بار الکتریکی مثبت و منفی: نیروهای پنهان جهان

سفر به دنیای ریزترین ذرات

بار الکتریکی چیست و از کجا می‌آید؟

همه چیز در اطراف ما از ذرات بسیار ریزتری به نام اتم⁵ ساخته شده است. هر اتم خودش از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده که مهم‌ترین آن‌ها برای بحث ما پروتون و الکترون هستند. پروتون بار الکتریکی مثبت (+) و الکترون بار الکتریکی منفی (-) دارد. در حالت عادی، تعداد پروتون‌ها و الکترون‌ها در یک اتم برابر است، بنابراین اتم از نظر الکتریکی خنثی است. اما اگر اتمی الکترون از دست بدهد، تعداد پروتون‌هایش بیشتر می‌شود و به یک ذره با بار مثبت تبدیل می‌شود. برعکس، اگر اتمی الکترون اضافی بگیرد، تعداد الکترون‌ها بیشتر شده و بار کل آن منفی می‌شود.

قانون طلایی جذب و دفع بارها

این قانون، قلب تپنده الکتریسیته است و به سادگی قابل درک و آزمایش است:

• جذب: بارهای ناهمنام (مثبت و منفی) همدیگر را می‌کشند.
• دفع: بارهای همنام (مثبت با مثبت یا منفی با منفی) همدیگر را می‌رانند.

مثل دو آهنربا که قطب‌های ناهمنام جذب و قطب‌های همنام دفع می‌کنند. این نیرو از فاصلۀ مشخصی عمل می‌کند و نیازی به تماس فیزیکی نیست.

الکتریسیته در حرکت: از جرقه تا جریان

بارهای الکتریکی می‌توانند حرکت کنند و این حرکت همان جریان الکتریکی است که باعث روشن شدن لامپ یا کار کردن تلفن همراه می‌شود. مواد از نظر توانایی عبور بارها به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• رساناها: موادی که به راحتی اجازه حرکت بارهای الکتریکی (عمدتاً الکترون‌های آزاد) را می‌دهند. مانند مس در سیم‌ها، آهن و بدن انسان.
• نارساناها یا عایق‌ها: موادی که حرکت بارها در آن‌ها بسیار سخت است. مانند پلاستیک، چوب خشک، شیشه و هوا.

مثال عملی: وقتی با کفش پلاستیکی روی فرش راه می‌روید، الکترون‌ها از فرش به بدن شما منتقل می‌شوند و شما بار منفی پیدا می‌کنید. وقتی دست خود را به دستگیرۀ فلزی در (که یک رساناست) می‌زنید، الکترون‌های اضافی به سرعت از بدن شما به در منتقل می‌شوند و یک جرقه یا شوک کوچک (احساس قلقلک برق) ایجاد می‌کنند. این همان تخلیه الکتریکی است که در مقیاس بسیار بزرگ‌تر به صورت آذرخش⁶ دیده می‌شود.

آزمایش‌های ساده و ملموس با بارهای الکتریکی

بیایید با چند آزمایش خانگی ساده، این قوانین را ببینیم و لمس کنیم:

آزمایش ۱ (جذب بار ناهمنام): یک بادکنک را باد کنید و در آن را گره بزنید. آن را به موهای خشک خود (یا یک پارچۀ پشمی) مالش دهید. حالا بادکنک را نزدیک دیوار نگه دارید. می‌بینید که می‌چسبد! چرا؟ زیرا مالش، الکترون‌ها را از موهای شما به بادکنک منتقل کرده و بادکنک بار منفی پیدا کرده است. وقتی آن را نزدیک دیوار (که در حالت عادی خنثی است) می‌گیرید، بار منفی بادکنک، الکترون‌های بخشی از دیوار را می‌راند و باعث می‌شود آن ناحیه از دیوار کمی بار مثبت پیدا کند. حالا بارهای ناهمنام (مثبت دیوار و منفی بادکنک) همدیگر را جذب می‌کنند و بادکنک به دیوار می‌چسبد.

آزمایش ۲ (دفع بار همنام): دو تکه نوار چسب کاغذی (اسکاچ) بلند بردارید. هر دو را به یک سطح تمیز (میز) بچسبانید و سریع بلند کنید. حالا هر دو نوار را از ته با دست بگیرید و سعی کنید به هم نزدیک کنید. می‌بینید که از هم دور می‌شوند! زیرا هر دو نوار در اثر کندن از میز، بار یکسان (مثلاً منفی) پیدا کرده‌اند و بارهای همنام همدیگر را دفع می‌کنند.

پرسش‌های مهم و اشتباهات رایج

پاورقی

¹ بار الکتریکی (Electric Charge): یک خاصیت فیزیکی ذرات زیراتمی است که منشأ نیروهای الکترومغناطیسی است و در دو نوع مثبت و منفی ظاهر می‌شود. واحد آن کولن⁸ است.

² الکترون (Electron): ذره‌ای با بار الکتریکی منفی که به دور هسته اتم می‌چرخد. جرم آن بسیار ناچیز است.

³ پروتون (Proton): ذره‌ای با بار الکتریکی مثبت که در هسته اتم قرار دارد.

⁴ رسانای الکتریکی (Electrical Conductor): ماده‌ای که اجازه می‌دهد بار الکتریکی به راحتی از درون آن عبور کند.

⁵ اتم (Atom): کوچکترین واحد تشکیل‌دهنده یک عنصر شیمیایی که همه خواص آن عنصر را حفظ می‌کند.

⁶ آذرخش (Lightning): تخلیه ناگهانی و عظیم الکتریکی بین ابر و زمین یا بین دو ابر.

⁷ قطبش (Polarization): جابه‌جایی جزئی بارهای مثبت و منفی در یک جسم خنثی تحت تأثیر نزدیکی یک جسم باردار.

⁸ کولن (Coulomb): واحد استاندارد اندازه‌گیری بار الکتریکی در سیستم SI.