قانون کولن: نیروی جاذبه و دافعه بین بارهای الکتریکی
بارهای الکتریکی و نیروهای بین آن‌ها
همه‌ی ما تجربه‌ی جذب خرده‌های کاغذ توسط یک شانه‌ی پلاستیکی که به موهایمان مالیده شده است را داریم. این پدیده به دلیل وجود بار الکتریکی۵ است. در طبیعت دو نوع بار الکتریکی وجود دارد: بار مثبت و بار منفی. یک قانون ساده حاکم بر این بارهاست: بارهای همنام یکدیگر را دفع می‌کنند و بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند.
شار-آگوستن دو کولن، فیزیکدان فرانسوی، در قرن هجدهم میلادی با انجام آزمایش‌های دقیق، رابطه‌ی کمی این نیرو را کشف کرد. او از دستگاهی به نام ترازوی پیچشی استفاده کرد تا بتواند نیروهای بسیار کوچک بین بارها را اندازه‌گیری کند.
$ F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2} $
در این فرمول:
• F اندازه نیروی بین دو بار (بر حسب نیوتن)
• k ثابت تناسب یا ثابت کولن است
• q1 و q2 مقدار بارهای اول و دوم (بر حسب کولن)
• r فاصله بین مرکز دو بار (بر حسب متر) است.
ثابت کولن و محیط اطراف بارها
ثابت k در فرمول قانون کولن، مقداری ثابت است که به محیط اطراف بارها بستگی دارد. برای خلأ یا هوا، مقدار این ثابت تقریباً برابر است با:
$ k \approx 9 \times 10^9 \ \text{N.m}^2/\text{C}^2 $
این عدد بسیار بزرگ نشان می‌دهد که حتی برای بارهای کوچک، اگر فاصله بسیار کم باشد، نیروی الکتریکی می‌تواند بسیار قوی باشد. اگر بارها در محیطی غیر از هوا، مانند آب یا روغن قرار بگیرند، این نیرو ضعیف‌تر می‌شود. نسبت نیرو در خلأ به نیرو در یک محیط دیگر را ثابت دی‌الکتریک۶ آن محیط می‌نامند.
| نوع بارها | جهت نیرو | مثال عملی |
|---|---|---|
| هر دو بار مثبت (q1>0, q2>0) | دافعه (نیروی رانش) | دو بادکنک که به مو مالیده شده‌اند و یکدیگر را دفع می‌کنند. |
| هر دو بار منفی (q1 | دافعه (نیروی رانش) | — |
| یکی مثبت و دیگری منفی (q1>0, q2 | جاذبه (نیروی کشش) | جذب خرده‌های کاغذ توسط شانه‌ی پلاستیکی. |
قانون کولن در عمل: از آزمایشگاه تا فناوری
قانون کولن فقط یک فرمول در کتاب‌های درسی نیست؛ این قانون اساس کار بسیاری از پدیده‌ها و دستگاه‌های اطراف ماست.
مثال ۱: چاپگر لیزری
در یک چاپگر لیزری، یک استوانه‌ی حساس به نور (درام) وجود دارد که در ابتدا به طور یکنواخت باردار می‌شود. سپس یک لیزر با تابش بر روی قسمت‌های خاصی از این استوانه، بار آن نواحی را تغییر می‌دهد. پودر مرکب (تونر) که خود باردار شده است، به دلیل نیروی الکتریکی (طبق قانون کولن) فقط به قسمت‌های باردار شدهٔ درام می‌چسبد و سپس بر روی کاغذ منتقل و تثبیت می‌شود.
مثال ۲: تصفیه‌کننده‌ی هوا (الکترواستاتیک)
برخی تصفیه‌کننده‌های هوا با استفاده از نیروی الکتریکی کار می‌کنند. ذرات دود و گرد و غبار پس از عبور از یک منطقه، باردار می‌شوند. سپس این ذرات باردار هنگام عبور از صفحه‌های جمع‌آوری که بار مخالف دارند، به دلیل نیروی جاذبه‌ی کولنی جذب آن صفحات شده و از جریان هوا حذف می‌شوند.
مثال ۳: پیوندهای شیمیایی
در مقیاس اتمی، نیروی جاذبه‌ی الکترواستاتیک بین الکترون‌های (بار منفی) یک اتم و پروتون‌های (بار مثبت) اتم دیگر، عامل تشکیل برخی از پیوندهای شیمیایی و در نهایت تشکیل مولکول‌ها و مواد است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
بله، دقیقاً. قانون کولن به طور خاص برای الکتروستاتیک، یعنی مطالعه بارهای الکتریکی در حالت سکون، کاربرد دارد. اگر بارها حرکت کنند، اثرات مغناطیسی نیز ظاهر می‌شوند که توسط قوانین دیگری توصیف می‌گردند.
یک کولن معادل بار تقریبی 6.24 × 1018 پروتون است. این عدد بسیار بزرگی است، بنابراین در زندگی روزمره معمولاً با کسری از کولن (مانند میکروکولن (10-6 C)) سر و کار داریم.
قانون کولن به طور دقیق برای بارهای نقطه‌ای صادق است. بار نقطه‌ای به بارهایی گفته می‌شود که ابعاد آن‌ها در مقایسه با فاصله‌ای که از هم دارند ناچیز باشد. برای اجسام با اندازه‌ی معمولی، اگر بار به طور یکنواخت توزیع شده باشد و شکل جسم کروی باشد، می‌توان از این قانون استفاده کرد و فاصله r را فاصله بین مرکز دو کره در نظر گرفت.
قانون کولن یکی از قوانین بنیادی فیزیک است که به ما می‌گوید نیروی بین دو بار نقطه‌ای چگونه محاسبه می‌شود. این نیرو با حاصلضرب اندازه بارها نسبت مستقیم و با مربع فاصله بین آن‌ها نسبت معکوس دارد. درک این قانون نه تنها برای موفقیت در درس فیزیک ضروری است، بلکه به ما کمک می‌کند نحوه عملکرد بسیاری از دستگاه‌های الکتریکی مدرن و حتی پدیده‌های طبیعی را درک کنیم. از بادکنک روی دیوار گرفته تا چاپگر لیزری، همه و همه جلوه‌ای از این قانون ساده اما قدرتمند هستند.
پاورقی
۱ قانون کولن (Coulomb's Law)
۲ نیروی الکتروستاتیک (Electrostatic Force)
۳ بار نقطه‌ای (Point Charge)
۴ ثابت کولن (Coulomb's Constant)
۵ بار الکتریکی (Electric Charge)
۶ ثابت دی‌الکتریک (Dielectric Constant)