الکتریسیته ساکن
دید کلی
• چرا به عقب بدنه تانکرهای نفت جادهای زنجیر کوتاهی که با سطح زمین تماس دارد؟
• آیا زدن رعد و برق بین ابرها نیز به علت وجود الکتریسیته ساکن در آنهاست؟
• چرا اگر میله فلزی را در دست بگیریم و مالش دهیم بار الکتریکی در آن ظاهر نمیشود؟
• چگونه میتوان نشان داد یک میله فلزی هم در اثر مالش الکتریسیتهدار میشود؟
تاریخچه
یوناینان باستان از مشاهدات خود نتیجه گرفتند که هرگاه کهربا را با پارچه پشمی یا پوست مالش دهند، اجسام سبکی را به خود جذب میکند. واژه الکتریسیته از کلمه یونانی الکترون به معنی کهربا گرفته شده است. این واژه اولین بار در نوشتههای تالس ( 547 ـ 640 ق . م ) بکار رفته است. ویلیام گیلبرت ( 1544 ـ 1603 م )با انتشار کتابی درباره مغناطیس نظریات گذشتگان را مورد بررسی قرار داد. و نتیجه گرفت که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی از هم جدا میباشند.
برای مثال سنگ مغناطیس میتواند آهن و فقط چند ماده دیگر را جذب کند. در صورتی که کهربا و اجسامی که خاصیت الکتریکی دارند میتوانند ذرات کوچک و سبک اجسام گوناگون را جذب کنند. وی عقیده داشت که اجسام الکتریکی اثر دافعه ندارد. در سال 1646 سرتوماس برادن تجربههای خود را درباره اثر دافعه الکتریکی منتشر نمود و اظهار کرد که بین مواد الکتریکی نیز همانند مواد مغناطیسی نیروهای جاذبه و داففه وجود دارند.
سر تحولی و رشد
در سال 1663 اتونون گریکه ماشینی ساخت که بوسیله آن بار الکتریکی زیادی تولید میشد. آنگاه دانشمندان دیگری چون استن گری ( 1670 ـ 1736 ) و شارل دونی ( 1698 ـ 1739 ) تجربههای دقیقتری انجام دادند، به خود و نوع الکتریسیته پی بردند. برای ایجاد الکتریسیته ساکنتری که میتوانستند جرقهها و تکانهای ترسناک الکتریکی تولید کنند.
برای مثال یکی از استادان فیزیک دانشگاه لندن بارهای الکتریکی این گونه ماشینها را در یک بطری پر از مایع جمع کرد. مقدار الکتریسیته در بطری لیدن آن قدر زیاد بود که اگر شخصی بطری را در دست میگرفت و دست دیگر خود را به میله سر بطری میزد تکان شدیدی در بدن خود احساس میکرد.
در قرن هیجدهم میلادی بطری لیدن مورد توجه بنیامین فرانکلین (1756 ـ 1790) قرار گرفت، وی پس از آزمایشهای متعدد نتایج کار خود را در سال 1747 منتشر کرد. او معتقد بود که دو نوع الکتریسیته که قبل از وی کشف شده بود اساسا باهم تفاوتی ندارد، بلکه حتی جسمی در اثر مالش دارای الکتریسیته میشود. یکی از دو جسم دارای الکتریسیته اضافی یعنی بار مثبت و دیگر دارای الکتریسیته منفی میشود.
قانون بقای بار الکتریکی
دو نوع بار الکتریکی وجود دارد و این بارهای الکتریکی که میتوانند ساکن یا متحرک باشند و آثاری از خود ظاهر میسازند. از نظریه فارنکلین این نتیجه درست نیز بدست آمد که: «بارهای الکتریکی ایجاد نمیشوند و از بین نیز نمیروند بلکه از قسمتی از یک جسم به قسمت دیگر منتقل میشوند، همچنین بارهای مثبت و منفی از یکدیگر را خنثی میکنند، ولی هیچگاه نابود نمیشود.» این نتایج امروزه قانون بقای بار الکتریکی نامیده میشود که مانند قانون بقای جرم و انرژی از قوانین اساسی طبیعت محسوب میشود.
خواص بارهای الکتریسیته
با بررسی خواص بارهای الکتریکی بهتر به ماهیت ماده پی میبریم. مثلا این خاصیت که بارهای الکتریکی ممنوع یکدیگر را میرانند و بارهای الکتریکی یا نوع مخالف یکدیگر را میربایند. این واقعیت را نشان میدهد که درون ماده نیروهای الکتریکی موجود است. نیروهای پیوستگی بین مولکولها اجسام جامد یا مایع به سبب وجود نیروهای جاذبه الکتریکی بین بارهای الکتریکی از نوع مخالف است.
نیروهای متعددی که به هنگام تراکم ماده ظاهر میشود به علت وجود نیروهای رانشی بین بارهای الکتریکی ممنوع است. حرکت این بارهای الکتریکی ، موجب تولید جریان الکتریسیته و یا به اصطلاح متداول ، جریان برق میشود که ما در خانه و صنعت از آن استفاده میکنیم.
تولید الکتریسیته بوسیله مالش
میدانید هرگاه شانه یا یک میله پلاستیکی را با لباس خود یا با یک تکه پارچه پشمی خشک مالش دهید. ذرههای گرد و غبار یا خردههای کاغذ را جذب میکند. همچنین اگر در هوای خشک ، سطح آینه یا شیشه پنجره را با یک تکه پارچه خشک تمیز کنید این پدیده اتفاق میافتد و ذرههای گرد و غبار معلق در هوا و کرکهای جدا شده از پارچه به سطح آینه یا شیشه میچسبند. به طوری که پاک کردن سطح آنها از این ذرهها دشوار است. عاملی که سبب جذب این ذرات میشود جاذبه الکتریکی نام دارد و اجسامی که در اثر مالش این خاصیت را پیدا میکنند دارای الکتریسیته ساکن میشوند.
الکتریسیته مثبت و منفی
پدیده وضع الکتریکی نخستین بار در سال 1672 میلادی توسط اتوفن گریکه که با نام او آشنا هستید بیان شد. او مشاهده کرد که پرهای مرغ نخست جذب یک گلوله گوگردی باردار شده و سپس از آن رانده میشوند. صد و پنجاه سال بعد ، در فرانسه محققی به نام شارل دونی کشف کرد که دو جسم باردار همیشه یکدیگر را نمیرانند بلکه گاهی هم یکدیگر را میربایند و به این نتیجه رسید که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. بطوری که بارهای الکتریکی ممنوع یکدیگر را میرانند و بارهای الکتریکی که نوع آنها مختلف است یکدیگر را میربایند.
دونی برای تشخیص این دو نوع الکتریسیته یکی را الکتریسیته شیشهای و دیگری از الکتریسیته صمغی (رزینی) نامید. الکتریسیته شیشهای از مالیدن شیشه به پارچه ابر پشمی تولید میشود و الکتریسیته ضمغی از مالیدن کهربا ، گوگرد ، لاک و ابونیت و بسیاری از مواد دیگر به پشم یا پوست حیوان بدست میآید.
بعدها معلوم شد که این طرف نامگذاری در پارهای از موارد گمراه کننده است. زیرا مثلا شیشه سنگی زبر و آن در اثر مالش ، الکتریسیته ضمغی تولید میکند و ابونیت بسیار صیقلی شده دارای نوع الکتریسیته شیشهای میشود. از اینرو فرانکلین دانشمند آمریکایی اصطلاح امروزی الکتریسیته مثبت و منفی را بجای دو نوع شیشهای و ضمغی وضع کرد.
آزمایش ساده برای تولید الکتریسیته ساکن
بنا به روش سنتی و قدیمی ، در آزمایشهای الکتریسیته ساکن برای تولید الکتریسیته مثبت شیشه را با ابریشم و برای تولید الکتریسیته منفی ، ابونیت را با پوست حیوان و مانند پوست گربه مالش میدهند. ولی امروزه استات سلولز برای تولید الکتریسیته مثبت و پلیتن برای تولید الکتریسیته منفی مناسبتر تشخیص داده شده است. زیرا رطوبت هوا بر روی آنها کمتر اثر میگذارد.
مواد الکتریسیته ساکن
• الکتروفور:
در سال 1775 میلادی آلساندرو داتا که در ایتالیا معلم فیزیک بود. نامهای به پریستلی (کاشف اسپزن) نوشت و در آن نامه شرح داد. که اسبابی به نام الکتروفور اختراع کرده است. الکتروفور را می توان یک نوع ماشین مولد الکتریسیته ساکن نامید. در این دستگاه صفحه نارسانا در اثر مالش با پوست حیوان دارای بار الکترون منفی میشود و با قرار دادن صفحه فلزی روی آن ، قسمت بالایی صفحه در اثر القا دارای بار منفی و قسمت پایین صفحه دارای بار مثبت میشود.
سطح پایینتر فلز بوسیله چند نقطه با سطح صفحه نارسانای زیرین تماس دارد. هرگاه سطح بالایی قرص بطور موقت به زمین وصل شود. الکترونها سطح بالایی زمین منتقل میشوند به این ترتیب صفحه فلزی دارای بار مثبت میشود.
برای تعریف میدان الکتریکی در یک نقطه معین از فضا ، یک بار الکتریکی مثبت به اندازه واحد در آن نقطه قرار داده ، سپس مقدار نیروی الکتریکی وارد بر این واحد بار را به عنوان شدت میدان الکتریکی تعریف میکنند. بار مثبت را نیز به عنوان بار آزمون تعریف میکنند. به بیان دقیقتر میتوان میدان الکتریکی را به صورت حد نسبت نیروی الکتریکی وارد بر یک بار آزمون بر اندازه بار آزمون ، زمانی که مقدار بار آزمون به سمت صفر میل میکند، تعریف کرد.
مقدمه
از قانون کولن میدانیم که دو بار الکتریکی بر یکدیگر نیرو وارد میکنند. این نیرو را میتوان با استفاده از مفهوم جدیدی به نام میدان الکتریکی توضیح داد، یعنی واسطهای که بارهای الکتریکی بواسطه آن بر یکدیگر نیرو وارد میکنند. به بیان دیگر هر بار الکتریکی در فضای اطراف خود یک میدان الکتریکی ایجاد میکند که هرگاه بار الکتریکی دیگری در محدوده این میدان قرار گیرد، بر آن نیروی وارد میشود.
معمولا خطوط میدان الکتریکی در اطراف هر بار الکتریکی با استفاده از مفهوم خطوط نیرو نشان داده میشود. به عنوان مثال اگر یک بار الکتریکی نقطهای مثبت را در نقطهای از فضا در نظر بگیریم، در این صورت خطوطی از این نقطه به طرف خارج رسم میشوند. این خطوط بیانگر جهت میدان الکتریکی هستند. همچنین با استفاده از چگالی خطوط میدان الکتریکی میتوان به شدت میدان الکتریکی نیز پی برد.
علت بسیار کوچک بودن بار آزمون
فرض کنید یک توزیع بار با چگالی حجمی یا سطحی معین در یک نقطه از فضا قرار دارد و ما میخواهیم میدان الکتریکی حاصل از این توزیع بار را در یک نقطه معین پیدا کنیم. اگر چنانچه مقدار بار آزمون خیلی کوچک نباشد، به محض قرار دادن بار آزمون در نزدیکی توزیع بار ، توزیع بار حالت اولیه خود را از دست داده و تحت تاثیر بار مثبت آزمون قرار میگیرد. لذا فرض بسیار کوچک بودن بار آزمون بدین خاطر است که بتوانیم از اثرات بار آزمون بر توزیع بار صرفنظر کنیم. البته با تعریف میدان بصورت حد نیرو بر بار زمانی که بار به صفر میل میکند، این اشکال رفع میشود.
مشخصات میدان الکتریکی
میدان الکتریکی کمیتی برداری است، یعنی در میدان الکتریکی علاوه بر مقدار دارای جهت نیز میباشد. برداری بودن این کمیت را میتوان از تعریف آن نیز فهمید. چون میدان الکتریکی را به صورت نسبت نیرو بر بار تعریف کردیم و نیز چون نیرو بردار است، لذا میدان الکتریکی نیز بردار خواهد بود. میدان الکتریکی در داخل یک جسم رسانا همواره برابر صفر است.
چون اگر درون جسم رسانا میدان الکتریکی وجود داشته باشد، در این صورت بر همه بارهای درون آن نیرو وارد میشود. این نیرو باعث به حرکت در آمدن بارهای آزاد میشود. حرکت بار را جریان میگویند. بنابراین در اثر ایجاد جریان در داخل جسم رسانا بارها به سطح آن منتقل میشوند، باز میدان درون آن صفر میشود. در بیشتر موارد میدان الکتریکی از نظر اندازه و جهت از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر میکند. اما اگر چنانچه اندازه جهت میدان در منطقهای ثابت باشد، در این صورت میدان الکتریکی را یکنواخت یا ثابت میگویند.
میدان الکتریکی حاصل از یک بار نقطهای
فرض کنید که یک بار الکتریکی به اندزه 'q در نقطهای از فضا که با بردار مکان 'r مشخص میشود، قرار داشته باشد. حال میخواهیم میدان الکتریکی حاصل از این بار را در نقطه دیگری که با بردار مکان (r) مشخص میشود، تعیین کنیم. طبق تعریف یک بار نقطهای مثبت آزمون در این نقطه قرار میدهیم. فرض کنید که اندازه بار آزمون (q) باشد. در این صورت از طرف بار q بر این بار آزمون نیرویی وارد میشود که از قانون کولن بصورت زیر محاسبه میشود.
F = 1/4πε0 X q'q/(r-r')2
محاسبه میشود. چون نیروی F یک کمیت برداری است، لذا علاوه بر اینکه مقدار آن از رابطه گفته شده حاصل میشود، دارای یک جهت نیز هست که جهت آن با رابطه|(r-r')/|(r-'r) نشان داده میشود. در واقع این کمیت یک بردار یکه است. حال اگر نیروی F را بر (q) تقسیم کنیم، کمیتی حاصل میشود که همان میدان الکتریکی است. یعنی اگر میدان الکتریکی را با E نشان دهیم، در این صورت میدان الکتریکی حاصل از بار نقطهای به فاصله 'r از مبدا از رابطه زیر محاسبه می شود.
|'F=1/4πε0xq'q(r-r')3/|r-r
میدان الکتریکی حاصل از توزیعهای مختلف بار
اگر چنانچه بجای بار نقطهای یک توزیع بار به صورت حجمی یا سطحی وجود داشته باشد و یا اینکه چندین بار نقطهای وجود داشته باشد و بخواهیم میدان حاصل از اینها را محاسبه کنیم، برای این منظور در مورد چند بار نقطهای ، میدان حاصل از هر بار را تعیین نموده و همه را بصورت برداری جمع میکنیم. اما در مورد توزیع بارها باید از یک رابطه انتگرالی استفاده کنیم. بدیهی است که در مورد توزیع حجمی بار انتگرال حجمی بوده و در مورد توزیع سطحی بار ، انتگرال سطحی خواهد بود.
محاسبه نیروی الکتریکی با استفاده از میدان الکتریکی
اگر بخواهیم مقدار نیروی الکتریکی را که از طرف یک توزیع بار بر بار دیگری که در یک نقطه معین قرار دارد محاسبه کنیم، کافی است که میدان الکتریکی حاصل از توزیع بار را در نقطه معین تعیین کرده ، مقدار نیروی وارده را از حاصلضرب میدان الکتریکی در اندازه باری که نیروی وار
قانون کولن بیان میکند که نیروی که دو بار الکتریکی بر یکدیگر وارد میکنند، با حاصلضرب اندازه دو بار نسبت مستقیم و با مجذور فاصله آنها نسبت عکس دارد.
دید کلی
در اواخر قرن هیجدهم علوم تجربی به درجهای از رشد و پیشرفت رسیده بود که بتوان مشاهدات دقیقی درباره نیروهای میان بارهای الکتریکی به عمل آورد. نتایج این مشاهدات را که در آن زمان فوقالعاده مجادلهآمیز بودند، نمیتوان به این صورت بیان نمود. دو نوع و فقط دو نوع بار الکتریکی وجود دارد که ما اینها را به نام بارهای الکتریکی مثبت و منفی میشناسیم. همچنین دو بار نقطهای نیروهایی بر یکدیگر اعمال میکنند که بزرگی این نیروها با مربع فاصله بین دو بار نسبت عکس و با حاصلضرب اندازه بارها نسبت مستقیم دارد. این نیرو برای بارهای همنام دافعه و در مورد بارهای غیرهمنام جاذبه است (نیروی کولن).
آنچه گفته شد به افتخار شارل آرگوستن کولن (Chorles Augustim Coulumb) که از پیشروان الکتریسیته در قرن هیجدهم بود، به نام قانون کولن معروف است.
ترازوی پیچشی کولن
کولن دستگاهی ساخت که به وسیله آن میتوانست نیرویی را که دو ذره باردار بر یکدیگر وارد میکنند، اندازه بگیرد. در ترازوی کولن میلهای دمبل مانند قرار دارد که به دو انتهای آن کرههای کوچکی متصل شده است. این دمبل بوسیله یک رشته که از وسط دمبل میگذرد، آویخته شده است. هر گاه کره باردار دیگری را به یکی از کرههای دمبل که قبلا باردار شده است، نزدیک کنیم، بر اساس قانون کولن با توجه به نوع بارها ، این دو یکدیگر را جذب یا دفع میکنند، بنابراین در اثر این نیرو دمبل خواهد چرخید و رشته تاب میخورد. با اندازه گیری زاویه انحراف دمبل میتوان نیروی میان دو بار الکتریکی را سنجید. کاوندیش بعدها با الهام از ترازوی پیچشی کولن وسیلهای ساخت که برای اندازه گیری نیروی جاذبه گرانش بکار میرود (ترازوی کاوندیش).
به این ترتیب قانون کولن به صورت تجربی مورد تائید واقع شد. البته لازم به ذکر است که باور ما در مورد قانون کولن ، از نظر کمی مبتنی بر تجربههای کولن نیست. دقت اندازه گیریهای ترازوی پیچشی کولن به زحمت از چند درصد تجاوز میکند. به عنوان مثال ، چنین اندازه گیریهایی نمیتواند ما را متقاعد سازد که در رابطه قانون کولن توان فاصله بارها از یکدیگر دقیق برابر 2 است.
گستره عمل قانون کولن
قانون کولن در مورد بارهای نقطهای بکار میرود. از لحاظ ماکروسکوپی بار نقطهای باری است که ابعاد فضایی آن در مقایسه با هر طول دیگری در مسئله مورد نظر بسیار کوچک است. قانون کولن در مورد برهمکنشهای ذرات بنیادی ، مانند پرتونها و الکترونها نیز صادق است. در مورد دفع الکترواستاتیکی میان هستهها در فواصل بیشتر از نیز این قانون صدق میکند، اما در فواصل کمتر نیروهای پر قدرت و کوتاهبرد هستهای عمل میکنند.
مشخصات قانون کولن
نیرویی که قانون کولن بیان میکند، به نیروی کولن معروف است. نیروی کولن بسته به نوع بارهای الکتریکی میتواند جاذبه یا دافعه باشد. قانون کولن یک قانون تجربی است، ولی با وجود این شواهد تجربی و نظری هر دو نشان میدهند که قانون عکس مجذور فاصلهای کولن دقیق است. آنچه قانون کولن بیان میکند، یک رابطه تناسبی است. با ضرب کردن طرف دوم در یک ثابت تناسب این رابطه تناسبی به یک تساوی تبدیل میشود. مقدار ثابت تناسب بستگی به دستگاه یکایی دارد که مورد استفاده قرار میگیرد.
به عنوان مثال ، در سیستم یکای گاوسی این مقدار ثابت را برابر یک فرض میکنند و یکای بار الکتریکی را به گونهای انتخاب میکنند که رابطه با تجربه سازگار باشد. اما دستگاه SI که بار الکتریکی را بر حسب کولن ، فاصله را بر حسب متر و نیرو را بر حسب نیوتن بیان میکنند، ثابت تناسب باید کمیتی باشد که دارای بعد است. بوسیله آزمایشهای تجربی مقدار این ثابت تناسب بصورت زیر محاسبه میشود:
در بعضی از موارد به منظور سادهتر کردن محاسبه به جای مقدار فوق عبارت به ظاهر پیچیده را قرار میدهند که در آن کمیتی است که به عنوان ضریب گذردهی الکتریکی خلا معروف است و مقدار عددی آن برابر است.
اهمیت قانون کولن
مفهوم قانون کولن فراتر از توصیف نیروهای میان کرههای باردار است. این قانون میتواند در فیزیک کوانتومی نیروهای الکتریکی که الکترونهای یک اتم را به هسته آن پیوند میدهد، نیروهایی که اتمها را به هم پیوند میدهند تا مولکول تشکیل شود و نیروهایی که برای تشکیل جامدات ، مایعات ، اتمها یا مولکولها را به هم پیوند میدهند، را به درستی توصیف کند. از این رو بیشتر نیروهایی که در زندگی روزمره خود با آنها سر و کار داریم، گرانشی نیستند، بلکه الکتریکی هستند.
در هسته اتم نیروی جدیدی وجود دارد که نه دارای ماهیت گرانشی است و نه الکتریکی. این نیروی جاذبه قوی که پروتونها و نوترونهای تشکیل دهنده هسته را به هم پیوند میدهد، نیروی هستهای یا برهمکنش قوی هستهای نام دارد. اگر این نیرو وجود نداشت، هسته در اثر نیروی دافعه کولنی قوی میان پروتونهای آن به یکباره متلاشی میشد. ده بر آن را محاسبه میکنیم، مشخص کنیم. بسم الله الرحمن الرحيم هست کليد در گنج حکيم
درابتدا، برخود لازم ميدانم که ياد استاد گرانقدر فقيدم ، مرحوم استاد دکترحسن مرشد ،که همه اين علاقه بعلت شاگردي ايشان درمن وبسياري ديگر از دوستان بوجود آمده ، را گرامي بدارم .
درسال 1369 مشغول يک بررسي کلي کتابهاي کتابخانه بمنظور تهيه فهرستي از کتابهاي گرايش موج وبرخي ديگر از موضوعات مورد علاقه بودم (که آن فهرست هم تکثير ودراختيار علاقمندان قرارگرفت) . همانطور که کتابها را ورق ميزدم، بطور اتفاقي در يکي از کتابها به تاريخچه چند صفحه اي از الکترومغناطيس برخوردم . واين نقطه شروعي براي کنجکاوي در اين زمينه شد.
از آن زمان، شايد حدود 3 سال مشغول جستجو ي کتابها درمورد اين تاريخچه شدم . درابتدا شروع به ترجمه هر قسمت کرده وسپس آنها را بر اساس زمان اتفاق وانجام ، مرتب وپشت سرهم کردم.
البته بعد از پايان تقريبي کار، کتابهاي مفيد ديگري از طرف برخي از دوستان که از موضوع با خبربودند ، بمن مرحمت شد که تا حدودي از آنها نيز استفاده کردم ولي اگر حوصله و وقت براي تکميل اين مختصر اجازه دهد ، با کاربري موضوعات ياد شده در آن کتابها ، حتما اين تاريخچه بهتر خواهد شد.
اکنون که حدود 12 سال از آن گردآوري و ترجمه گذشته ، بالاخره موفق به تايپ و تکثير آن براي علاقمندان شدم. کاملا واقفم که اين مختصر داراي عيوب غير قابل انکاري است . درواقع چنين کاري از عهده يکنفر با وقت محدود خارج است. دربعضي اوقات موضوع خيلي مختصر گفته شده وگاهي بنظر خيلي طولاني است ويا بعضا ناقص است. اين بعلت منابع متعدد و غير متشابه و غير هم سطحی است که در اختيار بوده وهمين طور به حوصله من ، و ميزان فهم من از مطلب مربوط ميشده است.هرچه فکر کردم نتوانستم فصل بندی مشخصی تعيين کنم و بنابراين فقط بر اساس زمان ، آن هم اگر درست باشد واشتباهی نشده باشد ، مطالب را مرتب کرده ام.
بهر حال برگ سبزي است ، با اذعان بهمه ی اشکالات و نواقص. وفکر ميکنم بودن چنين مجموعه ای بهتر از نبودن آن است.
ارائه نظريات ويا تصحيحات ، چه در مورد متن ويا اشکالات تايپي باعث خوشحالي وتشکر خواهد شد.اميدوارم که ديگران ، بخصوص دانشجويان عزيز علاقمند ، اين کار را پيگيري کرده و تاريخچه واقعي ومناسبي تدوين کنند
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)