جادوی نزدیکی: باردار شدن اجسام بدون تماس!
بار الکتریکی: مهمان نامرئی دنیای اطراف ما
همهی مواد از ذرات ریزی به نام اتم ساخته شدهاند. در مرکز هر اتم، هسته2 وجود دارد که دارای بار مثبت است. ذرات دیگری به نام الکترون3، که بار منفی دارند، به دور هسته میچرخند. معمولاً تعداد بارهای مثبت و منفی در یک اتم برابر است و جسم از نظر الکتریکی خنثی است.
وقتی یک جسم را مالش میدهیم (مثل مالش بادکنک به مو)، ممکن است تعدادی الکترون از یک جسم به جسم دیگر منتقل شوند. جسمی که الکترون از دست میدهد، بار مثبت پیدا میکند و جسمی که الکترون به دست میآورد، بار منفی میشود. این همان بار ساکن4 است. یک قانون طلایی در الکتریسیته وجود دارد: بارهای همنام (مثبت-مثبت یا منفی-منفی) یکدیگر را میرانند و بارهای ناهمنام (مثبت-منفی) همدیگر را میکشند.
| نوع جسم | تعریف | چند مثال ملموس | رفتار بار الکتریکی |
|---|---|---|---|
| رسانا5 | موادی که اجازه میدهند بار الکتریکی (الکترون) به راحتی درون آنها جریان پیدا کند. | سیم مسی، قاشق فلزی، بدن انسان، آب لولهکشی | بار در سطح جسم پخش میشود و میتواند آزادانه حرکت کند. |
| نارسانا (عایق)6 | موادی که اجازه حرکت آزادانهی بار الکتریکی را نمیدهند. | پلاستیک، شیشه، چوب خشک، لاستیک، هوا | بار در محل ایجاد یا القا باقی میماند و جابهجا نمیشود. |
القای بار الکتریکی: چگونه از دور عمل میکند؟
ایجاد بار در یک جسم بدون تماس مستقیم، فقط با نزدیک کردن یک جسم باردار دیگر را القای بار الکتریکی مینامند. این فرآیند بر پایهی جاذبهی بارهای ناهمنام و دافعهی بارهای همنام کار میکند و معمولاً روی اجسام رسانا به خوبی رخ میدهد.
بارهای منفی روی میله، بارهای مثبت داخل توپهای فلزی را جذب و بارهای منفی آنها را میرانند. در یک جسم رسانا، بارهای منفی آزادانه میتوانند حرکت کنند. بنابراین، بارهای منفی به سمت دورترین نقطه از میله (سمت چپ توپها) رانده میشوند و در سمت راست (نزدیک میله) کمبود الکترون یا بار مثبت ایجاد میگردد. این جدایی بار در داخل جسم رسانا، القای بار الکتریکی نامیده میشود. اگر در همین حالت، دو توپ را از هم جدا کنیم، یکی بار مثبت و دیگری بار منفی خواهد داشت!
فرمول نیروی بین دو بار (که در القا نقش اساسی دارد) قانون کولن7 نامیده میشود: $ F = k \frac{|q_1 \times q_2|}{r^2} $ که در آن F اندازه نیرو، q اندازه بارها، r فاصله و k یک ثابت است. مهم اینجا این است که با کاهش فاصله (r)، نیروی جاذبه یا دافعه بسیار قویتر میشود و القا راحتتر رخ میدهد.
از آزمایشگاه تا زندگی: القای بار در عمل
شاید فکر کنید القای بار فقط یک پدیده آزمایشگاهی است، اما مثالهای زیادی در اطراف ما وجود دارد:
۱. جاروبرقی قاتل گردوغبار: برخی فیلترهای جاروبرقی به گونهای طراحی شدهاند که با مالش هوا باردار میشوند. وقتی ذرات غبار (که میتوانند خنثی یا دارای بار جزئی باشند) از نزدیکی این فیلتر عبور میکنند، در آنها بار القا میشود و سپس به شدت جذب فیلتر باردار میگردند.
۲. چسبندگی عجیب بادکنک به دیوار: وقتی بادکنک را به موهایتان مالش میدهید، بار منفی میگیرد. با نزدیک کردن آن به دیوار (که سطحی نسبتاً خنثی است)، بارهای منفی بادکنک، بارهای مثبت سطح دیوار را جذب و بارهای منفی آن را میرانند. در نتیجه، یک لایهی موقت بار مثبت روی دیوار ایجاد میشود که بادکنک باردار منفی را نگه میدارد.
۳. رعد و برق، نمایش غولآسای القا: در طوفانها، برخورد ذرات یخ و آب در ابر باعث ایجاد بار (معمولاً منفی در پایین ابر) میشود. این بار منفی قوی، بار مثبت را در سطح زمین زیر خود القا میکند. هنگامی که جاذبه بین این بارهای ناهمنام خیلی زیاد شود، جرقهی عظیم رعد و برق بین ابر و زمین زده میشود.
سوالات رایج و باورهای نادرست
پاسخ: خیر. در القا، فقط بار (الکترون) جابهجا یا تجمیع میشود و مادهی اصلی جسم جابهجا نمیگردد. مثل باد کردن بادکنک که هوا جابهجا میشود، نه جنس بادکنک.
پاسخ: در ابتدا، بار شانه در کاغذ (که نارساناست) القای بار میکند و جاذبه ایجاد میشود. پس از تماس، ممکن است بخشی از بار شانه به کاغذ منتقل شود. حالا هر دو جسم همنام باردار شدهاند و یکدیگر را میرانند.
پاسخ: بله، اما نه به خوبی اجسام رسانا. در نارساناها، الکترونها آزاد نیستند تا در حجم جسم حرکت کنند. بنابراین، جدایی بار فقط در سطح و به صورت موضعی و محدود رخ میدهد. به همین دلیل اثر آن ضعیفتر و کوتاهمدتتر است.
پاورقی
1 القای بار الکتریکی (Electrostatic Induction): فرآیند توزیع مجدد بارهای الکتریکی در یک جسم، در اثر نزدیکی یک جسم باردار دیگر.
2 هسته (Nucleus): مرکز سنگین و با بار مثبت اتم، متشکل از پروتون و نوترون.
3 الکترون (Electron): ذرهای با بار الکتریکی منفی که به دور هسته اتم میچرخد.
4 بار ساکن (Static Electricity): تجمع بار الکتریکی روی یک جسم که معمولاً از طریق مالش ایجاد میشود.
5 رسانا (Conductor): مادهای که اجازه میدهد بار الکتریکی به آسانی از درون آن عبور کند.
6 نارسانا یا عایق (Insulator): مادهای که بار الکتریکی به سختی از درون آن عبور میکند.
7 قانون کولن (Coulomb's Law): قانونی که نیروی الکترواستاتیک بین دو بار نقطهای را توصیف میکند.
