بار الکتریکی (Electric Charge) خاصیت فیزیکی اصلی یک ماده است که باعث می شود وقتی در یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی قرار می گیرد، نیرویی را تجربه کند. بار الکتریکی با یک میدان الکتریکی در ارتباط است و بار الکتریکی متحرک یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند.
ترکیبی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی به عنوان میدان الکترومغناطیسی شناخته می شود. برهم کنش بارها یک نیروی الکترومغناطیسی ایجاد می کند که پایه و اساس فیزیک است. دو نوع بار الکتریکی وجود دارد مثبت و منفی . بار الکتریکی پروتون مثبت و الکترون منفی است. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا ما را همراهی کنید.
ویژگی بار الکتریکی
همانطور که گفتیم بار الکتریکی می تواند مثبت یا منفی باشد. مواد با بار مشابه همدیگر را دفع می کنند درحالیکه مواد با بارهای مخالف همدیگر را جذب می کند. واحد مورد استفاده برای بار الکتریکی کولن است . در حالی که ماهیت دقیق بارالکتریکی یا شارژ هنوز در سطح اساسی ناشناخته است ، به طور کلی پذیرفته شده است که نمایانگر حالت خاصی از ماده است که در سطح فعلی دانش علمی قابل توضیح نیست.
بار الکتریکی کوانتیزه می شود ، به این معنی که بار فقط می تواند مقادیر گسسته داشته باشد. بار ابتدایی با e نشان داده می شود الکترون بار -e را تحمل می کند و ذره ای با بار منفی است. در مقابل ، یک پروتون ذره ای با بار مثبت است که دارای بار + e است. بار الکتریکی نوترون به عنوان یکی دیگر از اجزا اتم خنثی می باشد.
یک راه شهودی برای درک ماهیت کوانتیزه شده بار ، تصور یک جسم خنثی الکتریکی به عنوان جعبه ای است که حاوی تعداد مساوی پروتون (بار مثبت) و الکترون (بار منفی) است. پروتون ها ثابت هستند و نمی توان آنها را بیرون آورد یا به جعبه اضافه کرد. از آنجا که تعداد پروتون ها و الکترون ها برابر است ، مجموع بار داخل جعبه برای اجرام خنثی الکتریکی صفر است.
یکی دیگر از ویژگی های بار الکتریکی این است که بار پایسته است یعنی نه به وجود می آید و نه از بین می رود ولی از محلی به محل دیگر و از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود. بنابراین می توان گفت مقدار بار در جهان ثابت است.
همچنین باید بدانید که بار در سیستم های بسته پایسته است زیرا سیستم بسته با محیط اطراف خود هیچ تبادل باری انجام نمی دهد. این موارد به عنوان اصل پایستگی بار الکتریکی شناخته می شوند.
تاریخچه کشف بار الکتریکی
تالس یکی از فیلسوف های یونان باستان در یادداشت های خود ذکر کرده بود که در اثر مالش شدید کهربا با پارچه پشمی، نیرویی تولید می شود که باعث جذب پارچه پشمی و کهربا به سمت هم می شود. او همچنین توضیح داد که کهربا و پارچه پشمی حتی بدون تماس می توانند روی سایر اشیاء (غیرفلزی) تأثیر بگذارند.
ویلیام گیلبرت فیزیک دان انگلیسی نیز با استفاده از مواد گوناگون نیروی جاذبه حاصل از مالش دو جسم را مورد بررسی قرار داد. او چندین فلز را بررسی کرد و دریافت که این نیرو در فلزات به وجود نمی آید.
همچنین طی تحقیقات او مشخص شد که بین دو جسم دارای بار مشابه نیروی دافعه وجود دارد و در حالت برعکس این نیرو جاذبه خواهد بود. از ویژگی های جالب این نیرو می توان به این مسئله اشاره کرد که برای ایجاد شتاب نیازی به تماس فیزیکی بین دو جسم ندارد. این نیرو نمونه ای از یک نیروی دوربرد است که آلبرت انیشتین بعدها آنرا “کنش از راه دور” نامید.
بنجامین فرانکلین فیزیک دان آمریکایی نیز با استفاده از وسیله ای به نام بطری لیدن (Leyden Jar) بار الکتریکی را جمع آوری کند. این بطری شیشه ای توسط دو ورقه فلزی که یکی از در داخل و دیگری در خارج شیشه قرار دارد، نیروی الکتریکی بزرگی بین این ورقه ها ایجاد کند. بطری لیدن در واقع یک خازن است که می تواند مقدار زیادی بار الکتریکی ذخیره کند.
بار الکتریکی خالص یک شی
یکی از راه های اصلی کسب بار الکتریکی یک جسم مالش یک شی با یک جسم غیر مشابه دیگر است. این اثر از دوران باستان شناخته شده است. به عنوان مثال ، مالش یک میله شیشه ای با یک تکه پشم منجر به بار مثبت شدن میله شیشه ای می شود ، در حالی که قطعه پشم در پایان با بار منفی مواجه می شود. این به عنوان اثر تریبوالکتریک شناخته می شود که با استفاده از اصطکاک الکترون های آزاد را از میله شیشه ای به قطعه پشم منتقل می کند.
از آنجا که الکترون ها در این فرآیند ایجاد یا از بین نمی روند ، تعداد الکترون هایی که از میله شیشه ای خارج می شوند برابر است با تعداد الکترون هایی که به قطعه پشم می رسند. در نتیجه ، بار میله شیشه ای از نظر ارزش برابر با شارژ تکه پشم است ، اما با علامت مخالف است. روش دیگر برای شارژ یک جسم استفاده از جریان الکتریکی با استفاده از منبع تغذیه است.
روش های تولید بار الکتریکی
فرآیند تامین یا تخلیه بار الکتریکی از جسم را شارژ می گویند یک شی بدون بار را می توان به سه روش مختلف به شرح زیر شارژ کرد:
شارژ توسط اصطکاک یا مالش
هنگامی که دو جسم به یکدیگر مالیده می شوند ، انتقال بار صورت می گیرد. یکی از اجسام الکترون از دست می دهد در حالی که جسم دیگر الکترون به دست می آورد. جسمی که الکترون از دست می دهد دارای بار مثبت و جسمی که الکترون به دست می آورد بار منفی کسب می کند. همه اجسام با اصطکاک شارژ می شوند. این روش معمولا به عنوان روش تولید برق توسط اصطکاک شناخته می شود.
شارژ توسط تماس
روش شارژ یک جسم بدون بار با تماس آن با جسم باردار به عنوان شارژ توسط تماس شناخته می شود. هادی باردار دارای تعداد نابرابری پروتون و الکترون است از این رو هنگامی که یک هادی بدون بار با آن در تماس قرار می گیرد، الکترون ها را تخلیه می کند تا خود را تثبیت کند.
شارژ توسط القا
فرآیند شارژ یک جسم بدون بار با نزدیک کردن آن به یک رسانای باردار بدون هیچگونه تماس فیزیکی ، به عنوان شارژ القایی شناخته می شود.
کاربردهای بار الکتریکی بین اجسام باردار
از نیروهای الکتریکی موجود در بین اجسام باردار در صنایع مختلف استفاده می شود. برخی از این کاربردها شامل رنگ افشانی الکتروستاتیکی، دودگیری، گردنشانی، مرکب پاشی چاپگرها و فتوکپی اشاره کرد.
بار الکتریکی زمین مثبت است یا منفی
مجموعه ای از پدیده های الکتریکی طبیعی در سطح زمین و در جو آن رخ می دهد. پدیده های الکتریکی مشابهی نیز در سایر سیستم های آسمانی دیده می شود. اینها شامل تشکیل ژئومغناطیس، یونوسفر، میدان الکتریکی در کمربند شفق قطبی، تشکیل کمربند تشعشعی ون آلن (کمربند پروتون)، میدان الکتریکی در مگنتوپوز، میدان الکتریکی در اتمسفرهای پایین تر، الکتریسیته هوای منصفانه (جریان هوا-زمین)، افقی و جریان عمودی زمین، برق رعد و برق، ساختار الکتریکی سه‌قطبی در ابر بارانی و غیره. میدان الکتریکی طبیعی نیز در معرض تغییراتی است که به شعله‌های خورشیدی، عبور از ماه و در طول طوفان و غبار غبار پاسخ می‌دهد.
معمولاً سطح زمین بار خنثی دارد. در عین حال، زمین شناسان و فیزیکدانان جو به خوبی می دانند که سطح زمین دارای بار منفی است. حقایقی که وضعیت بار منفی آن را نشان می دهد بسیار است. یک گرادیان پتانسیل عمودی در سطح زمین با میدان الکتریکی متوسط ۱۰۰ ولت بر متر وجود دارد. هر الکترود ارت شده اگر در جو بلند شود، بارهای مثبت را از محیط اطراف جذب می کند که اثر الکترود با بار منفی را نشان می دهد. باز هم در شرایط آب و هوایی مناسب همیشه جریان ثابتی از بارهای مثبت از جو به زمین وجود دارد. این جریان الکتریکی عمودی مرتبط با میدان هوا با چگالی متوسط ۳×۱۰-۱۲ آمپر است. بر اساس برخی برآوردهای دیگر این جریان هوا- زمین حدود ۲۰۰۰ آمپر است. بین سطح باردار منفی زمین و جو با بار مثبت، اختلاف پتانسیل ثابت ۳۰۰۰۰۰ ولت وجود دارد. این واقعیت که سطح زمین با وجود جریان ثابت بارهای مثبت (یعنی بارهای منفی از زمین به هوا) همیشه در یک پتانسیل منفی باقی می ماند، برای بسیاری از فیزیکدانان اتمسفر شگفت انگیز بوده است.
