نیروی الکتریکی (الکترواستاتیک) چیست؟
بار الکتریکی: سنگ بنای الکتریسیته
همه چیز از اتمها ساخته شدهاند. در مرکز هر اتم، هسته[5] قرار دارد که شامل پروتونها[6] (با بار مثبت) و نوترونها[7] (بدون بار) است. الکترونها[8] نیز با بار منفی، به دور هسته میچرخند. معمولاً تعداد پروتونها و الکترونها در یک اتم برابر است، بنابراین اتم از نظر الکتریکی خنثی[9] است.
بار الکتریکی خاصیت ذاتی این ذرات است که باعث میشود به یکدیگر نیرو وارد کنند. دو نوع بار وجود دارد: بار مثبت و بار منفی. قاعده کلی بسیار ساده است:
برای مثال، اگر دو بادکنک را به موهای خود بمالید، هر دو بار منفی دریافت میکنند. وقتی آنها را به هم نزدیک کنید، یکدیگر را دفع میکنند. اما اگر یک بادکنک باردار شده را به دیوار نزدیک کنید، چون دیوار خنثی است یا بار مخالف دارد، بادکنک جذب آن میشود.
قانون کولن: اندازهگیری نیروی الکتریکی
شارل-آگوستین دو کولن[10]، فیزیکدان فرانسوی، رابطهای ریاضی برای محاسبه اندازه این نیرو کشف کرد. قانون کولن میگوید: نیروی جاذبه یا دافعه بین دو بار نقطهای، با حاصلضرب اندازهی بارها نسبت مستقیم و با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد.
در این فرمول:
• F = اندازه نیروی الکتریکی (نیوتن)
• q1 و q2 = اندازه بارهای اول و دوم (کولن)
• r = فاصله بین دو بار (متر)
• k = ثابت تناسب قانون کولن ($ 9 \times 10^9 \ N.m^2/C^2 $)
این قانون به ما میگوید که با دو برابر شدن فاصله بین دو بار، نیروی بین آنها به یک چهارم کاهش مییابد. همچنین اگر اندازه یکی از بارها دو برابر شود، نیرو نیز دو برابر میشود.
| ویژگی | نیروی الکتریکی | نیروی گرانش |
|---|---|---|
| نوع نیرو | هم میتواند جاذبه و هم دافعه باشد. | فقط جاذبه است. |
| عامل ایجاد نیرو | بار الکتریکی | جرم |
| برد نیرو | برد بلند (نامحدود در عمل) | برد بلند (نامحدود در عمل) |
| قدرت نسبی | بسیار قوی (مثلاً بین پروتون و الکترون در اتم: $ 10^{39} $ بار قویتر از گرانش) | بسیار ضعیف |
میدان الکتریکی: فضای تحت نفوذ یک بار
برای درک چگونگی اعمال نیرو از راه دور، مفهوم میدان الکتریکی معرفی شد. هر بار الکتریکی، فضای اطراف خود را تحت تأثیر قرار میدهد و یک میدان الکتریکی ایجاد میکند. این میدان یک کمیت برداری است، یعنی هم اندازه دارد و هم جهت. اگر بار دیگری وارد این میدان شود، نیروی الکتریکی را احساس میکند.
جهت میدان الکتریکی به صورت قراردادی به سمت بیرون از بارهای مثبت و به سمت داخل بارهای منفی تعریف میشود. شدت میدان الکتریکی ($ E $) در یک نقطه، برابر است با نیروی وارد بر واحد بار مثبت در آن نقطه:
$ E = \frac{F}{q} $
خطوط میدان الکتریکی ابزاری تصویری برای نمایش میدان هستند. این خطوط هرگز یکدیگر را قطع نمیکنند و هرچه خطوط به هم نزدیکتر باشند، نشاندهنده میدان قویتر است.
الکتریسیته ساکن در زندگی روزمره
نیروی الکترواستاتیک پدیدهای انتزاعی نیست؛ مثالهای ملموس زیادی از آن در اطراف ما وجود دارد:
• راه رفتن روی فرش و دریافت شوک از دستگیره در: وقتی روی فرش راه میروید، اصطکاک باعث میشود الکترونها از فرش به کفش و بدن شما منتقل شوند. بدن شما دارای بار منفی میشود. وقتی به دستگیره فلزی در (که رسانا است) دست میزنید، الکترونهای اضافی به سرعت به سمت فلز جهش میکنند تا تعادل برقرار شود. این انتقال سریع بار، همان شوک کوچک و جرقه است.
• چسبیدن لباسها به هم در خشککن: در حین خشک شدن، لباسها به هم ساییده میشوند. برخی بار منفی و برخی بار مثبت پیدا میکنند. بارهای ناهمنام روی لباسهای مختلف باعث جذب و چسبیدن آنها به یکدیگر میشود.
• رعد و برق: این پدیده غولآسا نمونهای از الکتریسیته ساکن است. در داخل ابرهای طوفانی، ذرات یخ و قطرات آب با یکدیگر برخورد میکنند و بار الکتریکی ایجاد میشود. معمولاً بخش پایینی ابر بار منفی و بخش بالایی بار مثبت پیدا میکند. وقتی اختلاف پتانسیل بین ابر و زمین یا بین دو ابر بسیار زیاد شود، هوا که بطور طبیعی عایق است، یونیزه شده و مسیری برای عبور بار ایجاد میکند. تخلیه ناگهانی این بار، همان رعد و برق خیرهکننده است.
• دستگاه کپی (فتوکپی) و پرینتر لیزری: این دستگاهها به طور هوشمندانهای از الکتریسیته ساکن استفاده میکنند. بارهای الکتریکی الگویی از تصویر اصلی را روی یک استوانه حساس به نور ایجاد میکنند. سپس مرکب (تونر) که خود باردار شده است، فقط به قسمتهای باردار استوانه میچسبد و در نهایت این الگو بر روی کاغذ منتقل میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر، این یک اشتباه رایج است. الکتریسیته ساکن به بارهای الکتریکی در حال سکون اشاره دارد (مانند بار روی بادکنک). اما جریان الکتریکی به معنای حرکت مرتب و پیوسته بارها (عمدتاً الکترونها) در یک مسیر رساناست (مانند جریان در سیمهای برق). الکتریسیته ساکن میتواند منجر به ایجاد جریان الکتریکی کوتاهمدت و ناگهانی شود (مانند رعد و برق یا شوک).
این به ساختار اتمی مواد برمیگردد. در رساناها (مانند فلزات)، الکترونهای لایه آخر اتمها به راحتی میتوانند از اتمی به اتم دیگر حرکت کنند. این "الکترونهای آزاد" باعث هدایت جریان میشوند. در عایقها (نارساناها مانند پلاستیک، چوب، شیشه)، الکترونها به شدت به اتمهای خود مقید هستند و آزادی حرکت ندارند، بنابراین جریان برق را از خود عبور نمیدهند.
خیر. بر اساس قانون پایستگی بار الکتریکی، بار الکتریکی نه به وجود میآید و نه از بین میرود، بلکه فقط از جسمی به جسم دیگر منتقل میشود. وقتی بادکنکی را به موهای خود میمالید، الکترونها از موهای شما به بادکنک منتقل میشوند. در نتیجه، بادکنک بار منفی و موهای شما بار مثبت پیدا میکنند. مجموع جبری بارهای کل سیستم ثابت میماند.
نیروی الکترواستاتیک، نیروی بنیادی بین بارهای الکتریکی ساکن است. این نیرو که توسط قانون کولن توصیف میشود، میتواند جاذبه یا دافعه باشد و به شدت تحت تأثیر فاصله بین بارها قرار دارد. مفهوم میدان الکتریکی به ما کمک میکند نحوه اعمال این نیرو از راه دور را درک کنیم. از شوک کوچک دستگیره در تا عظمت رعد و برق، همه و همه جلوههایی از این نیروی قدرتمند در زندگی ما هستند. درک این اصول نه تنها جذاب است، بلکه پایهای برای یادگیری مباحث پیچیدهتر در الکتریسیته و مغناطیس فراهم میکند.
پاورقی
[1] الکترواستاتیک (Electrostatics): شاخهای از فیزیک که به مطالعه بارهای الکتریکی در حال سکون میپردازد.
[2] بار الکتریکی (Electric Charge): خاصیت فیزیکی ذرات زیراتمی که باعث ایجاد نیروی الکترومغناطیسی میشود.
[3] قانون کولن (Coulomb's Law): قانونی فیزیکی که نیروی بین دو بار نقطهای را توصیف میکند.
[4] میدان الکتریکی (Electric Field): ناحیهای از فضای اطراف یک بار الکتریکی که در آن بارهای دیگر تحت تأثیر نیرو قرار میگیرند.
[5] هسته (Nucleus): بخش مرکزی و سنگین اتم.
[6] پروتون (Proton): ذرهای با بار مثبت در هسته اتم.
[7] نوترون (Neutron): ذرهای بدون بار در هسته اتم.
[8] الکترون (Electron): ذرهای با بار منفی که به دور هسته اتم میچرخد.
[9] خنثی (Neutral): حالتی که در آن تعداد بارهای مثبت و منفی برابر است.
[10] شارل-آگوستین دو کولن (Charles-Augustin de Coulomb): فیزیکدان فرانسوی قرن هجدهم.
