تحقیق مقاله منشا بار الکتریکی

اگر یک روز خشک و آفتابی روی قالی راه بروید، به محض این که دستتان با دستگیره فلزی تماس پیدا می‌کند، جرقه ایجاد می‌شود. و یا هنگام باریدن باران ، آذرخش و رعد و برق را بارها ملاحظه کرده‌ایم. تمام این موارد حاکی از این است که مقدار زیادی بار الکترونی در اجسام پیرامون ما و حتی در بدن ما ذخیره شده است. خنثی بودن غالب اشیا مشاهده‌ پذیر و قابل لمس جهان ، از لحاظ الکتریکی ، این واقعیت را تایید می‌کند که تمام اشیا حاوی تعداد زیادی بار الکتریکی مثبت و منفی هستند که چون تعداد این دو نوع بار الکتریکی یکسان است، لذا از نظر آثار خارجی کاملا اثر یکدیگر را بی‌اثر می‌کنند. فقط هنگامی که این توازن زیبای الکتریکی از بین برود، طبیعت آثار بارهای مثبت و منفی آشکار می‌شود. بنابراین زمانی که گفته می‌شود، جسمی باردار است، منظور این است که بار الکتریکی در جسم اندکی نامتوازن شده است.

یک آزمایش ساده

یک میله شیشه‌ای را در دست خود گرفته و با پارچه ابریشمی مالش دهید. عمل مالش سبب می‌شود که مقدار کمی بار الکتریکی از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود، و لذا خنثایی الکتریکی آن دو به هم می‌خورد. حال اگر این میله باردار بوسیله یک رشته نخ از نقطه آویزان کنیم وسیله شیشه‌ای دیگری را که به صورت مشابه باردار شده است به این میله نزدیک کنیم، دو میله یکدیگر را می‌رانند. اما اگر یک میله پلاستیکی را که با یک پوست خز باردار شده است به این میله نزدیک کنیم، در این صورت میله پلاستیکی انتهای باردار میله شیشه‌ای آویزان شده را جذب می‌کند.

بنابراین نتیجه می‌گیریم که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. یک نوع از آن ، یعنی بار الکتریکی که روی شیشه مالش داده شده ایجاد می‌شود را بار مثبت و نوع دیگر ، یعنی بار الکتریکی ایجاد شده روی میله بار منفی می‌نامیم همچنین نتیجه می‌گیریم که بارهای الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می‌کنند و برعکس بارهای الکتریکی غیر همنام همدیگر را جذب می‌کنند.

تاریخچه انتخاب نامهای مثبت و منفی

انتخاب نامهای مثبت و منفی برای بارهای الکتریکی مربوط به بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin) است. او علاوه بر کارهای بزرگی که انجام داد، دانشمندی با شهرت بین المللی بود. فرانکلین واژه‌های بار و باتری را وارد فرهنگ الکتریسیته کرد. بنابراین به رسم احترام شاید بد نباشد که ، هرگاه باتری ماشین حسابمان خالی می‌شود و ما در حین تعویض باتری علامتهای + و – را روی باتری مشاهده می‌کنیم، که نشان دهنده قطبهای مثبت و منفی باتری هستند، به یاد فرانکلین این دانشمند بزرگ عالم فیزیک بیافتیم.

بررسی کمی نیروی موجود میان ، بارهای الکتریکی

در مبحث الکترواستاتیک که بارهای الکتریکی ساکن و یا با سرعت فوق العاده کم مورد بحث قرار می‌گیرد، نیروهایی که بارهای الکتریکی هم‌نام و غیر هم‌نام به یکدیگر وارد می‌کنند توسط قانون کولن مورد بررسی قرار می‌گیرد. با استفاده از این قانون می‌توان علاوه بر مقدار این نیروها ، نوع آنها را از لحاظ جاذبه یا دافعه بودن مشخص نمود.

کاربرد نیروهای الکتریکی بین اجسام باردار

نیروهای الکتریکی موجود بین اجسام باردار در صنعت کاربردهای زیادی دارند، که از آن جمله می‌توان به رنگ افشانی الکتروستاتیکی ، گردنشانی ، دود گیری ، مرکب پاشی چاپگرها و فتوکپی اشاره کرد. به عنوان مثال در یک دستگاه فتوکپی دانه‌های حامل ماشین با ذرات گرد سیاه رنگی که تونر نام دارد، پوشیده می‌شوند. این ذرات بوسیله نیروهای الکتروستاتیکی به دانه حامل می‌چسبند.
ذرات با بار منفی تونر ، سرانجام از دانه‌های حاملشان جدا می‌شوند. جذب این ذرات توسط تصویر با بار مثبت متن مورد نسخه برداری ، که بر روی یک غلتک چرخان قرار دارد، صورت می‌گیرد. آنگاه ورقه کاغذ باردار ذرات تونر را روی غلتک جذب می‌کند و بعد از پخته شدن و نشستن ذرات بر روی کاغذ ، کپی مورد نظر به دست می‌آید.

بار الکتریکی کوانیده
بار الکتریکی کوانیده است.

در زمان فرانکلین عقیده بر این بود که بار الکتریکی به صورت یک شاره پیوسته است. این عقیده در بسیاری موارد مفید واقع شد. اما نظریه اتمی ماده نشان داده است که شاره ها ( مانند آب و هوا )نیز پیوسته نیستند بلکه از اتمها ساخته شده اند. آزمایش نشان می دهد که شاره الکتریکی نیز پیوسته نیست بلکه از مضرب های درستی از یک بار الکتریکی معین و کمینه تشکیل شده است. بزر گی این مقدار بار بنیادی که آن را با e نمایش می دهند مقداریست قابل توجه! هر بار فیزیکی q را می توان بدون توجه به منشا آن به صورت ne نشان داد که در آن n یک عدد درست مثبت یا منفی است.

هر گاه یک خاصیت فیزیکی (مانند بار) به جای داشتن مقادیر پیوسته به صورت"بسته های گسسته" باشد آن خاصیت را کوانیده می گویند.کوانتش اساس فیزیک کوانتومی نوین است. وجود اتمها و ذراتی مانند الکترون و پروتون حاکی از آن است که جرم نیز کوانیده است. هر گاه سایر خواص فیزیکی نیز به طور مناسبی در مقیاس اتمی بررسی شوند کوانیده هستند که از آن میان می توان از انرژی و اندازه حرکت زاویه ای نام برد.
کوانتوم بار e آنقدر کوچک است که " دانه ای بودن" الکتریسیته در آزمایش های بزرگ مقیاس مشاهده نمی شود درست مانند آن است که نمی دانیم هوایی که تنفس می کنیم از اتمها تشکیل شده است. به عنوان مثال در یک لامپ عادی 110V . 110W در هر ثانیه شش در ده بتوان هجده بار بنیادی به لامپ وارد و از آن خارج می شود
امروزه هیچ نظریه ای وجود ندارد که کوانتومی شدن بار ( یا کوانتومی شدن جرم یعنی وجود ذرات بنیادینی مانند پروتون ها - الکترون ها- یون ها -و مانند آنها ) را پیشگویی کند. حتی با فرض کوانتومی شدن نیز نظریه کلاسیک الکترو مغناطیس و مکانیک نیو تونی نارسا هستند. زیرا رفتار بار و ماده را در مقیاس اتمی به درستی توصیف نمی کنند.
مثلا نظریه کلاسیک الکترو مغناطیس کاملا شرح می دهد که هر گاه یک آهنربای میله ای را در یک حلقه مسی وارد کنیم چه اتفاقی رخ می دهد. اما اگر خواسته باشیم خاصیت مغناطیسی میله را بر حسب اتم های تشکیل دهنده آن تو ضیح دهیم نظریه کلاسیک الکترو مغناطیس در این مورد ناتوان است. برای توضیح این موضوع به نظریه های مفصلتر فیزیک کوانتومی نیاز است.

بار الکتریکی بنیادی

محاسبه کمی بار الکتریکی بنیادی :
فرمول m=(1/F)(M/n ) q که در آن m جرم ماده رسوب کننده روی الکترودها ، F ثابت فارادی ، M جرم مولی ، n ظرفیت اتم و q بار الکتریکی کلی که روی الکترونها می نشیند، می باشد که از ترکیب دو قانون فارادی بدست می آید، نشان می دهد که اگر بار q=F=96484C به عدد مساوی ثابت فارادی F باشد جرم m برابر M/n می شود. به عبارت دیگر وقتی که از الکترولیت بار بگذرد، از هر ماده مقدار M/n کیلو گرم آزاد می شود که برابر یک nام مول از این جسم است.
بنابراین برای آزاد کردن یک مول ماده باید بار q که به عدد مساوی nF است، از الکترولیت بگذرد. پس وقتی که بخواهیم یک مول ماده تک ظرفیتی را آزاد کنیم (1.008g هیدروژن ، 22.99g سدیم وغیره) ، باری که به عدد مساوی F=96484C است باید از الکترولیت بگذرد. و وقتی که می خواهیم یک مول ماده دو ظرفیتی (16.00g اکسیژن ف 65.38g روی وغیره) آزاد شود، باری مساوی 2F=2x96484C=192968C باید از آن بگذرد و نظایر آن.
به خوبی می دانیم که یک مول از تمام اجسام دارای تعداد اتم های یکسانند. این مقدار مساوی ثابت آووگادور NA=6.02x1023 1/mol است. بنابراین هر یون از یک جسم تک ظرفیتی که بر الکترودی رسوب می کند حامل باری است برابر e=F/NA=1.60x10-19C برای آزاد کردن یک اتم از جسم دو ظرفیتی باری به بزرگی دو برابر
مقدار اخیر باید از الکترولیت بگذرد و نظایر آن. به طور کلی برای آزاد کردن هر اتم از جسم n ظرفیتی باید مقدار باری برابر با nF/NA=ne از الکترولیت بگذرد.

مقدار بار حاملین بار در الکترولیت ها :
بارهایی که توسط هر یون در الکترولیت منتقل می شوند مضرب درستی هستند از مقدار الکتریسیته مینیمم معینی مساوی 1.60x10-19C هر یون تک ظرفیتی )پتاسیم ، نقره و غیره) حامل این بار است. هر یون دو ظرفیتی «روی ، جیوه و غیره) حامل دو برابر این بار است. ولی در الکترولیز موردی که یونی حامل باری مساوی کسری از 1.60x10-19C باشد، هرگز پیش نیامده است.