الکتریسیتهٔ ساکن به زبان ساده و نقش الکترون‌ ها ، پروتون‌ها و ساختار اتم

الکتریسیتهٔ ساکن به زبان ساده و نقش الکترون‌ ها ، پروتون‌ها و ساختار اتم ، قرن‌ها پیش کشف شد که برخی مواد، پس از آن‌که به یکدیگر مالیده می‌شوند، به‌طرزی عجیب و «مرموز» یکدیگر را جذب می‌کنند. برای نمونه، اگر تکه‌ای ابریشم را روی قطعه‌ای شیشه بمالید، شیشه و ابریشم تمایل پیدا می‌کنند به هم بچسبند. حتی وقتی این دو ماده را از هم جدا می‌کردند نیز می‌شد وجود یک نیروی جاذبه را نشان داد:

شیشه و ابریشم تنها موادی نیستند که چنین رفتاری دارند. هر کسی که به یک بادکنک لاتکس دست زده یا آن را به لباس یا بدن خود مالیده و بعد دیده بادکنک تلاش می‌کند به او بچسبد، همین پدیده را تجربه کرده است. پارافین و پارچهٔ پشمی هم یک جفت شناخته‌شدهٔ دیگر بودند که آزمایشگران اولیه متوجه شدند پس از مالش، نیروی جاذبه نشان می‌دهند:

موضوع وقتی جالب‌تر شد که فهمیدند مواد هم‌جنس، اگر هر کدام با پارچهٔ مخصوص خود مالیده شوند، همیشه یکدیگر را دفع می‌کنند:

همچنین مشاهده شد وقتی شیشه‌ای که با ابریشم مالیده شده در برابر مومی که با پشم مالیده شده قرار بگیرد، این دو ماده یکدیگر را جذب می‌کنند:

فراتر از این، روشن شد هر ماده‌ای که پس از مالش رفتار «جذب یا دفع» نشان می‌دهد، می‌توان آن را در یکی از دو دستهٔ کاملاً جدا قرار داد: یا به شیشه جذب می‌شود و از موم دفع می‌گردد، یا از شیشه دفع می‌شود و به موم جذب می‌گردد. حالت سومی وجود نداشت؛ هیچ ماده‌ای پیدا نشد که همزمان نسبت به هر دو (شیشه و موم) جذب یا دفع نشان دهد، یا به یکی واکنش نشان بدهد و به دیگری بی‌تفاوت باشد.

در ادامه، توجه بیشتری به پارچه‌هایی جلب شد که برای مالش به کار می‌رفتند. کشف کردند وقتی دو قطعه شیشه را با دو تکه پارچهٔ ابریشم جداگانه می‌مالند، نه‌تنها خودِ شیشه‌ها یکدیگر را دفع می‌کنند، بلکه پارچه‌های ابریشمی هم نسبت به هم حالت دافعه پیدا می‌کنند. همین اتفاق دربارهٔ تکه‌های پشمی که برای مالش موم استفاده شده بودند نیز صدق می‌کرد:

دیدن این رفتار واقعاً عجیب بود؛ چون هیچ‌یک از این اجسام ظاهراً تغییر نکرده بودند، اما به‌روشنی متفاوت از قبل عمل می‌کردند. تغییری که باعث می‌شد مواد یکدیگر را جذب یا دفع کنند، قابل مشاهده نبود.

برخی آزمایشگران حدس می‌زدند هنگام مالش، «سیال‌هایی نامرئی» از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود و همین سیال‌ها می‌توانند از فاصلهٔ دور نیروی فیزیکی ایجاد کنند. شارل دو فه (Charles Dufay) از پژوهشگران اولیه‌ای بود که نشان داد واقعاً دو نوع تغییر متفاوت از مالش بعضی جفت‌مواد پدید می‌آید. وجود بیش از یک نوع تغییر را می‌شد از این واقعیت فهمید که دو نوع نیرو تولید می‌شد: جذب و دفع. این ایدهٔ انتقال سیال فرضی، بعدها با نام «بار» (charge) شناخته شد.

یکی از پژوهشگران پیشگام، بنجامین فرانکلین، به این نتیجه رسید که فقط یک «سیال» بین اجسام مالیده‌شده جابه‌جا می‌شود و دو نوع «بار» در حقیقت چیزی جز زیادبودن یا کمبود همان یک سیال نیست. فرانکلین پس از آزمایش با موم و پشم پیشنهاد کرد پشمِ زبر بخشی از این سیال نامرئی را از مومِ صاف جدا می‌کند؛ در نتیجه پشم دارای «اضافه» و موم دچار «کمبود» می‌شود. این اختلاف مقدار سیال بین پشم و موم، نیروی جاذبه ایجاد می‌کند، چون سیال تلاش می‌کند تعادل قبلی را میان دو ماده دوباره برقرار کند.

فرض وجود یک سیال واحد که هنگام مالش یا به دست می‌آید یا از دست می‌رود، بهترین توضیح را برای رفتار مشاهده‌شده ارائه می‌داد: اینکه مواد پس از مالش به‌طور منظم در یکی از دو دسته جای می‌گیرند و مهم‌تر از همه، اینکه دو مادهٔ فعالِ مالیده‌شده به هم همیشه در دسته‌های مخالف قرار می‌گرفتند؛ چیزی که از جذب همیشگی آن‌ها نسبت به یکدیگر معلوم بود. به بیان دیگر، هرگز پیش نمی‌آمد دو ماده‌ای که با هم مالیده شده‌اند هر دو «هم‌علامت» شوند.

پس از این فرض فرانکلین که پشم چیزی را از موم برمی‌دارد، نوع باری که به مومِ مالیده‌شده نسبت داده شد «منفی» نام گرفت (چون قرار بود دچار کمبود سیال باشد) و نوع بار مربوط به پشمِ مالیده‌شده «مثبت» نامیده شد (چون قرار بود مازاد سیال داشته باشد). فرانکلین نمی‌دانست این نام‌گذاری ساده‌اش در آینده برای بسیاری از دانشجویان الکتریسیته سردرگمی ایجاد خواهد کرد!

اندازه‌گیری‌های دقیق بار الکتریکی را فیزیک‌دان فرانسوی شارل کولن (Charles Coulomb) در دههٔ ۱۷۸۰ با دستگاهی به نام «ترازوی پیچشی» (torsional balance) انجام داد؛ دستگاهی که نیروی بین دو جسم باردار را می‌سنجید. نتایج کار کولن به تعریف یکای بار الکتریکی به افتخار او انجامید: «کولن» (coulomb). اگر دو جسم «نقطه‌ای» (اجسام فرضی با سطح قابل چشم‌پوشی) هر کدام بار برابرِ ۱ کولن داشته باشند و در فاصلهٔ ۱ متر (تقریباً ۱ یارد) از هم قرار بگیرند، نیرویی در حدود ۹ میلیارد نیوتن (نزدیک به ۲ میلیارد پوند-نیرو) بین آن‌ها ایجاد می‌شود؛ نیرویی که بسته به نوع بارها می‌تواند جاذبه یا دافعه باشد. تعریف عملیاتی کولن (بر اساس نیروی بین بارهای نقطه‌ای) نشان داد که ۱ کولن معادلِ مازاد یا کمبودِ حدود 6,250,000,000,000,000,000 الکترون است. اگر برعکس بیان کنیم، بار یک الکترون حدود 0.00000000000000000016 کولن است. چون الکترون کوچک‌ترین حاملِ شناخته‌شدهٔ بار الکتریکی است، این مقدار بار برای الکترون با عنوان «بار بنیادی» (elementary charge) تعریف می‌شود.

مدت‌ها بعد معلوم شد این «سیال» در واقع از ذره‌های بسیار ریز ماده تشکیل شده که «الکترون» نام دارند؛ نامی که به افتخار واژهٔ یونانیِ کهن برای «کهربا» انتخاب شد، چون کهربا هم از موادی است که با مالش به پارچه ویژگی‌های باردارشدن نشان می‌دهد.

ترکیب اتم

آزمایش‌ها نشان داده‌اند همهٔ اجسام از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند و خودِ اتم‌ها هم از اجزای کوچک‌تری به نام ذره ساخته می‌شوند. سه ذرهٔ بنیادی که بیشتر اتم‌ها را تشکیل می‌دهند «پروتون»، «نوترون» و «الکترون» هستند. هرچند اغلب اتم‌ها ترکیبی از پروتون، نوترون و الکترون دارند، همهٔ اتم‌ها نوترون ندارند؛ نمونهٔ روشن آن ایزوتوپ پروتیومِ هیدروژن (Hydrogen-1) است که سبک‌ترین و رایج‌ترین شکل هیدروژن به شمار می‌آید و فقط یک پروتون و یک الکترون دارد. اتم‌ها آن‌قدر کوچک‌اند که با چشم دیده نمی‌شوند، اما اگر می‌توانستیم یکی را ببینیم، شاید چیزی شبیه تصویر زیر به نظر می‌رسید:

با اینکه هر اتم در یک ماده معمولاً به‌صورت یک واحد کنار هم «می‌ماند»، در واقع بین الکترون‌ها و تجمع پروتون‌ها و نوترون‌هایی که در مرکز قرار دارند، فضای خالی بسیار زیادی وجود دارد.

این مدل ساده‌شده، مربوط به عنصر کربن است: شش پروتون، شش نوترون و شش الکترون. در هر اتم، پروتون‌ها و نوترون‌ها بسیار محکم به هم متصل‌اند و این ویژگی اهمیت زیادی دارد. تودهٔ فشرده و محکمِ پروتون‌ها و نوترون‌ها در مرکز اتم «هستهٔ اتم» نامیده می‌شود، و تعداد پروتون‌های موجود در هسته، هویت عنصری اتم را تعیین می‌کند: اگر تعداد پروتون‌های هسته تغییر کند، نوع اتم هم عوض می‌شود. حتی از نظر تئوری اگر بتوانید سه پروتون را از هستهٔ یک اتم سرب جدا کنید، رؤیای کیمیاگران قدیم یعنی ساختن اتم طلا را محقق کرده‌اید! همین اتصال بسیار قویِ پروتون‌ها در هسته است که هویت پایدار عناصر شیمیایی را تضمین می‌کند و دلیل شکست کیمیاگران در رسیدن به آن رؤیا نیز همین است.

نوترون‌ها نسبت به پروتون‌ها نقش بسیار کمتری در ویژگی شیمیایی و هویت اتم دارند، هرچند اضافه‌کردن یا جداکردن آن‌ها از هسته به همان اندازه دشوار است، چون آن‌ها هم به‌شدت در هسته مقیدند. اگر نوترون‌ها اضافه یا کم شوند، اتم همچنان هویت شیمیایی خود را حفظ می‌کند، اما جرمش کمی تغییر می‌کند و ممکن است ویژگی‌های «هسته‌ای» خاصی مثل پرتوزایی به دست آورد.

در مقابل، الکترون‌ها آزادی حرکت بسیار بیشتری نسبت به پروتون‌ها و نوترون‌ها دارند. در واقع با انرژی بسیار کمتری می‌توان آن‌ها را از جایگاهشان بیرون زد (حتی ممکن است اتم را کاملاً ترک کنند)، در حالی که جابه‌جاکردن ذرات در هسته انرژی بسیار بیشتری لازم دارد. اگر چنین اتفاقی بیفتد، اتم هنوز همان عنصر باقی می‌ماند، اما یک نامتعادلی مهم ایجاد می‌شود. الکترون و پروتون از این جهت ویژه‌اند که از فاصلهٔ دور یکدیگر را جذب می‌کنند. همین «جذب از دور» دلیل جذب میان اجسامِ مالیده‌شده است؛ جایی که الکترون‌ها از اتم‌های اولیهٔ خود جدا می‌شوند و اطراف اتم‌های جسم دیگر قرار می‌گیرند.

الکترون‌ها نسبت به الکترون‌های دیگر از فاصلهٔ دور دافعه دارند، همان‌طور که پروتون‌ها هم نسبت به پروتون‌های دیگر دافعه نشان می‌دهند. تنها دلیل اینکه پروتون‌ها می‌توانند در هسته کنار هم بمانند، وجود نیرویی بسیار قوی‌تر به نام «نیروی هسته‌ای قوی» است که فقط در فاصله‌های بسیار کوتاه اثر می‌کند. به خاطر همین الگوی جذب و دفع میان ذرات، گفته می‌شود الکترون و پروتون بارهای الکتریکی مخالف دارند: هر الکترون بار منفی و هر پروتون بار مثبت دارد. وقتی در یک اتم تعدادشان برابر باشد، اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند و بار خالص اتم صفر می‌شود. به همین دلیل در تصویر اتم کربن شش الکترون دیده می‌شود تا بار شش پروتونِ هسته را متعادل کند. اگر الکترون‌ها از اتم خارج شوند یا الکترون اضافی وارد شود، بار خالص اتم نامتعادل می‌شود و اتم به‌طور کلی «باردار» خواهد شد؛ در نتیجه با ذرات باردار و اتم‌های باردارِ نزدیک خود برهم‌کنش می‌کند. نوترون‌ها نه به الکترون‌ها و پروتون‌ها جذب می‌شوند و نه از آن‌ها دفع می‌شوند (حتی نسبت به نوترون‌های دیگر هم چنین رفتاری ندارند)، بنابراین در دستهٔ ذراتِ بدون بار قرار می‌گیرند.

فرآیندِ واردشدن یا خارج‌شدن الکترون‌ها دقیقاً همان چیزی است که هنگام مالش برخی جفت‌مواد رخ می‌دهد: مالش باعث می‌شود الکترون‌های اتم‌های یک ماده از جای خود کنده شوند و به اتم‌های مادهٔ دیگر منتقل گردند. به بیان ساده، الکترون‌ها همان «سیال»ی هستند که بنجامین فرانکلین فرض کرده بود.

الکتریسیتهٔ ساکن چیست؟

نتیجهٔ نامتعادل‌شدن این «سیال» (یعنی الکترون‌ها) بین اجسام، «الکتریسیتهٔ ساکن» نام دارد. به آن «ساکن» می‌گویند چون الکترون‌های جابه‌جا شده، پس از انتقال از یک مادهٔ عایق به مادهٔ عایق دیگر، معمولاً در همان وضعیت باقی می‌مانند و جریان آزادانه‌ای تشکیل نمی‌دهند. در مورد موم و پشم، آزمایش‌های دقیق‌تر نشان دادند الکترون‌ها در واقع از پشم به اتم‌های موم منتقل می‌شوند؛ درست برخلاف حدس فرانکلین! با این حال، به احترام نام‌گذاری فرانکلین که بار موم را «منفی» و بار پشم را «مثبت» گذاشته بود، گفته می‌شود الکترون «اثر بارگذاری منفی» دارد. بنابراین جسمی که اتم‌هایش الکترونِ اضافه دریافت کرده‌اند «منفی» و جسمی که اتم‌هایش دچار کمبود الکترون شده‌اند «مثبت» نامیده می‌شود؛ هرچند این نام‌ها در نگاه اول می‌تواند گیج‌کننده باشد. زمانی که ماهیت واقعی «سیال الکتریکی» شناخته شد، اصطلاحات فرانکلین آن‌قدر جا افتاده بود که تغییر دادنشان عملاً ممکن نبود، و تا امروز هم همان‌ها باقی مانده است.

مایکل فارادی در سال ۱۸۳۲ نشان داد الکتریسیتهٔ ساکن از همان جنس الکتریسیته‌ای است که باتری یا ژنراتور تولید می‌کند. با این حال، الکتریسیتهٔ ساکن در بیشتر موارد یک مزاحمت است. برای جلوگیری از اشتعال ناشی از الکتریسیتهٔ ساکن، به باروت سیاه و باروت بدون دود گرافیت اضافه می‌کنند. این پدیده می‌تواند به مدارهای حساس نیمه‌رسانا آسیب بزند. هرچند از نظر فنی می‌توان موتورهایی ساخت که با ویژگی‌های ولتاژ زیاد و جریان کمِ الکتریسیتهٔ ساکن کار کنند، این کار از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیست. از کاربردهای عملی الکتریسیتهٔ ساکن می‌توان به چاپ زروگرافی، فیلتر هوای الکترواستاتیکی، و ژنراتور ولتاژ بالای واندوگراف اشاره کرد.

مرور مطالب:

• همهٔ مواد از «واحدهای سازندهٔ» بسیار ریزی به نام اتم تشکیل شده‌اند.
• همهٔ اتم‌های طبیعی شامل ذراتی به نام الکترون، پروتون و نوترون هستند، به‌جز ایزوتوپ پروتیومِ هیدروژن (¹H¹).
• الکترون‌ها بار الکتریکی منفی (−) دارند.
• پروتون‌ها بار الکتریکی مثبت (+) دارند.
• نوترون‌ها هیچ بار الکتریکی ندارند.
• جدا شدن الکترون‌ها از اتم بسیار آسان‌تر از جدا شدن پروتون‌ها یا نوترون‌هاست.
• تعداد پروتون‌های موجود در هستهٔ اتم، هویت آن را به‌عنوان یک عنصر یکتا تعیین می‌کند.

اگر این مقاله الکتریسیتهٔ ساکن به زبان ساده و نقش الکترون‌ ها ، پروتون‌ها و ساختار اتم برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.