کانال تلگرام

عضو کانال تلگرام کتاب فارسی شوید

بار الکتریکی

۳ اردیبهشت ۱۳۹۲
یک نظر

اگر یک روز خشک و آفتابی روی قالی راه بروید، به محض این که دستتان با دستگیره فلزی تماس پیدا می‌کند، جرقه ایجاد می‌شود. و یا هنگام باریدن باران، آذرخش و رعد و برق را بارها ملاحظه کرده‌ایم. تمام این موارد حاکی از این است که مقدار زیادی بار الکترونی در اجسام پیرامون ما و حتی در بدن ما ذخیره شده است. خنثی بودن غالب اشیاء مشاهده پذیر و قابل لمس جهان، از لحاظ الکتریکی، این واقعیت را تأیید می‌کند که تمام اشیا حاوی تعداد زیادی بار الکتریکی مثبت و منفی هستند که چون تعداد این دو نوع بار الکتریکی یکسان است، لذا از نظر آثار خارجی کاملا اثر یکدیگر را بی اثر می‌کنند. فقط هنگامی که این توازن زیبای الکتریکی از بین برود، طبیعت آثار بارهای مثبت و منفی آشکار می‌شود. بنابراین زمانی که گفته می‌شود، جسمی باردار است، منظور این است که بار الکتریکی در جسم اندکی نامتوازن شده است.

یک آزمایش ساده
یک میله شیشه‌ای را در دست خود گرفته و با پارچه ابریشمی مالش دهید. عمل مالش سبب می‌شود که مقدار کمی بار الکتریکی از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود، و لذا خنثایی الکتریکی آن دو به هم می‌خورد. حال اگر این میله باردار بوسیله یک رشته نخ از نقطه آویزان کنیم وسیله شیشه‌ای دیگری را که به صورت مشابه باردار شده است به این میله نزدیک کنیم، دو میله یکدیگر را می رانند. اما اگر یک میله پلاستیکی را که با یک پوست خز باردار شده است به این میله نزدیک کنیم، در این صورت میله پلاستیکی انتهای باردار میله شیشه‌ای آویزان شده را جذب می‌کند.
بنابراین نتیجه می‌گیریم که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. یک نوع از آن، یعنی بار الکتریکی که روی شیشه مالش داده شده ایجاد می‌شود را بار مثبت و نوع دیگر، یعنی بار الکتریکی ایجاد شده روی میله بار منفی می‌نامیم همچنین نتیجه می‌گیریم که بارهای الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می‌کنند و برعکس بارهای الکتریکی غیر همنام همدیگر را جذب می‌کنند.

bare-electrici-aتاریخچه انتخاب نام‌های مثبت و منفی
انتخاب نام‌های مثبت و منفی برای بارهای الکتریکی مربوط به بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin) است. او علاوه بر کارهای بزرگی که انجام داد، دانشمندی با شهرت بین المللی بود. فرانکلین واژه‌های بار و باتری را وارد فرهنگ الکتریسیته کرد. بنابراین به رسم احترام شاید بد نباشد که هرگاه باتری ماشین حسابمان خالی می‌شود و ما در حین تعویض باتری علامتهای + و – را روی باتری مشاهده می‌کنیم، که نشان دهنده قطب‌های مثبت و منفی باتری هستند، به یاد فرانکلین این دانشمند بزرگ عالم فیزیک بیافتیم.

بررسی کمی نیروی موجود میان بارهای الکتریکی
در مبحث الکترواستاتیک که بارهای الکتریکی ساکن و یا با سرعت فوق العاده کم مورد بحث قرار می‌گیرد، نیروهایی که بارهای الکتریکی هم نام و غیر هم نام به یکدیگر وارد می‌کنند توسط قانون کولن مورد بررسی قرار می‌گیرد. با استفاده از این قانون می‌توان علاوه بر مقدار این نیروها، نوع آنها را از لحاظ جاذبه یا دافعه بودن مشخص نمود.

کاربرد نیروهای الکتریکی بین اجسام باردار
نیروهای الکتریکی موجود بین اجسام باردار در صنعت کاربردهای زیادی دارند، که از آن جمله می‌توان به رنگ افشانی الکتروستاتیکی، گردنشانی، دود گیری، مرکب پاشی چاپگرها و فتوکپی اشاره کرد. بعنوان مثال در یک دستگاه فتوکپی دانه‌های حامل ماشین با ذرات گرد سیاه رنگی که تونر نام دارد، پوشیده می‌شوند. این ذرات بوسیله نیروهای الکتروستاتیکی به دانه حامل می‌چسبند.
ذرات با بار منفی تونر، سرانجام از دانه‌های حاملشان جدا می‌شوند. جذب این ذرات توسط تصویر با بار مثبت متن مورد نسخه برداری، که بر روی یک غلطک چرخان قرار دارد، صورت می‌گیرد. آنگاه ورقه کاغذ باردار ذرات تونر را روی غلتک جذب می‌کند و بعد از پخته شدن و نشستن ذرات بر روی کاغذ، کپی مورد نظر به دست می‌آید.

مباحث مرتبط با عنوان
نیروی الکتریکی
– چرا وقتی لباس پلاستیکی را از تن خود در می‌آورید لباس به تن شما می‌چسبد؟
– چرا بعد از شانه نمودن سر، شانه می‌تواند خرده‌های کاغذ را بلند کند؟
– چرا بعد از راه رفتن روی فرش، اگر به دستگیره در دست بزنید به دست شما شوک وارد می‌شود؟

این‌ها نمونه‌هایی از نیرویی هستند که از بسیاری جهات شبیه به نیروی گرانشی است. زیر ظاهرا از راه دور و از طریق خلأ اثر می‌کند. اگر شانه‌ای را به سر خود بزنید و آن را به توپ پینگ پنگ آغشته به گرافیت آویزان نزدیک کنید، شانه توپ را از فاصله‌ای جذب می‌کند. اما این نیرو از نوع گرانشی نیست زیرا خیلی قوی تر از آن است. جاذبه گرانشی بین توپ پینگ پنگ و شانه به قدری ضعیف است که قابل آشکارسازی نیست. برای اینکه نیروی گرانشی آشکار سازی شود، جسمی در اندازه کره زمین یا ماه لازم است.
نیروی جدید یک خاصیت موقتی دارد. زیرا اگر بعد از شانه زدن مدتی صبر کنید، احتمالا اثر این نیرو ناپدید خواهد شد. برای اینکه شانه توپ را جذب کند باید بار الکتریکی به آن داده شود. اگر توپ را به شانه باردار شده نزدیک نمایید، توپ از شانه دور خواهد شد. یعنی بین شانه و توپ نیروی دافعه وجود دارد و این چیزی است که هرگز در نیروی گرانشی دیده نشده است. اگر دو شانه باردار را به هم نزدیک کنید هدیگر را دفع خواهند کرد.

برهمکنش انواع بار الکتریکی
– بارهای همنام همدیگر را دفع می‌کنند. نیرویی که این نوع بارها بر هم وارد می‌کنند، از نوع دافعه است. اگر دو جسم را با میله شیشه‌ای یا هر دو با میله پلاستیکی باردار کنیم همدیگر را دفع می‌کنند.
– بارهای غیر همنام همدیگر را جذب می‌کنند. نیرویی که این نوع بارها برهم وارد می‌کنند از نوع جاذبه می‌باشد. اگر یکی از اجسام را با میله شیشه‌ای و دیگری را با میله پلاستیکی باردار کنیم همدیگر را جذب خواهند کرد.
– آزمایش‌ها و نتایج حاصل از بررسی‌ها نشان می‌دهد که ظاهرا دو نوع بار متفاوت وجود دارد که نوع مثبت آن در میله شیشه‌ای و نوع منفی آن در میله پلاستیکی تولید می‌گردد.

بار الکتریکی
آیا می‌توان مقدار بار الکتریکی را اندازه گیری کرد؟ برای پاسخ به این سؤال باید چگونگی وابستگی نیروی الکتریکی به بارهای الکتریکی را پیدا کنیم. بر طبق قانون کولن نیروی میان بارها با مقدارشان نسبت مستقیم دارد و با مربع فاصله میان بارها نسبت عکس دارد.
Fee=Kq1q2/r2
در رابطه فوق q نشانگر بار ذرات و r نشانگر فاصله میان بارهاست. ثابت K، ثابت جهانی کولن است و مقدار آن به متریک‌های استاندارد انتخابی وابسته است. در سیستم SI با یکای بار الکتریکی، کولن مقدار آن برابر K=9.00×109 Nm2/c2 می‌باشد.

آزمایش ساده
برای تقسیم بار الکتریکی به کسرهای مشخص و بررسی نیروی الکتریکی بین ذرات، آزمایش زیر را انجام می‌دهیم:
– دو توپ پینگ پنگ را با گرافیت آغشته کنید تا رسانا شوند، به گونه‌ای که هر باری که با آن داده شود به طور یکسان میان خود تقسیم کنند.
– دو توپ را باردار کنید و باهم تماس دهید تا مقدار بارشان یکسان شود.
– نیروی میان بارها را با استفاده از زاویه انحراف بینشان هنگامی که آویزانند، بیابید.
– انگشت خود را به یکی از آنها بزنید تا تمام بارشان به بدن شما منتقل شود (اتصال زمین).
– دوباره آنها را باهم تماس دهید تا بار باقیمانده میان آنها به طور یکسان تقسیم شود در این صورت مقدار بار هرکدام نصف مقدار قبلی خواهد بود.
– یک بار دیگر نیروی میان آنها را به کمک زاویه انحراف بینشان پیدا کنید. با تکرار چندین مرحله‌ای این آزمایش نتیجه جالبی حاصل می‌شود.
– آزمایش اخیر نیروی میان بارها را به مقدار بارها و فاصله بینشان مربوط می‌کند که به طور تجربی قانون کولن را تأیید می‌کند.

الکتریسته ساکن
– چرا به عقب بدنه تانکرهای نفت جاده‌ای زنجیر کوتاهی که با سطح زمین تماس دارد؟
– آیا زدن رعد و برق بین ابرها نیز به علت وجود الکتریسیته ساکن در آنهاست؟
– چرا اگر میله فلزی را در دست بگیریم و مالش دهیم بار الکتریکی در آن ظاهر نمی‌شود؟
– چگونه می‌توان نشان داد یک میله فلزی هم در اثر مالش الکتریسیته دار می‌شود؟

تاریخچه
یوناینان باستان از مشاهدات خود نتیجه گرفتند که هرگاه کهربا را با پارچه پشمی یا پوست مالش دهند، اجسام سبکی را به خود جذب می‌کند. واژه الکتریسیته از کلمه یونانی الکترون به معنی کهربا گرفته شده است. این واژه اولین بار در نوشته‌های تالس (۵۴۷ ,۶۴۰ ق. م) بکار رفته است. ویلیام گیلبرت (۱۵۴۴ ,۱۶۰۳ م) با انتشار کتابی درباره مغناطیس نظریات گذشتگان را مورد بررسی قرار داد. و نتیجه گرفت که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی از هم جدا می‌باشند.
برای مثال سنگ مغناطیس می‌تواند آهن و فقط چند ماده دیگر را جذب کند. در صورتیکه کهربا و اجسامی که خاصیت الکتریکی دارند می‌توانند ذرات کوچک و سبک اجسام گوناگون را جذب کنند. وی عقیده داشت که اجسام الکتریکی اثر دافعه ندارد. در سال ۱۶۴۶ سرتوماس برادن تجربه‌های خود را درباره اثر دافعه الکتریکی منتشر نمود و اظهار کرد که بین مواد الکتریکی نیز همانند مواد مغناطیسی نیروهای جاذبه و داففه وجود دارند.

سیر تحولی و رشد
در سال ۱۶۶۳ اتونون گریکه ماشینی ساخت که بوسیله آن بار الکتریکی زیادی تولید می‌شد. آنگاه دانشمندان دیگری چون استن گری (۱۶۷۰ ,۱۷۳۶) و شارل دونی (۱۶۹۸ ,۱۷۳۹) تجربه‌های دقیق تری انجام دادند، به خود و نوع الکتریسیته پی بردند. برای ایجاد الکتریسیته ساکن تری که می‌توانستند جرقه‌ها و تکان‌های ترسناک الکتریکی تولید کنند.
برای مثال یکی از استادان فیزیک دانشگاه لندن بارهای الکتریکی این گونه ماشین‌ها را در یک بطری پر از مایع جمع کرد.
مقدار الکتریسیته در بطری لیدن آن قدر زیاد بود که اگر شخصی بطری را در دست می‌گرفت و دست دیگر خود را به میله سر بطری می‌زد تکان شدیدی در بدن خود احساس می‌کرد.
در قرن هجدهم میلادی بطری لیدن مورد توجه بنیامین فرانکلین (۱۷۵۶ ,۱۷۹۰) قرار گرفت، وی پس از آزمایش‌های متعدد نتایج کار خود را در سال ۱۷۴۷ منتشر کرد. او معتقد بود که دو نوع الکتریسیته که قبل از وی کشف شده بود اساسا باهم تفاوتی ندارد، بلکه حتی جسمی در اثر مالش دارای الکتریسیته می‌شود. یکی از دو جسم دارای الکتریسیته اضافی یعنی بار مثبت و دیگر دارای الکتریسیته منفی می‌شود.

قانون بقای بار الکتریکی
دو نوع بار الکتریکی وجود دارد و این بارهای الکتریکی که می‌توانند ساکن یا متحرک باشند و آثاری از خود ظاهر می‌سازند. از نظریه فارنکلین این نتیجه درست نیز بدست آمد که: «بارهای الکتریکی ایجاد نمی‌شوند و از بین نیز نمی‌روند بلکه از قسمتی از یک جسم به قسمت دیگر منتقل می‌شوند، همچنین بارهای مثبت و منفی از یکدیگر را خنثی می‌کنند، ولی هیچگاه نابود نمی‌شود».
این نتایج امروزه قانون بقای بار الکتریکی نامیده می‌شود که مانند قانون بقای جرم و انرژی از قوانین اساسی طبیعت محسوب می‌شود.

خواص بارهای الکتریسیته
با بررسی خواص بارهای الکتریکی بهتر به ماهیت ماده پی می‌بریم. مثلا این خاصیت که بارهای الکتریکی ممنوع یکدیگر را می رانند و بارهای الکتریکی یا نوع مخالف یکدیگر را می‌ربایند. این واقعیت را نشان می‌دهد که درون ماده نیروهای الکتریکی موجود است. نیروهای پیوستگی بین مولکول‌ها اجسام جامد یا مایع به سبب وجود نیروهای جاذبه الکتریکی بین بارهای الکتریکی از نوع مخالف است.
نیروهای متعددی که به هنگام تراکم ماده ظاهر می‌شود به علت وجود نیروهای رانشی بین بارهای الکتریکی ممنوع است. حرکت این بارهای الکتریکی، موجب تولید جریان الکتریسیته و یا به اصطلاح متداول، جریان برق می‌شود که ما در خانه و صنعت از آن استفاده می‌کنیم.

تولید الکتریسیته بوسیله مالش
می دانید هرگاه شانه یا یک میله پلاستیکی را با لباس خود یا با یک تکه پارچه پشمی خشک مالش دهید. ذره‌های گرد و غبار یا خرده‌های کاغذ را جذب می‌کند. همچنین اگر در هوای خشک، سطح آینه یا شیشه پنجره را با یک تکه پارچه خشک تمیز کنید این پدیده اتفاق می‌افتد و ذره‌های گرد و غبار معلق در هوا و کرک‌های جدا شده از پارچه به سطح آینه یا شیشه می‌چسبند. به طوری که پاک کردن سطح آنها از این ذره‌ها دشوار است. عاملی که سبب جذب این ذرات می‌شود جاذبه الکتریکی نام دارد و اجسامی که در اثر مالش این خاصیت را پیدا می‌کنند دارای الکتریسیته ساکن می‌شوند.

الکتریسیته مثبت و منفی
پدیده وضع الکتریکی نخستین بار در سال ۱۶۷۲ میلادی توسط اتوفن گریکه که با نام او آشنا هستید بیان شد. او مشاهده کرد که پرهای مرغ نخست جذب یک گلوله گوگردی باردار شده و سپس از آن رانده می‌شوند. صد و پنجاه سال بعد، در فرانسه محققی به نام شارل دونی کشف کرد که دو جسم باردار همیشه یکدیگر را نمی رانند بلکه گاهی هم یکدیگر را می‌ربایند و به این نتیجه رسید که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. بطوری که بارهای الکتریکی ممنوع یکدیگر را می رانند و بارهای الکتریکی که نوع آنها مختلف است یکدیگر را می‌ربایند.
دونی برای تشخیص این دو نوع الکتریسیته یکی را الکتریسیته شیشه‌ای و دیگری از الکتریسیته صمغی (رزینی) نامید. الکتریسیته شیشه‌ای از مالیدن شیشه به پارچه ابر پشمی تولید می‌شود و الکتریسیته ضمغی از مالیدن کهربا، گوگرد، لاک و ابونیت و بسیاری از مواد دیگر به پشم یا پوست حیوان بدست می‌آید.
بعدها معلوم شد که این طرف نامگذاری در پاره‌ای از موارد گمراه کننده است. زیرا مثلا شیشه سنگی زبر و آن در اثر مالش، الکتریسیته ضمغی تولید می‌کند و ابونیت بسیار صیقلی شده دارای نوع الکتریسیته شیشه‌ای می‌شود. از اینرو فرانکلین دانشمند آمریکایی اصطلاح امروزی الکتریسیته مثبت و منفی را بجای دو نوع شیشه‌ای و ضمغی وضع کرد.

آزمایش ساده برای تولید الکتریسیته ساکن
بنا به روش سنتی و قدیمی، در آزمایشهای الکتریسیته ساکن برای تولید الکتریسیته مثبت شیشه را با ابریشم و برای تولید الکتریسیته منفی، ابونیت را با پوست حیوان و مانند پوست گربه مالش می‌دهند. ولی امروزه استات سلولز برای تولید الکتریسیته مثبت و پلیتن برای تولید الکتریسیته منفی مناسب تر تشخیص داده شده است. زیرا رطوبت هوا بر روی آنها کمتر اثر می‌گذارد.

مواد الکتریسیته ساکن
الکتروفور: در سال ۱۷۷۵ میلادی آلساندرو داتا که در ایتالیا معلم فیزیک بود. نام‌های به پریستلی (کاشف اسپزن) نوشت و در آن نامه شرح داد. که اسبابی به نام الکتروفور اختراع کرده است. الکتروفور را می‌توان یک نوع ماشین مولد الکتریسیته ساکن نامید. در این دستگاه صفحه نارسانا در اثر مالش با پوست حیوان دارای بار الکترون منفی می‌شود و با قرار دادن صفحه فلزی روی آن، قسمت بالایی صفحه در اثر القاء دارای بار منفی و قسمت پایین صفحه دارای بار مثبت می‌شود.
سطح پایینتر فلز بوسیله چند نقطه با سطح صفحه نارسانای زیرین تماس دارد. هرگاه سطح بالایی قرص بطور موقت به زمین وصل شود. الکترون‌ها سطح بالایی زمین منتقل می‌شوند به این ترتیب صفحه فلزی دارای بار مثبت می‌شود.

لینک کوتاه مطلب

http://ketabfarsi.ir/?p=1723
  • خیلی خوب و کامل بود.

    متشکرم.