همه چیز در مورد بارهای الکتریکی و ماهیت آن ها
بار الکتریکی یا بار برقی (به انگلیسی: Electric charge) (به طور خلاصه: بار) یک خاصیت ماده (مواد پیرامونمان) است که باعث می شود هنگامی که جسمی باردار در مجاورت جسم باردار دیگری قرار می گیرد، به آن، نیرو وارد شود. بار الکتریکی، دو نوع است: بار مثبت و بار منفی. بین دو ماده یا جسم با بارهای هم نام نیروی رانش(دافعه) ایجاد می شود و برعکس اگر غیر همنام باشند بین آن ها ربایش(جاذبه) ایجاد می شود. در سامانهٔ استاندارد بین المللی یکاها واحد بار الکتریکی کولُن (C) است. البته در مهندسی برق از یکای آمپر ساعت (Ah) نیز استفاده می کنند. در کنش میان اجسام باردار، دانش الکترومغناطیس کلاسیک کافی است و از اثرهای کوانتومی صرف نظر می شود. بار الکتریکی یک خاصیت پایستگی در ماده است که به آن اصل پایستگی بار هم اطلاق می شود که می گوید "مجموع جبری همه بارهای الکتریکی در یک دستگاه منزوی ثابت است" یا به عبارتی دیگر یعنی هرگز امکان تولید یا نابودی یک بار خالص وجود ندارد و بار فقط از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود؛ بار الکتریکی از ذرات زیراتمی ماده که تعیین کنندهٔ خواص الکترومغناطیس ماده اند، ناشی می شود. یک مادهٔ باردار الکتریکی، تولیدکنندهٔ میدان های الکترومغناطیسی است و خود از آن ها تأثیر می گیرد. اندرکنشی میان یک بار متحرک و یک میدان الکترومغناطیسی عامل ایجاد نیروهای الکترومغناطیسی است. این نیرو خود یکی از چهار نیروی بنیادی است. آزمایش ها در قرن بیستم، توضیحی کوانتومی از بار الکتریکی ارائه کرده اند (این عمل را کوانتومی کردن می نامند)، به عبارت دیگر دانشمندان دریافته اند که بار الکتریکی خود از واحد کوچک تری با نام بار بنیادی تشکیل شده است. بار یک الکترون تقریباً برابر با {\displaystyle e=1.602\times 10^{-19}C} است. (البته ذراتی با نام کوارک وجود دارند که باری به اندازهٔ چند e⅓ دارند) پروتون باری به اندازهٔ e و الکترون باری برابر با e- دارد. علم مطالعهٔ ذرات باردار و توضیح ارتباط آن ها با فوتون ها، الکترودینامیک کوانتومی نام دارد. تعداد الکترون ها یا پروتون های آزاد موجود در یک جسم را بار آن جسم گویند. تعریف اندازهٔ بار: اندازهٔ الکتریسیته موجود در الکترون یا پروتون {\displaystyle 1.6\times 10^{-19}C} است. اگر آن را در تعداد الکترون یا پروتون ضرب کنیم، نتیجه اندازهٔ بار جسم خواهد بود.
پیشینه بار الکتریکی
تالس، فیلسوف یونانی سده ششم پیش از میلاد گفته است که با مالیدن پارچه خزدار روی مواد مختلف مانند کهربا می توان بار یا الکتریسیته تولید کرد، همچنین یونانی ها گفته بودند که دکمه های باردار کهربایی می توانند اجسام سبک مانند مو را به سمت خود بربایند یا اگر کهربا را برای مدت طولانی مالش دهند ممکن است جرقه تولید شود. در سال ۱۶۰۰ دانشمند انگلیسی، ویلیام گیلبرت بازگشتی به بحث الکتریسیته داشت و واژه لاتین الکتریکوس گرفته شده از واژه یونانی ηλεκτρον به معنی کهربا را ایجاد کرد که البته خیلی زود این واژه به شکل انگلیسی electric و electricity تغییر پیدا کرد. در سال ۱۶۶۰ اتوفون گوریک تلاش های گیلبرت را دنبال کرد و احتمالاً او کسی است که دستگاه تولیدکننده الکتریسیته ساکن را اختراع کرده است. از دیگر اروپاییان پیشرو در این زمینه می توان از رابرت بویل نام برد. بویل کسی است که در سال ۱۶۶۷ اظهار داشت که ربایش و رانش الکتریکی در فضای خالی نیز امکان پذیر است. استفان گری در سال ۱۷۲۹ مواد را به گروه های رسانا و نارسانا دسته بندی کرد. چارلز فرانسوا دو فی در سال ۱۷۳۳ گفت که: الکتریسیته از دو راه مختلف می آید که می توانند یکدیگر را خنثی کنند او این اظهارات را با عنوان تئوری «دو سیال» مطرح کرد که: وقتی شیشه روی ابریشم مالیده می شود شیشه باردار می شود یا بار شیشه ای و وقتی کهربا روی خز مالیده می شود کهربا باردار می شود یا بار صمغی. در سال ۱۸۳۹ مایکل فاراده نشان داد که تقسیم بندی ظاهری بین الکتریسیته ساکن، الکتریسیته جاری و بیوالکتریسیته درست نیست و همه این ها ناشی از رفتار الکتریکی قطب های مختلف دوقطبی ها است که به طور دلخواه یک را مثبت و دیگری را منفی نامیده ایم. بار مثبت، همان بار باقی مانده روی میله شیشه ای پس از مالش با ابریشم است. بنجامین فرانکلین در قرن ۱۸ بیشترین تجربه را در این زمینه دارد. وی به حمایت از تئوری تک سیال الکتریکی بحث کرد. او تصور می کرد که بارالکتریکی یک سیال نامرئی است که در تمام مواد وجود دارد. مثلاً او معتقد بود که شیشه است که در ظرف لیدن بار الکتریکی را انباشته می کند. او اثبات کرد که مالیدن دو سطح نارسانا روی هم باعث می شود که این سیال تغییر مکان دهد و همین طور جاری شدن این سیال جریان الکتریکی را ایجاد می کند. وی این را نیز اثبات کرد که اگر ماده مقدار کمی از این سیال را داشته باشد می گوییم بار منفی دارد و اگر مقدار اضافی از آن را داشته باشد می گوییم بار مثبت دارد. به طور دلخواه (یا به دلیلی که ثبت نشده است) وی انتخاب کرد که باری که روی شیشه انباشته شده، بار شیشه ای بار مثبت است و بار صمغی منفی است. همچنین او بود که واژه های بار و باتری را وارد فرهنگ الکتریسیته کرد. ویلیام واتسون نیز هم زمان با فرانکلین به همین نتایج رسید.
ویژگی های بارالکتریکی
بارهای الکتریکی بر دو نوع کلی مثبت و منفی هستند. دو جسم که دارای بیش از یک نوع بار هستند هنگامی که نسبتاً به هم نزدیک هستند نیروی دافعه ای را بر یکدیگر اعمال می کنند. دو جسم که دارای بارهای متضاد بیش از حد هستند ، یکی بار مثبت و دیگری بار منفی ، هنگامی که نسبتاً نزدیک هستند یکدیگر را جذب می کنند.علاوه بر وجود دو نوع بار ، چندین ویژگی بار دیگر نیز کشف شده است.
الکتریسیتهٔ ساکن و الکتریسیتهٔ جاری
الکتریسیتهٔ ساکن و جاری دو پدیدهٔ جداگانه و در اثر بار الکتریکی اند، که می توانند هم زمان در یک جسم رخ دهند. الکتریسیتهٔ ساکن منبعی برای بار الکتریکی جسم است و اگر دو جسم که در تعادل الکتریکی نیستند را به هم بچسبانیم تخلیهٔ الکتریکی بین آن ها اتفاق می افتد. تخلیهٔ الکتریکی در بار الکتریکی هر دو جسم تغییر ایجاد می کند. در مقابل الکتریسیتهٔ جاری، جریان یافتن بارهای الکتریکی در یک جسم است که موجب از دست دادن یا گرفتن هیچ گونه باری در آن جسم نمی شود. البته در تخلیهٔ الکتریکی هم بارها از یکی به سمت دیگری جاری می شود اما این جریان خیلی کوتاه است که بخواهیم آن را جریان الکتریکی بخوانیم.
خواص بار الکتریکی
علاوه بر تمام خواص الکترومغناطیسی که از بار الکتریکی گفته شد، بار یک متغیر نسبیتی است به این معنی که هر ذره ای که بار Q دارد، مهم نیست که با چه سرعتی حرکت می کند، فرض می شود همواره بار Q را حفظ می کند. این خاصیت بار به وسیلهٔ آزمایش هم نشان داده شده است مثلاً: بار یک هسته هلیوم (دو پروتون و دو نوترون در مجاورت یکدیگر در هسته اتم با سرعت بسیار زیاد در حال گردش اند) برابر است با بار دو هسته دوتریوم (یک پروتون و یک نوترون در مجاورت یکدیگرند که با سرعتی بسیار کمتر از آنچه در هسته هلیوم داشتند حرکت می کنند).
روش های انتقال بار الکتریکی
ابتدا باید مفهوم اجسام رسانا و غیر رسانا را بدانیم:
- اجسام رسانا: اجسامی هستند که دارای الکترون های آزاداند.
- اجسام نارسانا: اجسامی که فاقد الکترون های آزاداند.
روش های انتقال بار:
- مالش: معمولاً برای اجسام نارسانا انجام می شود؛ وقتی ما دو جسم را به هم مالش می دهیم دارای بار الکتریکی می شود؛ یکی دارای الکترون می شود (منفی) و دیگری الکترون از دست می دهد (مثبت).
- تماس: معمولا برای اجسام رسانا انجام می شود؛ وقتی دو جسم رسانا را به هم تماس می دهیم بارها را به یکدیگر به نسبت حجم شان انتقال می دهند. اگر جسم رسانا باشد الکترون ها خیلی سریع و در تمام ان توزیع میشود. اگر جسم نارسانا باشد الکترون ها خیلی کند توزیع می شوند و در نقطه ی تماس می مانند
- القا: این روش هم برای اجسام رسانا انجام می شود. ما این کار با یک یا دو کره عایق می توانیم بار را القا کنیم؛ برای مثال یک میله با بار منفی برداشته و به کره نزدیک می کنیم بر اساس قانون الکترواستاتیک (الکتریسیته ساکن) منفی ها دور می شوند و کره عایق مان را با استفاده از یک سیم رسانا به زمین اتصال می دهیم؛ بارهای منفی از کره خارج و بعد سیم را قطع و بعد میله را از آن دور می کنیم.