بار الکتریکی

بار برقی یا بار الکتریکی (به طور خلاصه: بار) یک خاصیت ماده است که باعث می شود، هنگامی که ماده در مجاورت مادهٔ باردار دیگری قرار می گیرد به آن نیرو وارد شود. بار الکتریکی دو نوع است بار مثبت و بار منفی. بین دو ماده یا جسم با بارهای هم نام نیروی رانش ایجاد می شود و برعکس اگر ناهم نام باشند بین آن ها ربایش ایجاد می شود. در سامانهٔ استاندارد بین المللی یکاها واحد بار الکتریکی کولن (C) است. البته در مهندسی برق از یکای آمپر ساعت (Ah) نیز استفاده می کنند. در مطالعهٔ اندرکنش میان اجسام باردار، دانش الکترومغناطیس کلاسیک کافی است و از اثرهای کوانتومی صرف نظر می شود.بار الکتریکی یک خاصیت پایسته در ماده است به این معنی که بار الکتریکی تولید نمی شود یا از بین نمی رود؛ بار الکتریکی از ذرات زیراتمی ماده که تعیین کنندهٔ خواص الکترومغناطیس ماده اند ناشی می شود. یک مادهٔ باردار الکتریکی، تولیدکنندهٔ میدان های الکترومغناطیسی است و خود از آن ها تأثیر می گیرد. اندرکنش میان یک بار متحرک و یک میدان الکترومغناطیسی عامل ایجاد نیروهای الکترومغناطیسی است. این نیرو خود یکی از چهار نیروی بنیادی است.آزمایش ها در قرن بیستم، توضیحی کوانتومی از بار الکتریکی ارائه کرده اند (این عمل را کوانتومی کردن می نامند)، به عبارت دیگر دانشمندان دریافته اند که بار الکتریکی خود از واحد کوچک تری با نام بار بنیادی تشکیل شده است. بار یک الکترون تقریباً برابر با e = 1.602 × 10 − 19 C {\displaystyle e=1.602\times 10^{-19}C} می باشد. (البته ذراتی با نام کوارک وجود دارند که باری به اندازه چند e⅓ دارند) پروتون باری به اندازهٔ e و الکترون باری برابر با e- دارد. علم مطالعه ذرات باردار و توضیح ارتباط آن ها با فوتونها، الکترودینامیک کوانتومی نام دارد.تعداد الکترون ها یا پروتون های آزاد موجود در یک جسم را بار آن جسم گویند.تعریف اندازاهٔ بار:اندازهٔ الکتریسسته موجود در الکترون یا پروتون ۱.۶×۱۰^-۱۹ است. اگر آن را درتعدادالکترون یا پروتون ضرب کنیم، اندازهٔ بار جسم خواهد بود.
الکترومغناطیس میدان و امواج. دیوید کئون چنگ. ترجمهٔ پرویز جبه دار مارالانی و محمد قوامی. مؤسسه انتشارات و چاپ دانشگاه تهران. پاییز ۱۳۷۹. چاپ ششم.
بار یک ویژگی بنیادی در انواع ماده است که به صورت ربایش یا رانش الکتروستاتیکی در حضور ماده ای دیگر نمود پیدا می کند.بار الکتریکی ویژگی است که سرچشمهٔ آن به بسیاری از ذرات زیراتمی ماده برمی گردد. بارِ ذراتی که به صورت آزاد یافت می شوند به اندازهٔ ضریب صحیحی از بار بنیادی (بار یک الکترون) است، در این حالت می گوییم بار الکتریکی یک کمیت گسسته است. مایکل فاراده در آزمایش های برق کافت خود دریافت که بار الکتریکی کمیتی گسسته است. رابرت میلیکان نیز در آزمایش های خود به این حقیقت می رسد و مقدار بار یک پروتون را نیز اندازه می گیرد.بنابراین به صورت کمیت های گسسته می گوییم که بار یک الکترون ۱- و بار یک پروتون ۱+ است. ذرات بارداری که بار آن ها هم نام باشد یکدیگر را می رانند و ذراتی که بارهای ناهم نام دارند یک دیگر را می ربایند. قانون کولمب مقدار عددی نیروی الکتروستاتیک بین دو ذرهٔ باردار را بدست می آورد و بیان می دارد که مقدار این نیرو با اندازهٔ بار ذرات رابطهٔ مستقیم و با مربع فاصلهٔ بین دو ذره رابطهٔ وارون دارد.مقدار بار یک پادذره دقیقاً برابر با بار ذرهٔ متناظر با آن است؛ ولی به صورت ناهم نام. کوارک ها هم باری برابر با 1⁄3- یا 2⁄3+ بار بنیادی دارند که البته هیچ کوارکی تاکنون به صورت آزاد یافت نشده است (دلیل نظری این مطلب در بحث آزادی مجانبی یافت می شود).بار الکتریکی یک جسم برابر با مجموع بارهای الکتریکی ذرات سازندهٔ آن است. این بار به طور معمول کوچک است چون ماده از اتم ساخته شده و اتم ها به تعداد مساوی از پروتون و الکترون در هستهٔ خود دارند، در نتیجه از نظر الکتریکی خنثی اند. یک یون، اتمی (یا دسته ای از اتم ها) است که یک یا چند الکترون ازدست داده است یا به دست آورده است. اتمی که الکترون از دست دهد بار خالص آن مثبت می شود که آن را کاتیون می نامیم و اتمی که الکترون بدست آورد بار خالص آن منفی می شود و آن را آنیون می نامیم.در هنگام تشکیل یک جسم (ماکروسکوپیک) اتم ها و یون های تشکیل دهندهٔ آن به گونه ای با هم ترکیب می شوند که جسم از نظر الکتریکی خنثی باشد یا اینکه همیشه تمایل به ازدست دادن یا گرفتن الکترون و در نتیجه خنثی بودن دارند اما به ندرت جسمی پیدا می شود که به طور خالص بی بار (خنثی) باشد.گاهی یون ها در سراسر مادهٔ تشکیل دهندهٔ جسم پخش شده است و به آن جسم بار مثبت یا منفی داده است. هم چنین اجسام رسانای جریان الکتریسیته گاهی آسان تر یا راحت تر (بسته به نوع ماده) الکترون بدست می آورند یا از دست می دهند و بار خالص مثبت یا منفی پیدا می کنند. به این پدیده که جسمی دارای بار غیر صفر ساکن باشد الکتریسیتهٔ ساکن می گوییم. به راحتی با بر روی هم مالیدن دو مادهٔ ناهمسان، مانند کهربا روی یکپارچه خزدار یا شیشه روی ابریشم می توانیم الکتریسیتهٔ ساکن تولید کنیم. با این روش اجسام نارسانا می توانند مقدار قابل توجهی بار الکتریکی بدست آورند یا ازدست دهند. واضح است که وقتی یکی از این اجسام بار الکتریکی بدست می آورد دیگری دقیقاً به همان اندازه بار الکتریکی از دست می دهد و این به دلیل قانون پایستگی بار الکتریکی است که همواره برقرار است.گاهی مجموع بارهای الکتریکی یک جسم صفر است اما بار آن به صورت غیریکنواخت پخش شده است (مثلاً به دلیل حضور یک میدان الکترومغناطیسی یا دوقطبی های موجود در ماده) در این حالت می گوییم جسم قطبی شده است. بار الکتریکی بدست آمده از قطبی شدن ماده را بار مرزی، بار تولید شده بر روی یک جسم که ناشی از بار گرفته شده یا داده شده به جسمی دیگر است را بار آزاد و حرکت الکترون ها را در یک جهت خاص در فلزات رسانا، جریان الکتریکی می نامیم.
در سامانهٔ بین المللی یکاها واحد بار الکتریکی کولن معادل ۱۰۱۸×۶/۲۴۲ برابر بار یک پروتون می باشد؛ بنابراین بار یک الکترون e = 1.602 × 10 − 19 {\displaystyle e=1.602\times 10^{-19}}   کولمب است. کولمب تعریف می شود به: مقدار باری که از مقطع عرضی یک رسانای الکتریکی با شدت جریان یک آمپر در یک ثانیه عبور می کند. برای نشان دادن بار یا الکتریسیته از علامت Q استفاده می کنند. مقدار بار الکتریکی به طور مستقیم توسط یک برق نما یا به طور غیرمستقیم توسط گالوانومتر اندازه گیری می شود.بعد از فهم مکانیک کوانتوم و توضیح مفهوم کلاسیک بار الکتریکی با ادبیات کوانتومی، جورج استونی در سال ۱۸۹۱ واحد الکترون را برای بار الکتریکی پیشنهاد کرد، این پیشنهاد قبل از کشفیات جوزف جان تامسون در سال ۱۸۹۷ بود. امروزه واحد بار به شکل بار اولیه یا واحد بنیادین بار یا eنشان داده می شود. اندازه گیری بار باید به شکل ضریبی از بار بنیادی باشد حتی اگر مقدار بار برای یک جسم در ابعاد بزرگ باشد، همچنین مقدار بار یک عدد حقیقی است.
تالس، فیلسوف یونانی سده ششم پیش از میلاد گفته است که با مالیدن پارچه خزدار روی مواد مختلف مانند کهربا می توان بار یا الکتریسیته تولید کرد، همچنین یونانی ها گفته بودند که دکمه های باردار کهربایی می توانند اجسام سبک مانند مو را به سمت خود بربایند یا اگر کهربا را برای مدت طولانی مالش دهند ممکن است جرقه تولید شود.در سال ۱۶۰۰ دانشمند انگلیسی، ویلیام گیلبرت بازگشتی به بحث الکتریسیته داشت و واژه لاتین الکتریکوس گرفته شده از واژه یونانی ηλεκτρον به معنی کهربا را ایجاد کرد که البته خیلی زود این واژه به شکل انگلیسی electric و electricity تغییر پیدا کرد. در سال ۱۶۶۰ اتوفون گوریک تلاش های گیلبرت را دنبال کرد و احتمالاً او کسی است که دستگاه تولیدکننده الکتریسیته ساکن را اختراع کرده است. از دیگر اروپاییان پیشرو در این زمینه می توان از رابرت بویل نام برد. بویل کسی است که در سال ۱۶۶۷ اظهار داشت که ربایش و رانش الکتریکی در فضای خالی نیز امکان پذیر است. استفان گری در سال ۱۷۲۹ مواد را به گروه های رسانا و نارسانا دسته بندی کرد. چارلز فرانسوا دو فی در سال ۱۷۳۳ گفت که: الکتریسیته از دو راه مختلف می آید که می توانند یکدیگر را خنثی کنند او این اظهارات را با عنوان تئوری «دو سیال» مطرح کرد که: وقتی شیشه روی ابریشم مالیده می شود شیشه باردار می شود یا بار شیشه ای و وقتی کهربا روی خز مالیده می شود کهربا باردار می شود یا بار صمغی. در سال ۱۸۳۹ مایکل فاراده نشان داد که تقسیم بندی ظاهری بین الکتریسیته ساکن، الکتریسیته جاری و بیوالکتریسیته درست نیست و همه این ها ناشی از رفتار الکتریکی قطب های مختلف دوقطبی ها است که به طور دلخواه یک را مثبت و دیگری را منفی نامیده ایم. بار مثبت، همان بار باقی مانده روی میله شیشه ای پس از مالش با ابریشم است.بنجامین فرانکلین در قرن ۱۸ بیشترین تجربه را در این زمینه دارد. وی به حمایت از تئوری تک سیال الکتریکی بحث کرد. او تصور می کرد که بارالکتریکی یک سیال نامرئی است که در تمام مواد وجود دارد. مثلاً او معتقد بود که شیشه است که در ظرف لیدن بار الکتریکی را انباشته می کند. او اثبات کرد که مالیدن دو سطح نارسانا روی هم باعث می شود که این سیال تغییر مکان دهد و همین طور جاری شدن این سیال جریان الکتریکی را ایجاد می کند. وی این را نیز اثبات کرد که اگر ماده مقدار کمی از این سیال را داشته باشد می گوییم بار منفی دارد و اگر مقدار اضافی از آن را داشته باشد می گوییم بار مثبت دارد. به طور دلخواه (یا به دلیلی که ثبت نشده است) وی انتخاب کرد که باری که روی شیشه انباشته شده، بار شیشه ای بار مثبت است و بار صمغی منفی است. همچنین او بود که واژه های بار و باتری را وارد فرهنگ الکتریسیته کرد.ویلیام واتسون نیز هم زمان با فرانکلین به همین نتایج رسید.

بارِ اِلکتِریکی (electric charge)
12026800.jpg
خاصیت بعضی از اجسام که براساس آن بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. دو جسم که هر دو بار مثبت یا هر دو بار منفی داشته باشند یکدیگر را می رانند، درحالی که اجسامی با بارهای مخالف یا ناهمنامیکدیگر را می ربایند. الکترون ها بار منفی و پروتون ها بار مثبت دارند. مقدار بار منفی و مثبت این دو با هم برابر است. یکای بار الکتریکی در دستگاه بین المللی کولن، با نماد C، است. جسم را می توان بر اثر اصطکاک، القا، یا تغییر شیمیایی باردار کرد، این وضعیت را به صورت انباشت الکترون (بار منفی) یا کاهش الکترون(بار مثبت) در اتم یا جسم نشان می دهند. اتم ها معمولاً بار خالص صفر دارند، ولی می توانند با گرفتن الکترون یا الکترون هایی به صورت یون منفی، یا با از دست دادن الکترون یا الکترون هایی به صورت یون مثبت درآیند. پدیدۀ موسوم به الکتریسیتۀ ساکن، که مثلاً حین برس زنی موها یا هنگام پوشیدن و درآوردن پیراهن های نایلونی ظاهر می شود، در واقع حاصل از این است که اتم های سطحی شماری از الکترون هایشان را از دست می دهند یا تعدادی الکترون اضافی می گیرند. شارش بارهایی، مثل الکترون در سیم مسی، جریان برق را پدید می آورد که آن را برحسب آمپر، با نماد A، اندازه گیری می کنند.