بار الکتریکی: راز پنهان جهان ماده
ساختمان اتم: خانه اولیه بارهای الکتریکی
برای درک جسم باردار و خنثی، باید اول بدانیم مواد از چه ساخته شدهاند. همه مواد از واحدهای بسیار ریز و غیرقابل دیدن به نام اتم1 تشکیل شدهاند. هر اتم خودش مانند یک منظومه کوچک است:
- هسته: مرکز اتم که شامل پروتون2 (با بار الکتریکی مثبت) و نوترون3 (بدون بار یا خنثی) است.
- الکترون4: ذراتی با بار الکتریکی منفی که به دور هسته میچرخند.
در یک اتم پایدار و خنثی، تعداد پروتونهای (بار مثبت) درون هسته دقیقاً با تعداد الکترونهای (بار منفی) در حال چرخش برابر است. بنابراین بار کلی اتم صفر است.
جسم خنثی در مقابل جسم باردار: یک مقایسه دقیق
حالا میتوانیم تعریف دقیقتری ارائه دهیم. یک شیء بزرگ (مانند یک میز، خودکار یا بدن شما) از میلیاردها اتم تشکیل شده است.
| ویژگی | جسم خنثی | جسم باردار |
|---|---|---|
| تعریف | جسمی که تعداد کل بارهای مثبت و منفی در آن با هم برابر است. | جسمی که تعداد بارهای مثبت و منفی در آن برابر نیست و بار خالص دارد. |
| بار خالص | صفر | مثبت یا منفی (غیر صفر) |
| وضعیت اتمها | اتمها در حالت عادی و پایدار هستند. | تعادل اتمها به هم خورده؛ یا الکترون اضافه دارند یا کمبود الکترون. |
| نمونه در زندگی | یک کتاب روی میز، لیوان آب، میز چوبی خشک. | بادکنکی که به موز مالش داده شده، شانهپلاستیکی بعد از شانه زدن مو، جرقه هنگام لمس دستگیره. |
| نیروی الکتریکی | نیروی الکتریکی خالص قابل توجهی با اجسام دیگر ندارد. | میتواند اجسام خنثی یا با بار مخالف را جذب یا با بار مشابه را دفع کند. |
دو راه اصلی برای باردار کردن یک جسم خنثی وجود دارد: ۱- مالش و ۲- تماس (آلودهسازی).
باردار کردن اجسام: مالش، تماس و القا
چگونه یک جسم خنثی را باردار میکنیم؟ در اینجا سه روش اصلی را با مثال بررسی میکنیم:
۱- باردار کردن توسط مالش (شارش الکترون): وقتی دو جسم نارسانا مانند یک شانه پلاستیکی و موی خشک را به هم مالش میدهید، برخی الکترونها از یکی کنده شده و به دیگری میچسبند. جسمی که الکترون میگیرد (بار منفی اضافه میکند) بار منفی و جسمی که الکترون از دست میدهد (کمبود الکترون دارد) بار مثبت پیدا میکند. بعد از مالش، هر دو جسم باردار شدهاند.
۲- باردار کردن توسط تماس (آلودهسازی): اگر یک میله فلزی باردار (مثلاً منفی) را به یک کره فلزی خنثی تماس دهید، بخشی از بار اضافی (الکترونهای اضافه) از میله به کره منتقل میشود. حالا هر دو جسم همنام (در این مثال هر دو منفی) باردار شدهاند.
۳- باردار کردن توسط القا (بدون تماس): این روش هوشمندانهتر است. اگر یک میله با بار مثبت را نزدیک (ولی بدون تماس) به یک جسم خنثی فلزی بیاورید، الکترونهای آزاد جسم خنثی جذب بار مثبت شده و در سمت نزدیک جمع میشوند. حالا اگر از طرف دیگر، جسم را به زمین وصل کنید (اتصال به زمین)، الکترونهای بیشتری از زمین وارد جسم شده و آن قسمت منفی میماند. با قطع اتصال زمین و سپس دور کردن میله مثبت، جسم خنثی اولیه اکنون دارای بار منفی شده است. این روش در ساخت برخی دستگاههای الکتریکی کاربرد دارد.
بار الکتریکی در عمل: از خانه تا صنعت
شاید فکر کنید بار الکتریکی فقط موضوع کتاب فیزیک است، اما مثالهای آن همه جا هستند:
- چسبیدن بادکنک به دیوار: بادکنک را به موی خود مالش میدهید. بادکنک الکترون از مو میگیرد و بار منفی پیدا میکند. وقتی آن را نزدیک دیوار (که سطحی نسبتاً خنثی است) میگیرید، بار منفی بادکنک، بارهای مثبت دیوار را جذب خود میکند (توسط القا) و باعث چسبیدن بادکنک میشود.
- جرقه و برق گرفتگی کوچک: وقتی با کفش روی فرش راه میروید، بدن شما توسط مالش باردار میشود (معمولاً بار مثبت به دلیل از دست دادن الکترون). هنگام لمس دستگیره فلزی در، بار اضافی شما ناگهان از طریق فلز (که رساناست) به زمین منتقل میشود. این انتقال سریع بار، همان جرقه و احساس سوزش خفیف است.
- جذب خرده کاغذ توسط خودکار پلاستیکی: خودکار پلاستیکی را به آستین لباس مالش دهید. خودکار باردار شده و وقتی آن را نزدیک تکههای کوچک کاغذ (اجسام خنثی) میگیرید، آنها را جذب میکند.
- کارخانهها و تصفیه هوا: در برخی کارخانهها از بار الکتریکی برای جذب ذرات دود و غبار روی صفحههای باردار مخالف استفاده میکنند. این دستگاهها "رسوبدهنده الکترواستاتیک6" نام دارند و هوای اطراف ما را تمیزتر میکنند.
سوالات متداول و باورهای نادرست
پاسخ: بله، یک جسم باردار (مثبت یا منفی) معمولاً میتواند یک جسم خنثی را جذب کند. دلیلش پدیده القا است. بار جسم باردار باعث میشود بارهای مخالف در جسم خنثی به سمت آن نزدیکتر شوند و بارهای همنام دورتر. از آنجایی که بارهای مخالف نزدیکتر هستند، نیروی جاذبه قویتر از نیروی دافعه بارهای دورتر میشود و در نتیجه جذب اتفاق میافتد.
پاسخ: خیر، این یک اشتباه رایج است. در بیشتر مواد معمولی (به ویژه نارساناها)، تنها ذراتی که میتوانند آزادانه جابجا شوند، الکترونها (بار منفی) هستند. پروتونها در داخل هسته اتم محکم قرار گرفتهاند و جابجایی ندارند. بنابراین وقتی جسمی بار مثبت پیدا میکند، در واقع الکترون از دست داده است، نه اینکه پروتون اضافه کرده باشد یا پروتون جابجا شده باشد.
پاسخ: در شرایط عادی، خیر. اجسام باردار تمایل دارند به حالت خنثی و پایدار بازگردند. بار آنها ممکن است از طریق تماس با اجسام دیگر، اتصال به زمین (رسانا) یا حتی هوای مرطوب (که رسانایی هوا را افزایش میدهد) به تدریج خنثی شود. به همین دلیل است که آزمایشهای مربوط به بار الکتریکی در روزهای خشک بهتر جواب میدهند.
پاورقی
1 اتم (Atom): کوچکترین واحد تشکیلدهنده یک عنصر شیمیایی که هویت آن عنصر را حفظ میکند.
2 پروتون (Proton): ذرهای با بار الکتریکی مثبت که در هسته اتم قرار دارد.
3 نوترون (Neutron): ذرهای بدون بار الکتریکی (خنثی) که در هسته اتم قرار دارد.
4 الکترون (Electron): ذرهای با بار الکتریکی منفی که به دور هسته اتم میچرخد.
5 کولن (Coulomb): واحد استاندارد اندازهگیری بار الکتریکی در سیستم SI.
6 رسوبدهنده الکترواستاتیک (Electrostatic Precipitator): دستگاهی که با استفاده از بار الکتریکی، ذرات معلق در هوا یا گازها را جذب و جدا میکند.
