برقنما (الکتروسکوپ): چشمبینای دنیای الکتریسیته
برقنما چیست و از چه اجزایی تشکیل شده است؟
برقنما یا الکتروسکوپ یک دستگاه شناساگر بار الکتریکی است. وظیفه اصلی آن آشکارسازی این است که آیا یک جسم بار دارد یا خیر و اگر دارد، نوع این بار (مثبت یا منفی) چیست . این وسیله برای اولین بار توسط «ویلیام گیلبرت»[4] در حدود سال 1600 میلادی اختراع شد .
ساختمان یک برقنمای ساده و رایج (مخصوصاً نوع ورقهطلا) از بخشهای اصلی زیر تشکیل شده است :
| نام قطعه | جنس و ویژگی | وظیفه |
|---|---|---|
| کلاهک | فلزی (مانند مس یا برنج)، گاهی به شکل قرص یا کره | نقطه تماس یا نزدیکشدن جسم باردار به دستگاه |
| میله رسانا | فلزی | انتقال بار از کلاهک به ورقهها |
| ورقهها | طلا یا آلومینیوم بسیار نازک و سبک | نمایشدهنده اصلی؛ با گرفتن بار همنام از هم فاصله میگیرند. |
| پایه عایق | چوب پنبه، پلاستیک یا لاستیک | جدا کردن میله و کلاهک از بدنه برای جلوگیری از نشت بار |
| محفظه شیشهای | شیشه یا پلاستیک شفاف | محافظت از ورقهها در برابر جریان هوا و گرد و غبار |
نمونه سادهای از این وسیله را حتی میتوان در خانه با یک شیشه مربا، کمی فویل آلومینیوم، یک مفتول مسی و یک تکه چوب پنبه ساخت . نکته مهم این است که آزمایشهای مربوط به الکتریسیته ساکن مانند کار با برقنما، در روزهای خشک و هوای کمرطوبت نتیجه بهتری میدهد .
برقنما چگونه کار میکند؟ (از تشخیص بار تا تعیین نوع آن)
کار با برقنما مراحل و کاربردهای گوناگونی دارد که در ادامه به صورت گامبهگام و با مثال بررسی میشود.
۱. تشخیص باردار بودن یک جسم
فرض کنید یک شانه پلاستیکی را به موهای خشک خود کشیدهاید. آیا میتوان ثابت کرد که حالا شانه باردار شده است؟ بله، با یک برقنمای بدون بار (خنثی). کافی است شانه را نزدیک کلاهک فلزی برقنما کنید (بدون تماس). اگر شانه بار داشته باشد، حتی از فاصله نزدیک، بار آن روی اجزای فلزی برقنما القا[5] میشود. یعنی الکترونهای آزاد در فلز جابهجا شده و باعث میشوند ورقهها بار همنام پیدا کنند و از هم فاصله بگیرند . به محض دور کردن شانه، ورقهها دوباره به حالت اول برمیگردند. اگر جسم بدون بار باشد، هیچ حرکتی در ورقهها دیده نمیشود.
۲. تعیین نوع بار الکتریکی (مثبت یا منفی)
این مرحله جذابتر است. برای فهمیدن نوع بار یک جسم ناشناخته (مثلاً همان شانه)، ابتدا باید بار برقنما را از قبل مشخص کنیم. میتوان با تماس دادن یک جسم با بار معلوم (مثلاً یک میله پلاستیکی باردار منفی) به کلاهک، به برقنما بار منفی داد. حالا ورقههای باردار منفی از هم فاصله دارند.
- حالت اول: جسم ناشناخته (مثلاً شانه) را نزدیک میکنیم. اگر ورقهها بازتر شدند، یعنی بار جسم هم منفی است. چون بارهای همنام، رانش بیشتری ایجاد میکنند .
- حالت دوم: اگر جسم ناشناخته را نزدیک کردیم و ورقهها به هم نزدیکتر شدند، یعنی بار جسم مثبت است. بار مثبت جسم، مقداری از الکترونهای منفی ورقهها را به سمت کلاهک جذب میکند، بار منفی ورقهها کم شده و در نتیجه رانش بین آنها کمتر میشود .
| کاربرد | شرایط دستگاه | نحوه تشخیص و مشاهده |
|---|---|---|
| تشخیص وجود بار | برقنمای بدون بار (خنثی) | نزدیک کردن جسم به کلاهک. باز شدن ورقهها نشانه باردار بودن جسم است. |
| تعیین نوع بار | برقنمای دارای بار معلوم (مثلاً منفی) |
نزدیک کردن جسم ناشناخته.
بازتر شدن = بار همنام
نزدیکتر شدن = بار ناهمنام
|
| مقایسه اندازه بار دو جسم | برقنمای بدون بار | نزدیک کردن دو جسم در شرایط یکسان. جسمی که باعث بازتر شدن بیشتر ورقهها شود، بار بیشتری دارد . |
| تشخیص رسانایی | برقنمای باردار | تماس دادن جسم به کلاهک. اگر ورقهها خوابیدند جسم رسانا است (بار تخلیه شد). اگر تغییری نکرد جسم نارساناست . |
ساختن و آزمایش: برقنمای خانگی شما
درک عمیقتر علم، زمانی اتفاق میافتد که خودتان چیزی را بسازید و آزمایش کنید. ساختن یک برقنمای ساده در خانه با وسایل پیشپاافتاده امکانپذیر است . این کار نه تنها جذاب است، بلکه به تثبیت مفاهیم یادگرفتهشده کمک زیادی میکند.
مواد مورد نیاز: یک شیشه شفاف با درپوش پلاستیکی یا چوبی (مانند شیشه مربا)، یک میله مسی نازک یا یک سیخ چوبی فلزاندود شده، دو تکه کوچک فویل آلومینیوم (حدود 2*1 سانتیمتر)، یک تکه سیم مسی برای کلاهک، چسب نواری و قیچی.
روش ساخت:
- وسط درپوش شیشه را سوراخ کوچکی ایجاد کنید و میله مسی را از آن عبور دهید.
- انتهای پایینی میله (داخل شیشه) را به شکل قلاب درآورید یا به آن یک گیره کاغذ کوچک وصل کنید.
- دو قطعه فویل را از یک گوشه به هم بچسبانید و سپس آن نقطه را به قلاب انتهای میله آویزان کنید.
- انتهای بالایی میله (خارج شیشه) را به یک کلاهک فلزی مانند یک سکه یا یک توپ فویلی متصل کنید.
- درپوش را محکم ببندید. حالا برقنمای خانگی شما آماده است!
آزمایش: یک بادکنک را به موهای خود بمالید تا باردار شود. آن را به کلاهک برقنمای خود نزدیک کنید. مشاهده خواهید کرد که دو ورقه فویل از هم فاصله میگیرند! این اتفاق به دلیل القای بار است. حالا بادکنک را دور کنید، ورقهها دوباره به حالت اول برمیگردند.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. برقنمای ساده (مانند نوع ورقهطلا) فقط یک وسیله کیفی است. یعنی وجود یا عدم وجود بار و نوع آن را نشان میدهد و برای مقایسه تقریبی میزان بار دو جسم به کار میرود. اما برای اندازهگیری دقیق و کمی مقدار بار، از دستگاههای پیچیدهتری به نام الکترومتر[6] استفاده میشود .
پاسخ: این اتفاق مهمی است و دو دلیل اصلی دارد: ۱) ممکن است در حین آزمایش، تماس فیزیکی بین جسم باردار و کلاهک رخ داده باشد. در این صورت، بار از جسم به برقنما منتقل شده و برقنما خودش برای همیشه باردار شده است. ۲) ممکن است رطوبت هوا زیاد باشد. رطوبت باعث میشود بارهای الکتریکی به آرامی از طریق هوا نشت کنند و از بین بروند، بنابراین واکنش دستگاه ضعیف یا نامشخص میشود .
پاسخ: این دو حالت نتایج کاملاً متفاوتی دارند و اشتباه گرفتن آنها یک خطای رایج است.
- نزدیک کردن (بدون تماس): در این حالت معمولاً فقط القای بار رخ میدهد. بار جسم، بارهای داخل فلز برقنما را جابهجا میکند و باعث حرکت موقتی ورقهها میشود. با دور کردن جسم، همه چیز به حالت اول برمیگردد.
- تماس دادن: در این حالت، بار میتواند از جسم به برقنما منتقل شود. اگر جسم و برقنما هر دو رسانا باشند، برقنما ممکن است بخشی از بار جسم را برای خود بگیرد و حتی پس از جدا کردن جسم هم باردار بماند و ورقههایش باز باشد .
پاورقی
[1] الکتروسکوپ (Electroscope): معادل انگلیسی «برقنما». وسیلهای برای آشکارسازی بار الکتریکی.
[2] نوع بار الکتریکی (Type of Electric Charge): مشخصکننده مثبت یا منفی بودن بار یک جسم.
[3] القای الکترواستاتیک (Electrostatic Induction): پدیدهای که در آن یک جسم باردار بدون تماس، باعث جابهجایی بار در جسم دیگر میشود.
[4] ویلیام گیلبرت (William Gilbert): پزشک و دانشمند انگلیسی (۱۵۴۴-۱۶۰۳) که نخستین برقنمای ساده (ورسوریوم) را ساخت.
[5] القا (Induction): در این متن، به معنی ایجاد بار در یک جسم بهواسطه نزدیکی یک جسم باردار دیگر، بدون تماس مستقیم.
[6] الکترومتر (Electrometer): ابزاری دقیقتر برای اندازهگیری کمی (مقداری) بار الکتریکی.
