ماده بار الکتریکی
لطفاً یکی از اشیاء اطراف خود را مشاهده کنید. اگر جسمی، مثلاً یک سنگ، را نابود کنید، سنگ به چندین قطعه کوچکتر تقسیم میشود. اگر سنگ دوباره خرد شود، سنگ به قطعات حتی کوچکتری تبدیل میشود. اگر قطعات سنگ دوباره خرد شوند چه؟ البته، قطعات سنگ خرد شده و به قطعات حتی کوچکتری تبدیل میشوند. آیا میتوان سنگها را به قطعات حتی کوچکتر تقسیم کرد تا بینهایت شوند؟ این واقعیت نشان میدهد که هر جسمی اگر به قطعات کوچکتر تقسیم شود، به نقطهای میرسد که کوچکترین قسمت جسم را نمیتوان به قطعات کوچکتر تقسیم کرد. کوچکترین قسمت یک جسم که دیگر قابل تقسیم نیست، اتم نامیده میشود. بنابراین اتم کوچکترین قسمت هر مادهای در جهان است.
بار الکتریکی در اتمها
اتمها از الکترونها، پروتونها و نوترونها تشکیل شدهاند. پروتونها و نوترونها هسته اتم را تشکیل میدهند که تقریباً 10-15 متر قطر دارد . الکترونها در خارج از هسته قرار دارند و مانند سیارات که به دور خورشید میچرخند، به دور آن میچرخند. با فرض اینکه قطر یک اتم چندین کیلومتر باشد، هسته تقریباً به اندازه یک توپ بیلیارد است و الکترونها در داخل هسته قرار دارند و فاصله آنها تقریباً 10-10 متر است . بین هسته و یک الکترون فضای خالی وجود دارد.
الکترونهای با بار منفی در لبههای اتم و پروتونهای با بار مثبت در هسته قرار دارند. برای اینکه الکترونها به دور هسته بچرخند و از اتم فرار نکنند، هسته با بار مثبت باید نیروی جاذبهای بر الکترونها وارد کند. این نیرو که الکترونها را به دور هسته میچرخاند و مانع از فرار آنها میشود، نیروی الکتریکی نامیده میشود.
برعکس، درون هسته اتم، پروتونهایی با بار مثبت وجود دارند، بنابراین به دلیل داشتن بار یکسان، به طور طبیعی یکدیگر را دفع میکنند. برای اینکه پروتونها در هسته اتم در کنار هم قرار گیرند و از جدا شدن آنها از اتم جلوگیری شود، باید نیرویی آنها را در کنار هم نگه دارد. نیرویی که پروتونها را در هسته اتم در کنار هم نگه میدارد، نیروی هستهای نامیده میشود.
جرم پروتون تقریباً برابر با جرم نوترون است. تقریباً ۹۹.۹٪ از جرم یک اتم در هسته متمرکز است، در حالی که الکترونها جرم بسیار کمی دارند. جرم الکترون (m e ) = ۹.۱۰۹۳۸۹۷ x ۱۰ -۳۱ کیلوگرم، جرم نوترون (m n ) = ۱.۶۷۴۹۲۸۶ x ۱۰ -۲۷ کیلوگرم و جرم پروتون (m p ) = ۱.۶۷۲۶۲۳۱ x ۱۰ -۲۷ کیلوگرم.
مقدار بار الکتریکی
الکترونها بار منفی، پروتونها بار مثبت و نوترونها از نظر الکتریکی خنثی هستند. پروتونها و نوترونهایی که هسته اتم را تشکیل میدهند از کوارکها تشکیل شدهاند که تقریباً ۱/۳ و تقریباً ۲/۳ برابر الکترونها بار دارند. کوارکها کوچکترین ذراتی هستند که اتمها را تشکیل میدهند، اما تاکنون کوارکها به تنهایی به عنوان ذرات منفرد یافت نشدهاند.
بزرگی بار الکترون یا بار پروتون واحد اساسی بار است. بزرگی بار الکتریکی یک جسم مضربی از بار الکترون یا بار پروتون است. به این بار، بار کوانتیزه گفته میشود . به عنوان مثال، اگر کوچکترین واحد پولی که استفاده میکنیم ۱۰۰ روپیه باشد، مقدار پولی که یک شخص دارد به صورت مضربی از کوچکترین واحد پولی، یعنی ۱۰۰ روپیه، بیان میشود. به عنوان مثال، مقدار پول من ۱۰۰۰۰۰ است و این ۱۰۰۰۰۰ را میتوان بر ۱۰۰ تقسیم کرد. اگر مقدار پول من ۱۰۰۰۰۲ باشد عجیب خواهد بود زیرا واحد پولی ۲ روپیه وجود ندارد. به همین ترتیب، مقدار بار یک جسم. مقدار بار یک الکترون -e و مقدار بار یک پروتون +e است. مقدار بار یک جسم مضربی از e یا ۱.۶۰ x ۱۰ -۱۹ کولن است و میتوان آن را از طریق Q = ±Ne بیان کرد. Q = مقدار بار، ± نشان دهنده نوع بار، N = عدد صحیح، e = 1,60 x 10 -19 کولن.
بار الکتریکی در اجسام
اگر تعداد الکترونهای یک اتم با تعداد پروتونهای آن برابر باشد، بار الکتریکی کل اتم صفر است و اتم خنثی است، به این معنی که هیچ بار الکتریکی ندارد. تعداد پروتونها یا الکترونهای موجود در یک اتم خنثی، عدد اتمی (Z) نامیده میشود . اگر تعداد الکترونها بیشتر از پروتونها باشد، اتم بار منفی دارد. برعکس، اگر تعداد الکترونها کمتر از پروتونها باشد، اتم بار مثبت دارد. اتمهای با بار منفی ، یونهای منفی و اتمهای با بار مثبت، یونهای مثبت نامیده میشوند . فرآیند جذب یا آزادسازی الکترونها از یک اتم، یونیزاسیون نامیده میشود . وقتی میگوییم یک اتم باردار است، منظورمان بار کل یا بار خالص آن است. به عنوان مثال، یک اتم 10 الکترون و 7 پروتون دارد. این اتم بار منفی دارد زیرا 3 الکترون با بار منفی اضافی دارد. بنابراین بار خالص این اتم 3 است و نوع بار اتمی منفی است. اعداد 3، 7، 10 فقط مثالهایی برای درک آسانتر آن هستند. در واقعیت، مقدار بار الکتریکی یک جسم مضربی از بار الکترون یا بار پروتون است.
اگر جسمی به تعداد پروتونها، الکترون داشته باشد، آن جسم خنثی است یا بار الکتریکی ندارد. اگر جسمی الکترونهای بیشتری نسبت به پروتونها داشته باشد، آن جسم بار منفی دارد، برعکس اگر جسمی الکترونهای کمتری نسبت به پروتونها داشته باشد، آن جسم بار مثبت دارد. جسمی که در ابتدا خنثی بوده است را میتوان با اضافه کردن الکترون به آن، بار منفی ایجاد کرد، در حالی که میتوان با کاهش الکترونهای موجود در آن، آن جسم را بار مثبت ایجاد کرد.
