدهنده) را حس میکند. مسیر و جهت حرکت این بار کوچک اگر رها شود، به ما خطوط میدان الکتریکی را نشان میدهد.
نقشهکشی میدان: خطوط میدان الکتریکی
از آنجا که نمیتوانیم میدان را مستقیماً ببینیم، دانشمندان از خطوط خیالی برای نمایش آن استفاده میکنند. این خطوط، خطوط میدان الکتریکی نامیده میشوند. قوانین این نقشهکشی بسیار ساده و کاربردی است:
| قانون | توضیح | نمایش |
|---|---|---|
| جهت | خطوط میدان از بار مثبت خارج و به بار منفی وارد میشوند. | پیکان روی خطوط جهت را نشان میدهد. |
| تراکم | هر جا خطوط به هم فشردهتر باشند، میدان قویتر است. | نزدیک بار، خطوط متراکم؛ دور از بار، خطوط پراکنده. |
| تعداد | تعداد خطوط خروجی از یک بار، متناسب با مقدار آن بار است. | بار +2q دو برابر بار +q خط دارد. |
| عدم تلاقی | خطوط میدان هیچگاه یکدیگر را قطع نمیکنند. | در هر نقطه فقط یک جهت برای میدان وجود دارد. |
به عنوان مثال، میدان اطراف یک بار نقطهای مثبت، مانند خارهای یک جوجهتیغی است که به طور یکنواخت به بیرون جهت دادهاند. برای دو بار ناهمنام (مثبت و منفی)، خطوط از مثبت شروع و به منفی ختم میشوند و بین آنها مانند پلی نامرئی خم میشوند.
قانون کولن: نیروی بین دو بار
نیرویی که بین دو بار ساکن وجود دارد را نیروی کولن مینامند. شارل آگوستن دو کولن، دانشمند فرانسوی، این رابطه را کشف کرد. این قانون شبیه قانون گرانش نیوتن است، اما با این تفاوت که هم میتواند جاذبه باشد و هم دافعه.
قانون کولن میگوید: اندازه نیروی الکتریکی بین دو بار نقطهای، با حاصل ضرب اندازه دو بار نسبت مستقیم و با مربع فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. فرمول ریاضی آن به صورت زیر است:
در این رابطه:
$F$: اندازه نیروی الکتریکی (نیوتن)
$q_1$ و $q_2$: اندازه دو بار (کولن)
$r$: فاصله بین دو بار (متر)
$k$: ثابت تناسب یا ثابت کولن ≈ $9 \times 10^9 \ N.m^2/C^2$
مثال عددی: دو بادکنک که با مالش به موی سر باردار شدهاند را در نظر بگیرید. اگر هر کدام بار $1 \times 10^{-7}$ کولن داشته باشند و به فاصله 0.1 متری از هم قرار گیرند، نیروی دافعه بین آنها برابر است با: $$F = (9 \times 10^9) \frac{(1 \times 10^{-7})^2}{(0.1)^2} = 9 \times 10^{-3} \ N$$ این نیروی کوچک، حدود 0.009 نیوتن، باعث دور شدن بادکنکها از هم میشود.
میدان الکتریکی در زندگی روزمره: از جرقه تا صفحه لمسی
شاید فکر کنید میدان الکتریکی فقط متعلق به آزمایشگاههاست، اما در واقع ما هر لحظه در حال تعامل با آن هستیم.
۱. جرقه و برقگرفتگی کوچک: وقتی در یک روز خشک روی فرش راه میروید، اصطکاک باعث میشود الکترونها از فرش به بدن شما منتقل شوند و شما باردار شوید. این بار یک میدان الکتریکی قوی اطراف شما (مخصوصاً در نوک انگشتان) ایجاد میکند. وقتی دست شما به دستگیره فلزی نزدیک میشود، میدان آنقدر قوی میشود که هوا را یونیزه کرده و مسیری برای تخلیه بار ایجاد میکند. نتیجه: یک جرقه کوچک و یک تکان خفیف!
۲. خازنها: انبارههای انرژی الکتریکی: خازن وسیلهای است که انرژی را در میدان الکتریکی ذخیره میکند. یک خازن ساده از دو صفحه موازی فلزی تشکیل شده که توسط یک عایق از هم جدا شدهاند. وقتی به آنها ولتاژی وصل میشود، بارهای مثبت و منفی روی صفحات جمع میشوند و بین آنها یک میدان الکتریکی یکنواخت ایجاد میشود. این میدان همان مخزن انرژی است. خازنها در همه دستگاههای الکترونیکی، از ریموت کنترل گرفته تا تلفن همراه شما وجود دارند.
۳. صفحههای نمایش لمسی خازنی: چگونه تلفن همراه شما لمس انگشت را تشخیص میدهد؟ صفحه این تلفنها از یک شبکه از الکترودهای شفاف ساخته شده که یک میدان الکتریکی یکنواخت در سطح صفحه ایجاد میکنند. انگشت شما (که یک هادی است) وقتی صفحه را لمس میکند، این میدان را مختل میکند. دستگاه با اندازهگیری این تغییر، مکان دقیق لمس را شناسایی میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 میدان الکتریکی (Electric Field): ناحیهای از فضای اطراف بار الکتریکی که در آن نیروی الکتریکی احساس میشود. واسطه انتقال نیروی الکتریکی است.
2 خازن (Capacitor): المان الکتریکی که انرژی را در میدان الکتریکی بین صفحات خود ذخیره میکند.
3 قانون کولن (Coulomb's Law): قانونی که نیروی الکترواستاتیک بین دو بار نقطهای را بر حسب اندازه بارها و فاصله بین آنها بیان میکند.
4 بار آزمون (Test Charge): بار مثبت کوچک فرضی که برای بررسی میدان الکتریکی یک بار دیگر بدون ایجاد اختلال در آن استفاده میشود.
