تاریخچه الکتریسته
علم الکتریسته به دوران باستان بر می‌گردد که تاریخ دقیق آن مشخص نیست. اما برخی تولد آن را به مشاهده معروف تالس ملطی (Thales of Miletus) در 600 سال قبل از میلاد ارجاع می‌دهند. که در آن زمان تالس متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خرده های کاه را می‌رباید، یا اینکه در یک تجربه عادی دیده‌ایم که وقتی یک شانه کائوچویی سخت را با پارچه پشمی مالش دهیم، شانه ریزه‌های کوچک کاغذ را جذب می‌کند. در اثر مالش این دو جسم به یکدیگر هم کائوچو و هم پشم خاصیت جدیدی پیدا می‌کنند. یعنی باردار می‌شوند، از این آزمایش برای معرفی مفهوم بار الکتریکی استفاده می‌شود.
منشأ الکتریسته :
طبق نظریه الکترونی اتم ، یک اتم از ذرات کوچکتری به نامهای الکترون ، پروتون و نوترون تشکیل شده است، که الکترونها دارای بار منفی و پروتونها دارای بار مثبت و نوترونها بدون بار هستند. تعداد الکترونها و پروتونهای یک اتم در حالت عادی برابر است. بنابراین ، اتم در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی است.
در اثر تماس ، نزدیکی و یا برخورد اجسام بر همدیگر میان اجسام اندازه حرکت خطی مبادله می‌شود. در اثر تغییر اندازه حرکت ، نیروهایی ایجاد می‌شود. چگونگی شکل گیری این نیروها به ساختار اتمی تشکیل دهنده اجسام برمی‌گردد. به عبارتی این نیروها منشأ الکتریکی و مغناطیسی دارند.
در اثر مالش اجسام بر همدیگر ، جسمی که در اتمهای تشکیل دهنده خود اتمی از نوع دهنده الکترون داشته باشد، الکترون خود را به جسم دیگر که نسبت به آن خاصیت الکترونگاتیوی بیشتری دارد می‌دهد و مبادله الکترون بین اتمها و در نهایت اجسام منجر به تولید الکتریسته می‌شود.
تقسیمات الکتریسته :
الکتریسته ساکن :
اگر یک میله شیشه‌ای را به پارچه پشمی مالش دهیم، هر دو جسم الکتریسته دار می‌شوند. زیرا شیشه تعدادی الکترون از دست می‌دهد و پارچه الکترون می‌گیرد. پس شیشه دارای بار مثبت و پارچه به همان مقدار دارای بار منفی می‌گردد. بار ایجاد شده در شیشه و پارچه در محل تماس باقی می‌ماند.
الکتریسته القایی :
اگر میله با بار منفی را به دو کره فلزی بدون باری که باهم در تماس بوده و توسط پایه‌های عایقی از زمین جدا شده باشند، نزدیک کنیم. قبل از دور کردن میله ، بدون دست زدن به پوسته کرات آنها را از هم جدا کنیم. کره نزدیک به میله دارای بار مثبت و کره دور از آن دارای منفی خواهد بود، که مقدار بار روی کرات برابرند. این نوع باردار شدن را باردار شدن به روش القا یا مجاورت می‌نامند.
الکتریسته جاری :
عبور پیوسته الکترون از یک هادی را الکتریسته جاری گویند. خلاف جهت حرکت الکترون را جهت قراردادی جریان الکتریکی (جریان الکترونی) انتخاب می‌کنند. عامل برقراری جریان ثابت ، اختلاف پتاسیل ثابتی می‌باشد، که در دو سر هادی برقرار است و وسایل تولید این اختلاف پتاسیل ثابت پیلهای شیمیایی ، ژنراتورها و دیناموها می‌باشند.
اجسام رسانا و نارسانا :
بعضی از اجسام مانند فلزات که الکتریسته را به خوبی از خود عبور می‌دهند، رسانا نامیده می‌شوند. در این نوع اجسام الکترونهای آزاد اتم به راحتی در شبکه بلوری اجسام حرکت می‌کنند و عمل رسانایی را انجام می‌دهند.
اجسامی که الکترونهای آزاد ( برای هدایت الکترون ) ندارند و نمی‌توانند الکتریسته را از خود عبور دهند، نارسانا یا عایق نامیده می‌شود. باید توجه نمود که رسانایی یا نارسانایی یک کمیت نسبی است.
توزیع بار الکتریکی در اجسام رسانا :
اگر جسم رسانایی بر روی پایه عایقی قرار گیرد و در اثر مالش باردار شود، بار تولید شده در آن در سطح خارجی‌اش پخش می‌شود، بطوری که در لبه‌ها و قسمتهای نوک تیز چگالی سطحی بار بیشتر از سایر قسمتها می‌باشد.
بار الکتریکی :
میزان باری که ذره بنیادی الکترون دارد را مبنا قرار می‌گیرد و چون مبادله بار از طریق الکترون صورت می‌گیرد شمارش تعداد الکترونهای مبادله شده بار الکتریکی جسم را به ما می‌دهد. به عبارتی اگر جسمی n تا الکترون دریافت نماید، بار الکتریکی آن از نوع منفی بوده (چون الکترون گرفته) و مقدارش n برابر بار الکترون خواهد بود.
اگر بار الکتریکی را با علامت q و بار الکترون را با e نمایش دهیم، مقدار بار الکتریکی هر جسم از رابطه q = ne تبعیت می‌نماید. واحد بار الکتریکی به افتخار اولین قانون الکتریسته (قانون کولن) که آقای کولن کشف نمود، کولن نام دارد. بار الکتریکی یک الکترون در دستگاه برحسب کولن برابر است با:
e = 1.06 x 10-19 c
اثر بارهای الکتریکی بر همدیگر :
بر طبق قانون کولن دو بار الکتریکی همنام همدیگر را دفع و دو بار الکتریکی غیر همنام همدیگر را جذب می‌کنند. مقدار نیروی جاذبه یا دافعه بین بارها بر طبق قانون کولن با حاصلضرب اندازه بارها نسبت مستقیم و با مجذور فاصله بارها نسبت عکس دارد. این نیرو به جنس محیطی که بارها در آن واقع شده نیز وابسته است (بستگی نیرو به
برای اندازه گیری بار الکترون در آزمایش میلیکان بار یونهایی اندازه گیری می شود که در اثر تخلیه الکتریکی در درون گازها بوجود می آیند . برای انجام تخلیه الکتریکی در این طریقه از اثر فتوالکتریک استفاده می شود . اشعه x دارای طول موج بسیار کوتاه و در نتیجه انرژی زیاد است و هنگام تابش به یک گاز یونش ایجاد می نماید . جهت اندازه گیری بار یونهایی که به این ترتیب بوجود می آیند از پدیده مهمی استفاده می شود و آن اینستکه اگر در شرایط مناسب قطراتی از مایع در یک محیط یونی گازی شکل وارد شوند مرکز تجمع یونها خواهند شد و هر قطره تعدادی از یونها را تحت تاثیر نیروهای سطحی بخود جلب و جذب می نماید ذره ای جدید بدست می آید که بار الکتریکی آن مساوی یا چند برابر بار یونها خواهد بود و اساس آزمایش میلیکان عبارتست از مطالعه حرکت این قطره ها تحت اثر یک میدان الکتریکی
دستگاهی که در آزمایش میلیکان بکار می رود عبارتست از یک اطاقک پر شده از هوا یا گازی دیگر . در بالای اطاقک قطره چکان مخصوص قرار دارد که مایع مورد آزمایش را بصورت قطره های بسیار ریز در فضای داخلی اطاق وارد می نماید در زیر این قطره چکان و در قسمت پایین اطاقک یک سطح با دو جوشن p1 و p2 قرار دارد جوشن بالاییp1 دارای گذرگاهی برای عبور قطره ها می باشد . قطره ها می توانند ضمن سقوط از این گذرگاه بگذرند وداخل فضای خازن شوند در پایین اطاقک و در هر طرف پنجره ای وجود دارد . از یکی از این دو پنجره مثلا پنجره F1 اشعه X بداخل اطاقک تابیده می شود تا گاز داخل اطاقک یونیزه شود پنجره دیگر F2 برای روشن کردن داخل اطاقک می باشد از همین قسمت بوسیله یک تلسکوپ می توان داخل اطاقک را تماشا کرد و حرکت قطره را بدقت ملاحظه کرد از طرف دیگر مجموع دستگاه فوق بیک پمپ خلا و یک فشار سنج وصل شده تا بتوان فشار گاز داخل اطاقک را کنترل و تنظیم نمود . برای اینکه بتوان در درجه حرارت ثابت این آزمایش را انجام داد اطاقک را در داخل یک حمام روغنی قرار می دهند.
در ابتدا در این آزمایش از قطره های آب استفاده می شده ا ولی از آنجاییکه قطره های آب در اثر تبخیر وزن و حجمشان تغییر می کرد بجای آب از روغنهای مایع استفاده می شود بدیهی است هر چه قطره ها ریزتر انتخاب شوند وزن آنها کمتر و سرعت سقوط کوچکتر خواهد بود و بنابراین حرکت آنها با دقت بیشتری مورد مطالعه قرار خواهد گرفت .
در صورتیکه بین دو جوشن خازن اختلاف پتانسیلی برقرار نکرده باشند قطره ها پس از خروج از قطره چکان سقوط آزاد را شروع خواهند نمود در این حالت هر قطره تحت اثر دو نیرو قرار می گیرد یکی نیروی وزن ظاهری قطره که سبب سقوط قطره از بالا به پایین می شود دیگری نیروی مقاومت محیطی که قطره در آن سقوط می کند . نیروی مقاومت محیط در جهت عکس نیروی اول می باشد . نیروی مقاومت محیط بستگی بسرعت سقوط ویسکوزیته محیط و شعاع قطره دارد. اگر قطره باندازه کافی ریز باشد بزودی نیروی وزن ظاهری قطره و نیروی مقاومت محیط با یکدیگر برابر شده در نتیجه قطره بسرعت حد خواهد رسید . یعنی از آن لحظه به بعد با سرعت ثابت سقوط خواهد کرد و حرکتی یکنواخت خواهد داشت .
حال اگر بین دو جوشن p1 و p2 خازن بوسیله یک باطری و یا وسیله دیگری اختلاف پتانسیل معینی برقرار کنیم یک میدان الکتریکی بوجود می آید و قطره باردار از گذرگاه جوشن p1 وارد فضایخازن شود نیرویی از طرف میدان بر قطره وارد می شود و سبب می گردد که حرکت آن بر حسب اینکه نیروی وارده در جهت یا در خلاف جهت نیروی وزن اثر کند تندتر یا کندتر شود. بنابراین ملاحظه می شود که خازن وسیله خوبی برای تغییر دادن سرعت سقوط قطره می باشد بطوریکه حتی ممکن است سرعت قطره را به صفر رسانید که در این صورت قطره در میدان دید تلسکوپ بخوبی قابل مشاهده می باشد . اکنون آنچه را در فوق ذکر نمودیم با محاسبات مربوطه تکرار می کنیم .
1) سقوط آزاد اگر جرم قطره m و جرم هوای هم حجمش m' باشد نیروی وزن قطره که سبب سقوط آن می شود برابراست با :
P = (m – m' ) g
نیروی وارد در در خلاف جهت نیروی وزن یعنی نیروی مقاومت محیط برابر است با :
F = 6πaηv0