پر کردن (شارژ): افزودن بار الکتریکی به یک جسم
بار الکتریکی چیست؟
همه‌چیز در اطراف ما از اتم‌ها ساخته شده‌اند. هر اتم خود از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده است: پروتون۵ (با بار مثبت)، الکترون۶ (با بار منفی) و نوترون۷ (بدون بار یا خنثی). بار الکتریکی در واقع یک ویژگی فیزیکی ذرات است که باعث می‌شود آن‌ها نیروی الکترومغناطیسی بر یکدیگر وارد کنند. یک قاعده‌ی کلی و ساده وجود دارد: بارهای همنام یکدیگر را دفع و بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند.
معمولاً یک اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است، زیرا تعداد پروتون‌های (بار مثبت) و الکترون‌های (بار منفی) آن برابر است. اما اگر یک اتم الکترونی از دست بدهد، تعداد پروتون‌هایش بیشتر شده و به یک یون۸ مثبت تبدیل می‌شود. برعکس، اگر الکترونی به دست آورد، به یک یون منفی تبدیل می‌شود. این عدم تعادل در بارها، اساس پدیده‌ی شارژ است.
روش‌های مختلف برای شارژ کردن یک جسم
سه روش اصلی برای دادن بار الکتریکی به یک جسم وجود دارد. این روش‌ها نشان می‌دهند چگونه می‌توان تعادل بارها را به هم زد.
| نام روش | شرح فرآیند | مثال عملی |
|---|---|---|
| شارژ توسط اصطکاک۹ | مالش دو جسم نارسانا به یکدیگر باعث انتقال الکترون از یک جسم به جسم دیگر می‌شود. | وقتی بادکنکی را به موهای خود می‌مالید، الکترون از موها به بادکنک منتقل شده و بادکنک بار منفی و موها بار مثبت پیدا می‌کنند. |
| شارژ توسط القا۱۰ | نزدیک کردن یک جسم باردار (بدن تماس) به یک جسم رسانای خنثی، باعث جابجایی الکترون‌های آزاد در جسم رسانا و ایجاد قطب‌های مثبت و منفی در آن می‌شود. | نزدیک کردن یک میله باردار منفی به یک قوطی نوشابه فلزی باعث می‌شود الکترون‌های قوطی دفع شده و به سمت دورتر بروند، در نتیجه سمتی که نزدیک میله است مثبت و سمت دیگر منفی می‌شود. |
| شارژ توسط تماس۱۱ | تماس مستقیم یک جسم باردار با یک جسم خنثی باعث تقسیم بار بین آن دو می‌شود. هر دو جسم در پایان همنام باردار می‌شوند. | اگر یک میله فلزی باردار منفی را به یک گوی فلزی خنثی تماس دهید، بخشی از بار منفی به گوی منتقل شده و هر دو جسم بار منفی پیدا می‌کنند. |
شارژ باتری‌ها: قلب وسایل الکترونیکی
باتری‌ها وسایلی هستند که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. وقتی می‌گوییم یک باتری را شارژ می‌کنیم، در واقع در حال معکوس کردن این فرآیند هستیم؛ یعنی با استفاده از انرژی الکتریکی، واکنش‌های شیمیایی داخل باتری را به حالت اولیه برمی‌گردانیم تا دوباره بتواند انرژی تولید کند. این فرآیند در باتری‌های قابل شارژ مانند باتری لیتیوم-یون۱۲ تلفن همراه شما رخ می‌دهد.
هنگام شارژ، $ Li^+ $ (یون لیتیوم مثبت) در باتری به سمت الکترود منفی (آند) حرکت می‌کند و الکترون دریافت می‌کند تا به اتم لیتیوم خنثی تبدیل شود. این الکترون‌ها از طریق مدار خارجی (شارژر) به باتری وارد می‌شوند. همزمان، در الکترود مثبت (کاتد)، واکنش‌های شیمیایی دیگری رخ می‌دهد تا تعادل برقرار شود. در نهایت، انرژی به صورت شیمیایی در باتری ذخیره۱۳ می‌شود.
شارژ خازن‌ها: انباره‌های کوچک بار
خازن۱۴ قطعه‌ای الکترونیکی است که می‌تواند بار الکتریکی را برای مدت کوتاهی در خود ذخیره کند. یک خازن ساده از دو صفحهٔ رسانا که توسط یک عایق از هم جدا شده‌اند، تشکیل شده است. وقتی خازن را به یک باتری متصل می‌کنیم، صفحه‌ای که به قطب مثبت باتری وصل است، الکترون از دست داده و مثبت می‌شود. همزمان، صفحه‌ی متصل به قطب منفی، الکترون دریافت کرده و منفی می‌شود.
شارژ در زندگی روزمره: از صاعقه تا عکاسی
پدیده شارژ فقط به وسایل الکترونیکی محدود نمی‌شود. صاعقه یک نمونه طبیعی و غول‌آسا از تخلیه بار الکتریکی است. ابرهای طوفانی در اثر اصطکاک با هوا یا ذرات یخ، شدیداً شارژ می‌شوند. وقتی اختلاف پتانسیل بین ابر و زمین یا بین دو ابر به اندازه کافی زیاد شود، هوا که به طور معمول عایق است، یونیزه شده و مسیری رسانا برای عبور بار (برق) ایجاد می‌کند. این همان جرقه عظیم صاعقه است.
در دستگاه کپی یا پرینتر لیزری نیز از شارژ الکترواستاتیک استفاده می‌شود. یک استوانه حساس به نور (درام) به طور یکنواخت باردار می‌شود. سپس نور لیزر که الگوی تصویر را دارد، به آن می‌تابد و قسمت‌های روشن، بار خود را از دست می‌دهند. در مرحله بعد، تونر (پودر مشکی باردار) فقط به قسمت‌های باردار باقی‌مانده می‌چسبد و در نهایت این تونر بر روی کاغذ منتقل و تثبیت می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: بله، این یک تشبیه دقیق است. وقتی یک باتری را شارژ می‌کنیم، در واقع آن را از "بار الکتریکی" یا دقیق‌تر بگوییم، از "انرژی پتانسیل شیمیایی" پر می‌کنیم. درست مانند پر کردن یک بطری با آب، ما باتری را با انرژی پر می‌کنیم تا بعداً بتواند آن را به صورت جریان الکتریکی خالی (دشارژ) کند.
پاسخ: این به دلیل شارژ شدن بدن شماست. وقتی روی فرش راه می‌روید، بدن شما در اثر اصطکاک با فرش، الکترون از دست داده و بار مثبت پیدا می‌کند. وقتی دست شما به دستگیره فلزی (که یک رساناست) نزدیک می‌شود، بارهای منفی دستگیره به سمت دست شما جذب شده و یک جرقه کوچک (تخلیه بار الکتریکی) رخ می‌دهد.
پاسخ: بله، قطعاً. شارژ کردن یک باتری فراتر از ظرفیت طراحی شده آن، می‌تواند باعث گرمای بیش از حد، کاهش عمر مفید باتری، ایجاد فشار داخلی و در موارد حاد، انفجار یا آتش‌سوزی شود. به همین دلیل است که وسایل الکترونیکی مدرن مانند تلفن‌های همراه، مدارهای محافظ هوشمندی دارند که هنگام رسیدن باتری به ۱۰۰٪، جریان شارژ را قطع می‌کنند.
پاورقی
۱ Charging
۲ Electric Charge
۳ Electric Current
۴ Law of Conservation of Charge
۵ Proton
۶ Electron
۷ Neutron
۸ Ion
۹ Charging by Friction
۱۰ Charging by Induction
۱۱ Charging by Contact
۱۲ Lithium-ion Battery
۱۳ Storage
۱۴ Capacitor