الکتریسیته

نگاه اجمالی

بار الکتریکی و جرم ، دو خاصیت اساسی ماده هستند که معمولا از راههای گوناگون روزانه ما را تحت تأثیر قرار می‌دهند. جرم با پدیده‌های گرانشی بارهای الکتریکی به دسته وسیعی از پدیده‌هایی که زیر عنوان کلی الکتریسته قرار می‌گیرند مربوط می‌شود. آن دسته از پدیده‌های مربوط به بارهای الکتریکی یا نسبت به ناظر ساکنند و یا اگر حرکتی هم داشته باشند حرکت آن بسیار کند است. به موضوعات مورد ببرسی الکتروستاتیک (یا الکتریسیته ساکن) را تشکیل می‌دهند. پدیده‌های مربوط به بارهایی که نسبت به ناظر متحرک‌ هستند مغناطیسی نیز می‌باشند، زیر عنوان الکترودینامیک بررسی می‌شوند.

سیر تحولی و رشد

پدیده‌های الکتریکی ، متجاوز از بیست و شش قرن پیش نخستین بار در یونان تشخیص داده شدند. در آن هنگام که میله کهربایی که با پارچه یا خز مالش داده شده است. اجسام سبک از قبیل پر و ریزه‌های کاه جذب می‌کند. همین پدیده در مورد میله شیشه‌ای مالشی داده شده نیز مشاهده می‌شود. از آنجا که نام یونانی کهربا ، الکترون است. ویلهام گیلیرب پزشک ملکه الیزابت اول ، نیروی اعمال شده توسط کهربایی مالش داده شده را نیروی کهربایی نامید تا آنرا از نیروی سیار ضعیف گرانشی تمیز کند. قرنها طول کشید تا معلوم شد که بار الکتریکی ، مانند جرم و یکی از خاصیتهای بنیادی ماده است.

فیلسوفان یونان از جمله تالس ، در قرن ششم قبل از میلاد فکر می‌کردند که مواد الکتریکی و مغناطیسی دارای نوعی محتوای غیر عادی یا غیر طبیعی هستند. در سال 1874 جورج جان استون استوفی فیزیکدان انگلیسی ، اظهار نظر کرد که الکتریسته بجای آنکه بصورت شاره باشد. از ذرات باردار منفی که وی آنها را الکترون نامید تشکیل می‌شوند. نخستین شاهد تجربی سیستمی که وجود الکترونها را نشان داد در سال 1897 بدست آمد و آن هنگامی بود که جوزن تامسون ثابت کرد که پرتوهای کاتودی از ذرات باردار منفی تشکیل می‌شوند. در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی به شکلی منحرف می‌شوند که با قانون دوم نیوتن سازگار است.

خاصیت الکتریکی

جاذبه و دافعه

برهمکنش میان دو جرم همیشه از نوع جاذبه است، در حالیکه برهمکنش میان بارهای الکتریکی ممکن است از نوع جاذبه یا دافعه باشد. این واقعیت را نخستین بار در قرن هفدهم میلادی نیکولو کابئو تشخیص داده است. این امر نشان می‌دهد که دو نوع الکتریسته دار شدن یا دو نوع بار الکتریکی وجود دارند، که با آزمایش ساده‌ای می‌توان بوجود آن پی برد.
یک آزمایش ساده: هنگامی که میله کهربایی یا شیشه‌ای باردار را در نزدیکی گلوله کوچکی از مغز ساقه گیاه یا چوب پنبه‌ای به کمک تکه نخی آویزان شده است نگه می‌داریم. گلوله بسوی میله جذب می‌شود. اما هر قدر میله را همزمان به گلوله نزدیک کنیم نیروی جاذبه ضعیف می‌شود و یا وجود نخواهد داشت. این نشان می‌دهد که باردار شدن میله شیشه‌ای و کهربایی ، اثراتی متضاد روی گلوله می‌گذارد.

نوع بار الکتریکی

شارل دویستر نای دوفای ، نخستین کسی بود که دریافت دو نوع بار الکتریکی وجود دارند و او آن را بار کهربایی و بار شیشه‌ای نامید. بعدها بنجامین فرانکلین پیشنهاد کرد که بار شیشه‌ای بار مثبت (+) و بار کهربایی بار منفی (-) می‌باشد. انتخاب فرانکلین می‌توانست برعکس نیز باشد که شاید بهتر هم می‌شد، زیرا با انتخاب علامت بار الکترونها منفی شد. دومین خاصیت الکتریکی مهم این است که دو جسم با بارهای یکسان (هر دو مثبت یا هر دو منفی) یکدیگر را دفع می‌کنند. اما اگر این دو جسم ، دارای بارهای مخالف باشند (یکی مثبت و دیگری منفی) یکدیگر را جذب می‌کنند.

در آزمایشی ساده ، دو گلوله مغز گیاهی یا چوب پنبه‌ای را به کمک میله شیشه‌ای یا کهربایی باردار شده‌اند در تماس باهم قرار می‌دهیم. مشاهده می‌شود که این دو گلوله یکدیگر را دفع می‌کنند. اگر یکی از گلوله‌ها با میله شیشه‌ای و دیگری را با میله کهربایی باردار کنیم و سپس آنها را در تماس قرار دهیم، گلوله‌ها یکدیگر را جذب می‌کنند. این نکته هم معلوم شده است که نیروی جاذبه یا دافعه بین دو بار الکتریکی و بر حسب عکس مجذور فاصله میان بارها ، (r-2) کاهش می‌یابد و این نتیجه به قانون کولن معروف است.

مقدار بار الکتریکی

مقدار بار الکتریکی موجود در هر جسم باردار ، بر حسب کولن (C) اندازه گیری می‌شود. این نامگذاری به افتخار شارل کولن است و او اولین کسی بود که در قرن هجدهم میلادی قانون جاذبه و دافعه الکتریکی را بدرستی فرمول بندی کرد. کولن تعداد بار الکتریکی است در مدت 1s توسط جریان به شدت 1 آمپر انتقال می‌یابد و معادل است با بار الکتریکی حدود 25×1018 برابر بار منفی الکترون یا بار مثبت پروتون.

برهمکنش الکتریکی

برای توضیح برهمکنش الکتریکی می‌گوییم جسمی که از نظر الکتریکی باردار شده است در فضای اطراف خود میدانی الکتریکی بوجود می‌آورد. قرارداد این است که جهت [میدان الکتریکی] از بار الکتریکی مثبت دور می‌شود. برای بار الکتریکی منفی در جهت نزدیک شدن به آن است. به هر بار الکتریکی که در این میدان قرار بگیرد نیروی وارد می‌شود و اگر بار منفی باشد نیروی در خلاف جهت میدان خواهد بود. برای مثال اگر الکترونها که دارای بار الکتریکی منفی هستند، در میدان الکتریکی قرار بگیرند، در خلاف جهت میدان حرکت می‌کنند. در حالی که پروتونها که بار مثبت دارند در جهت میدان الکتریکی به حرکت در می‌آیند. شدت میدان الکتریکی به صورت نیروی وارد بر یکای بار الکتریکی تعریف می‌شود و بر حسب نیوتن بر کولن (N/C) بیان می‌شود.

رساناها

رسانا یا عایق بودن هر جسمی به ساختار اتمی آن بستگی دارد. رساناها موادی هستند که ذرات باردار در آنها می‌توانند کم و بیش آزادانه حرکت کنند. فلزات (مس ، نقره ، طلا و غیره) رسانای جامدی هستند که از شبکه‌های یونهای مثبت تشکیل می‌شوند و الکترونها با بار الکتریکی منفی تا اندازه‌ای شبیه گاز ، در مجاورت یونها آزادانه حرکت می‌کنند. هنگامی که فلز رسانا در میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، الکترونهای آزاد در خلاف جهت میدان الکتریکی در رسانا به حرکت در می‌آیند. و جریانی الکتریکی را بوجود می‌آورند. این همان چیزی است که هنگام اتصال در قطب باتری توسط یک قطعه سیم مسی اتفاق می‌افتد. با افزایش دمای رسانای فلزی رسانایی آن کاهش می‌یابد، زیرا حرکت الکترونها در این حالت برای میدان الکتریکی مشکلتر می‌شود.

الکتروسکوپ

از قطبیدگی فلزات عایق بندی شده در وسیله‌ای به نام الکتروسکوپ استفاده می‌شود و این دستگاهی است که باردار بودن اجسام را به کمک آن می‌توان تعیین کرد. الکتروسکوپ ساده‌ای که در سال 1787 توسط آبراهام بنت اختراع شد، (همانطور که در شکل نشان داده شده است) از میله‌ای رسانا تشکیل شده است که در یک انتهای آن قرض فلزی B و در انتهای دیگر دو برگه طلاییL و L قرار دارد. میله با عبور از یک رپوش عایق درون جعبه فلزی M که دارای پنجره شیشه‌ای است عقب می‌شود.

هنگامی که قرص با رسانای بارداری تماس پیدا کند الکتروسکوپ باردار می‌شود و برگه‌های طلایی یکدیگر را دفع می‌کنند. الکتروسکوپ باردار در حضور تابش یونیده توسط یونهای موجود در هوا تخلیه می‌شود. به همین دلیل است که از الکتروسکوپها می‌توان برای آشکارسازی تابشهای یوننده بهره برداری کرد. و نیز برای اندازه گیری مقدار و آهنگ یونش به وسایل قابلتری مانند سنجنده‌های الکتریکی ، اتاقک یونش ، شمارگرهای گایگر و دوز سنجها نیاز داریم. کاربرد الکتریسته ساکن در ک ما در ساختار الکتریکی ماده و توانایی ما در بهره برداری ماهرانه و استفاده صحیح از جاذبه و دافعه میان ذرات باردار بویژه الکترونها ، به کاربردهای فنی بسیار زیادی منجر شده است. از جمله این کاربردها می‌توان قطعات حالت جامد (ترانزیستورها ، اسباب جفت کنندگی بار ، آشکار سازهای بلوری مایع ، دیودهای نور گسیل و غیره) نام بود که آنها در ساعت و رادیو ، تلفنها ، دوربین عکاسی ، ویدئو ، صفحه نمایش تلویزیون ، رایانه و دستگاههای ارتباطی و سلول فوتوالکتریک و نیز در شتاب دهنده‌های ذرات که برای کارهای تحقیقاتی و مصارف پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، بهره برداری می‌شود.