قرن ها پیش کشف شد که انواع خاصی از مواد پس از مالش به یکدیگر به طور مرموزی یکدیگر را جذب می کنند. به عنوان مثال، پس از مالیدن یک تکه ابریشم به یک تکه شیشه، ابریشم و شیشه تمایل دارند به هم بچسبند. در واقع، نیروی جذابی وجود داشت که می‌توانست حتی زمانی که این دو ماده از هم جدا می‌شدند نشان داده شود:

شیشه و ابریشم تنها مواد شناخته شده ای نیستند که چنین رفتاری دارند. هر کسی که تا به حال با یک بادکنک لاتکس برخورد کرده باشد و متوجه شود که سعی می کند به آن بچسبد، همین پدیده را تجربه کرده است. موم پارافین و پارچه پشمی جفت دیگری از موادی هستند که آزمایش‌کنندگان اولیه به‌عنوان نیروهای جذاب پس از مالیده شدن به یکدیگر شناخته شدند:

این پدیده زمانی جالب تر شد که مشخص شد مواد یکسان پس از مالش با پارچه های مربوطه، همیشه یکدیگر را دفع می کنند:

همچنین اشاره شد که وقتی یک تکه شیشه مالیده شده با ابریشم در معرض یک تکه موم مالیده شده با پشم قرار می گیرد، این دو ماده یکدیگر را جذب می کنند:

علاوه بر این، مشخص شد که هر ماده ای که پس از مالیده شدن، خاصیت جاذبه یا دافعه را نشان دهد، می تواند به یکی از دو دسته مجزا طبقه بندی شود: جذب شیشه و دفع شده توسط موم، یا دفع شده توسط شیشه و جذب موم. یا یکی بود یا دیگری: هیچ ماده ای یافت نشد که هم شیشه و هم موم جذب یا دفع کنند، یا به یکی بدون واکنش به دیگری واکنش نشان دهند.

توجه بیشتر به تکه های پارچه مورد استفاده برای مالش معطوف شد. مشخص شد که پس از مالش دو تکه شیشه با دو تکه پارچه ابریشمی، نه تنها تکه‌های شیشه یکدیگر را دفع می‌کنند، بلکه پارچه‌ها نیز همدیگر را دفع می‌کنند. همین پدیده برای تکه‌های پشمی که برای مالیدن موم استفاده می‌شود نیز وجود دارد:

حالا شاهد این موضوع واقعاً عجیب بود. از این گذشته، هیچ یک از این اشیاء به طور قابل مشاهده در اثر مالش تغییر نكردند، اما قطعاً رفتار آنها متفاوت از قبل از مالش بود. هر تغییری که برای جذب یا دفع این مواد روی داد، نامرئی بود.

برخی از آزمایشگران حدس می زنند که “مایعات” نامرئی در طول فرآیند مالش از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شوند و این “مایعات” می توانند نیروی فیزیکی را در فاصله ای دور اعمال کنند. چارلز دوفی یکی از آزمایش‌کنندگان اولیه بود که نشان داد قطعاً دو نوع تغییر متفاوت با مالیدن جفت‌های خاصی از اجسام به یکدیگر ایجاد می‌شود. این واقعیت که بیش از یک نوع تغییر در این مواد آشکار شده بود، با این واقعیت مشهود بود که دو نوع نیرو تولید می شد: جاذبه و دافعه . انتقال سیال فرضی به عنوان بار شناخته شد .

یکی از محققین پیشگام، بنجامین فرانکلین، به این نتیجه رسید که تنها یک مایع بین اجسام مالیده شده رد و بدل می‌شود، و این دو «بار» متفاوت چیزی بیش از کمبود یا کمبود آن مایع نیستند. پس از آزمایش با موم و پشم، فرانکلین پیشنهاد کرد که پشم درشت مقداری از این مایع نامرئی را از موم صاف حذف کند و باعث ایجاد مایع اضافی روی پشم و کمبود مایع روی موم شود. نابرابری حاصل در محتوای مایع بین پشم و موم باعث ایجاد نیروی جذابی می شود، زیرا مایع سعی می کند تعادل قبلی خود را بین دو ماده به دست آورد.

فرض وجود یک “مایع” منفرد که یا از طریق مالش به دست آمده یا از دست رفته است، بهترین رفتار مشاهده شده را نشان می دهد: این که همه این مواد هنگام مالش به طور منظم به یکی از دو دسته تقسیم می شوند و مهمتر از همه، اینکه دو ماده فعال به هر یک مالش می شوند. دیگران همیشه در دسته‌های متضاد قرار می‌گیرند ، همانطور که جذابیت ثابت آنها نسبت به یکدیگر نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، هیچ وقت زمانی نبود که دو ماده به هم مالیده شده باشد، هر دو یا مثبت یا منفی شوند.

پس از حدس و گمان فرانکلین در مورد مالش پشم چیزی از موم، نوع باری که با موم مالیده شده همراه بود به عنوان “منفی” شناخته شد (زیرا قرار بود کمبود مایع داشته باشد) در حالی که نوع بار مرتبط با مالش است. پشم به عنوان “مثبت” شناخته شد (چون قرار بود مایع اضافی داشته باشد). او نمی دانست که حدس بی گناه او در آینده باعث سردرگمی دانشجویان برق خواهد شد!

اندازه گیری های دقیق بار الکتریکی توسط فیزیکدان فرانسوی چارلز کولن در دهه 1780 با استفاده از وسیله ای به نام تعادل پیچشی که نیروی ایجاد شده بین دو جسم باردار الکتریکی را اندازه گیری می کند، انجام شد. نتایج کار کولن منجر به ساخت واحدی از بار الکتریکی شد که به افتخار او کولن نامگذاری شد.. اگر دو جسم «نقطه‌ای» (اجرای فرضی بدون مساحت سطح قابل‌توجهی) به طور مساوی به اندازه 1 کولن باردار شوند و در فاصله 1 متری (تقریباً 1 یارد) از هم قرار گیرند، نیرویی در حدود 9 میلیارد نیوتن (تقریباً 2 میلیارد) ایجاد می‌کنند. پوند)، بسته به نوع اتهامات مربوطه، جذب یا دفع می کند. تعریف عملیاتی کولن به عنوان واحد بار الکتریکی (بر حسب نیروی ایجاد شده بین بارهای نقطه ای) برابر با بیش از حد یا کمبود حدود 6,250,000,000,000,000,000 الکترون است. یا به بیان معکوس، یک الکترون حدود 0.00000000000000000016 کولن بار دارد. از آنجایی که یک الکترون کوچکترین حامل بار الکتریکی شناخته شده است، این آخرین رقم بار برای الکترون به عنوان بار اولیه تعریف می شود .

بعداً مشخص شد که این «مایع» در واقع از قطعات بسیار کوچک ماده به نام الکترون تشکیل شده است که به افتخار کلمه یونانی باستان برای کهربا نامگذاری شده است: ماده دیگری که وقتی با پارچه مالیده می‌شود ویژگی‌های باردار از خود نشان می‌دهد.

ترکیب اتم

از آن زمان آزمایش نشان داده است که همه اجسام از «بلوک‌های ساختمانی» بسیار کوچکی تشکیل شده‌اند که به عنوان اتم شناخته می‌شوند و این اتم‌ها نیز به نوبه خود از اجزای کوچک‌تری به نام ذرات تشکیل شده‌اند . سه ذره اساسی که بیشتر اتم ها را تشکیل می دهند پروتون ، نوترون و الکترون نامیده می شوند . در حالی که اکثر اتم ها ترکیبی از پروتون، نوترون و الکترون دارند، همه اتم ها نوترون ندارند. به عنوان مثال ایزوتوپ پروتیوم (1H1) هیدروژن (Hydrogen-1) که سبک ترین و رایج ترین شکل هیدروژن است که فقط یک پروتون و یک الکترون دارد. اتم ها خیلی کوچکتر از آن هستند که دیده شوند، اما اگر بتوانیم به یکی نگاه کنیم، ممکن است چیزی شبیه به این به نظر برسد:

اگرچه هر اتم در یک قطعه ماده تمایل دارد به عنوان یک واحد کنار هم بماند، در واقع فضای خالی زیادی بین الکترون‌ها و خوشه پروتون‌ها و نوترون‌ها در وسط آن وجود دارد.

این مدل خام همان عنصر کربن است که شش پروتون، شش نوترون و شش الکترون دارد. در هر اتمی، پروتون‌ها و نوترون‌ها بسیار محکم به هم متصل هستند، که کیفیت مهمی است. توده پروتون‌ها و نوترون‌ها در مرکز اتم هسته نامیده می‌شود و تعداد پروتون‌های هسته یک اتم هویت عنصری آن را تعیین می‌کند: تعداد پروتون‌ها را در هسته اتم تغییر دهید و نوع آن را تغییر دهید. اتمی که هست در واقع، اگر بتوانید سه پروتون را از هسته یک اتم سرب حذف کنید، به آرزوی کیمیاگران قدیمی یعنی تولید یک اتم طلا دست یافته اید! پیوند شدید پروتون ها در هسته، عامل هویت پایدار عناصر شیمیایی و شکست کیمیاگران در رسیدن به رویای خود است.

نوترون‌ها نسبت به پروتون‌ها بر خصوصیات شیمیایی و هویت یک اتم تأثیر بسیار کمتری دارند، اگرچه افزودن یا حذف آن‌ها به هسته به همان اندازه سخت است، زیرا بسیار محکم هستند. اگر نوترون اضافه شود یا به دست آید، اتم همچنان همان هویت شیمیایی را حفظ می کند، اما جرم آن اندکی تغییر می کند و ممکن است خواص هسته ای عجیبی مانند رادیواکتیویته به دست آورد.

با این حال، الکترون‌ها نسبت به پروتون‌ها یا نوترون‌ها آزادی بیشتری برای حرکت در اتم دارند. در واقع، آنها می توانند با انرژی بسیار کمتری نسبت به آنچه که برای جابجایی ذرات در هسته لازم است، از موقعیت های مربوطه خود خارج شوند (حتی اتم را به طور کامل ترک کنند!). اگر این اتفاق بیفتد، اتم هنوز هویت شیمیایی خود را حفظ می کند، اما یک عدم تعادل مهم رخ می دهد. الکترون‌ها و پروتون‌ها از این جهت منحصر به فرد هستند که از فاصله دور به یکدیگر جذب می‌شوند. این جاذبه در فاصله است که باعث جذب بین اجسام مالش شده می شود، جایی که الکترون ها از اتم های اصلی خود دور می شوند تا در اطراف اتم های یک جسم دیگر ساکن شوند.

الکترون‌ها تمایل دارند الکترون‌های دیگر را از راه دور دفع کنند، همانطور که پروتون‌ها با پروتون‌های دیگر نیز انجام می‌دهند. تنها دلیلی که پروتون ها در هسته یک اتم به یکدیگر متصل می شوند، نیروی بسیار قوی تری به نام نیروی هسته ای قوی است.که فقط در فواصل بسیار کوتاه اثر می گذارد. به دلیل این رفتار جاذبه / دافعه بین ذرات منفرد، گفته می شود که الکترون ها و پروتون ها دارای بارهای الکتریکی مخالف هستند. یعنی هر الکترون دارای بار منفی و هر پروتون بار مثبت است. به تعداد مساوی در یک اتم، آنها با حضور یکدیگر مقابله می کنند به طوری که بار خالص درون اتم صفر می شود. به همین دلیل است که تصویر یک اتم کربن دارای شش الکترون است: برای متعادل کردن بار الکتریکی شش پروتون در هسته. اگر الکترون‌ها خارج شوند یا الکترون‌های اضافی وارد شوند، بار الکتریکی خالص اتم نامتعادل می‌شود و اتم را در کل «شارژ» می‌کند و باعث می‌شود که با ذرات باردار و دیگر اتم‌های باردار در مجاورت تعامل کند. نوترون ها نه توسط الکترون ها، نه پروتون ها جذب می شوند و نه دفع می شوند.

فرآیند ورود یا خروج الکترون دقیقاً همان چیزی است که ترکیب خاصی از مواد به هم مالش می‌شود: الکترون‌های اتم‌های یک ماده در اثر مالش مجبور می‌شوند اتم‌های مربوطه خود را ترک کرده و به اتم‌های ماده دیگر منتقل شوند. به عبارت دیگر، الکترون‌ها «سیالی» را تشکیل می‌دهند که توسط بنجامین فرانکلین فرض شده است.

الکتریسیته ساکن چیست؟

نتیجه عدم تعادل این «سیال» (الکترون ها) بین اجسام را الکتریسیته ساکن می نامند . به آن “استاتیک” می گویند زیرا الکترون های جابجا شده پس از انتقال از یک ماده عایق به ماده عایق دیگر، تمایل دارند ثابت بمانند. در مورد موم و پشم، با آزمایش‌های بیشتر مشخص شد که الکترون‌های پشم در واقع به اتم‌های موجود در موم منتقل می‌شوند، که دقیقاً برخلاف حدس فرانکلین است! به افتخار نامگذاری فرانکلین در مورد بار موم “منفی” و بار پشم “مثبت”، گفته می‌شود که الکترون‌ها تأثیر بارگذاری منفی دارند. بنابراین، جسمی که اتم های آن الکترون های اضافی دریافت کرده اند، دارای بار منفی هستند ، در حالی که جسمی که اتم های آن فاقد الکترون هستند، گفته می شود که دارای بار منفی هستند.با بار مثبت ، هر چقدر هم که این نامگذاری ها گیج کننده به نظر برسند. زمانی که ماهیت واقعی “سیال” الکتریکی کشف شد، نام گذاری بار الکتریکی فرانکلین به اندازه ای مشخص بود که به راحتی قابل تغییر نبود، و تا به امروز نیز وجود دارد.

مایکل فارادی (1832) ثابت کرد که الکتریسیته ساکن همان الکتریسیته ای است که توسط باتری یا ژنراتور تولید می شود. الکتریسیته ساکن در بیشتر موارد یک مزاحم است. پودر سیاه و پودر بدون دود دارای گرافیت برای جلوگیری از اشتعال ناشی از الکتریسیته ساکن هستند. باعث آسیب به مدارهای نیمه هادی حساس می شود. در حالی که امکان تولید موتورهایی با ولتاژ بالا و جریان کم الکتریسیته ساکن وجود دارد، این امر اقتصادی نیست. چند کاربرد عملی الکتریسیته ساکن شامل چاپ زیروگرافیک، فیلتر هوای الکترواستاتیک و ژنراتور ولتاژ بالا Van de Graaff است.

مرور:

• همه مواد از “بلوک های سازنده” کوچکی که به عنوان اتم شناخته می شوند، تشکیل شده اند .
• همه اتم های طبیعی حاوی ذرات به نام ^{الکترون} ، پروتون و نوترون هستند ، به استثنای ایزوتوپ پروتیوم ( _1H1 ) هیدروژن.
• الکترون ها دارای بار الکتریکی منفی (-) هستند.
• پروتون ها دارای بار الکتریکی مثبت (+) هستند.
• نوترون ها بار الکتریکی ندارند.
• الکترون‌ها را می‌توان خیلی راحت‌تر از پروتون‌ها یا نوترون‌ها از اتم‌ها جدا کرد.
• تعداد پروتون ها در هسته یک اتم هویت آن را به عنوان یک عنصر منحصر به فرد تعیین می کند.

ترجمه از سایت:

https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-1/static-electricity/