نیروی الکتریکی: موتور نامرئی جهان مدرن
بار الکتریکی: منشأ نیروی الکتریکی
همه چیز از ذرات ریز تشکیل‌دهنده اتم‌ها شروع می‌شود: پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها. پروتون‌ها بار مثبت و الکترون‌ها بار منفی دارند. نوترون‌ها، همانطور که از نامشان پیداست، از نظر الکتریکی خنثی هستند. واحد اندازه‌گیری بار الکتریکی (C) است. بار یک پروتون یا الکترون بسیار کوچک است و برابر با $1.6 \times 10^{-19} C$ می‌باشد.
یک اصل بسیار مهم در اینجا وجود دارد: بارهای همنام یکدیگر را دفع و بارهای غیرهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. این نیروی جاذبه یا دافعه، همان نیروی الکتریکی است. برای مثال، وقتی یک بادکنک را به موهای خود مالش می‌دهید، الکترون‌ها از موهای شما به بادکنک منتقل می‌شوند. در نتیجه، بادکنک بار منفی و موهای شما بار مثبت پیدا می‌کند. حالا چون بارها غیرهمنام هستند، بادکنک به موهای شما می‌چسبد!
قانون کولن: محاسبه نیروی الکتریکی
شارل-آگوستین دو کولن، فیزیکدان فرانسوی، رابطه ریاضی دقیق این نیرو را کشف کرد. قانون کولن می‌گوید بزرگی نیروی بین دو بار نقطه‌ای:
- مستقیماً با حاصلضرب بزرگی دو بار ($q_1$ و $q_2$) نسبت مستقیم دارد.
- با مربع فاصله بین دو بار ($r$) نسبت معکوس دارد.
این رابطه به صورت فرمول زیر نوشته می‌شود:
$ F = k_e \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2} $
در این فرمول:
- $F$ بزرگی نیروی الکتریکی است (نیوتن، N).
- $q_1$ و $q_2$ مقادیر دو بار هستند (کولن، C).
- $r$ فاصله بین دو بار است (متر، m).
- $k_e$ ثابت تناسب یا ثابت کولن است. مقدار آن تقریباً برابر است با: $9 \times 10^9 N m^2 / C^2$
مثال عددی: فرض کنید دو ذره باردار با بارهای $q_1 = +2 \times 10^{-6} C$ و $q_2 = -3 \times 10^{-6} C$ به فاصله 0.5 متر از یکدیگر قرار گرفته‌اند. نیروی بین آن‌ها چقدر است؟
ابتدا قدرمطلق بارها را در نظر می‌گیریم: $|q_1 q_2| = |(2 \times 10^{-6}) \times (-3 \times 10^{-6})| = 6 \times 10^{-12} C^2$
حالا در فرمول قرار می‌دهیم:
$ F = (9 \times 10^9) \dfrac{(6 \times 10^{-12})}{(0.5)^2} = (9 \times 10^9) \dfrac{(6 \times 10^{-12})}{0.25} = (9 \times 10^9) \times (2.4 \times 10^{-11}) = 0.216 N $
از آنجایی که بارها غیرهمنام هستند، این نیرو یک نیروی جاذبه است.
| ویژگی | نیروی الکتریکی | نیروی گرانش |
|---|---|---|
| نوع نیرو | هم می‌تواند جاذبه و هم دافعه باشد. | فقط جاذبه است. |
| نسبت به فاصله | با مربع فاصله نسبت معکوس دارد ($1/r^2$). | با مربع فاصله نسبت معکوس دارد ($1/r^2$). |
| نسبت به جرم/بار | با حاصلضرب بارها نسبت مستقیم دارد. | با حاصلضرب جرم‌ها نسبت مستقیم دارد. |
| قدرت نسبی | بسیار قوی‌تر از گرانش است (مثلاً در اتم). | در مقیاس‌های بزرگ (سیارات، کهکشان‌ها) غالب است. |
میدان الکتریکی: توصیف فضای اطراف بارها
برای درک بهتر نحوه اثر کردن نیروی الکتریکی از راه دور، مفهوم میدان الکتریکی معرفی شده است. هر بار الکتریکی، فضای اطراف خود را تحت تأثیر قرار می‌دهد و یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند. این میدان به هر بار دیگری که درون این فضا قرار گیرد، نیرو وارد می‌کند. شدت میدان الکتریکی ($E$) در یک نقطه، به صورت نیروی وارد شده بر یک بار آزمون مثبت در آن نقطه تعریف می‌شود:
$ \vec{E} = \dfrac{\vec{F}}{q} $
واحد شدت میدان الکتریکی نیوتن بر کولن (N/C) است. برای یک بار نقطه‌ای، میدان الکتریکی در فاصله $r$ از آن به صورت زیر است:
$ E = k_e \dfrac{|q|}{r^2} $
خطوط میدان الکتریکی یک روش بصری برای نمایش میدان هستند. این خطوط همیشه از بارهای مثبت خارج شده و به بارهای منفی وارد می‌شوند. هرچه خطوط به هم نزدیک‌تر باشند، میدان قوی‌تر است.
کاربردهای نیروی الکتریکی در زندگی روزمره
نیروی الکتریکی فقط یک مفهوم تئوری در کتاب‌های درسی نیست؛ بلکه پایه و اساس بسیاری از فناوری‌های اطراف ماست.
۱. چاپگر لیزری: در یک چاپگر، یک درام حساس به نور دارای بار الکتریکی می‌شود. لیزر با تابش خود، الگوی مورد نظر را روی این درام ایجاد می‌کند (بار را در نقاط خاصی پاک می‌کند). سپس تونر (پودر باردار) که به قسمت‌های باردار درام می‌چسبد، روی کاغذ منتقل و با حرارت ثابت می‌شود. تمام این فرآیند با کنترل دقیق بارهای الکتریکی و نیروهای بین آن‌ها کار می‌کند.
۲. تصفیه‌کننده هوا (الکترواستاتیک): برخی تصفیه‌کننده‌ها ذرات دود و گرد و غبار را با استفاده از نیروی الکتریکی به دام می‌اندازند. ذرات هوا از میان یک شبکه عبور داده می‌شوند که به آن بار الکتریکی داده شده است. این ذرات باردار شده و سپس توسط صفحات جمع‌آوری با بار مخالف جذب می‌شوند.
۳. ساختار اتم و مولکول: نیروی الکتریکی بین الکترون‌ها (بار منفی) و پروتون‌های هسته اتم (بار مثبت) است که اتم را در کنار هم نگه می‌دارد. همچنین این نیرو اساس تشکیل پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ها برای ایجاد مولکول‌ها است. دنیای پیچیده شیمی و زیست‌شناسی به این نیروی بنیادی وابسته است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
بله، دقیقاً. برای اینکه نیروی الکتریکی خالص و قابل اندازه‌گیری وجود داشته باشد، جسم باید دارای بار خالص باشد (یعنی تعداد پروتون‌ها و الکترون‌ها یکسان نباشد). در اجسام خنثی، نیروهای جاذبه و دافعه بین بارهای مثبت و منفی داخلی همدیگر را خنثی می‌کنند و نیروی خارجی صفر می‌شود.
مواد مغناطیسی مانند آهنربا دارای حوزه‌های مغناطیسی داخلی هستند که به طور طبیعی هم‌راستا شده‌اند و یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد می‌کنند. در مقابل، بیشتر مواد در حالت عادی از نظر الکتریکی خنثی هستند. برای ایجاد یک نیروی الکتریکی قوی و محسوس، باید با مالش، بارهای مثبت و منفی را از هم جدا کرد تا یک جسم بار خالص قابل توجهی پیدا کند.
نیروی الکتریکی به طور باورنکردنی قوی‌تر از گرانش است. به عنوان مثال، نیروی الکتریکی بین یک پروتون و یک الکترون در یک اتم هیدروژن، حدود $10^{39}$ (یک میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد) بار قوی‌تر از نیروی گرانشی بین آن‌هاست! دلیل اینکه ما گرانش را بیشتر احساس می‌کنیم این است که بارها می‌توانند مثبت و منفی باشند و همدیگر را خنثی کنند، اما جرم همیشه مثبت است و اثر گرانشی آن فقط جمع می‌شود.
پاورقی
1کولن (Coulomb - C): واحد استاندارد بین‌المللی (SI) برای اندازه‌گیری بار الکتریکی. به نام شارل-آگوستین دو کولن نامگذاری شده است.
2الکترواستاتیک (Electrostatics): شاخه‌ای از فیزیک که به مطالعه بارهای الکتریکی در حالت سکون (ثابت) و نیروها و میدان‌های بین آن‌ها می‌پردازد.