بار خالص: راز نامرئی مواد
بار الکتریکی و اجزای تشکیل‌دهنده‌ی اتم
برای درک بار خالص، ابتدا باید بدانیم که همه‌ی مواد از اتم ساخته شده‌اند. هر اتم خود از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده است. سه ذره‌ی اصلی عبارتند از:
| نام ذره | محل قرارگیری | بار الکتریکی |
|---|---|---|
| پروتون۳ | هسته۶ | +1 (بار مثبت) |
| نوترون۷ | هسته۶ | 0 (بدون بار یا خنثی) |
| الکترون۴ | ابر الکترونی اطراف هسته | -1 (بار منفی) |
در یک اتم پایدار و خنثی، تعداد پروتون‌ها (بارهای مثبت) و الکترون‌ها (بارهای منفی) دقیقاً با هم برابر است. بنابراین، بارهای مثبت و منفی یکدیگر را خنثی می‌کنند و اتم در حالت عادی از نظر الکتریکی خنثی است. به عنوان مثال، اتم هلیوم دارای 2 پروتون و 2 الکترون است، پس بار کل آن صفر است.
بار خالص چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟
بار خالص یک جسم، نتیجه‌ی نهایی جمع جبری تمام بارهای مثبت و منفی در آن جسم است. اگر جسمی الکترون از دست بدهد یا به دست آورد، تعادل به هم می‌خورد و جسم دارای بار خالص می‌شود.
$ Q_{net} $ = بار خالص
$ N_p $ = تعداد پروتون‌ها
$ N_e $ = تعداد الکترون‌ها
$ e $ = بار بنیادی ($ 1.6 \times 10^{-19} $ کولن۸)
برای محاسبه‌ی بار خالص یک شیء، کافی است تعداد کل بارهای مثبت را از تعداد کل بارهای منفی کم کنیم. نتیجه می‌تواند مثبت، منفی یا صفر باشد.
| شرایط جسم | بار خالص | نام دیگر |
|---|---|---|
| تعداد پروتون‌ها = تعداد الکترون‌ها | 0 | خنثی |
| تعداد پروتون‌ها > تعداد الکترون‌ها | مثبت (+) | باردار مثبت |
| تعداد پروتون‌ها | منفی (-) | باردار منفی |
بار خالص در عمل: از شانه تا آذرخش
شما هر روز با پدیده‌های ناشی از بار خالص سروکار دارید. یک مثال ساده: هنگامی که موهای خشک خود را با یک شانه‌ی پلاستیکی شانه می‌کنید، الکترون‌ها از موهای شما به شانه منتقل می‌شوند. در نتیجه، شانه الکترون اضافه (بار منفی) و موهای شما الکترون کم (بار مثبت) پیدا می‌کنند. این بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند و باعث می‌شوند موهای شما به سمت شانه بلند شود!
آذرخش (رعد و برق) نیز یک نمایش غول‌آسا از بار خالص است. در داخل یک ابر توفانی، ذرات یخ و قطرات آب با یکدیگر برخورد می‌کنند و باعث ایجاد بار خالص مثبت در بخش بالایی ابر و بار خالص منفی در بخش پایینی آن می‌شوند. هنگامی که این تفاوت بار (ولتاژ) به اندازه‌ی کافی بزرگ شود، یک جرقه‌ی عظیم الکتریکی به شکل آذرخش بین ابر و زمین یا بین دو ابر رخ می‌دهد تا تعادل بار را برقرار کند.
باتری‌ها نیز بر اساس کنترل بار خالص کار می‌کنند. یک باتری دارای دو قطب مثبت و منفی است. قطب مثبت کمبود الکترون (بار خالص مثبت) و قطب منفی الکترون اضافی (بار خالص منفی) دارد. هنگامی که این دو قطب توسط یک سیم به هم وصل می‌شوند، الکترون‌ها از قطب منفی به سمت قطب مثبت جریان می‌یابند تا این تفاوت بار را جبران کنند و این جریان الکترونی همان چیزی است که چراغ قوه یا تلفن همراه شما را روشن می‌کند.
یون‌ها: اتم‌هایی با بار خالص
وقتی یک اتم خنثی، یک یا چند الکترون از دست می‌دهد یا به دست می‌آورد، به یک یون۵ تبدیل می‌شود. یون‌ها اتم‌ها یا مولکول‌هایی هستند که بار خالص دارند.
- کاتیون۹: اگر اتمی الکترون از دست بدهد، تعداد پروتون‌هایش از الکترون‌ها بیشتر می‌شود و به یک یون با بار خالص مثبت تبدیل می‌گردد. مثال: یون سدیم ($ Na^+ $).
- آنیون۱۰: اگر اتمی الکترون به دست آورد، تعداد الکترون‌هایش از پروتون‌ها بیشتر می‌شود و به یک یون با بار خالص منفی تبدیل می‌شود. مثال: یون کلرید ($ Cl^- $).
این یون‌های با بار مخالف، یکدیگر را به شدت جذب می‌کنند و پیوندهای یونی تشکیل می‌دهند که مواد معدنی مانند نمک طعام (کلرید سدیم) را می‌سازند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، این یک اشتباه رایج است. در بیشتر پدیده‌های الکتریسیته‌ی روزمره (مانند الکتریسیته‌ی ساکن)، بار خالص معمولاً از طریق جابه‌جایی الکترون‌ها ایجاد می‌شود، نه پروتون‌ها. پروتون‌ها در داخل هسته محکم نگه داشته شده‌اند و به راحتی جابه‌جا نمی‌شوند. بنابراین، یک جسم با بار خالص مثبت، معمولاً به این دلیل است که الکترون از دست داده، نه اینکه پروتون به دست آورده باشد.
خیر. بر اساس قانون پایستگی بار الکتریکی، بار خالص کل در یک سیستم ایزوله همیشه ثابت می‌ماند. بار نمی‌تواند خلق یا نابود شود، فقط می‌تواند از جایی به جای دیگر منتقل شود. وقتی یک جسم بار منفی به دست می‌آورد، جسم دیگری باید به همان میزان بار مثبت به دست آورده باشد (یعنی الکترون از دست داده باشد).
همه‌ی مواد می‌توانند تحت شرایط خاصی بار خالص به دست آورند، اما برخی مواد (مانند فلزات) رسانای۱۱ خوبی هستند و بار به سرعت در سراسر آن‌ها پخش شده یا به زمین منتقل می‌شود. در مقابل، مواد نارسانا۱۲ (مانند پلاستیک، شیشه و لاستیک) می‌توانند بار خالص را برای مدت طولانی در یک ناحیه نگه دارند، به همین دلیل است که برای نمایش الکتریسیته‌ی ساکن از آن‌ها استفاده می‌شود.
بار خالص یک مفهوم کلیدی برای درک جهان است. این مفهوم به ما می‌گوید که چگونه کوچک‌ترین ذرات ماده با یکدیگر تعامل می‌کنند. از بلند شدن موها با شانه تا درخشش یک آذرخش در آسمان، همه و همه نتیجه‌ی یک عدم تعادل ساده در تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها، یعنی وجود یک بار خالص، هستند. با درک این اصل ساده، می‌توانید پدیده‌های پیچیده‌ی بسیاری را در فیزیک، شیمی و حتی زیست‌شناسی توضیح دهید.
پاورقی
۱ بار خالص (Net Charge)
۲ بار الکتریکی (Electric Charge)
۳ پروتون (Proton)
۴ الکترون (Electron)
۵ یون (Ion)
۶ هسته (Nucleus)
۷ نوترون (Neutron)
۸ کولن (Coulomb) - واحد اندازه‌گیری بار الکتریکی
۹ کاتیون (Cation) - یون با بار مثبت
۱۰ آنیون (Anion) - یون با بار منفی
۱۱ رسانا (Conductor)
۱۲ نارسانا (Insulator)