آشنایی با ماهیت و انواع بارهای الکتریکی

اولین بار الکتریکی که کشف شد الکترون بود

بار الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟ 

بار الکتریکی، ویژگی اصلی هر ماده ای است که توسط برخی ذرات بنیادی حمل می شود و نحوه تأثیر ذرات تحت تأثیر میدان الکتریکی یا مغناطیسی را کنترل می کند. بار الکتریکی ، که می تواند مثبت یا منفی باشد ، در واحدهای طبیعی مجزا رخ می دهد و نه ایجاد می شود و نه از بین می رود

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.

بار الکتریکی به صورت کوانتیزه است

این بدان معناست که بار الکتریکی در مقادیر گسسته تولید می شود و کوچکترین مقدار ممکن برای یک جسم وجود دارد. در سیستم SI ، این کمترین مقدار است. هیچ ذره ای رایگان نمی تواند بار کمتر از این داشته باشد و بنابراین ، بار هر جسم (بار تمام اجسام) باید مضرب صحیح این مقدار باشد. همه اجسام ماکروسکوپی و دارای بار دارای بار هستند زیرا الکترونها یا به آنها اضافه شده و یا از آنها گرفته شده و در نتیجه یک بار خالص ایجاد می شود.

بار الکتریکی از ویژگی های اصلی ماده است

بار الکتریکی نه می تواند ایجاد شود و نه از بین برود

بار الکتریکی فقط می تواند از مکانی به مکان دیگر ، از یک شی به شی دیگر منتقل شود. اغلب ، ما از دو اتهام "لغو" صحبت می کنیم. این مختصر کلامی است این بدان معناست؛ که اگر دو جسم که دارای بارهای مساوی و متضاد هستند.

اگر از نظر فیزیکی به یکدیگر نزدیک باشند ، نیروهای (جهت مخالف) اعمال شده بر روی برخی دیگر از اجسام باردار ، با نیروی خالص صفر ، لغو می شوند. این مهم است که شما درک کنید که با این حال بارهای موجود در اجسام به هیچ وجه ناپدید نمی شوند. بار خالص جهان ثابت است.

بار الکتریکی در سیستم های بسته حفظ می شود 

در اصل ، اگر بار منفی از نیمکت آزمایشگاه شما ناپدید شود و دوباره روی ماه ظاهر شود ، حفظ بار همچنان ادامه خواهد داشت. با این حال ، این هرگز اتفاق نمی افتد. اگر کل شارژ موجود در سیستم محلی خود روی نیمکت آزمایشگاه در حال تغییر باشد ، جریان قابل اندازه گیری بار به داخل یا خارج از سیستم ایجاد می شود. 

باز هم ، بارهای الکتریکی می توانند حرکت کنند ، و اثرات آنها می تواند لغو شود ، اما بار الکتریکی خالص در محیط محلی شما (در صورت بسته بودن) حفظ می شود. از دو مورد آخر هر دو به عنوان قانون پایستگی بار الکتریکی یاد می شود.

منبع بار الکتریکی: ساختار اتم

هنگامی که مشخص شد تمام مواد از ذراتی تشکیل شده اند که اتم نامیده می شوند ، این هم به سرعت مشخص شد که اجزای تشکیل دهنده اتم هم ذرات دارای بار مثبت و هم ذرات دارای بار منفی را شامل می شوند. سوال بعدی این بود که خواص فیزیکی ذرات باردار الکتریکی چیست؟

منبع بار الکتریکی

الکترون

ذره با بار منفی اولین ذره ای بود که کشف شد. در سال 1897 فیزیکدان انگلیسی جی. تامسون در حال مطالعه چیزی بود که در آن زمان به عنوان اشعه کاتد شناخته می شد. چند سال قبل ، فیزیکدان انگلیسی ویلیام کروکس نشان داده بود که این "اشعه ها" دارای بار منفی هستند ، اما آزمایشات وی نتوانست بیش از این را بیان کند. 

این واقعیت که آنها یک بار الکتریکی منفی حمل می کردند ، شاهد محکمی بود که نشان می داد اینها اصلاً اشعه نیستند ، بلکه ذرات هستند. تامسون یک پرتو خالص از این ذرات را تهیه کرده و آنها را از طریق میدانهای الکتریکی و مغناطیسی متقاطع ارسال کرده و قدرت میدانهای مختلف را تا زمانی که انحراف خالص تیر صفر بود.

با این آزمایش ، او توانست نسبت بار به جرم ذره را تعیین کند. این نسبت نشان داد که جرم ذره بسیار کوچکتر از هر ذره دیگری است که قبلاً شناخته شده بود؛ در واقع 1837 برابر کوچکتر. سرانجام این ذره الکترون نامیده شد.

پروتون

از آنجا که کل اتم از نظر الکتریکی خنثی است ، سوال بعدی این بود که چگونه بارهای مثبت و منفی در داخل اتم توزیع می شود. تامسون خود تصور می کرد که الکترون هایش در نوعی خمیر با بار مثبت جاسازی شده اند که در تمام حجم اتم پخش شده است. 

با این حال ، در سال 1908 ، ارنست رادرفورد ، فیزیکدان نیوزلندی نشان داد که بارهای مثبت اتم در یک هسته کوچک - به نام "هسته اتم" - وجود دارد که تنها بخش بسیار کوچکی از حجم کلی اتم را اشغال می کند ، اما بیش از 99 درصد جرم را در خودنگه داشته است.

بار الکتریکیِ دومی که کشف شد پروتون بود

 علاوه بر این ، او نشان داد که الکترونهای با بار منفی دائماً در اطراف این هسته می چرخند و نوعی ابر باردار الکتریکی تشکیل می دهند که هسته را احاطه کرده است. رادرفورد به این نتیجه رسید که هسته از ذرات کوچک و عظیمی ساخته شده که پروتون نامیده است.

از آنجا که مشخص بود که اتمهای مختلف دارای جرمهای مختلف هستند و معمولاً اتم ها از نظر الکتریکی خنثی هستند ، طبیعی بود که فرض کنیم که اتمهای مختلف دارای تعداد متفاوتی از پروتونها در هسته خود هستند و تعداد مساوی الکترونهای دارای بار منفی در اطراف هسته با بار مثبت گردش می کنند.

نوترون

 بنابراین اتم ها از نظر الکتریکی به طور کلی خنثی می شوند. با این حال ، به زودی مشخص شد که اگرچه سبک ترین اتم ، هیدروژن ، در واقع یک پروتون واحد داشت ، اما سنگین ترین اتم بعدی - هلیوم - دو برابر پروتون (دو) ، اما چهار برابر جرم هیدروژن دارد.

این راز در سال 1932 توسط فیزیکدان انگلیسی جیمز چادویک و با کشف نوترون حل شد. نوترون در اصل یک دوقلو خنثی الکتریکی پروتون است ، بدون بار الکتریکی ، اما (تقریبا) جرم یکسانی با پروتون دارد. بنابراین هسته هلیوم دارای دو نوترون به همراه دو پروتون خود است.

آزمایشات بعدی نشان داد که اگرچه نوترون به طور کلی از نظر الکتریکی خنثی است ، اما دارای ساختار بار داخلی است. علاوه بر این ، اگرچه جرم نوترون و پروتون تقریباً برابر است ، اما دقیقاً برابر نیستند: جرم نوترون بسیار کمی بزرگتر از جرم پروتون است. این جرم اضافی جزئی از اهمیت زیادی برخوردار بود.

تصویر نهایی اتم

بنابراین ، در سال 1932 ، تصویر اتم یک هسته کوچک و عظیم بود که از ترکیبی از پروتون ها و نوترون ها ساخته شده بود و توسط مجموعه ای از الکترون ها احاطه شده بود که حرکت ترکیبی آنها نوعی "ابر" با بار منفی را در اطراف هسته تشکیل می داد. 

داستان اتم به همین جا ختم نمی شود. در اواخر قرن بیستم ، بسیاری از ذرات زیر اتمی بیشتر در هسته اتم کشف شدند: از جمله پیون ها ، نوترینوها و کوارک ها. به استثنای فوتون ، هیچ یک از این ذرات مستقیماً با مطالعه الکترومغناطیس ارتباط ندارند ، بنابراین ما در این جا بیشتر در مورد آنها بحث نخواهیم کرد.

یون

در یک اتم خنثی از نظر الکتریکی ، کل بار منفی مجموعه الکترون ها برابر با بار مثبت کل در هسته است. الکترونهای با جرم بسیار کم را می توان کم و بیش به آسانی حذف یا به یک اتم اضافه کرد و بار خالص اتم را تغییر داد (البته بدون تغییر نوع آن).

به هر اتم باردار یون می گویند

اتمی که بار آن به این شکل تغییر کرده است یون نامیده می شود. الکترونهای برداشته شده در یونهای مثبت ، الکترونهای اضافی در یونهای منفی اضافه شده است. ما همچنین از این اصطلاح برای توصیف مولکولهایی که از نظر الکتریکی خنثی نیستند استفاده می کنیم.

نکته ای در مورد اصطلاحات

همانطور که قبلاً اشاره شد ، بار الکتریکی خاصیتی است که یک جسم می تواند داشته باشد. دقیقا مثل این که یک جسم می تواند دارای خاصیتی باشد که ما آن را جرم می نامیم ، یک ویژگی که ما آن را چگالی می نامیم ، یک ویژگی که ما آن را دما می نامیم و غیره.

بار الکتریکی را معمولا با تعداد بیان می کنند 

ممکن است که ما بار را با تعداد بشماریم؛ به عنوان مثال بگوییم هفت بار منفی یا دوبار مثبت. دقت کنید که بار یک ذره نیست ؛ بلکه خاصیت یک ذره است. با این وجود ، این اصطلاح بسیار رایج است و اغلب در کتاب های مربوط به این موضوع استفاده می شود .بنابراین ، این نکته در ذهن خود داشته باشید که وقتی به "بار" اشاره می کنیم ، منظور ما واقعاً چیست.

گردآوری: گروه علمی