القای الکتریکی: وقتی بارهای الکتریکی از هم جدا می‌شوند
بارهای الکتریکی و نیروهای بین آن‌ها
همه چیز از اتم‌ها ساخته شده‌اند. در مرکز هر اتم، هسته3 با بار الکتریکی مثبت وجود دارد و الکترون4ها با بار منفی به دور آن می‌چرخند. در حالت عادی، تعداد بارهای مثبت و منفی برابر است و ماده از نظر الکتریکی خنثی5 به نظر میرسد.
بارهای همنام (مثبت با مثبت یا منفی با منفی) یکدیگر را دفع می‌کنند و بارهای ناهمنام (مثبت و منفی) یکدیگر را جذب می‌کنند. این قانون پایه‌ای الکتریسیته است.
میدان الکتریکی چیست؟
یک بار الکتریکی، فضای اطراف خود را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به این فضای نامرئی که در آن نیروی الکتریکی احساس می‌شود، میدان الکتریکی6 می‌گویند. هر بار الکتریکی یک میدان الکتریکی اطراف خود ایجاد می‌کند. قدرت این میدان با فاصله از بار کاهش می‌یابد. فرمول ساده شدۀ میدان الکتریکی ($E$) ناشی از یک بار نقطه‌ای ($q$) به این صورت است:
در این فرمول:
$E$: قدرت میدان الکتریکی
$k$: یک ثابت فیزیکی
$q$: مقدار بار الکتریکی
$r$: فاصله از بار
وقتی یک جسم باردار را به یک جسم خنثی نزدیک می‌کنید، میدان الکتریکی آن جسم باردار بر روی جسم خنثی اثر می‌گذارد و پدیده القای الکتریکی رخ می‌دهد.
القای الکتریکی چگونه رخ می‌دهد؟
القای الکتریکی فرآیندی است که در آن، یک میدان الکتریکی خارجی باعث می‌شود بارهای مثبت و منفی در یک ماده از هم جدا شوند. برای درک این موضوع، باید بدانیم مواد به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:
| نوع ماده | رفتار بارهای الکتریکی | مثال‌ها |
|---|---|---|
| رسانا7 | بارهای الکتریکی (الکترون‌ها) می‌توانند به راحتی در سراسر ماده حرکت کنند. | فلزاتی مانند مس، طلا، آلومینیوم |
| نارسانا8 | بارهای الکتریکی نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند. | پلاستیک، شیشه، چوب، لاستیک |
حالا فرض کنید یک میله پلاستیکی با بار منفی ($-q$) را به یک توپ فلزی خنثی نزدیک می‌کنید (بدون تماس). میدان الکتریکی میله منفی، الکترون‌های آزاد داخل توپ فلزی (که یک رساناست) را دفع می‌کند. در نتیجه:
- الکترون‌ها به سمت دورترین نقطه از میله منفی حرکت می‌کنند و آن ناحیه دارای بار منفی می‌شود.
- ناحیه‌ای از توپ که نزدیک به میله منفی است، به دلیل از دست دادن الکترون، دارای بار مثبت می‌شود.
این جدا شدن بارها دقیقاً همان القای الکتریکی است. اگر میله را دور کنیم، بارها دوباره در سراسر توپ پخش می‌شوند و توپ به حالت خنثی برمی‌گردد.
القای الکتریکی در نارساناها
در نارساناها (عایق‌ها)، الکترون‌ها به اتم‌های خود مقید هستند و نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند. اما وقتی یک میدان الکتریکی خارجی اعمال می‌شود، ساختار اتمی ماده کمی تغییر شکل می‌دهد. بارهای مثبت و منفی در هر اتم به مقدار بسیار کمی نسبت به هم جابه‌جا می‌شوند. این جابه‌جایی کوچک در مقیاس کل ماده، باعث ایجاد قطبش9 و در نتیجه جدایی کلی بارها می‌شود. به این پدیده قطبش می‌گویند.
کاربردهای القای الکتریکی در فناوری و زندگی
این پدیده فقط یک مفهوم تئوری نیست، بلکه پایه‌ی بسیاری از وسایل کاربردی است.
| وسیله/پدیده | نقش القای الکتریکی |
|---|---|
| خازن2 | خازن وسیله‌ای برای ذخیره‌ی بار الکتریکی است. با اعمال ولتاژ به دو صفحهٔ فلزی (رسانا) که توسط یک عایق از هم جدا شده‌اند، بارهای مثبت و منفی روی صفحات مقابل هم القا می‌شوند و انرژی ذخیره می‌کنند. |
| صاعقه‌گیر | صاعقه‌گیر یک میلهٔ فلزی بلند است که در بالای ساختمان‌ها نصب می‌شود. هنگام طوفان، ابرهای دارای بار القایی در زمین ایجاد می‌کنند. صاعقه‌گیر با جمع‌آوری این بارهای القا شده و هدایت آن‌ها به زمین، از برخورد صاعقه به ساختمان جلوگیری می‌کند. |
| شارژرهای بی‌سیم | شارژر، یک میدان الکترومغناطیسی متغیر ایجاد می‌کند. این میدان در سیم‌پیچ داخل گوشی، یک جریان الکتریکی القا می‌کند که برای شارژ باتری استفاده می‌شود. این یک شکل پیشرفته‌تر از القا است. |
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. در القای الکتریکی، هیچ بار جدیدی ایجاد یا از بین نمی‌رود. بارهای مثبت و منفی که از قبل در ماده وجود داشته‌اند، فقط از هم جدا می‌شوند و در مکان‌های مختلف ماده متمرکز می‌گردند. این قانون پایستگی بار10 نام دارد.
پاسخ: در تماس مستقیم (مانند مالش)، بار الکتریکی از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شود و هر دو جسم برای همیشه باردار می‌مانند. اما در القا، فقط یک جابه‌جایی و جدایی موقت بارها در داخل یک جسم رخ می‌دهد و با حذف میدان خارجی، جسم به حالت خنثی بازمی‌گردد.
پاسخ: بله. در صنایع حساس مانند الکترونیک، القای الکتریکی ناخواسته توسط میدان‌های قوی می‌تواند به قطعات ظریف آسیب برساند. همچنین، القای بار در پمپ‌های بنزین می‌تواند باعث ایجاد جرقه و آتش‌سوزی شود. به همین دلیل، در این مکان‌ها از اقدامات ایمنی خاصی استفاده می‌شود.
القای الکتریکی یک پدیدهٔ بنیادی و زیبا در فیزیک است که جدایی موقت بارهای الکتریکی در یک ماده تحت تأثیر یک میدان الکتریکی خارجی را توصیف می‌کند. این پدیده در رساناها به دلیل حرکت آزاد الکترون‌ها و در نارساناها به دلیل قطبش اتم‌ها رخ می‌دهد. از کاربردهای مهم آن می‌توان به خازن‌ها، صاعقه‌گیرها و شارژرهای بی‌سیم اشاره کرد. درک این مفهوم، دروازه‌ای به سوی فهم بسیاری از فناوری‌های مدرن است.
پاورقی
1 القای الکتریکی (Electric Induction)
2 خازن (Capacitor)
3 هسته (Nucleus)
4 الکترون (Electron)
5 خنثی (Neutral)
6 میدان الکتریکی (Electric Field)
7 رسانا (Conductor)
8 نارسانا (Insulator)
9 قطبش (Polarization)
10 پایستگی بار (Conservation of Charge)