نیروی الکتریکی
وقت‌هایی بود که مقنعه یا روسری را از سرم درمی‌آوردم؛ موهام همراه روسری روی هوا بلند می‌شد. به‌ویژه وقت‌هایی که موهام خشک و تمیز بود. بچه که بودم با این شانه‌های پلاستیکی موهایم را شانه می‌کردم.
بلند شدم موهایم همراه با شانه‌ی پلاستیکی برایم دستمایه‌ی بازی و سرگرمی بود؛ درست مثل مالیدن بادکنک به موهای سرم و کشیده شدن موهایم. بعدترها کشف کردم که همان بادکنک را می‌توانم به دیوار بچسبانم.
این‌ها اولین تجربه‌های برخورد من با نیرویی جادویی به نام نیروی الکتریکی بود. نیرویی که بعدتر فهمیدم بین ذره‌ها و اجسام باردار وجود دارد و از قضا، یکی از نیروهای بنیادی طبیعت است.
همین نیرویی که من با آن بازی می‌کردم؛ الکترون‌ها را در مدار اتم نگه می‌دارد؛ پرینترها و دستگاه‌های کپی را به کار می‌اندازد؛ حتی در رنگ‌پاشی خودروها استفاده می‌شود.
در این مقاله، قرار است با زبانی ساده و با مثال‌هایی از زندگی روزمره، با مفهوم نیروی الکتریکی آشنا شویم و قانون مهمی به نام قانون کولن را یاد بگیریم؛ قانونی که به ما می‌گوید این نیرو دقیقاً چگونه کار می‌کند.
نیروی الکتریکی چیست؟
نیروی الکتریکی برهم‌کنش میان دو ذره‌ی باردار است. در واقع نیروی الکتریکی وجودش وابسته به بار الکتریکی است. هر جا که بار الکتریکی وجود داشته باشد نیروی الکتریکی وارد گود می‌شود.
بارهای الکتریکی چه مثبت (+) چه (-) نیرو را وسط میدان می‌کشند. اگر ذات بارها یکی باشد (هردو مثبت یا هر دو منفی) تا آنجا که می‌توانند همدیگر را می‌رانند و از هم دور می‌شوند.
اما اگر ذات‌شان یکی نباشد (یکی مثبت و دیگری منفی) به سمت هم حمله‌ور می‌شوند و به صورت یکدیگر چنگ می‌اندازند و جذب یکدیگر می‌شوند.
نیروی الکتریکی دارای چه ویژگی‌های است؟
ناشی از بار الکتریکی است
نیروی الکتریکی تنها بین اجسام یا ذراتی که دارای بار الکتریکی هستند؛ وجود دارد. اجسام بدون بار الکتریکی، تحت تأثیر این نیرو قرار نمی‌گیرند.
هم جاذبه دارد و هم دافعه
بین بارهای الکتریکی ناهم‌نام (یکی مثبت و دیگری منفی) نیروی جاذبه وجود دارد که آن‌ها را به سوی یکدیگر می‌کشد.
بین بارهای الکتریکی هم‌نام (هر دو مثبت یا هر دو منفی) نیروی دافعه وجود دارد که آن‌ها را از یکدیگر دور می‌کند.
نیروی الکتریکی تابع قانون سوم نیوتن است
مطابق با قانون سوم نیوتن، هرگاه یک بار الکتریکی به بار الکتریکی دیگری نیرو وارد کند؛ بار دوم نیز نیرویی با همان اندازه و در جهت مخالف به بار اول وارد می‌کند.
بلند برد است
نیروی الکتریکی می‌تواند از فاصله‌های زیاد هم اثرگذار باشد؛ یعنی این نیرو بلند برد است. البته هرچه فاصله بیشتر باشد؛ نیروی الکتریکی ضعیف‌تر می‌شود.
بسیار قوی‌تر از نیروی گرانشی است
اگر بخواهیم این دو نیرو را با هم مقایسه کنیم؛ نیروی الکتریکی مثل یک غول است در برابر گرانش. مثلاً نیروی الکتریکی بین یک الکترون و یک پروتون در اتم هیدروژن، میلیاردها برابر بزرگتر از نیروی گرانشی بین آن‌هاست. به همین دلیل، در دنیای اتم‌ها و مولکول‌ها، نیروی الکتریکی حرف اول را می‌زند.
قانون کولن؛ اندازه‌گیری نیروی الکتریکی
در قرن هجدهم میلادی، فیزیکدان فرانسوی به نام شارل آگوستین کولن، با انجام آزمایش‌های دقیق بر روی نیروی بین بارهای الکتریکی، قانون مهمی را کشف و صورت‌بندی کرد که امروزه به نام قانون کولن شناخته می‌شود.
این قانون بیان می‌کند که نیروی بین بارهای الکتریکی به چه عواملی بستگی دارد. طبق قانون کولن نیروی بین دو بار الکتریکی به اندازه‌ی بارها و فاصله‌ی بین دو بار بستگی دارد. این ارتباط را قانون کولن به شکل زیر بیان می‌کند:
با توجه به این رابطه:
1- هر چه اندازه‌ی بارهای الکتریکی بزرگتر باشند؛ اندازه‌ی نیروی الکتریکی نیز بیشتر خواهد بود.
2- نیروی الکتریکی با مربع فاصله‌ی بین دو بار رابطه‌ی وارون دارد. یعنی هر چه فاصله دو بار الکتریکی بیشتر شود؛ نیروی الکتریکی ضعیف‌تر خواهد شد.
3- این رابطه فقط اندازه‌ی نیرو را به ما می‌دهد. اینکه نیرو دافعه است یا جاذبه، بستگی به علامت بارها دارد.
برای اینکه درک بهتری از این قانون پیدا کنید؛ می‌توانید نمونه مسائل مربوط به نیروی کولن را در ویدیوهای زیر ببینید.
برهم‌نهی نیروهای الکتریکی
گاهی در یک مسئله، تنها با دو بار الکتریکی سروکار نداریم. ممکن است یک بار الکتریکی در کنار چندین بار دیگر قرار گرفته باشد. حالا سؤال این است، نیروی خالص وارد بر این بار چه‌قدر است و چگونه حساب می‌شود؟
در چنین حالتی از اصل برهم‌نهی استفاده می‌کنیم. این اصل می‌گوید؛
نیروی وارد بر یک بار، برابر است با جمع برداری تمام نیروهایی که از طرف بارهای دیگر به آن وارد می‌شوند.
یعنی ابتدا نیروی هر بار را جداگانه حساب می‌کنیم (با استفاده از قانون کولن) و سپس این نیروها را به شکل برداری با هم جمع می‌کنیم (یعنی به جهت و زاویه‌ی آن‌ها توجه می‌کنیم). حالا چرا برداری؟ چون نیرو کمیتی برداری است، یعنی هم مقدار دارد هم جهت.
دیدن حل نمونه مسأله‌های زیر می‌تواند در درک و دریافت این اصل کمک‌تان کند.
نیروی الکتریکی در زندگی روزمره
نیروی الکتریکی فقط یک موضوع کتاب درسی نیست؛ بلکه نقشی اساسی در دنیای واقعی دارد. از کارهای کوچک و روزمره گرفته تا پیشرفته‌ترین فناوری‌ها، همه‌جا ردپای این نیرو را می‌بینیم..
چند کاربرد جالب از نیروی الکتریکی:
🔌 الکترون‌ها در سیم‌ها حرکت می‌کنند
وقتی کلید برق را می‌زنیم و لامپ روشن می‌شود؛ در واقع بارهای الکتریکی در سیم حرکت کرده‌اند. نیروی الکتریکی این الکترون‌ها را به حرکت درآورده و باعث جریان الکتریکی شده است.
🖨️ چاپگر لیزری و دستگاه کپی
در این دستگاه‌ها، ذرات رنگی بسیار ریز (تونر) با استفاده از بار الکتریکی به کاغذ جذب می‌شوند. مکان‌هایی که باید چاپ شوند، با بار خاصی باردار می‌شوند تا ذرات رنگ را به سمت خود بکشند.
🎈 بادکنک روی دیوار
اگر بادکنکی را به موهای سرتان بمالید؛ می‌تواند به دیوار بچسبد! چرا؟ چون مو و بادکنک با مالش، بار الکتریکی رد و بدل می‌کنند و بادکنک باردار شده؛ توسط نیروی الکتریکی به دیوار جذب می‌شود.
🚗 رنگ‌پاشی خودروها
در کارخانه‌های خودرو، رنگ خودروها با استفاده از بار الکتریکی روی بدنه پاشیده می‌شود. رنگ‌ها بار خاصی دارند و بدنه‌ی ماشین با بار مخالف شارژ می‌شود تا رنگ دقیقاً به سطح مورد نظر بچسبد.
💨 فیلترهای تصفیه هوا
بعضی دستگاه‌های تصفیه هوا از نیروی الکتریکی برای جذب ذرات گرد و غبار استفاده می‌کنند. ذرات باردار می‌شوند و به صفحات فلزی با بار مخالف جذب می‌شوند.
⚛️ ساختمان اتم‌ها
در دل اتم‌ها، نیروی الکتریکی است که الکترون‌ها را در مدار نگه می‌دارد و از فروریختن ساختار اتم جلوگیری می‌کند. بدون این نیرو، هیچ ماده‌ای شکل نمی‌گرفت.
سخن پایانی در مورد نیروی الکتریکی
نیروی الکتریکی یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است و نقش محوری در ساختار و رفتار ماده دارد. بدون این نیرو، هیچ اتمی وجود نداشت، چون الکترون‌ها در اطراف هسته نمی‌ماندند. مولکول‌ها شکل نمی‌گرفتند و در نتیجه، هیچ ماده‌ای، هیچ موجود زنده‌ای، و هیچ دنیایی آشنا برای ما نبود.
فراتر از دنیای میکروسکوپی، این نیرو موتور محرکه‌ی بسیاری از فناوری‌های مدرن است: از ساده‌ترین وسایل خانگی گرفته تا پیچیده‌ترین سامانه‌های الکترونیکی. نیروی الکتریکی، پایه‌ی جریان الکتریکی و الکتریسیته‌ای است که زندگی ما را روشن، گرم، متصل و متحول کرده است.
درک این نیرو، فقط یک مفهوم فیزیکی نیست؛ کلیدی است برای شناخت بهتر جهان، و پلی است به‌سوی بسیاری از کاربردهای علمی و صنعتی.
دیدگاهتان را بنویسید