بار الکتریکی

در زندگی روزمره‌تان، تجربه‌ی شوک الکتریکی کوچکی را داشته‌اید؟ مانند جرقه‌ی ناگهانی هنگام لمس دستگیره فلزی در؟ یا وقتی لباس پشمی‌تان را از تن در می‌آورید، صدای خش‌خشی از آن شنیده‌اید؟ یا ذرات کوچک نورانی را هنگام کشیده شدن پتو روی‌خودتان دیده‌اید؟ صدایشان را شنده‌اید؟

این پدیده‌های آشنا، گرچه ساده به نظر می‌رسند، ریشه در یکی از بنیادی‌ترین مفاهیم فیزیک دارند: بار الکتریکی.

بار الکتریسیته ویژگی‌ای ذاتی در برخی از ذرات ماده است، که منشأ بسیاری از نیروهای طبیعی پیرامون ما محسوب می‌شود. بدون آن، نه اتمی شکل می‌گرفت، نه مولکولی پدید می‌آمد، و نه حتی دستگاه‌های الکترونیکی امروزی امکان کارکرد داشتند. اما این مفهوم چگونه کشف شد؟ چه کسانی نخستین نشانه‌های آن را مشاهده کردند؟ و نیروهایی که بین بارهای الکتریکی برقرار می‌شود، چگونه عمل می‌کنند؟

در این نوشتار، با نگاهی به تاریخچه‌ی کشف بار الکتریکی، ماهیت آن و قانون حاکم بر نیروی میان بارها، یکی از سنگ‌بنای‌های علم فیزیک را بررسی خواهیم کرد.

نگاهی به تاریخچه‌ی کشف بار الکتریکی

آشنایی انسان با پدیده‌هایی شبیه به بار الکتریکی به قرن‌ها پیش بازمی‌گردد. نخستین گزارش‌های تاریخی از مشاهده‌ی اثرات الکتریسیته، به حدود ۶۰۰ سال پیش از میلاد در یونان باستان مربوط می‌شود.

فیلسوف و دانشمند یونانی، تالس ملطی، دریافت که اگر کهربا را با پارچه‌ای پشمی مالش دهد، می‌تواند اجسام سبک مانند پر یا خرده‌های کاه را جذب کند. او علت این پدیده را نمی‌دانست، اما آن را ثبت کرد؛ و همین مشاهده، یکی از اولین اشاره‌های مستند به وجود بار الکتریکی بود.

واژه‌ی الکتریسیته نیز از واژه‌ی یونانی الکترون به معنای کهربا گرفته شده است، چرا که کهربا نخستین ماده‌ای بود که خواص الکتریکی آن شناخته شد.

تا قرن‌ها پس از آن، مطالعات بر الکتریسیته بیشتر جنبه‌ی توصیفی داشت. اما در قرن هجدهم، دانشمندان اروپایی آغاز به بررسی دقیق‌تر این پدیده کردند. در این دوران، بنجامین فرانکلین، دانشمند و سیاست‌مدار آمریکایی، نقش مهمی در معرفی مفهوم دو نوع بار الکتریکی ایفا کرد.

او بارهایی را که از مالش شیشه با ابریشم به دست می‌آمد، «مثبت» و بارهای حاصل از مالش صمغ با خز را «منفی» نام‌گذاری کرد. این نام‌گذاری صرفاً قراردادی بود، اما هنوز هم در فیزیک امروز به همان صورت استفاده می‌شود. ^{Electric charge and current}

تحقیقات فرانکلین و دیگر دانشمندان آن دوران، زمینه‌ساز کشف دقیق‌تر ماهیت بار الکتریکی و نیروهای حاصل از آن شد؛ مفهومی که بعدها پایه‌ی الکترومغناطیس و بسیاری از فناوری‌های مدرن را شکل داد.

در اواخر قرن نوزدهم، با کشف الکترون توسط جوزف جان تامسون و مدل اتمی هسته‌دار توسط ارنست رادرفورد ، درک ما از ماهیت بار الکتریکی متحول شد. دانشمندان دریافتند که بار الکتریکی یک ویژگی ذاتی ذرات زیراتمی است. الکترون‌ها دارای بار منفی و پروتون‌ها دارای بار مثبت هستند. نوترون‌ها نیز ذره‌ای بدون بار الکتریکی هستند.

به این ترتیب، سفری که با مشاهده‌ی ساده‌ی جذب پر توسط کهربا آغاز شده بود، به درک عمیق ساختار اتم و نقش بار الکتریکی در آن انجامید. این شناخت، زمینه‌ساز توسعه‌ی بسیاری از فناوری‌های امروزی شد که زندگی ما را دگرگون کرده‌اند.

بار الکتریکی چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟

بار الکتریکی، مانند جرم، یکی از ویژگی‌های ذاتی ذرات زیراتمی است. این بدان معناست که بار الکتریکی چیزی نیست که به یک ذره اضافه یا کم شود (البته در شرایط خاصی الکترون‌ها می‌توانند منتقل شوند، اما بار خود ذره ثابت است). بلکه، این ویژگی همواره با این ذرات همراه است.

در دنیای بار الکتریکی، دو نوع بار اصلی وجود دارد که به طور قراردادی آن‌ها را بار مثبت (+) و بار منفی (-) می‌نامیم. این نام‌گذاری، همانطور که اشاره شد، توسط بنجامین فرانکلین صورت گرفت و صرفاً یک قرارداد است، اما برای توصیف رفتار این دو نوع بار بسیار مفید است.

• الکترون‌ها دارای بار منفی (-) هستند.
• پروتون‌ها دارای بار مثبت (+) هستند.
• نوترون‌ها ذره‌ای بدون بار الکتریکی (خنثی) هستند.
• یکی از قوانین اساسی در مورد بار الکتریکی این است که بارهای همنام یکدیگر را دفع می‌کنند و بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. این نیروهای جاذبه و دافعه‌ی الکتریکی، اساس بسیاری از پدیده‌هایی هستند که در دنیای اطرافمان مشاهده می‌کنیم.
• نکته‌ی مهم دیگر، کوانتیده بودن بار الکتریکی است. این بدان معناست که بار الکتریکی نمی‌تواند به هر مقدار دلخواهی وجود داشته باشد، بلکه همواره مضرب صحیحی از یک واحد بنیادی بار است. این واحد بنیادی، بار الکترون نامیده می‌شود و مقدار آن برابر است با:

واحد اندازه‌گیری بار الکتریکی کولن(C) نام دارد که به افتخار فیزیکدان فرانسوی، شارل آگوستین کولن، نامگذاری شده است. بنابراین، بار هر جسمی همواره به این شکل نوشته می‌شود و به دست می‌آید:

در حالت عادی، اتم‌ها تعداد مساوی الکترون و پروتون دارند، بنابراین بار خالص آن‌ها صفر است و به اصطلاح خنثی هستند. اما اگر اتمی الکترون از دست بدهد، تعداد پروتون‌های آن بیشتر از الکترون‌ها می‌شود و دارای بار مثبت خالص می‌گردد.

به همین ترتیب، اگر اتمی الکترون اضافه کند، تعداد الکترون‌های آن بیشتر از پروتون‌ها شده و دارای بار منفی خالص می‌شود. به این اتم‌های باردار، یون گفته می‌شود.

یکی از مهم‌ترین اصول مرتبط با بار الکتریکی، قانون پایستگی بار است. بر اساس این قانون، بار الکتریکی نه به‌وجود می‌آید و نه از بین می‌رود، بلکه تنها می‌تواند از جسمی به جسم دیگر منتقل شود. برای مثال، هنگام مالش شانه‌ی پلاستیکی به مو، شانه بار منفی و مو بار مثبت می‌گیرد، اما مجموع بارها ثابت باقی می‌ماند.

روش‌های باردار شدن اجسام

اجسام معمولاً در حالت طبیعی از نظر الکتریکی خنثی هستند؛ یعنی تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های آن‌ها با یکدیگر برابر است. اما با انجام برخی فرایندها، می‌توان این تعادل را بر هم زد و جسمی را باردار کرد. این فرایندها به سه روش اصلی انجام می‌شوند:

باردار شدن به روش مالش (مالشی)

در این روش، دو جسم متفاوت را به یکدیگر مالش می‌دهیم. طی این فرایند، الکترون‌ها از یکی از اجسام جدا شده و به جسم دیگر منتقل می‌شوند. جسمی که الکترون از دست داده، بار مثبت و جسمی که الکترون دریافت کرده، بار منفی پیدا می‌کند.

هنگامی که یک شانه‌ی پلاستیکی را به موهای خشک خود می‌مالید، شانه الکترون می‌گیرد (بار منفی) و مو بار مثبت پیدا می‌کند. سپس شانه می‌تواند خرده‌کاغذهای سبک را جذب کند.

میزان و علامت بار ایجاد شده به جنس مواد مالش داده شده و میزان تمایل آن‌ها به از دست دادن یا گرفتن الکترون بستگی دارد. به دست آوردن یا از دست دادن الکترون دو جسم در تماس با یکدیگر را می توان براساس جدولی موسوم به سری الکتریسیته‌ی مالشی (تریبوالکتریک: در زبان یونانی به معنای مالش است) معلوم کرد.

در این جدول مواد پایین‌تر، الکترون خواهی بیشتری دارند؛ یعنی اگر دو ماده دراین جدول در تماس با یکدیگر قرار گیرند، الکترون‌ها از ماده بالاتر جدول به ماده‌ای که پایین تر قرار دارد منتقل می‌شود. مثلا اگر تفلون با نایلون مالش یابد، الکترون‌ها از نایلون به تفلون منتقل می‌شوند.

حالا شما بگویید:

1. چرا لباس‌ها پس از زیر و رو شدن در دستگاه خشک‌کن  معمولن به هم می‌چسبند؟
2. چرا CDای که با پارچه‌ای خشک پاک شود گرد و خاک جذب می‌کند؟
3. وقتی لباسی پشمی را از کیسة خشکشویی بیرون می‌آورید، کیسخ دارای بار مثبت می‌شود. چگونگی این اتفاق را توضیح دهید.
4. وقتی موهایتان را شانه می‌کنید، الکترون‌ها را از موهایتان به شانه منتقل می‌کنید در این صورت مویتان بار مثبت دارد یا منفی؟ شانه چطور؟
5. وقتی پوشش پلاستیکی را از محفظه‌اش بیرون می‌کشید، دارای بارالکتریکی می‌شود. در نتیجه، جذب اجسامی چون ظرف‌های غذا می‌شود. این پوشش به ظرف‌های پلاستیکی بهتر می‌چسبد یا به ظرف‌های فلزی؟

باردار شدن به روش تماس (رسانش)

اگر یک جسم باردار را با یک جسم خنثی رسانا در تماس قرار دهیم، بخشی از بار الکتریکی از جسم باردار به جسم خنثی منتقل می‌شود. در نتیجه، هر دو جسم باردار می‌شوند و نوع بار آن‌ها یکسان خواهد بود. این روش، ساده‌ترین راه برای انتقال بار الکتریکی است.

اگر یک جسم باردار را با یک جسم خنثی تماس دهیم، بخشی از بار جسم باردار به جسم خنثی منتقل می‌شود:

• اگر جسم باردار مثبت باشد، الکترون‌ها از جسم خنثی به سمت جسم باردار حرکت کرده و هر دو جسم در نهایت دارای بار مثبت (با مقدار کمتر برای جسم اولیه) می‌شوند.
• اگر جسم باردار منفی باشد، الکترون‌ها از جسم باردار به سمت جسم خنثی حرکت کرده و هر دو جسم در نهایت دارای بار منفی (با مقدار کمتر برای جسم اولیه) می‌شوند.

در این روش، علامت بار جسم باردار شده، همواره با علامت بار جسم باردار کننده یکسان است؛ مثلن اگر یک میله‌ی فلزی منفی را به یک کره‌ی فلزی خنثی وصل کنیم، بخشی از الکترون‌های میله به کره منتقل می‌شود و کره نیز بار منفی می‌گیرد.

باردار شدن به روش القا (القا الکتریکی)

در این روش، بدون تماس مستقیم، یک جسم خنثی رسانا را در مجاورت یک جسم باردار قرار می‌دهیم. بارهای موجود در جسم رسانا تجدید آرایش می‌کنند؛ به‌طوری که بارهای ناهمنام به طرف جسم باردار کشیده می‌شوند و بارهای همنام دور می‌شوند. اگر در این وضعیت، بخشی از جسم را به زمین متصل کنیم، می‌توانیم جسم را به‌صورت دائمی باردار کنیم. مثال:

اگر یک میله‌ی بار منفی را نزدیک یک کره‌ی فلزی خنثی قرار دهیم، الکترون‌های کره از آن دور می‌شوند. حال اگر قسمت دورتری از کره را به زمین وصل کنیم، الکترون‌های اضافی از آن خارج می‌شوند. سپس با قطع اتصال زمین، کره بار مثبت پیدا می‌کند.

این سه روش، پایه‌ی بسیاری از ابزارها و پدیده‌های الکتریکی هستند، از تولید برق ساکن گرفته تا عملکرد دستگاه‌هایی مانند دستگاه‌های کپی و چاپگرهای لیزری.

کاربردهای بار الکتریکی در زندگی و فناوری

مفهوم بار الکتریکی، صرفاً یک موضوع نظری در فیزیک نیست؛ بلکه پایه و اساس بسیاری از فناوری‌ها و پدیده‌های اطراف ما را تشکیل می‌دهد. از ساده‌ترین ابزارها گرفته تا پیچیده‌ترین دستگاه‌های الکترونیکی، همگی به نوعی از رفتار بارهای الکتریکی بهره می‌برند. در ادامه به برخی از مهم‌ترین کاربردهای بار الکتریکی اشاره می‌کنیم.

دستگاه‌های الکترونیکی

تمام مدارهای الکتریکی و دستگاه‌هایی مانند تلفن همراه، رایانه، تلویزیون، و یخچال، بر اساس حرکت بارهای الکتریکی در مدارها عمل می‌کنند. در این مدارها، الکترون‌ها در سیم‌ها و قطعات مختلف جابه‌جا می‌شوند و سیگنال‌ها و انرژی را منتقل می‌کنند.

الکترواستاتیک در چاپگرها و دستگاه‌های کپی

در چاپگرهای لیزری و دستگاه‌های فتوکپی، بارهای الکتریکی نقش کلیدی دارند. در این دستگاه‌ها، تصویر مورد نظر به صورت الگوهای بار مثبت و منفی روی یک سطح خاص (مانند درام) ایجاد می‌شود و ذرات جوهر (تونر) توسط این بارها جذب شده، سپس روی کاغذ منتقل و تثبیت می‌شوند.

دفع گردوغبار و تصفیه‌ی هوا

دستگاه‌های تصفیه‌ی هوا یا فیلترهای الکترواستاتیکی، ذرات معلق در هوا را با استفاده از بار الکتریکی از محیط حذف می‌کنند. این ذرات با عبور از میدان الکتریکی باردار می‌شوند و سپس به صفحات دارای بار مخالف جذب می‌گردند.

بار الکتریکی در طبیعت؛ آذرخش

یکی از شناخته‌شده‌ترین پدیده‌های طبیعی ناشی از بار الکتریکی، رعد و برق یا آذرخش است. در این پدیده، تجمع بارهای الکتریکی در ابرها منجر به اختلاف پتانسیل بسیار زیاد با سطح زمین می‌شود. این اختلاف پتانسیل، در یک لحظه از طریق یک جرقه‌ی عظیم تخلیه می‌شود که همان رعد و برق است.

صنعت

بار الکتریکی کاربردهای فراوانی در صنعت دارد. برای مثال:

• رنگ‌آمیزی الکترواستاتیک؛ در این روش، ذرات رنگ با بار الکتریکی باردار شده و به سطح فلزی که دارای بار مخالف است، پاشیده می‌شوند. نیروی جاذبه‌ی بین بارها باعث می‌شود رنگ به طور یکنواخت و با کمترین هدررفت روی سطح قرار بگیرد.
• رسوب‌دهی الکترواستاتیک؛ برای جداسازی ذرات معلق در هوا یا گازها (مانند دودکش کارخانه‌ها)، از این روش استفاده می‌شود. ذرات با باردار شدن و سپس عبور از میدان الکتریکی قوی، به سمت صفحات دارای بار مخالف جذب شده و از جریان هوا جدا می‌شوند.
• چاپگرهای لیزری؛ در این چاپگرها، از بار الکتریکی برای جذب تونر (پودر جوهر) روی درام و سپس انتقال آن به کاغذ استفاده می‌شود.
• جوشکاری؛ در برخی روش‌های جوشکاری، از قوس الکتریکی برای ایجاد حرارت لازم جهت ذوب و اتصال قطعات فلزی استفاده می‌شود.

پزشکی

در پزشکی نیز بار الکتریکی کاربردهای مهمی دارد:

• دستگاه‌های تشخیصی؛ از سیگنال‌های الکتریکی بدن برای تشخیص بیماری‌ها استفاده می‌شود (مانند نوار قلب و نوار مغز )
• تحریک الکتریکی عضلات و اعصاب؛ برای توانبخشی و درمان برخی از بیماری‌های عصبی و عضلانی از تحریک الکتریکی کنترل‌شده استفاده می‌شود.
• جراحی الکتریکی (کوتر)؛ برای برش بافت‌ها و جلوگیری از خونریزی از جریان الکتریکی با فرکانس بالا استفاده می‌شود.

کشاورزی

حتی در کشاورزی نیز بار الکتریکی کاربرد دارد. برای مثال، از روش‌های الکترواستاتیک برای پاشش یکنواخت‌تر سموم و کودها روی گیاهان استفاده می‌شود.

سخن پایانی درباره بار الکتریکی

بار الکتریکی پدیده‌ای است که در ظاهر نامرئی و ناپیداست، اما اثرات آن را هر روز در زندگی‌مان احساس می‌کنیم؛ از جرقه‌ی کوچک روی دست گرفته تا فناوری‌های پیشرفته‌ای که به کمک آن ساخته شده‌اند.

شناخت ویژگی‌ها و کاربردهای بار الکتریسیته، نه‌تنها ما را با اصول علمی طبیعت آشنا می‌کند؛ بلکه نشان می‌دهد چگونه مفاهیم ساده‌ی فیزیک می‌توانند پایه‌ی اختراعات و پیشرفت‌های بزرگ باشند.

جهان پیرامون ما پر از نیروهای پنهانی است، و بار الکتریکی یکی از کلیدی‌ترین آن‌هاست که در پسِ بسیاری از رخدادها و ابزارهای امروزی نقش دارد. مقالات بیشتری از فیزیک را در سایت آموزش فیزیک اعظم حشمتی مطالعه کنید.