بار الکتریکی

تحقیق و مقاله با موضوع بار الکتریکی

بار الکتریکی یک خاصیت فیزیکی ماده است که باعث می‌شود، هنگامی که ماده در مجاورت مادهٔ باردار دیگری قرار می‌گیرد به آن نیرو وارد شود. بار الکتریکی دو نوع است بار مثبت و بار منفی. بین دو ماده یا جسم با بارهای هم‌نام نیروی رانش ایجاد می‌شود و برعکس اگر ناهم‌نام باشند بین آن‌ها ربایش ایجاد می‌شود. در سامانهٔ استاندارد بین‌المللی یکاها واحد بار الکتریکی کولن (C) است. البته در مهندسی برق از یکای آمپرمتر (Ah) نیز استفاده می‌کنند. در مطالعهٔ اندرکنش میان اجسام باردار، دانش الکترومغناطیس کلاسیک کافی است و از اثرهای کوانتومی صرف نظر می‌شود.

بار الکتریکی یک خاصیت پایسته در ماده است به این معنی که بار الکتریکی تولید نمی‌شود یا از بین نمی‌رود؛ بار الکتریکی از ذرات زیراتمی ماده که تعیین‌کنندهٔ خواص الکترومغناطیس ماده‌اند ناشی می‌شود. یک مادهٔ باردار الکتریکی، تولیدکنندهٔ میدان‌های الکترومغناطیسی است و خود از آنها تاثیر می‌گیرد. اندرکنش میان یک بار متحرک و یک میدان الکترومغناطیسی عامل ایجاد نیروهای الکترومغناطیسی است. این نیرو خود یکی از چهار نیروی بنیادی است.

آزمایش‌ها در قرن بیستم، توضیحی کوانتومی از بار الکتریکی ارائه کرده‌اند (این عمل را کوانتومی کردن می نامند)، به عبارت دیگر دانشمندان دریافته‌اند که بار الکتریکی خود از واحد کوچک‌تری با نام بار بنیادی تشکیل شده‌است. بار یک الکترون تقریباً برابر با می‌باشد. (البته ذراتی با نام کوارک وجود دارند که باری به اندازه چند e⅓ دارند.) پروتون باری به اندازهٔ e و الکترون باری برابر با e- دارد. علم مطالعه ذرات باردار و توضیح ارتباط آنها با فوتونها، الکترودینامیک کوانتومی نام دارد.

مقدمه
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 اشیا مشاهده‌ پذیر و قابل لمس جهان ، از لحاظ الکتریکی ، این واقعیت را تایید 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 بی‌اثر 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 آزمایس 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 می‌رانند. 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.

تاریخچه 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 هم‌نام و غیر هم‌نام 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.

الکتریسیتهٔ ساکن و الکتریسیتهٔ جاری

الکتریسیتهٔ ساکن و جاری دو پدیدهٔ جداگانه و در اثر بار الکتریکی اند، که می‌توانند همزمان در یک جسم رخ دهند. الکتریسیتهٔ ساکن منبعی برای بار الکتریکی جسم است و اگر دو جسم که در تعادل الکتریکی نیستند را به هم بچسبانیم تخلیهٔ الکتریکی بین آن‌ها اتفاق می‌افتد. تخلیهٔ الکتریکی در بار الکتریکی هر دو جسم تغییر ایجاد می‌کند. در مقابل الکتریسیتهٔ جاری، جریان یافتن بارهای الکتریکی در یک جسم است که موجب ازدست‌دادن یا گرفتن هیچ‌گونه باری در آن جسم نمی‌شود. البته در تخلیه الکتریکی هم بارها از یکی به سمت دیگری جاری می‌شود اما این جریان خیلی کوتاه است که بخواهیم آن را جریان الکتریکی بخوانیم.

خواص بار الکتریکی

علاوه بر تمام خواص الکترومغناطیسی که از بار الکتریکی گفته شد، بار یک متغیر نسبیتی است به این معنی که هر ذره‌ای که بار Q دارد، مهم نیست که با چه سرعتی حرکت می‌کند، فرض می شود همواره بار Q را حفظ می‌کند. این خاصیت بار بوسیله آزمایش هم نشان داده شده‌است مثلاً: بار یک هسته هلیوم (دو پروتون و دو نوترون در مجاورت یکدیگر در هسته اتم با سرعت بسیار زیاد در حال گردش‌اند) برابر است با بار دو هسته دوتریوم (یک پروتون و یک نوترون در مجاورت یکدیگرند که با سرعتی بسیار کمتر از آنچه در هسته هلیوم داشتند حرکت می‌کنند.

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. به عنوان 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 غلتک 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.