نیروی الکتریکی چیست؟ – ویژگی ها و نحوه ایجاد آن

نیروی الکتریکی نیرویی است که بین بارهای الکتریکی مثبت یا منفی ایجاد می شود. با استفاده از قانون کولن می توان مقدار این نیرو را که به مقدار بار الکتریکی و فاصله بین آن ها بستگی کرد، محاسبه کرد.

در شرایط عادی هر ماده ای، دارای بار الکتریکی خنثی است، چون تعداد الکترون ها و پروتون های آن ها با هم برابر است. این نیرو در کتاب های علوم پایه ششم و پایه هشتم، معرفی شده است. مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک حاضر به بیان اطلاعاتی درباره نیروی الکتریکی و ویژگی های آن می پردازد.

نیرو چیست؟

عامل خارجی که می تواند حرکت و یا میل به حرکت و همچنین توقف و یا میل به توقف را در اجسام ایجاد کند، به نام نیرو خوانده می شود. واحد اندازه گیری نیرو نیوتن است. بر اساس قانون دوم نیوتن، یک نیوتن نیرو با شتاب جسمی به اندازه یک کیلوگرم و جابه جایی برابر یک متر، ایجاد می شود. به عبارتی به نیرو که یک کمیت برداری است، به اثر متقابل دو جسم گفته می شود. یعنی اجسام یا باید در تماس فیزیکی با هم باشند و یا بدون تماس با هم نیز نیرو ایجاد می شود. بر این اساس انواع نیرو به دو دسته تماسی و غیر تماسی تقسیم می شود و نیروی الکتریکی که از نوع غیرتماسی است، موضوع مورد بحث این مقاله خواهد بود.

بار الکتریکی چیست؟

در تعریف بار الکتریکی می توان به مثال کهربا و پارچه پشمی اشاره کرد که اولین بار تالس فیلسوف یونانی متوجه آن شد. بعد از مالیدن این دو به هم، آن ها می توانند همدیگر را جذب کنند. در این تماس، کهربا با گرفتن الکترون ها، دارای بار منفی و پارچه با از دست دادن الکترون دارای بار مثبت می شود. به همین دلیل دو پارچه پشمی همدیگر را دفع می کنند و یا بین دو قطعه کهربا نیروی دافعه برقرار است. این خاصیت به در اجسام مختلف به نام ایجاد بار الکتریکی در آن ها تعریف می شود.

نکته

بر طبق قانون پایستگی بار الکتریکی، این بار نه از بین می رود و نه خود به خود به وجود می آید، ولی می تواند از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود. در جهان که یک سیستم بسته است، میزان بار الکتریکی ثابت و بدون تغییر است.

نیروی الکتریکی چیست؟

نیرویی که بین بارهای ناهمنام مثبت و منفی ایجاد می شود، به نام نیروی الکتریکی است. یکی از ساده ترین راه های تولید الکتریسیته و نیروی الکتریکی مالیدن اجسام به یکدیگر است. یک جسم با ماش دادن روی جسم دیگر به آن، الکترون داده و باعث اختلاف بار و به وجود آمدن این نیرو می شود. نمونه ای از ایجاد این نیرو، بعد از شانه کردن مو، خرده های کاغذ توسط شانه جذب می شود.

این نیرو با نیروی گرانشی متفاوت است، زیرا با نزدیک کردن دو شانه باردار به هم بین آن ها دافعه اتفاق می افتد. دلیل این تفاوت این است که نیروهای الکتریکی بین دو جسم باردار ایجاد می شود در صورتی که نیروی گرانشی بین اجسامی که بدون بار هستند هم به وجود می آید. نیروی گرانشی همان طور که گفته شد، فقط جاذبه بین اجسام است.

انواع نیروی الکتریکی

نیروهای الکتریکی به دو نوع رانشی و جاذبه ای تقسیم می شوند. در تشکیل این نیرو، بارهای همنام همدیگر را دفع کرده و نیروی رانشی به وجود می آید و بارهای ناهمنام با جذب یکدیگر، نیروی جاذبه ای به وجود می آورند. از ویژگی های نیروی الکتریکی می توان به خاصیت دوربردی آن اشاره کرد. زیرا بدون این که بین اجسام تماس فیزیکی برقرار شود، می تواند اجسام باردار شده و نیروی الکتریکی به وجود آید.

عوامل موثر در نیروی الکتریکی

عواملی که در میزان نیروی الکتریکی موثر است، مقدار بار الکتریکی و فاصله ای است که میان بارها وجود دارد. در این رابطه، میزان نیرو از حاصل ضرب مقدار دو بار الکتریکی در یک ضریب ثابت و تقسیم آن بر مجذور فاصله ی میان آن دو به دست می آید (F = k q_۱q_۲ ̸ r^۲). بر طبق این فرمول مقدار نیروی الکتریکی با افزایش مقدار بار الکتریکی، زیاد و با افزایش میزان فاصله ی بین آن ها، کاهش می یابد.

باردار کردن اجسام

چون همه مواد از نظر میزان بارهای مثبت و منفی در حالت خنثی و تعادل هستند، کوچکترین ناهماهنگی در این تعادل، جسم را باردار می کند. همچنین به دلیل حرکت بهتر الکترون ها، تعادل بین بارها با جابجایی الکترون ها صورت می گیرد. بدین ترتیب با جداشدن الکترون ها از یک جسم به جسم دیگری که توانایی جذب زیاد الکترون دارد، منتقل می شود. در این هنگام آن جسمی که الکترون از دست داده دارای بار مثبت و آن جسمی که الکترون گرفته و مقدار الکترون بیشتری دارد، دارای بار منفی می شود. به همین دلیل است که شانه بعد از شانه زدن موها، تکه های کاغذ را جذب می کند.

آزمایش جمع آوری بار الکتریکی و ایجاد نیروی الکتریکی

فرانکلین فیزیکدان آمریکایی به وسیله بطری لیدن توانست به ذخیره بار الکتریکی بپردازد. جنس این بطری شیشه ای بوده و دو ورقه یکی بیرون و دیگری داخل بطری قرار می گیرد. او توانست با استفاده از این روش بار الکتریکی را ذخیره و نیروی الکتریکی تولید کند. او با استفاده از این بطری که به عنوان یک خازن عمل می کرد و بیان این که بارهای یک ورقه ثابت و بارهای ورقه دیگر به سمت آن یکی حرکت می کند، توانست تولید نیروی الکتریکی را توضیح دهد.

اما او در نامگذاری خود ورقه با بار الکتریسیته بالا را مثبت و ورقه با بار کمتر را منفی نامید که امروزه می دانیم اشتباه بوده است. ولی به احترام او همین نامگذاری امروزه استفاده می شود. اما در حالت درست، بارهای بی حرکت، مثبت و بارهای در حال حرکت، منفی هستند.

الکتروسکوپ

الکتروسکوپ وسیله ای است که با آن می توان به میزان بار الکتریکی اجسام، نوع بار در آن ها و همچنین رسانایی اجسام پی برد. در ساختار این وسیله یک ورقه طلا یا آلومینیم بر روی یک تیغه فلزی متصل به یک کلاهک رسانا متصل است که در داخل محفظه ای عایقی قرار دارند.

تشخیص وجود بار در اجسام با این وسیله

با نزدیک کردن جسم به کلاهک بدون بار الکتروسکوپ، اگر ورقه های طلا از هم جدا شدند، جسم باردار و در صورت بی حرکت بودن، جسم بدون بار است. چون بارهای جسم باردار، الکترون های آزاد این دستگاه را با نیروهای ربایش و یا رانش متاثر کرده و ورقه ها دارای بار همنام شده، جدا می شوند.

تشخیص نوع بار الکتریکی در جسم

اگر جسمی با بار الکتریکی همنام با کلاهک باردار این دستگاه به آن نزدیک شود، زاویه دو ورقه طلا زیاد و اگر بار جسم ناهمنام با بار کلاهک باشد، زاویه دو ورقه طلا کم می شود.

تشخیص رسانایی یا نارسانایی اجسام

در صورت نزدیک کردن جسم رسانا به کلاهک الکتروسکوپ باردار، با انتقال بخشی از بار الکتریکی کلاهک به جسم، فاصله ورقه های طلا کم و در صورت نارسانا بودن جسم، انتقال بار انجام نشده و تغییری در فاصله ورقه ها ایجاد نمی شود.

اهمیت ایجاد نیروی الکتریکی و تولید الکتریسیته

الکتریسیته و انرژی الکتریکی کل محیط اطراف ما را فرا گرفته است. حتی در طبیعت نیز می توان با مواردی چون رعد و برق و سیناپس داخل بدن انسان ها به وجود الکتریسیته پی برد. چراغ ها، گوشی های هوشمند، کامپیوترها، سیستم های تهویه و بسیاری از موارد دیگر مانند دستگاه های صنعتی همه و همه به وجود نیروی الکتریکی و برق وابسته است. الکتریسیته در دنیای امروز از پایه های اساسی صنعت مدرنیته است. سیستم های گرمایشی، حمل و نقل و مخابرات نیز با وجود جریان الکتریکی برقرار است. در علم شیمی نیز فرایند الکتروشیمی به ارتباط جریان الکتریکی و انتقال بارهای الکتریکی بین کاتد و آند وابسته است.

 

 

نیروی الکتریکی فیزیک یازدهم

نیروی الکتریکی نوعی فعل و انفعال است که بین دو جسم باردار رخ می دهد که می تواند جذاب یا دافعه باشد. مانند سایر نیروها، اثرات و تأثیر نیروی الکتریکی بر یک جسم خاص توسط قوانین حرکت نیوتن توصیف می شود. این یکی از نیروهای متعددی است که بر حرکت اجسام تأثیر می گذارد.

نیروی الکتریکی بین دو الکترون با نیروی الکتریکی بین دو پروتون زمانی که در یک فاصله قرار می گیرند یکسان است. این نشان می ‌دهد که نیروی الکتریکی به جرم جسم بستگی ندارد، بلکه به مقداری به نام بار الکتریکی بستگی دارد.

برای تحلیل حرکت تحت تأثیر چنین نیروهایی می توان از قوانین نیوتن استفاده کرد. این تجزیه و تحلیل با ساخت یک نمودار جسم آزاد آغاز می شود، جایی که جهت و نوع هر نیروی مجزا توسط بردارها نشان داده می شود. سپس این بردارها برای محاسبه نیروی خالص جمع می‌ شوند و سپس می ‌توان از آن برای تعیین شتاب جسم استفاده کرد.

نیروی الکتریکی بین دو الکترون با نیروی الکتریکی بین دو پروتون زمانی که در یک فاصله قرار می گیرند یکسان است. این نشان می‌ دهد که نیروی الکتریکی به جرم جسم بستگی ندارد، بلکه به مقداری به نام بار الکتریکی بستگی دارد. بیایید چند نمونه از نیروی الکتریکی را در نظر بگیریم:

• نیروی الکتریکی که لپ تاپ را تغذیه می کند.
• نیروی الکتریکی در عمل در یک برد مدار.
• الکتریسیته ساکن هنگام شانه کردن مو ایجاد می شود.
• شوک در هنگام لمس یک شی فلزی پس از راه رفتن روی فرش احساس می شود.

نیروی الکتریکی را می توان از طریق الکتریسیته جاری نیز در عمل مشاهده کرد، مانند سیم کشی مسی که برق را به کل ساختمان می رساند. نیروی الکترواستاتیک انرژی الکتریکی را از طریق بارهای ساکن مانند دستگاه های فتوکپی و چاپگرهای لیزری نشان می دهد.