الکتریسیته ساکن
چه چیز باعث شوک الکتریکی می شود؟
شما مدتی روی فرش راه رفته اید. به دستگیره ی در می رسید و ناگهان.... ویزززززز! و به شما شوک وارد می شود.
یا در زمستان به خانه بر می گردید و کلاه پشمی تان را از سر بر می دارید و... پووووف! همه ی موهایتان در هوا راست می شوند. چه اتفاقی افتاده و چرا اغلب این اتفاق ها در زمستان می افتد؟ پاسخ الکتریسیته ساکن است. برای اینکه بدانیم الکتریسیته ساکن چیست، باید در مورد طبیعت ماده، قدری بیشتر بدانیم. به عبارتی باید به این پرسش پاسخ دهیم که "چیزهای اطراف ما از چه ساخته شده اند؟"
همه چیز از اتم ساخته شده است.
یک حلقه از طلای خالص را مجسم کنید. آن را در ذهن خود به دو قسمت تقسیم کنید و نیمی از آن را کنار بگذارید. این کار را همین طور ادامه دهید و ادامه دهید. به زودی قطعه بسیار کوچکی خواهید داشت که برای دیدنش نیاز به میکروسکوپ دارید. این قطعه ممکن است بسیار بسیار بسیار کوچک باشد اما هنوز یک قطعه از طلاست. اگر بتوانید عمل تقسیم کردن به ذرات کوچکتر و کوچکتر را ادامه دهید، در نهایت به کوچکترین ذره ممکن از طلا می رسید که "اتم" نام دارد. اگر اتم را به ذره های کوچکتر تقسیم کنید، ذره های حاصل شده دیگر از جنس طلا نخواهند بود.
همه چیز در اطراف ما از اتم تشکیل شده است. دانشمندان تا امروز تنها 115 نوع اتم مختلف کشف کرده اند. هرچه در اطراف ماست از ترکیبات مختلف این اتم ها ساخته شده است.
اجزای اتم
پس اتم ها از چه چیز ساخته شده اند؟ در مرکز هر اتمی "هسته" قرار دارد. هسته شامل دو نوع ذره ی متفاوت است که "پروتون" و "نوترون" نامیده می شوند. ذرات کوچک دیگری به نام الکترون به دور هسته می چرخند.
تعداد الکترون ها، پروتون ها و نوترون های 115 نوع اتمِ شناخته شده با هم متفاوت است و به همین خاطر هر نوع اتم را می توان در میان اتم های دیگر شناسایی کرد.
داخل هر اتم را می توان به منظومه شمسی تشبیه کرد. هسته اتم در مرکز قرار دارد، مانند خورشید که در مرکز منظومه شمسی است و الکترون ها مانند سیاره ها به دور مرکز (هسته ی اتم) در گردش هستند. درست مانند منظومه ی شمسی، هسته ی اتم نسبت به الکترون ها بسیار بزرگ است. داخل اتم به طور عمده فضای خالی است و الکترون ها فاصله بسیار زیادی از هسته دارند. (البته توجه کنید که تمام اندازه ها نسبت به ابعاد هسته و اتم سنجیده می شود.)
تصویری که از اتم تا به اینجا ساختیم خیلی دقیق نیست، با این حال می توانیم از آن استفاده کنیم تا درباره الکتریسیته ساکن بیشتر بدانیم.
بارهای الکتریکی
پروتون، نوترون و الکترون با هم تفاوت زیادی دارند و هر کدام خواص و ویژگی های خاص خودشان را دارند. یکی از این ویژگی ها، "بار الکتریکی" است. پروتون ها خاصیتی دارند که ما به آن "بار مثبت" (+) می گوییم و الکترون ها "بار منفی" (-) دارند. نوترون ها بار الکتریکی ندارند و به اصطلاح خنثی هستند.
مقدار بار یک پروتون درست به اندازه ی بار الکترون است و تنها علامت بارها با هم متفاوت است. پس اگر در یک اتم تعداد پروتون ها با تعداد الکترون ها برابر باشد، آن اتم هیچ بار خالصی ندارد و خنثی است.
الکترون ها می توانند حرکت کنند.
پروتون ها و نوترون ها در هسته ی اتم به هم فشرده اند. معمولاً هسته اتم ثابت است و جابجا نمی شود اما برخی از الکترون های اتم که از هسته دورند می توانند از مدار خودشان خارج شوند. مثلاً می توانند از یک اتم به اتم دیگر بروند. اتمی که الکترون هایش را از دست داده، بار مثبت اش (تعداد پروتون هایش) از بار منفی اش (تعداد الکترون هایش) بیشتر است. پس کل اتم بار مثبت دارد. برعکس اتمی که الکترون به دست آورده، بار منفی اش بیشتر از بار مثبت اش است. این اتم بار منفی دارد. اتمی که بار دارد، (چه بار مثبت و چه بار منفی)، "یون" نامیده می شود.
در بعضی از مواد، اتم ها الکترون ها را محکم نگه می دارند و اجازه جدا شدن به آن ها نمی دهند. این مواد "نارسانا" نام دارند. پلاستیک، شیشه، پارچه و هوای خشک، نارسانا های خوبی هستند.
برعکس، در بعضی از مواد، اتم ها به الکترون ها اجازه ورود و خروج می دهند. در این مواد الکترون ها مدام در حرکتند. به این مواد "رسانا" می گوییم. اغلب فلزات رساناهای خوبی هستند.
چطور می توانیم الکترون ها را از جایی به جایی منتقل کنیم؟ یک راه متداول برای این کار این است که دو جسم را به هم مالش بدهیم. اگر آنها از جنس های متفاوت و هر دو عایق باشند، الکترون ها از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شوند. هر چقدر دو جسم را بیشتر به هم بساییم، بار الکتریکی بیشتری از یکی به دیگری منتقل می شود و در آن تجمع می کند. (دانشمندان معتقدند که مالش و یا اصطکاک نیست که باعث انتقال الکترون ها از جسمی به جسم دیگر می شود. بلکه به سادگی این تماس دو ماده ی متفاوت است که باعث انتقال الکترون می شود. با سائیدن دو ماده، سطح تماس آن ها با هم افزایش پیدا می کند و این کار جابجایی الکترون ها را راحت تر می کند.)
الکتریسیته ساکن، مساوی نبودن بارهای مثبت و منفی در یک جسم است.
جاذبه بارهای مخالف
حالا خواهیم دید که بارهای مثبت و منفی رفتارهای جالبی از خودشان نشان می دهند. آیا تا به حال شنیده اید که "آدم ها با خصوصیات اخلاقی مخالف، همدیگر را جذب می کنند."؟ در مورد یون ها این موضوع حقیقت دارد. دو جسم با بارهای مخالف (یک جسم با بار مثبت و دیگری با بار منفی) همدیگر را جذب می کنند. یعنی به سمت هم کشیده می شوند. برعکس، دو جسم با بارهای همنام (دو جسم با بار مثبت و یا دو جسم با بار منفی) همدیگر را دفع می کنند، یعنی از هم دور می شوند.
بار های مخالف همدیگر را جذب می کنند.
بار های مشابه همدیگر را دفع می کنند.
یک جسم باردار حتی می تواند اجسام خنثی را هم جذب کند. تا به حال درباره این که چگونه یک بادکنک به دیوار می چسبد، فکر کرده اید؟ اگر بادکنکی را با ساییدن به موهای خود باردار کنید، الکترون اضافه به دست می آورد و بار منفی خواهد داشت. نزدیک کردن بادکنک باردار به یک جسم خنثی (مثل دیوار) باعث حرکت الکترون های آن جسم می شود. اگر جسم خنثی رسانا باشد، الکترون های زیادی به راحتی به سمت دیگر آن حرکت می کنند و تا جای ممکن از بادکنک (که بار منفی دارد) دور می شوند. اما اگر جسم خنثی نارسانا باشد، الکترونها در اتم ها و مولکول ها کمی خود را به سمت دیگر جابجا می کنند و تا جایی که اتم اجازه می دهد، از بادکنک دور می شوند. در هر دو صورت (جسم خنثی رسانا باشد یا نارسانا) بارهای مثبت در مجاورت بادکنک بیشتر از بارهای منفی است. می دانیم که بارهای مخالف همدیگر را جذب می کنند. پس بادکنک باردار به جسم خنثی (مثلاً دیوار) می چسبد. (و تا وقتی که الکترونهای روی بادکنک به دیوار یا هوا منتقل نشده اند و بادکنک هنوز باردار است، به دیوار چسبیده می ماند.) اجسام خنثی و اجسام با بار مثبت هم به همین طریق همدیگر را جذب می کنند. آیا می توانید آن را به همین شیوه توضیح دهید؟
و حالا ببینیم که این اطلاعات چه ارتباطی با جرقه بین دست ما و دستگیره در دارد و چطور راست شدن موهای ما را هنگام برداشتن کلاه پشمی توضیح می دهد.
پاسخ این است که هنگامی که روی فرش راه می روید، الکترون ها از فرش به بدن شما منتقل می شوند. حالا شما بار الکتریکی اضافه در خود جمع کرده اید. دستگیره در را لمس می کنید و ... ویز! دستگیره در یک رسانا است. الکترون های اضافی بدن شما به راحتی به آن منتقل می شوند و این انتقال الکترون ها باعث ایجاد جرقه بین دست شما و دستگیره در می شود.
وقتی کلاه پشمی را از سرتان بر می دارید، کلاه به موهای سرتان مالیده می شود. الکترونها از موهای شما به کلاه منتقل می شود. حالا هر تار موی شما بار مثبت دارد. به یاد بیاورید که اشیاء با بارهای همنام همدیگر را دفع می کنند. بنابراین موها تلاش می کنند تا جای ممکن از هم دور شوند. پس راست می ایستند. در این حالت بیشترین فاصله را از هم پیدا می کنند.
ما اکثراً در زمستان با پدیده هایی که به الکتریسیته ی ساکن مربوط می شوند روبرو می شویم. زیرا در تابستان هوا بسیار مرطوب تر از زمستان است. از آن جایی که آب رسانا است، رطوبت موجود در هوا کمک می کند تا اجسام باردار سریع تر بار خود را تخلیه کنند (به هوا منتقل کنند) و در نتیجه بار الکتریکی زیادی در آن ها تجمع نمی کند.
سری تریبو الکتریک
وقتی دو ماده مختلف را به هم می ساییم، کدام یک بار مثبت پیدا می کند و کدام یک بار منفی؟ دانشمندان با توجه به توانایی مواد در از دست دادن یا به دست آوردن الکترون، آن ها را رده بندی کرده اند. این رده بندی را "سری تریبو الکتریک" می نامند. فهرست کوچکی از مواد در دسترس در زیر آورده شده اند. در شرایط آرمانی اگر دو ماده به هم ساییده شوند، ماده ای که در لیست، در مکان بالاتری قرار دارد، الکترون از دست می دهد و بار مثبت پیدا می کند. می توانید با مواد زیر این موضوع را آزمایش کنید:
- دست شما
- لیوان (شیشه)
- موی شما
- نایلون
- پشم
- خز
- ابریشم
- کاغذ
- کتان (پارچه ی نخی)
- پاک کن سفت
- پلی استر
قانون پایستگی بار
وقتی ما چیزی را با الکتریسیته ساکن باردار کنیم، هیچ الکترونی "تولید نمی شود" و یا "از بین نمی رود". همین طور پروتون جدیدی به وجود نمی آید و ناپدید نمی شود. در عمل باردار کردن اجسام، تنها الکترونها از مکانی به مکان دیگر حرکت می کنند و منتقل می شوند. بار الکتریکی خالص، در کل ثابت می ماند. به این موضوع "قانون پایستگی بار الکتریکی" می گویند.
قانون کولن
اجسام باردار در اطراف خود یک میدان نیروی الکتریکی نامرئی ایجاد می کنند. شدت این نیرو بستگی به مسایل زیادی دارد مثلاً اندازه بار دو جسم باردار یا فاصله دو جسم و یا شکل اجسام باردار. این باعث پیچیده شدن موضوع می شود. برای ساده کردن شرایط می توانیم فرض کنیم که به جای "اجسام باردار" ، "نقاط باردار" داریم. یعنی ابعاد جسم بارداری که در نظر می گیریم، خیلی خیلی کوچکتر از فاصله بین آنها باشد. به طوری که هر جسم برای جسم دیگر تقریباً مثل یک نقطه باردار عمل کند.
اولین بار "چارلز کولن" در دهه ی 1780 میلادی، نیروی الکتریکی را توصیف کرد. او پی برد که نیروی الکتریکی بین دو جسم باردار و نقطه ای، رابطه مستقیم با ضرب بارهایشان دارد. یعنی
که q1 و q2 اندازه بارهای نقطه ای هستند. هر چقدر بارهای نقطه ای بیشتر باشند، نیروی الکتریکی بینشان هم بزرگتر است. از طرف دیگر این نیرو با مجذور فاصله بارهای نقطه ای نسبت عکس دارد. یعنی
که d فاصله ی بین بارهای نقطه ای است. هر چقدر فاصله ی بارها بیشتر باشد، نیروی الکتریکی بین آن ها ضعیف تر است.
به طورکلی می توان نوشت
. در این رابطه k ضریب تناسب است و اندازه آن به ماده ای بستگی دارد که دو بار را از هم جدا می کند.
با دو برابر شدن فاصله، نیروی الکتریکی، 4/1 نیروی اولیه می شود.
با دو برابر شدن هر یک از بارها، نیروی الکتریکی، 4 برابر نیروی اولیه می شود.
منبع: تبیان
(باید توجه کرد که این معادله تنها انرژی موجود ذرات را بدست می‌دهد و نه دیگر گونه‌های انرژی (مانند جنبشی یا پتانسیل).
: معادله (?)
در معادلات بالا یک انرژی جنبشی Ek است، که بوسیله لورد کلوین در 1859 معرفی شد
بیان می‌شود . بنابراین واحد انرژی جنبشی در این دستگاه عبارت خواهد بود از
: معادله(?) 
.
