الکترواستاتیک (الکتریسیته ساکن)

الکترواستاتیک

بار الکتریکی

فیزیک الکترومغناطیس ابتدا توسط فیلسوفان یونان قدیم مورد مطالعه قرار گرفت، آن ها کشف کرده بودند که اگر یک قطعه کهربا مالش داده شود و کنار خرده های کاه قرار بگیرد، کاه به طرف کهربا می جهد. ما اکنون می دانیم که جاذبه بین کهربا و کاه به دلیل وجود نیروی الکتریکی بین آن هاست. فیلسوفان یونانی همچنین کشف کرده بودند که اگر نوع خاصی از سنگ (مگنت) نزدیک خرده آهن قرار گیرد، آهن به طرف سنگ می جهد. ما حالا می دانیم که جاذبه ی بین مگنت و آهن به دلیل وجود نیروی مغناطیسی بین آن هاست. دانشمندانی یونانی برای قرن ها علم الکتریسیته و مغناطیس را به طور جدا از هم بررسی می کردند، تا اینکه در سال ۱۸۲۰ میلادی، اورستد به ارتباط بین الکتریسیته و مغناطیس پی برد. یکی از بهترین دانشمندان اخیر در زمینه ی الکترومغناطیس مایکل فارادی با تصور و درک فیزیکی نبوغ آمیز بود و همچنین جیمز کلرک ماکسول که ایده ی فارادی را به شکل ریاضی نوشت.

به طور کلی هر شیء حاوی مقدار زیادی بار الکتریکی است. بار الکتریکی یک ویژگی ذاتی از ذرات بنیادی است که شیء را می سازند، مقدار بار در اشیاء پیرامون ما معمولا ناپیداست، چون این اشیاء دارای بار های مثبت و منفی برابری هستند و بار خالصی وجود ندارد. حالا فرض کنید مطابق شکل ۲۱-۲ (a) ، میله ی شیشه ای بارداری (میله ی شیشه ای را با ابریشم مالش دهیم) را توسط یک ریسمان عایق الکتریکی آویزان کرده ایم، اگر ما میله ی شیشه ای بار داری را به آن نزدیک کنیم دو میله یکدیگر را دفع می کنند. اما اگر مطابق شکل ۲۱-۲ (b)، ما یک میله ی پلاستیکی را با خز یا پشم مالش دهیم و به میله ی شیشه ای نزدیک کنیم، دو میله یکدیگر را جذب می کنند. ما از این آزمایش می توانیم نتیجه بگیریم دو نوع بار مثبت و منفی وجود دارد. وقتی شیشه با پارچه ابریشمی مالش داده شود، شیشه مقداری از بارهای منفی خود را از دست می دهد و بار خالص آن مثبت می شود. وقتی که پلاستیک با خز مالش داده می شود، پلاستیک مقداری بار منفی بدست می آورد و بار خالص آن منفی می شود. بنابراین نتیجه می گیریم:

“بارها ی همنام یکدیگر را دفع می کنند و بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می کنند.”

در بخش های بعد ما این قاعده را برای نیروی الکترواستاتیک بین بارها به کار می بریم. عبارت الکترواستاتیک همان گونه که از نامش مشخص است به بررسی بارهای ساکن نسبت به یکدیگر یا بارهایی که خیلی آهسته حرکت می کنند می پردازد. قابل ذکر است که واژه ی مثبت و منفی برای علامت بار ها اولین بار توسط بنجامین فرانکلین انتخاب شد.

شکل ۲۱-۴، (a) و (b) دو ذره ی باردا با بار یکسان همدیگر را دفع می کنند (ز) دو  ذره ی بار دار با با مخالف یکدیگر را جذب می کنند.

شکل ۲۱-۵، نیروی الکترواستاتیکی که از طرف ذره ی ۲ به ذره ی ۱ وارد می شود و نمایش جهت بردار یکه.

رساناها و عایق ها

به طور کلی ما می توانیم مواد را بر حسب توانایی آن ها در حرکت بارها از میان خود طبقه بندی کرد. رساناها موادی هستند که بارها می توانند آزادانه درون آن ها حرکت کنند، مانند مس، بدن انسان و آب شیر. نارساناها یا عایق هاموادی هستند که بارها نمی توانند آزادانه درون آن ها حرکت کنند، مانند پلاستیک، شیشه و آب خالص شیمیایی.نیمرساناها موادی هستند بین رساناها و عایق ها مانند سیلیکون و ژرمانیوم. ابررساناها رسانای کامل هستند و اجازه می دهند که بارها بدون هیچ مانع و مقاومتی از درونشان عبور کنند.

ویژگی های رساناها و عایق ها به علت ساختار و طبیعت الکتریکی اتم هاست. اتم ها از پروتون ها با بار مثبت، الکترون ها با بار منفی و نوترون های خنثی تشکیل شده است. پروتون ها و نوترون ها در هسته متمرکز شده اند. بزرگی بار یک الکترون تنها با بار یک پروتون تنها از نظر بزرگی برابر است، اما علامت آن دو مخالف یکدیگر است. بنابراین یک اتم خنثی از نظر الکتریکی دارای تعداد مساوی الکترون و پروتون است. هنگامی که اتم های یک رسانا مانند مس برای تشکیل مس جامد کنار هم جمع می شوند، تعدادی از بیرونی ترین الکترون ها می توانند آزادانه درون جامد حرکت کنند. ما این الکترون ها ی سیار را الکترون های رسانش می نامیم. در نارساناها تعداد کمی (یا هیچ) الکترون آزاد وجود دارد.

آزمایش شکل ۲۱-۳، نشان می دهد که هنگامی که میله باردار پلاستیکی را به میله مسی خنثی نزدیک می کنیم، چون بار های همنام یکدیگر را دفع می کنند، بار های منفی به طرف انتهای راست میله حرکت می کنند. بارهای مثبت باقی مانده در طرف چپ میله مسی و بارهای منفی میله ی پلاستیکی نیروی جاذبه ای را به یکدیگر وارد می کنند و  باعث چرخش میله ی مسی می شود. بار دار شدن مس به روش بالا، شکل، باردار شدن به روش القا نامیده می شود و بار ایجاد شده روی میله ی مسی بارالقایی نامیده می شود.

شکل ۲۱-۳، یک میله ی مسی خنثی که دو انتهای آن به روش القا باردار شده است.

قانون کولن

اگر دو ذره باردار را به هم نزدیک کنیم  به یکدیگر نیرو وارد می کنند. اگر بارها همنام باشند نیرو دافعه و اگر ناهمنام باشند نیرو جاذبه است. نیروی وارد شده در راستای خط واصل دو بار است و جهت آن در شکل ۲۱-۴، نشان داده شده است. این نیرو جاذبه یا دافعه نیروی الکترواستاتیک نامیده می شود. و معادله ای که این نیرو را برای ذرات باردار بیان می کند قانون کولن (چارلز آگوستین د کولومب ۱۷۸۵ میلادی) نامیده می شود. اگر بار ذره ی ۱ (q1) و بار ذره ی ۲ (q2) باشد، نیروی وارد شده به ذره ی ۱ برابر است با:

(1-21)

که در آن rˆبردار یکه روی خط واصل بین دو بار وr فاصله ی بین دو بار است. اگر بار ذرات هم نام باشد نیروی وارد بر ذره ی ۱ در جهت بردار یکه rˆ است و اگر ذرات ناهمنام باشند، نیرو در جهت مخالف بردار یکه است. ثابت  kدر معادله یثابت الکترواستاتیک نامیده می شود. یکای بار الکتریکی در SI کولن است و برای تعریف آن از یکای جریان الکتریکی در SI (آمپر) استفاده می شود. باتوجه به تعریف جریان الکتریکی i :

(2-21)

یک کولن برابر است با:

(3-21)

ثابت الکترواستاتیکی k معمولا به صورت ۱/۴πɛ۰ نوشته می شود. پس برای قانون کولن خواهیم داشت:

(4-21)

مقدار ثابت در قانون کولن برابر است با:

(5-21)

کمیت ɛ۰ ثابت گذردهی نامیده می شود و برابر است با:

(6-21)

پایستگی بار

هنگامی که میله شیشه ای را با پارجه ابریشمی مالش می دهیم، اندازه گیری ها نشان می دهد که مقدار بارمنفی که میله از دست می دهد با مقدار باری که پارچه ابریشمی بدست می آورد برابر است. این نتیجه بیانگر این است که با الکتریکی نه بوجود می آید و نه نابود می شود بلکه از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود. فرضیه ی پایستگی بار اولین بار توسط بنجامین فرانکلین مطرح شد.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*

شاید این مطالب را هم دوست داشته باشید