باردار شدن به روش القا: چگونه اجسام بدون تماس مستقیم باردار میشوند؟
۱. سه راه اصلی باردار کردن اجسام: اصطکاک، رسانش و القا
حتماً تا به حال تجربه کردهاید که بعد از کشیدن شانه به موهایتان، شانه میتواند تکههای کوچک کاغذ را جذب کند. این پدیده نتیجهی الکتریسیتهی ساکن است. در علم فیزیک، برای باردار کردن اجسام سه روش اصلی وجود دارد. در روش اصطکاک، دو جسم نارسانا را به هم مالش میدهیم تا الکترونها از یکی به دیگری منتقل شوند. در روش رسانش، یک جسم باردار را مستقیماً به یک جسم رسانا تماس میدهیم و بار بین آنها تقسیم میشود. اما روش سوم که جذابترین و شاید شگفتانگیزترین روش است، القا نام دارد؛ جایی که یک جسم بدون هیچ تماس فیزیکی با جسم باردار، دارای بار الکتریکی میشود 1.
<!-- باکس نکته / فرمول -->برای درک بهتر روش القا، بیایید یک مثال عینی را با دو کرهی فلزی کاملاً مشابه و یک میلهی پلاستیکی با بار منفی (که آن را با مالش به موی سر باردار کردهایم) بررسی کنیم. این آزمایش ساده را میتوانید در خانه یا آزمایشگاه مدرسه تصور کنید. دو کرهی A و B را در نظر بگیرید که در ابتدا در کنار هم و در تماس با یکدیگر قرار دارند. هر دو کره از نظر الکتریکی خنثی هستند، یعنی تعداد پروتونها و الکترونهایشان برابر است.
۲. گامبهگام با فرآیند القا: از نزدیک کردن میله تا جدا کردن کرهها
فرآیند القا در چند مرحلهی ساده اما دقیق انجام میشود که در ادامه آنها را مرور میکنیم 1:
مرحله ۱: نزدیک کردن میلهی باردار
میلهی پلاستیکی با بار منفی را به کرهی A نزدیک میکنیم، بدون اینکه به آن تماس پیدا کند. در این لحظه، میدان الکتریکی میله باعث میشود الکترونهای آزاد درون کرههای رسانا جابهجا شوند. الکترونها که دارای بار منفی هستند، از میلهی منفی دور میشوند و در دورترین نقطه، یعنی کرهی B، جمع میشوند. در نتیجه، کرهی A که نزدیک میله است با کمبود الکترون مواجه شده و بار مثبت پیدا میکند، و کرهی B با زیادی الکترون، بار منفی پیدا میکند. به این پدیده، قطبش یا جدایش بار میگویند.
مرحله ۲: قطع تماس کرهها
در حالی که میلهی باردار هنوز نزدیک کرهی A است، دو کره را از یکدیگر جدا میکنیم. با این کار، بارهای مثبت و منفی ایجاد شده، در همان کرهها محبوس میشوند. اکنون کرهی A دارای بار مثبت و کرهی B دارای بار منفی است.
مرحله ۳: دور کردن میله
حالا میلهی باردار را از کنار کرهها دور میکنیم. با دور شدن میله، بارهای ایجاد شده روی کرهها دیگر تحت تأثیر میدان خارجی نیستند و به طور دائم روی کرهها باقی میمانند. به این ترتیب، دو کرهی کاملاً خنثی را بدون حتی یک بار تماس فیزیکی با میله، به دو کرهی باردار (یکی مثبت و یکی منفی) تبدیل کردهایم.
| مرحله | وضعیت کرهها | شرح فرآیند |
|---|---|---|
| ۱. نزدیک کردن | خنثی (اما قطبیده) | میلهی منفی، الکترونها را به سمت کرهی دور (B) میراند. |
| ۲. جداسازی کرهها | A: مثبت / B: منفی | در حضور میله، تماس کرهها قطع میشود و بارها جدا میمانند. |
| ۳. دور کردن میله | A: مثبت / B: منفی | میله دور میشود و کرهها به طور دائم باردار میمانند. |
۳. کاربردهای شگفتانگیز القا: از الکتروسکوپ تا مولد واندوگراف
پدیدهی القای بار الکتریکی فقط یک آزمایش جالب کلاس فیزیک نیست، بلکه کاربردهای عملی فراوانی دارد. یکی از سادهترین این کاربردها، وسیلهای به نام الکتروسکوپ است که برای تشخیص وجود بار الکتریکی در اجسام به کار میرود. الکتروسکوپ معمولاً از یک میلهی فلزی و دو ورقهی نازک طلا ساخته شده است. وقتی یک جسم باردار را به کلاهک فلزی بالای آن نزدیک میکنیم (بدون تماس)، بار درون میله و ورقهها جابهجا میشود. اگر ورقهها دارای بار همنام شوند، از هم دور شده و باز میشوند. این نشان میدهد که جسم مورد نظر باردار است 1.
<!-- مثال عینی -->فرض کنید با یک شانهی پلاستیکی که به موهایتان زدهاید (باردار شده) به الکتروسکوپ نزدیک شوید. ورقههای طلا بلافاصله از هم فاصله میگیرند. جالب اینجاست که اگر شانه را بردارید، ورقهها دوباره به حالت اول برمیگردند، زیرا باری به الکتروسکوپ منتقل نشده و فقط به طور موقت قطبیده شده بود. از کاربردهای پیشرفتهتر میتوان به مولد واندوگراف اشاره کرد که با استفاده از تسمههای متحرک و القا، میتواند ولتاژهای بسیار بالایی (میلیونها ولت) برای شتابدهندههای ذرات تولید کند 1.
<!-- H3 سوم: چالشهای مفهومی -->۴. چالشهای مفهومی: پرسش و پاسخ
<!-- سوال 1 -->❓ چرا در روش القا، دو کره در نهایت بارهای مخالف میگیرند؟
در فرآیند القا، میلهی باردار منفی، الکترونها را از کرهی نزدیک (A) به کرهی دور (B) میراند. وقتی کرهها را از هم جدا میکنیم، الکترونهای اضافی در کرهی B محبوس میشوند (بار منفی) و کرهی A که الکترون از دست داده، با کمبود الکترون مواجه میشود (بار مثبت). بنابراین، بارها همیشه مخالف یکدیگر خواهند بود و مجموع بارها صفر است.
❓ آیا میتوان یک جسم نارسانا را با روش القا باردار کرد؟
خیر، روش القا معمولاً برای اجسام رسانا به کار میرود. در رساناها، الکترونها آزادانه میتوانند در تمام سطح ماده حرکت کنند و قطبش به راحتی انجام میشود. در نارساناها (عایقها) الکترونها به اتمها مقید هستند و نمیتوانند مسافت طولانی را طی کنند؛ بنابراین قطبش در آنها بسیار محدود و موقتی است و نمیتوان با القا، آنها را به طور دائم باردار کرد.
❓ چه تفاوتی بین باردار شدن با رسانش و باردار شدن با القا وجود دارد؟
در روش رسانش، تماس فیزیکی مستقیم بین جسم باردار و جسم خنثی برقرار است و بار به طور فیزیکی از یکی به دیگری منتقل میشود. در نتیجه، هر دو جسم در نهایت بار همنام پیدا میکنند. اما در روش القا، هیچ تماسی رخ نمیدهد و فقط میدان الکتریکی جسم باردار، سبب جابهجایی بارها در درون جسم خنثی میشود. برای باردار شدن دائمی در القا، باید مسیر اتصال به زمین را قطع کرد. در رسانش، بار جسم باردار اولیه کاهش مییابد، در حالی که در القا، مقدار بار جسم باردار تغییری نمیکند.
جمعبندی: القای بار الکتریکی یکی از بنیادیترین و در عین حال جذابترین پدیدههای الکتریسیتهی ساکن است. ما یاد گرفتیم که با نزدیک کردن یک جسم باردار به یک رسانای خنثی، بدون هیچ تماسی میتوانیم آن را باردار کنیم. این فرآیند با قطبش بارها آغاز میشود و با قطع ارتباط بخشهای مختلف رسانا، به باردار شدن دائمی میانجامد. درک این مفهوم ساده اما عمیق، پایه و اساس فناوریهای مهمی از ابزارهای سادهی تشخیص بار مانند الکتروسکوپ تا ماشینهای تولید ولتاژ بالا را تشکیل میدهد.
پاورقی
1 القای بار الکتریکی (Electrostatic Induction): روشی برای باردار کردن یک جسم رسانا بدون تماس فیزیکی، فقط با نزدیک کردن یک جسم باردار در مجاورت آن.
