القای بار الکتریکی چیست؟ – روش های باردار کردن اجسام

القای بار الکتریکی یکی از راه های باردار کردن اجسام رسانا است. زمانی که تعداد بارهای مثبت و بارهای منفی یک جسم باهم برابر باشد، آن جسم از لحاظ بار الکتریکی در حالت خنثی قرار دارد.

به سه شیوه ی القای بار الکتریکی، رسانش و اصطکاک یا مالشی می توان تعادل بارهای مثبت و منفی در اجسام را به هم زد و آن ها را به اصطلاح باردار کرد. بار الکتریکی (electric charge) یک نوع خاصیت برای مواد و اجسام می باشد. به صورتی که اگر اجسام باردار باشند در مجاورت یکدیگر به هم نیرو وارد می کنند. لازم به ذکر می باشد که در فصل نهم کتاب درسی علوم پایه ی هشتم نیز به الکتریسیته و مطالب مربوط به آن پرداخته شده است. در این مقاله ی نشریه جهان شیمی فیزیک به القای بار الکتریکی و الکتریسیته می پردازیم.

تعریف الکتریسیته به صورت ساده

الکتریسیته شکلی از انرژی است که می توان آن را در باتری ذخیره کرد و یا از راه سیم برای به کار انداختن قطارهای برقی، رایانه ها، چراغ های روشنایی و وسایل دیگر انتقال داد. الکتریسیته (برق) شکل نامرئی از انرژی است که از حرکت ذره های باردار تولید می شود. این انرژی در سیم های خانه ها جریان می یابد و به آسانی به شکل های دیگر انرژی، مانند گرما و نور تبدیل می شود. همه مواد در دنیا حتی انسان ها و هوایی که تنفس می کنند، از ذره های بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده است.

هر یک از این ذره های ریز، مرکزی با بار مثبت (هسته) دارند که ذره های ریزتری با بار منفی (الکترون ها) به دور آن در گردش هستند. الکتریسیته زمانی تولید می شود که الکترون ها از ماده ای به ماده ای دیگر منتقل شوند. ممکن است این کار به وسیله ی میدان مغناطیسی یک مولد (ژنراتور) یا مواد شیمیایی داخل باتری یا بر اثر اصطکاک (مالش اجسام به هم) انجام شود.

الکتریسیته ساکن چیست

تالس فیلسوف و دانشمند یونانی در حدود دو هزار و ششصد سال پیش کشف کرد که با مالش دو ماده به هم بار الکتریکی تولید می شود. او دریافت که اگر صمغ سخت شده ی برخی از درختان مانند سرو و کاج، که کهربا می نامند، به ابریشم مالیده شود، اجسام سبک مانند پر را به سمت خود می کشد. امروزه می دانیم که مالش سبب انتقال الکترون ها از سطح پارچه ی ابریشمی به سطح کهربا می شود و در نتیجه کهربا که بار منفی پیدا کرده است، اجسام سبک را به سمت خود می کشد تا الکترون های اضافی خود را به آن ها منتقل کند. علت این پدیده هم آن است که مواد و اجسام به طور ذاتی تمایل به خنثی شدن دارند.

در مثال دیگری، وقتی شانه را چندین بار به مو های خشک می کشیم همین خاصیت را پیدا می کند. به این خاصیت الکتریسیته ی ساکن گفته می شود چون بار الکتریکی در اجسام باردار شده مانند کهربا یا شانه تا زمانی که راهی برای فرار و یا تخلیه شدن پیدا نکند، ساکن می ماند.

مواد رسانا و نارسانا چه موادی هستند

به موادی که جریان الکتریکی را از خود عبور می دهند، مواد یا اجسام رسانا یا هادی گفته می شود. بیشتر سیم های برق از مس ساخته شده اند که مانند فلزهای دیگر، رسانای بسیار خوبی می باشد. آب نیز رسانای جریان الکتریسیته می باشد و به همین دلیل، به کار انداختن وسیله های برقی با دست های خیس، عمل بسیار خطرناکی می باشد.

سایر ماده ها از اتم هایی تشکیل شده اند که حرکت الکترون ها بین آن ها تا حدود زیادی غیر ممکن می باشد، به این ماده ها نارسانا یا عایق گفته می شود. پلاستیک، چوب، پارچه و کهربایی که پیش تر نیز به آن اشاره شد، از جمله ی این مواد می باشند. به جریان الکترون ها جریان الکتریکی یا جریان الکتریسیته گفته می شود. به طور کلی به هر ماده ای که جریان الکتریکی توانایی عبور از آن را داشته باشد، رسانا (هادی) گفته می شود. واحد اندازه گیری سرعت عبور الکترون ها از یک جسم رسانا که همان جریان الکتریکی است، آمپر (A) می باشد.

القای بار الکتریکی و شیوه های باردار کردن اجسام

برای باردار کردن اجسام نارسانا از روش اصطکاک، به شیوه ی مالش یک جسم به جسمی دیگر استفاده می شود. در این روش الکترون ها از سطح یک جسم به سطح جسم دیگر منتقل می شوند. برای باردار کردن اجسام رسانا از شیوه های رسانش و القای بار الکتریکی استفاده می شود. در روش رسانش، با لمس یک ذره  باردار توسط یک جسم رسانا، بار الکتریکی از جسم باردار به رسانا منتقل شده و رسانا باردار می شود.

در نهایت در روش باردار کردن توسط القای بار الکتریکی که این روش نیز برای اجسام و مواد رسانا کاربرد دارد، باردار کردن اجسام بدون لمس صورت می پذیرد. در این شیوه ی القایی، ابتدا جسم رسانای بی بار را، روی پایه ای خنثی قرار می دهیم سپس، با نزدیک کردن یک ذره ی باردار به آن با جریان بار الکتریکی بین دو جسم، رسانایی که در ابتدا خنثی بود بعد از مدتی دارای باری مخالف با ذره ی باردار اولیه می شود.

روش القای بار الکتریکی به چه صورتی است

از فرایند القای بار الکتریکی فقط برای باردار کردن اجسام رسانا می توان استفاده کرد. رکن اصلی این شیوه از باردار کردن اجسام، عدم لمس و برخورد مستقیم علی رغم بسیار نزدیک بودن ذره ی باردار و جسم رسانای خنثی که می خواهیم دارای بار الکتریکی بشود، می باشد. این پدیده در سال ۱۷۵۳ توسط یک دانشمند انگلیسی به نام جان کانتون (John Canton) و در سال ۱۷۶۲ توسط یک دانشمند اهل سوئد به اسم یوهان کارل ویلک (Johan Carl Wilcke)، کشف و به جامعه ی علمی بشر ارائه شد. وجود یک ذره ی باردار در این شیوه در مجاورت یک جسم رسانای بدون بار، سبب ایجاد بار الکتریکی منفی از یک سر و بار الکتریکی مثبت از سر دیگر جسم در جسم رسانا می شود.

بار دار کردن دو کره توسط ذره ای باردار به روش القای بار الکتریکی به چه صورتی است؟

برای انجام این کار دو کره ی فلزی رسانا که خنثی هستند را برداشته و در تماس با یک دیگر روی یک سطح خنثی قرار می دهیم. یک ذره با بار الکتریکی منفی را از یک سمت به یکی از کره ها نزدیک می کنیم اما به هیچ وجه تماس نمی دهیم. طبق قانون کولن، حضور ذره ی باردار در مجاورت کره ها باعث می شود که در کره ی نزدیک تر به ذره ی باردار، بار مثبت ایجاد شود و بارهای منفی نیز در کره ای که دورتر از ذره ی باردار با بار منفی قرار دارد، تجمع می یابند.

حالا در حالی که ذره ی باردار اولیه در مجاورت یکی از کره ها که بار مثبت پیدا کرده قرار دارد، کره های باردار شده را از یک دیگر جدا می کنیم. در نهایت برای توضیع متقارن بارهای مثبت و منفی ذره ی باردار اولیه را نیز از کره ها دور می کنیم. حالا دو کره با بارهای مختلف در اختیار داریم. اگر بار ذره ی اولیه مثبت بود بار نهایی کره ها بر عکس می شد.

قانون کولن و قانون پایستگی بار الکتریکی

Cowlomb’s law به زبان ساده بیان می دارد که بارهای الکتریکی همنام هم دیگر را دفع و بارهای الکتریکی غیر همنام یکدیگر را جذب می کنند. دلیل نزدیک هم قرار گرفتن بارهای نا همنام و دور شدن بارهای غیر همنام از همدیگر در فرایند باردار کردن کره های رسانا توسط ذره ای باردار به روش القای بار الکتریکی نیز همین قانون می باشد. در همین فرایند باردار کردن به شیوه ی القای بار الکتریکی، قانون پایستگی بار الکتریکی نیز بر قرار می باشد.

در ابتدا و پیش از باردار کردن کره ها، آن ها خنثی بودند. یعنی بار الکتریکی کل مجموعه صفر و تعداد الکترون ها و پروتون های هر دو کره با هم برابر بود. الکترون ها از کره ی نزدیک تر به ذره ی باردار اولیه به کره ی دورتر رفته و هر دو باردار شدند. بنابراین تعداد بار مثبت کره ی مثبت با تعداد بار منفی کره ی منفی برابر بوده و بار کل مجموعه صفر می باشد.

مقاومت الکتریکی چیست

هر جسم رسانای الکتریکی در برابر عبور الکتریسیته از خود مقاومت نشان می دهد. مقدار مقاومت الکتریکی به جنس، طول و سطح مقطع جسم رسانا بستگی دارد. در بخاری برقی از سیم های مقاومت دار برای تولید گرما و در لامپ از تنگستن برای تولید نور استفاده می شود. این ها مثال هایی از مواردی هستند که از وجود مقاومت الکتریکی برای تولید انرژی مطلوب استفاده می شود. اما در سیم های انتقال دهنده ی الکتریسیته مقاومت الکتریکی باعث می شود انرژی الکتریکی به صورت گرما به هدر رود. هرچه میزان مقاومت الکتریکی سیم استفاده شده برای انتقال الکتریسیته کمتر باشد، استفاده کردن از آن سیم به صرفه تر می باشد.

مقاومت الکتریکی میزان سختی عبور جریان الکتریکی از یک جسم رسانا می باشد. واحد اندازه گیری مقاومت الکتریکی اهم می باشد.

باتری پارتیان و الکتریسیته

باتری اشکانیان که با نام های باتری بغداد و یا پیل اشکانی در سطح جهان شناخته می شود، در سال ۱۹۳۶ نزدیک بغداد کشف شد. از سده ی نوزدهم میلادی تا کنون الکساندر ولتا دانشمند ایتالیایی به عنوان مخترع باتری شناخته شده است. اما یافته های باستان شناسی در مناطقی از عراق کنونی نشان داده است که نزدیک به دو هزار سال پیش از ولتا، باتری در عراق بود که در آن زمان قسمتی از خاک ایران بود و در دوره ی اشکانیان ساخته شده است.

کشف ظرف های آبکاری شده در نزدیکی های محل کشف این باتری نشان می دهد که از آن در آبکاری ظروف استفاده می شده است. این باتری شامل یک کوزه سفالی کوچک، یک میله آهنی به درازایcm  ۵/۷ و یک استوانه مسی بوده است. میله های سیمی شکل برنزی و آهنی که در نزدیکی محل مورد بررسی کشف شده اند، می توانستند نقش اتصال را بازی کنند. در مورد الکترولیت به نظر می رسد از محلول های مسی، سرکه و آبلیمو استفاده می شده است.

بستن مدار و شبکه برق

برای آن که وسیله ای الکتریکی مانند چراق قوه کار کند، منبع انرژی آن (باتری) باید با سیم هایی که یک حلقه ی بسته را تشکیل می دهند، به لامپ وصل شود. به این حلقه ی بسته مدار گفته می شود. کار کلید، قطع و وصل چراغ قوه، بستن یا باز کردن این مدار می باشد. وقتی کلید در حالت روشن قرار می گیرد، جریان الکتریکی از مدار عبور می کند و لامپ روشن می شود. زمانی که کلید را در حالت خاموش قرار می دهیم، مدار قطع می شود و جریان الکتریکی از آن عبور نمی کند. باتری ها مقدار محدودی الکتریسیته تولید می کنند؛

بنابراین، بیشتر وسایل برقی باید نیروی خود را از منبع تغذیه اصلی یا شبکه ی برق شهری بگیرند. میلیون ها پریز دیواری به وسیله سیم به نیروگاه برق متصل می شوند. جریان الکتریکی تولید شده در نیروگاه از راه سیم به پریز و از آن جا به وسیله برقی می رسد. برای آن که مدار بسته شود، جریان الکتریکی از راه سیم های دیگر به نیروگاه بر می گردد.

کاربرد القای بار الکتریکی

پدیده ی القای بار الکتریکی کاربردهایی دارد که از جمله ی آن ها دو دستگاه مولد واندوگراف و ویرمهورست (wirmhurst) می باشند. مولد واندوگراف دستگاهی است به جهت تامین کرن انرژی مورد نیاز برای شتاب دهنده های ذرات اولیه اختراع شده است و مخترع این دستگاه شخصی به همین نام می باشد. در اوایل دهه ی ۱۸۸۰ نیز مخترعی به نام جیمز ویرمهورست (James Wimshurst) که اهل انگلستان بود، ماشین ویرمهورست را ساخت. وظیفه ی این ماشین تولید برق با ولتاژ بالا می باشد و این دستگاه قادر است که اختلاف پتانسیلی بین ۵۰ تا ۶۰ هزار ولت را به آسانی ایجاد کند.

الکتروسکوپ وسیله ای می باشد که بار یک جسم را با استفاده از القای الکترواستاتیک تشخیص می دهد. از کاربردهای الکتروسکوپ می توان تشخیص باردار بودن یک ماده، تعیین نوع بار الکتریکی جسم و مقایسه اندازه دو بار مختلف را نام برد.

روش القای بار الکتریکی فیزیک یازدهم

یک جسم باردار می تواند باعث توزیع مجدد الکترون ها در یک جسم خنثی مجاور شود و مناطقی با بار مثبت و منفی بدون تماس مستقیم ایجاد کند. هنگامی که یک جسم با بار منفی در نزدیکی یک جسم خنثی قرار می گیرد، الکترون های اضافی در جسم باعث دور شدن الکترون های جسم خنثی می شود (دافعه الکترواستاتیک). این باعث می ‌شود که انتهای نزدیک ‌تر جسم خنثی بار مثبت پیدا کند (به دلیل حرکت نکردن پروتون‌ ها)، و انتهای دیستال بار منفی (به دلیل حرکت الکترون) شود.

برعکس، هنگامی که یک جسم با بار مثبت در نزدیکی یک جسم خنثی قرار می گیرد، الکترون ها به سمت جسم دارای بار مثبت جذب می شوند. این باعث می شود که انتهای نزدیکتر بار منفی داشته باشد و انتهای دیستال بار مثبت شود.

در هر دو مورد، نیروی جاذبه بین دو جسم وجود خواهد داشت و بار کل در هر دو جسم ثابت می ماند. بنابراین، یک جسم باردار همیشه یک جسم خنثی خالص را به دلیل القای بار موضعی جذب می کند.

در واقع بار القایی روشی است که برای شارژ یک جسم بدون تماس با هر جسم باردار دیگری استفاده می شود. به عنوان مثال هادی های A و B در ابتدا خنثی هستند. وقتی صفحه ای با بار مثبت را در نزدیکی آنها قرار می دهیم، الکترون های هادی ها را جذب می کند. در حالی که پروتون ها باقی می مانند، الکترون ها به سمت چپ حرکت می کنند. بنابراین، وقتی صفحات A و B را از هم جدا می کنیم، آنها توسط القاء باردار می شوند، A بار منفی و B بار منفی دارد. هیچ تماسی وجود ندارد، ذرات فقط از طریق القاء شارژ می شوند.

در پایان مقدار بار مثبت در کره A برابر با مقدار بار منفی در کره B است. اگر کره A 1000 واحد بار مثبت داشته باشد، کره B نیز دارای ۱۰۰۰ واحد بار منفی است. بار کلی دو کره = (مثبت) ۱۰۰۰ واحد + (منفی) ۱۰۰۰ واحد = ۰ واحد.