برقنما: وسیلهای برای آشکارسازی وجود بار الکتریکی
برقنما چیست و چگونه ساخته میشود؟
برقنما وسیلهای است که برای تشخیص وجود بار الکتریکی در یک جسم به کار میرود. این ابزار ساده یکی از اولین گامها برای آشنایی با مفاهیم پایهای الکتریسیته است. تصور کنید یک بالون را به موهای خود میمالید و سپس آن را به تکههای ریز کاغذ نزدیک میکنید؛ جذب شدن کاغذها نشاندهنده وجود بار در بالون است. برقنما دقیقاً همین کار را با دقت و قابلیت مشاهده بیشتر انجام میدهد.
سادهترین نوع برقنما، برقنمای ورقهای است. برای ساختن آن نیاز به مواد زیر دارید:
- یک ظرف شیشهای (مانند بطری یا پاتیل)
- یک درپوش پلاستیکی یا چوب پنبهای برای ظرف
- یک میله فلزی (میتوان از یک سیم مفتولی نسبتاً ضخیم استفاده کرد)
- دو تکه بسیار نازک از فویل آلومینیومی یا کاغذ زرورق
مراحل ساخت: میله فلزی را از وسط درپوش عبور دهید به طوری که قسمتی از آن در داخل ظرف و قسمتی بیرون باشد. انتهای میله که داخل ظرف است را به شکل قلاب کوچکی خم کنید و دو تکه فویل را از وسط تا کرده و روی قلاب آویزان کنید. درپوش را روی ظرف قرار دهید. برقنمای ساده شما آماده است! وقتی یک جسم باردار به سر میله فلزی در بیرون ظرف نزدیک یا مماس شود، ورقهای فویل داخل ظرف از هم باز میشوند.
فیزیک حاکم بر عملکرد برگنما
دلیل باز شدن ورقهای برقنما، نیروی دافعه بین بارهای همنام است. هنگامی که یک جسم باردار منفی به کلاهک فلزی برقنما تماس پیدا میکند، الکترونهای اضافی از جسم به میله و ورقهای برقنما منتقل میشوند. در نتیجه، هر دو ورق دارای بار منفی میشوند و چون بارهای همنام یکدیگر را دفع میکنند، ورقها از هم فاصله گرفته و باز میشوند. هرچه مقدار بار بیشتر باشد، زاویه بازشدگی ورقها نیز بیشتر خواهد بود.
فرآیند باردار شدن برقنما از طریق تماس را میتوان با مفاهیم پایهای فیزیک توضیح داد. اگر یک جسم با بار منفی به برقنمای خنثی تماس داده شود، بخشی از بار منفی به برقنما منتقل شده و آن را دارای بار خالص منفی میکند. در این حالت ورقها باز میمانند. اگر جسم با بار مثبت تماس داده شود، الکترونها از برقنما به سمت جسم مثبت جذب شده و برقنما دارای بار خالص مثبت میشود. در نتیجه دوباره ورقها باز میشوند. برای بیان این انتقال بار میتوان از رابطه ساده زیر یاد کرد:
$Q_{total\ after\ contact} = Q_{object} + Q_{electroscope}$در حالت القا، وقتی یک جسم باردار منفی به کلاهک نزدیک میشود (بدون تماس)، الکترونهای موجود در میله و ورقها توسط جسم منفی دفع شده و به سمت ورقها حرکت میکنند. در این حالت، بار منفی در ورقها تجمع یافته و بار مثبت در کلاهک ایجاد میشود. از آنجا که ورقها هر دو منفی میشوند، از هم باز میشوند. به محض دور کردن جسم، بارها دوباره به حالت اولیه برگشته و ورقها میخوابند.
| روش باردار کردن | نحوه انجام | وضعیت نهایی برقنما |
|---|---|---|
| تماس | تماس جسم باردار با کلاهک فلزی | دارای بار همنام با جسم (ورقهها باز میمانند) |
| القا | نزدیک کردن جسم باردار بدون تماس | دارای بار موقت (با دور کردن جسم، به حالت خنثی برمیگردد) |
| تماس و سپس اتصال زمین | تماس با یک جسم و سپس اتصال به زمین در حضور آن | دارای بار مخالف با جسم (روش باردار کردن دائمی توسط القا) |
تشخیص نوع بار با برقنما
یکی از کاربردهای مهم برقنما، تعیین نوع بار (مثبت یا منفی) یک جسم است. برای این کار، ابتدا باید برقنما را به یک بار مشخص و معلوم، مثلاً منفی، مجهز کنیم. روش کار به این صورت است:
- یک میله شیشهای را با ابریشم و یک میله پلاستیکی را با خز مالش دهید. (طبق جدول الکتریسیته مالشی، شیشه با ابریشم بار مثبت و پلاستیک با خز بار منفی پیدا میکند.)
- میله پلاستیکی (بار منفی) را به کلاهک برقنما تماس دهید تا برقنما کاملاً باردار منفی شود. در این حالت ورقها باز هستند.
- حال اگر یک جسم ناشناس را به کلاهک برقنما نزدیک کنیم:
- اگر زاویه بازشدگی ورقها بیشتر شود، یعنی جسم ناشناس دارای بار منفی است (الکترونهای اضافی به ورقها رانده شده و بار منفی آنها بیشتر میشود).
- اگر زاویه بازشدگی ورقها کمتر شود، یعنی جسم ناشناس دارای بار مثبت است (الکترونها از ورقها به سمت کلاهک و جسم مثبت جذب میشوند و بار خالص ورقها کاهش مییابد).
این روش یکی از اولین آزمایشهای علمی برای شناسایی ماهیت بار الکتریکی اجسام است.
چالشهای مفهومی
خیر. برای باز شدن ورقها، نیاز به انتقال بار خالص به برقنما است. یک جسم خنثی دارای تعداد مساوی پروتون و الکترون است و هیچ بار خالصی برای انتقال به برقنما ندارد، بنابراین ورقها در حالت خنثی و بسته باقی میمانند.
این پدیده به دلیل القای الکترواستاتیکی رخ میدهد. میله باردار، توزیع بارها را در برقنما تغییر میدهد بدون اینکه بار خالصی به آن منتقل کند. در نتیجه ورقها دارای بار موقت شده و باز میشوند. با دور کردن میله، بارها دوباره به حالت یکنواخت خود در سراسر برقنما (که خنثی است) برمیگردند و ورقها میخوابند.
برقنما عمدتاً یک وسیله آشکارساز است، نه اندازهگیر دقیق. با کالیبره کردن آن میتوان به صورت تقریبی مقدار بار را مقایسه کرد. برای مثال، هرچه زاویه باز شدن ورقها بیشتر باشد، بار منتقل شده بیشتر است. اما برای اندازهگیری دقیق بار بر حسب کولن، از ابزارهای دقیقتری به نام الکترومتر استفاده میشود.
جمعبندی
پاورقی
1 بار الکتریکی (Electric Charge): خاصیتی فیزیکی در ذرات بنیادی ماده که باعث میشود در میدان الکترومغناطیسی نیرو وارد کنند. بار میتواند مثبت یا منفی باشد.2 القای الکترواستاتیکی (Electrostatic Induction): بازتوزیع بار الکتریکی در یک جسم، در اثر نزدیک شدن یک جسم باردار به آن.
3 الکترومتر (Electrometer): ابزاری الکترونیکی برای اندازهگیری بسیار دقیق ولتاژ و بار الکتریکی.
