بار الکتریکی چیست؟ بررسی ماهیت بار الکتریکی
برای آنکه بدانیم ماهیت بار الکتریکی چیست بهتر است با چند نمونه ملموس شروع کنیم. همه ما تقریبا تجربه جذب شدن موهای خود به شانه پلاستکی را داشته‌ایم یا حداقل آن را دیده‌ایم. یا گاهی اوقات مشاهده کرده ایم که ذرات کاغذی به یک بادکنک جذب می‌شوند. موهای ما در زمستان، هنگام درآوردن لباس پشمی، جذب لباس پشمی می‌شوند و تغییر حالت می‌دهند. دو بخش تشکیل دهنده این اتفاقات یعنی شانه و موها یا بادکنک و کاغذ، در حالت عادی توانایی جذب ماده دیگر به خود را ندارند.
چه اتفاقی می‌افتد که جاذبه بین این دو ایجاد می‌شود؟! آیا ماده جدیدی به آن‌ها اضافه شده است یا جاذبه و دافعه ایجاد شده، یک خاصیت ذاتی مواد است و تحت شرایطی فعال می‌شود؟! برای پاسخ به این سوالات لازم است ساختار درونی مواد را مورد بررسی قرار دهیم.
اتم و ذرات تشکیل دهنده آن
تمامی اجسام و مواد اطراف ما از قسمت‌های مختلفی تشکیل می‌شوند. اگر بررسی اجزای تشکیل دهنده مواد را در مقیاس بسیار پایین ادامه دهیم به مولکول ها می‌رسیم که از کنار هم قرار گرفتن اتم‌ها به وجود می‌آیند. به عنوان مثال می‌دانیم که مولکول آب از کنار هم قرار گرفتن دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل می‌شود.
اتم‌ها هم از دو بخش اصلی تشکیل شده‌اند: هسته و ابر الکترونی. در درون هسته دو ذره به نام‌های پروتون و نوترون وجود دارد و در ابر الکترونی نیز، ذراتی با نام الکترون در مدارهایی در اطراف هسته در حال گردش هستند. می‌خواهیم بدانیم که نقش این ذرات در بار الکتریکی چیست؟
بار الکتریکی چیست؟ یک خاصیت ذاتی مواد
ذرات زیر اتمی که در بخش قبل با آن‌ها آشنا شدیم، سرچشمه پاسخ به سوال بار الکتریکی چیست، می‌باشد. این ذرات با نیروهایی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. بین هسته و الکترون‌ها نیرویی وجود دارد که باعث می‌شود الکترون‌ها در مدارهای مشخصی در اطراف هسته به گردش درآیند. پس درواقع بین هسته و الکترون‌ها جاذبه وجود دارد. این ویژگی به علت خاصیت فیزیکی است که همراه این ذرات است.
“این خاصیت فیزیکی که مربوط به ذات این ذرات است و خود را تحت شرایطی به صورت جاذبه و دافعه بروز می‌دهد را بار الکتریکی می‌نامند.”
آزمایش‌های مختلفی برای شناسایی این خاصیت انجام گرفته و در مقاله‌ای که در رابطه با تاریخچه الکتریسیته آماده کرده‌ایم به برخی از آن‌ها اشاره شده است. از جمله اولین تلاش‌ها می‌توان به تلاش تالس، فیلسوف یونانی سده ششم پیش از میلاد در بررسی ایجاد جاذبه بعد از مالش پارچه خزدار به اجسام مانند کهربا اشاره کرد.
در نهایت دانشمندان به این نتیجه رسیدند که می‌توان دو نوع متفاوت برای بار الکتریکی تعریف نمود. بنجامین فرانکلین این دو نوع را بار مثبت و بار منفی نام‌گذاری کرد. درواقع وی واژه بار را در مباحث الکتریسیته وارد نمود.
اندازه‌گیری بار الکتریکی
حال که فهمیدیم ماهیت بار الکتریکی چیست، آیا می‌توانیم این ماهیت فیزیکی را مانند جرم و حجم ماده اندازه‌گیری کنیم؟! مایکل فارادی در آزمایش برق‌کافت خود به موضوع مهمی دست پیدا کرد. وی فهمید که بار الکتریکی یک ماهیت گسسته دارد و قابل اندازه گیری است. بعدها رابرت میلیکان این مقدار را اندازه‌گیری نمود و نام آن را بار بنیادی نامید.
“بار بنیادی برابر با بار الکتریکی یک پروتون یا قدرمطلق بار الکتریکی یک الکترون است. مقدار آن برابر با e=1.602*10-19 کولن است.”
با توجه به این تعریف، بار الکتریکی در الکترون‌ها را با علامت منفی و در پروتون‌ها را با علامت مثبت تعیین می‌کنند. واحد بار الکتریکی نیز کولن نامیده می‌شود و با حرف C نمایش می‌دهند. اتم‌های مختلف در طبیعت، تعداد پروتون و الکترون آن‌ها یکسان می‌باشد. مثلا هیدروژن یک پروتون و یک الکترون دارد یا اکسیژن دارای 8 پروتون و 8 الکترون است. با همین مشخصه اتم‌های مختلف را از یکدیگر تفکیک می‌کنند و آن را عدد اتمی می‌نامند. حال اگر از ما بپرسند که برای یک اتم مقدار بار الکتریکی چیست آیا می‌توانیم مقدار بار برای یک اتم را با دانستن عدد اتمی آن محاسبه کنیم؟ مثلا برای مقدار بار الکترو‌ن‌های اکسیژن با عدد اتمی 8 داریم:
q=n.e
q=8*1.602*10-19
q=1.2848*10-18 C
یون
با توجه به تعریف عدد اتمی دریافتیم که اتم‌های مختلف در طبیعت، تعداد پروتون و الکترون آن‌ها یکسان می‌باشد. حال اگر این تعادل بین پروتون‌ها و الکترون‌ها برقرار نباشد، یون تشکیل خواهد شد.
“اتمی که دارای بار الکتریکی است را یون می‌گویند.”
درواقع اگر یک اتم تعداد الکترون آن بیشتر از تعداد پروتون آن باشد، یون مثبت و بالعکس را یون منفی می‌گویند. می‌دانیم که جداسازی پروتون‌ها از هسته کار بسیار مشکلی است اما الکترون‌ها را راحت‌تر می‌توان از مدار خود خارج کرد که در مقاله مربوط به هدایت الکتریکی به آن پرداخته‌ایم. پس درواقع ایجاد یون با اضافه شدن الکترون به اتم یا کاهش آن از اتم اتفاق می‌افتد. یون مثبت را کاتیون و یون منفی را آنیون می‌نامند.
روش‌های انتقال بار الکتریکی
اگر بدانیم که ماهیت بار الکتریکی چیست طبعا باید انتظار داشته باشیم که این ذره را از نقطه‌ای به نقطه دیگر انتقال دهیم. اما چگونه می‌توانیم بار الکتریکی را از جسمی به جسم دیگر منتقل کنیم یا درواقع روش‌های انتقال بار الکتریکی چیست؟ به طور کلی می‌توان روش‌های زیر را برای انتقال بار الکتریکی تعریف کرد:
مالش
این روش برای اجسام نارسانا به کار گرفته می‌شود. در واقع با این کار باعث می‌شویم که یک جسم الکترون از دست بدهد و دیگری الکترون بگیرد. همان اتفاقی که در اثر مالش شانه پلاستیکی به موی سر اتفاق می‌افتد. اگر شانه پلاستیکی را به موی سر مالش دهیم و بعد از مالش آن را به موی سر نزدیک کنیم، می‌بینیم که شانه موی سر را به سمن خود جذب می‌کند که نشان از جایجایی بار الکتریکی و باردار شدن شانه دارد.
تماس
این روش معمولا برای اجسام رسانا به کار برده می‌شود. هرگاه دو جسم را تماس دهیم، با توجه به میزان رسانایی اجسام، سرعت حرکت و جابجایی الکترون‌ها بین آن‌ها متفاوت می‌باشد و در صورت رسانایی پایین اجسام، ممکن است الکترون‌ها در محل تماس باقی بمانند.
القا
با نزدیک کردن اجسام رسانا به یکدیگر اتفاق می‌افتد. برای فهمیدن اینکه القای بار الکتریکی چیست یک مثال می‌زنیم؛ دو کره رسانا را در نظر بگیرید که خنثی هستند و به هم چسبیده‌اند. اگر یک میله فلزی با بار منفی را به یکی از کره‌ها نزدیک کنیم، آنگاه کره اول الکترون‌ها را به کره دوم منتقل می‌کند. پس کره اول دارای بار مثبت و کره دوم دارای بار منفی می‌شود.
ویژگی‌های بار الکتریکی چیست
قبل از اینکه بدانیم ویژگی‌های بار الکتریکی چیست لازم است اشاره کنیم که این پدیده فیزیکی دارای ویژگی‌هایی است که در تمامی اجسام یکسان است و در واقع این خصوصیات مشخصا مربوط به ماهیت و ذات بار الکتریکی است. از جمله این ویژگی‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
بار الکتریکی کوانتیده است
همانطور که مطرح کردیم، رادرفورد به این نتیجه رسید که مقدار بار الکتریکی یک مقدار گسسته و قابل اندازه گیری است. کوانتیده بودن هم به همین معنی است؛ یعنی هر بار الکتریکی نمی‌تواند مقدار متفاوتی داشته باشد بلکه این مقدار ثابت است و برابر با بار بنیادی است.
اندازه بار مستقل از نوع آن است
مستقل از اینکه بار مثبت یا منفی است، مقدار عددی آن‌ها در کمترین حالت می‌تواند برابر با بار بنیادی باشد. یعنی کمترین بار مثبت برابر با + بار بنیادی و کمترین بار منفی ممکن برابر با – بار بنیادی است.
بار پایسته است ( قانون پایستگی بار )
پایسته بودن بار یعنی بار الکتریکی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود بلکه از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود. پس به طور کلی، در رابطه با اینکه در جهان هستی بار الکتریکی چیست باید گفت که هستی در حالت خنثی قرار دارد. همچنین هرگاه یک سیستم بسته داشته باشیم، بین آن سیستم و محیط اطرافش تبادل بار الکتریکی نخواهیم داشت.
سخن پایانی
کشف اینکه ماهیت بار الکتریکی چیست موضوع مهمی است که در زندگی بشری تاثیر بسزایی داشته است. شاید پر استفاده‌ترین انرژی مورد استفاده بشر در عصر حاضر و به احتمال قوی در عصرهای بعد الکتریسته می‌باشد. بدون دانستن اینکه بار الکتریکی چیست و چگونه می‌توان آن را کنترل، اندازه‌گیری، انتقال و ذخیره کرد، قطعا دستیابی به انرژی الکتریسیته امروزی امری ناممکن بود.
