میدان الکتریکی
شانه پلاستیکی یا بادکنکی را با موهایتان مالش دهید و به خرده‌های کاغذی که روی میز ریخته‌اید نزدیک کنید. مشاهده خواهید کرد که خرده‌های کاغذ به سمت شانه یا بادکنک کشیده می‌شوند و جذب آن می‌شود.
سوالی که همیشه سر کلاس از دانش‌آموزانم می‌پرسم این است که خرده‌های کاغذ از کجا از حضور بادکنک یا شانه پلاستیکی باردار آگاه می‌شوند؟ آیا خرده‌های کاغذ چشم و گوش یا شعور و حس دیگری دارند؟ خب معلوم است که نه.
پس چه چیزی این آگاهی را به شانه‌ی باردار و کاغذ می‌دهد که حضور یکدیگر را درک کنند و بر هم اثر بگذارند؟ این جا پای یک واسطه به نام میدان الکتریکی در میان است.
در این مقاله می‌خواهم به توضیح مفهوم میدان الکتریکی، روابطی که این مفهوم را به شکل کمی بیان می‌کنند؛ خطوط میدان الکتریکی و کاربردهای میدان الکتریکی در طبیعت و فن‌آوری بپردازم. اگر به آشنایی با این مفهوم و کاربردهای آن علاقه دارید خواندن این مقاله را از دست ندهید.
مفهوم میدان الکتریکی
اطراف زمین و هر سیاره دیگری میدانی وجود دارد که به اجسام حاضر در آن نیرو وارد می‌کند. مثلا همین زمین خودمان به من و شما و همه چیزهای که روی زمین و اطراف آن قرار دارد نیروی گرانشی وارد می‌کند.
این نیرو نشان می‌دهد که اطراف زمین پر از میدان گرانشی است؛ نوعی فضای هاله مانند که به جسم‌های دیگر اجازه می‌دهد حتی از راه دور تحت تأثیر زمین قرار بگیرند.
اجسام باردار هم رفتاری شبیه زمین و دیگر سیارات دارند. یعنی اطرافشان پر از میدان است، آن هم از نوع الکتریکی. میدان الکتریکی خاصیتی در اطراف اجسام باردار است که به واسطه‌ی آن دیگر بارهای الکتریکی را تحت تاثیر قرار می‌دهند. این میدان سبب می‌شود بارهای الکتریکی حتی اگر در تماس با یکدیگر نباشند به راحتی از حضور آگاه و با هم برهم کنش داشته باشند.
پل‌جی‌هیوئیت در کتاب فیزیک مفهومی درباره اهمیت میدان الکتریکی چنین نوشته است:
«مفهوم میدان الکتریکی به ما کمک می‌کند تا نه تنها نیروهای موجود بین اجسام باردار منزوی ساکن را درک کنیم بلکه بفهمیم وقتی بارها به حرکت درمی‌آیند چه اتفاقی می‌افتد. هنگام حرکت بارها، این حرکت به صورت اختلال در میدان به بارهای مجاور منتقل می‌شود. این اختلال از بارهای شتابدار با سرعت نور گسیل می‌شود. میدان الکتریکی انبار انرژی است و این انرژی را می‌توان در یک میدان الکتریکی به فاصله‌های دور منتقل کرد.»
تعریف کمی میدان الکتریکی
میدان الکتریکی را می‌توان به‌صورت کمی هم تعریف کرد؛
میدان الکتریکی در یک نقطه، برابر است با نیرویی که بر یکای بار آزمون مثبت در آن نقطه وارد می‌شود.
اگر جسمی باردار در نقطه‌ای نیرو دریافت کند؛ میدان الکتریکی در آن نقطه از رابطه‌ی زیر به‌دست می‌آید:
میدان الکتریکی هم اندازه دارد و هم جهت، یعنی کمیتی برداری است. جهت میدان یا بردار مشخص می‌شود و طبق تعریف در جهتی است نیروی وارد بر بار آزمون مثبت است.
میدان الکتریکی حاصل از یک بار نقطه‌ای
یکی از ساده‌ترین حالت‌هایی که می‌توان میدان الکتریکی را برای آن محاسبه کرد، حالتی است که فقط یک بار الکتریکی نقطه‌ای داشته باشیم. مثلاً تصور کنید یک گلوله‌ی کوچک فلزی را باردار کرده‌ایم و آن‌قدر اندازه‌اش کوچک است که می‌توان آن را یک نقطه در نظر گرفت. حال اگر بخواهیم میدان الکتریکی را در فاصله‌ی r از این بار حساب کنیم؛ از رابطه‌ی زیر استفاده می‌کنیم:
طبق این رابطه:
1- میدان الکتریکی با اندازه بار ، نسبت مستقیم و با مربع فاصله از آن نسبت وارون دارد.
2- جهت بردار میدان الکتریکی در هر نقطه دلخواه ، همان جهت نیروی وارد بر بار آزمونی است که به فرض در نقطه می‌گذاریم.
مثال کاربردی؛ مولد وان‌دوگراف و اثر میدان الکتریکی
مولد وان‌دوگراف وسیله‌ای است که با استفاده از یک تسمه‌ی متحرک، بار الکتریکی را جمع‌آوری و روی یک کلاهک فلزی توخالی ذخیره می‌کند. این بار معمولاً بسیار زیاد است و می‌تواند میدان الکتریکی شدیدی در اطراف خود ایجاد کند.
در شکل زیر، دو شمع قرار داده شده‌اند: یکی نزدیک به کلاهک مولد و دیگری دورتر از آن. همان‌طور که مشاهده می‌شود، شعله‌ی شمع نزدیک‌تر به سمت کلاهک کشیده شده، در حالی‌که شعله‌ی شمع دورتر تقریباً تغییری نکرده است.
چرا این اتفاق می‌افتد؟
کلاهک مولد وان‌دوگراف دارای بار منفی زیادی است. این بار منفی، یون‌های مثبت موجود در شعله‌ی شمع را جذب می‌کند. از آنجا که میدان الکتریکی در نزدیکی بار شدیدتر است، یون‌های مثبت شعله‌ی شمع نزدیک‌تر بیشتر تحت تأثیر قرار می‌گیرند و به سمت کلاهک کشیده می‌شوند. اما شعله‌ی شمع دورتر، چون در ناحیه‌ای با میدان الکتریکی ضعیف‌تر قرار دارد، اثر زیادی از بار کلاهک دریافت نمی‌کند.
این آزمایش ساده به‌خوبی نشان می‌دهد که: میدان الکتریکی با مربع فاصله از آن نسبت وارون دارد.
اصل برهم‌نهی میدان‌های الکتریکی
تا اینجا دیدیم که یک بار الکتریکی در اطراف خود میدان ایجاد می‌کند و می‌تواند بر دیگر بارها اثر بگذارد. حالا فرض کنید دو یا چند بار الکتریکی در نزدیکی هم قرار داشته باشند. میدان الکتریکی در یک نقطه از فضا تحت تأثیر همه‌ی این بارها خواهد بود.
اما سؤال اینجاست؛
چگونه میدان الکتریکی کلی را در چنین حالتی به دست آوریم؟
پاسخ این سوال در اصل برهم‌نهی میدان‌ها نهفته است.
طبق این اصل، میدان الکتریکی کل در یک نقطه، برابر است با جمع برداری میدان‌های الکتریکی‌ای که هر یک از بارها به‌تنهایی در آن نقطه ایجاد می‌کنند.
یعنی اگر چند بار داشته باشیم و میدان ناشی از هر کدام را در یک نقطه محاسبه کنیم؛ میدان نهایی از جمع برداری آن‌ها به‌دست می‌آید:
چون میدان الکتریکی کمیتی برداری است، باید هم اندازه و هم جهت آن‌ها را در نظر بگیریم. یعنی نمی‌توان میدان‌ها را فقط عددی جمع کرد، بلکه باید آن‌ها را به‌صورت بردار(با جهت مشخص) جمع کنیم. سه حالت خاص برهم نهی میدان‌های الکتریکی را در زیر بررسی می‌کنیم:
1- اگر میدان‌های الکتریکی ناشی از دو بار الکتریکی در یک نقطه هم جهت باشند میدان الکتریکی خالص در آن نقطه برابر جمع جبری آنهاست و جهت میدان الکتریکی خالص در جهت بردار میدان الکتریکی بزرگتر است.
2- اگر میدان‌های الکتریکی ناشی از دو بار الکتریکی در یک نقطه خلاف جهت هم باشند میدان الکتریکی خالص در آن نقطه برابر جمع جبری آنهاست و جهت میدان الکتریکی خالص در جهت بردار میدان الکتریکی بزرگتر است.
3- اگر میدان‌های الکتریکی ناشی از دو بار الکتریکی در یک نقطه از فضا عمود برهم باشند.
بردار میدان الکتریکی خالص (برآیند) برابر است با :
اندازه میدان الکتریکی خالص (برآیند) برابر است با :
خطوط میدان الکتریکی
بارهای الکتریکی در فضای پیرامون خود میدان الکتریکی ایجاد می‌کنند. برای مجسم کردن میدان الکتریکی در فضای اطراف اجسام باردار از خط‌های جهت داری موسوم به خطوط میدان الکتریکی استفاده می‌کنیم.
قاعده‌ی رسم خطوط به این صورت است.
اگر یک بار آزمون مثبت را در میدان قرار دهیم، جهت نیروی وارد بر آن، جهت میدان را در آن نقطه مشخص می‌کند.
بنابراین:
1- خطوط میدان همیشه از بار مثبت خارج می‌شوند.
2- و به بار منفی وارد می‌شوند.
ویژگی‌های خطوط میدان الکتریکی
1- خطوط میدان از بارهای مثبت شروع و به بارهای منفی ختم می‌شوند.
2- جهت خط در هر نقطه، جهت بردار میدان الکتریکی را نشان می‌دهد.
3- تراکم خطوط نشان‌دهنده‌ی بزرگی و اندازه میدان است.
هرچه خطوط در ناحیه‌ای به هم نزدیک‌تر باشند، میدان الکتریکی در آن ناحیه قوی‌تر است.
4- خطوط میدان هیچ‌گاه یکدیگر را قطع نمی‌کنند.
چون در هر نقطه فقط یک میدان مشخص وجود دارد و اگر خطوط قطع شوند یعنی در یک نقطه دو جهت مختلف برای میدان داریم که غیرممکن است.
خطوط میدان الکتریکی در ناحیه‌ای بین دو بار ناهمنام (مثبت و منفی) از بار مثبت به بار منفی امتداد می‌یابند.
خطوط میدان الکتریکی در ناحیه‌ای بین دو بار هم‌نام (مثبت،مثبت یا منفی،منفی) نیز به صورت زیر امتداد می‌یابند.
میدان الکتریکی یکنواخت
در بیشتر مواردی که تا اینجا بررسی کردیم، میدان الکتریکی در نقاط مختلف فضا بزرگی و جهت متفاوتی داشت. مثلاً میدان حاصل از یک بار نقطه‌ای، در فاصله‌های نزدیک قوی‌تر و در فاصله‌های دور ضعیف‌تر می‌شود. اما حالتی هم وجود دارد که در آن میدان الکتریکی در همه‌ی نقاط، اندازه و جهت یکسانی دارد. به این حالت، میدان الکتریکی یکنواخت گفته می‌شود.
میدان یکنواخت میدانی است که در آن:
1- اندازه‌ی میدان در همه جا یکسان است؛
2- و جهت میدان در همه‌ی نقاط ثابت است.
نمونه‌ای از میدان الکتریکی یکنواخت در فاصله‌ی بین دو صفحه‌ی فلزی موازی و باردار دیده می‌شود. اگر یکی از صفحه‌ها دارای بار مثبت و دیگری بار منفی باشد، بین آن‌ها میدان الکتریکی تقریباً یکنواختی ایجاد می‌شود.
در چنین حالتی، خطوط میدان به‌صورت خطوط موازی، مستقیم و هم‌فاصله رسم می‌شوند. این ویژگی باعث می‌شود محاسبه‌ی نیرو و کار الکتریکی روی بارها در این ناحیه بسیار ساده‌تر شود.
نیروی الکتریکی وارد بر بار در یک میدان الکتریکی
تا اینجا دیدیم که میدان الکتریکی مفهومی است که به کمک آن می‌توانیم اثر یک بار الکتریکی را بر فضا و بر دیگر بارها توصیف کنیم. حالا فرض کنید یک ذره باردار را در ناحیه‌ای قرار دهیم که در آن میدان الکتریکی وجود دارد. این میدان بر ذره باردار، نیروی الکتریکی وارد می‌کند.
این نیرو از رابطه‌ی زیر به‌دست می‌آید:
اگر بار مثبت باشد، نیروی وارد بر آن در جهت میدان الکتریکی است.
اگر بار منفی باشد، نیروی وارد بر آن در خلاف جهت میدان الکتریکی است.
تا اینجا با مفهوم میدان الکتریکی به صورت کیفی و کمی و همچنین تجسم آن به شکل خطوط میدان الکتریکی آشنا شدیم. در ادامه برای درک بهتر این مفهوم سراغی از نقش میدان الکتریکی در پدیده‌های طبیعی و همچنین کاربرد آن در صنعت می‌گیریم.
کاربردهای میدان الکتریکی در طبیعت
آذرخش (رعد و برق)
یکی از آشکارترین و هیجان‌انگیزترین پدیده‌های طبیعی که ناشی از میدان الکتریکی است، آذرخش یا رعد و برق است.
در داخل ابرهای طوفانی، بارهای مثبت و منفی از هم جدا می‌شوند. این جدایش بارها، میدان الکتریکی شدیدی بین بخش‌های مختلف ابر یا بین ابر و زمین ایجاد می‌کند.
وقتی این میدان از حد مشخصی فراتر رود، جرقه‌ای بسیار قوی به‌نام آذرخش(رعد و برق) ایجاد می‌شود که در واقع تخلیه ناگهانی بارهای الکتریکی است.
گرده‌افشانی توسط زنبورها
هنگامی که زنبور عسل پرواز می‌کند، به دلیل اصطکاک با هوا، بار الکتریکی مثبت پیدا می‌کند. از سوی دیگر، گل‌ها معمولن دارای بار الکتریکی منفی هستند. وقتی زنبور به گل نزدیک می‌شود؛ این تفاوت بار الکتریکی باعث جذب گرده‌های منفی گل به بدن باردار زنبور می‌شود. این فرآیند بدون تماس مستقیم و تنها به واسطه میدان‌های الکتریکی صورت می‌گیرد.
زنبورها همچنین می‌توانند تغییرات میدان الکتریکی گل‌ها را پس از حضور دیگر زنبورها تشخیص دهند. این توانایی به آن‌ها کمک می‌کند تا گل‌هایی را که هنوز گرده یا شهد دارند، از گل‌هایی که قبلن توسط دیگر زبورها باردار شده‌اند؛ تشخیص دهند. این ویژگی باعث افزایش کارایی زنبورها در گرده‌افشانی و بهره‌وری بیشتر در جمع‌آوری غذا می‌شود.
سیستم عصبی جانوران
سلول‌های عصبی (نورون‌ها) در بدن انسان و جانوران، با استفاده از پتانسیل الکتریکی بین داخل و بیرون سلول پیام‌های عصبی را منتقل می‌کنند. در واقع حرکت یون‌ها و ایجاد میدان‌های الکتریکی موضعی باعث انتقال سیگنال‌های عصبی در بدن می‌شود.
حس‌گرهای الکتریکی در برخی جانوران آبزی
جانورانی مثل کوسه‌ها و برخی گونه‌های ماهی‌ها توانایی حس میدان‌های الکتریکی ضعیف اطراف بدن موجودات دیگر را دارند. این حس به آن‌ها کمک می‌کند تا طعمه را حتی در تاریکی مطلق یا زیر خاک کف دریا شناسایی کنند. این قابلیت به نام الکترورسپشن (الکتروگیرندگی) شناخته می‌شود.
تشکیل بلورها و چیدمان مولکولی
در مقیاس مولکولی، میدان‌های الکتریکی بین ذرات باردار (مانند یون‌ها) در ساختار بلورها و مواد طبیعی نقش دارند. مثلاً در بلورهای نمک طعام، نیروهای الکتریکی بین یون‌های مثبت و منفی شبکه بلوری را نگه می‌دارد.
کاربردهای میدان الکتریکی در صنعت
رسوب‌دهنده الکترواستاتیکی
یکی از مهم‌ترین کاربردهای میدان الکتریکی در صنعت، استفاده در تصفیه هوا و کاهش آلودگی‌های صنعتی است.
در کارخانه‌ها، نیروگاه‌ها یا صنایع دارای کوره، گازهای خروجی اغلب همراه با ذرات معلق آلاینده هستند، مثل دود، خاکستر، دوده یا ذرات فلزی. این گاز آلوده وارد دستگاه رسوب‌دهنده می‌شود.
در این دستگاه، ابتدا ذرات معلق باردار می‌شوند(معمولاً با عبور از میدان الکتریکی یا با برخورد به سیم‌های باردار) سپس این ذرات وارد ناحیه‌ای با صفحات باردار با بار مخالف می‌شوند. میدان الکتریکی ایجادشده باعث می‌شود ذرات باردار به سمت صفحات کشیده شوند و روی آن‌ها رسوب کنند.
در نهایت، صفحات به طور منظم تکان داده یا تمیز می‌شوند تا این ذرات جدا شده و جمع‌آوری شوند. از این رسوب دهنده‌ها در تصفیه هوای خروجی از نیروگاه‌های سوخت فسیلی، صنایع سیمان، فولاد و ذوب فلزات و کارخانه‌های شیمیایی و کوره‌های زباله‌سوز استفاده می‌شود.
مزیت استفاده از رسوب دهنده‌ها در این است که با می‌تواند ذرات ریز(حتی کمتر از یک میکرون) با بازده بالا و بدون مصرف زیاد انرژی حذف کند.
چاپگرهای لیزری و دستگاه‌های فتوکپی
در این دستگاه‌ها، تصویر مورد نظر ابتدا به کمک میدان الکتریکی بر روی یک استوانه حساس به نور(درام)شکیل می‌شود. سپس ذرات تونر(پودر جوهر) که باردار هستند به کمک میدان الکتریکی به نواحی مورد نظر جذب شده و در نهایت روی کاغذ منتقل می‌شوند.
رنگ‌پاشی صنعتی
در این روش، ذرات رنگ باردار شده و به سمت قطعه‌ای فلزی که بار مخالف دارد یا به زمین متصل است؛ کشیده می‌شوند.این باعث پوشش‌دهی یکنواخت، کاهش هدررفت رنگ و افزایش چسبندگی می‌شود. کاربرد آن در رنگ‌کاری خودروها، لوازم خانگی، دوچرخه و … است.
شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای
در فیزیک هسته‌ای و مهندسی ذرات، میدان‌های الکتریکی قوی برای افزایش سرعت و انرژی ذرات باردار (مثل پروتون، الکترون یا یون‌ها) استفاده می‌شوند. این ذرات در تحقیقات علمی یا تولید پرتوهای پرانرژی کاربرد دارند.
سخن پایانی در مورد میدان الکتریکی
مفهوم میدان الکتریکی پلی است میان جهان نادیدنی نیروها و تجربه‌های روزمره ما. از حرکت ساده‌ی خرده‌کاغذها به سمت یک بادکنک تا پدیده‌های عظیمی مثل آذرخش، و از عملکرد ظریف دستگاه‌های صنعتی تا فرایندهای زیستی در بدن ما، همه و همه وابسته به حضور و اثرگذاری میدان‌های الکتریکی‌اند.
با درک این مفهوم نه‌تنها می‌توانیم پدیده‌های طبیعی را بهتر بفهمیم،؛ بلکه می‌توانیم از این شناخت برای توسعه‌ی فناوری‌ها و حل چالش‌های زیست‌محیطی استفاده کنیم. میدان الکتریکی نشان می‌دهد که حتی در خلأ و بدون تماس مستقیم، تأثیر و تعامل ممکن است ـ و این، یکی از شگفت‌انگیزترین ویژگی‌های دنیای فیزیک است.
دیدگاهتان را بنویسید