میدان الکتریکی: ناحیه‌ای که در آن نیروی الکتریکی بر بارهای الکتریکی وارد می‌شود

میدان الکتریکی: نیروی نامرئی اطراف بارها

میدان الکتریکی چیست؟

فرض کنید یک توپ پینگ‌پونگ را در فضای خالی رها کرده‌اید. این توپ سقوط می‌کند زیرا در میدان گرانشی زمین قرار دارد. به طور مشابه، یک بار الکتریکی نیز در فضای اطراف خود یک میدان ایجاد می‌کند. اگر بار الکتریکی دیگری وارد این فضا شود، این میدان به آن نیرو وارد می‌کند. بنابراین، میدان الکتریکی ناحیه‌ای از فضا است که در آن یک بار الکتریکی، نیروی الکتریکی را روی بارهای دیگر احساس می‌کند. این مفهوم به ما کمک می‌کند تا بدون نیاز به تماس فیزیکی، چگونگی تأثیر بارها بر یکدیگر را درک کنیم.

میدان حول بارهای منفرد

میدان الکتریکی ایجاد شده توسط یک بار نقطه‌ای ساکن، مستقیماً از قانون کولن استخراج می‌شود. برای یک بار منبع ($Q$)، اندازه میدان الکتریکی در فاصله $r$ از آن به صورت زیر است:

مثال: یک بار مثبت به اندازه 2 µC در نظر بگیرید. میدان الکتریکی در فاصله 0.5 m از آن چقدر است؟
گام ۱: تبدیل یکاها: $Q = 2 \times 10^{-6} C$
گام ۲: جایگذاری در فرمول: $E = (9 \times 10^9) \frac{(2 \times 10^{-6})}{(0.5)^2}$
گام ۳: محاسبه: $E = (9 \times 10^9) \times (8 \times 10^{-6}) = 7.2 \times 10^4 N/C$
این مقدار، اندازه میدان است و چون بار مثبت است، جهت آن به سمت بیرون است.

نمایش میدان: خطوط میدان الکتریکی

برای تجسم میدان‌های الکتریکی از مفهومی به نام خطوط میدان استفاده می‌شود. این خطوط، مسیری را نشان می‌دهند که یک بار آزمون مثبت در صورت رهاسازی در میدان، آن را دنبال می‌کند.

میدان حاصل از چندین بار: اصل برهم‌نهی

وقتی بیش از یک بار وجود داشته باشد، میدان الکتریکی کل در هر نقطه، برابر است با بردار حاصل جمع میدان‌های الکتریکی ناشی از هر یک از بارها. به این اصل، اصل برهم‌نهی می‌گویند.

مثال ساده: دو بار مساوی و مثبت (+Q) را در نظر بگیرید که در فاصله d از هم قرار دارند. میدان الکتریکی در نقطه میانی بین آن‌ها چقدر است؟
از آنجایی که هر دو بار مثبت هستند، میدان هر کدام در نقطه میانی به سمت بیرون (دور از خود بار) است. بنابراین، میدان‌های ایجاد شده توسط دو بار در نقطه میانی، جهت‌های مخالف دارند. از آنجایی که بارها و فاصله‌ها مساوی هستند، اندازه میدان‌ها برابر است. در نتیجه، این دو میدان یکدیگر را خنثی می‌کنند و میدان الکتریکی کل در نقطه میانی صفر خواهد بود.

میدان یکنواخت و کاربرد آن در خازن

یک میدان الکتریکی یکنواخت، میدانی است که در همه نقاط، اندازه و جهت یکسانی دارد. ساده‌ترین راه برای ایجاد چنین میدانی، استفاده از دو صفحه رسانای موازی و تخت است که به یک باتری متصل شده‌اند. به این ساختار یک خازن صفحه‌موازی می‌گویند.

در یک خازن، صفحه مثبت و صفحه منفی وجود دارد. خطوط میدان به طور یکنواخت از صفحه مثبت به سمت صفحه منفی می‌روند. از خازن‌ها برای ذخیره انرژی الکتریکی در مدارهای الکترونیکی مانند گوشی‌های همراه، رایانه‌ها و رادیوها استفاده می‌شود.

میدان الکتریکی در خدمت بشر: از تصفیه هوا تا صاعقه

میدان‌های الکتریکی فقط یک مفهوم تئوری نیستند، بلکه در فناوری‌های زیادی نقش اساسی دارند.
تصفیه‌کننده هوا: در برخی تصفیه‌کننده‌ها، ذرات دود و گردوغبار ابتدا باردار می‌شوند و سپس توسط یک میدان الکتریکی قوی به سمت صفحه‌ای با بار مخالف جذب و در نتیجه از هوای اتاق حذف می‌شوند.
چاپگر لیزری: در این چاپگرها، یک لیزر با تابش بر روی یک استوانه حساس به نور، الگویی باردار ایجاد می‌کند. سپس تونر (پودر مرکب) که دارای بار الکتریکی است، فقط به قسمت‌های باردار استوانه جذب می‌شود و بعد از آن به کاغذ منتقل می‌گردد.
صاعقه: این پدیده طبیعی یک نمونه غول‌آسا از تخلیه الکتریکی است. در طی طوفان، ابرها به دلیل اصطکاک، شدیداً باردار می‌شوند. این بار، یک میدان الکتریکی بسیار قوی بین ابر و زمین ایجاد می‌کند. هنگامی که شدت این میدان از یک حد معین بیشتر شود، هوا که در حالت عادی نارساناست، یونیزه شده و به یک مسیر رسانا تبدیل می‌شود. در این لحظه، بار الکتریکی به شکل یک جرقه عظیم (صاعقه) از میان هوا جهش کرده و به زمین می‌رسد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ میدان الکتریکی (Electric Field)
^۲ قانون کولن (Coulomb's Law)
^۳ قانون گاوس (Gauss's Law)
^۴ خطوط میدان (Field Lines)
^۵ خازن (Capacitor)
^۶ صاعقه (Lightning)