تحقیق درباره قانون بقاي بار الكتريكي

يك توپ را با ميله پلاستيكي و ديگر را ميله شيشه‌اي باردار كنيد سپس آنها را به هم بچسبانيد. گاهي دوبار ناپديد مي‌شوند و همديگر را از بين مي‌برند. براي بيان اين مساله مي‌توان از يك قانون رياضي مبني بر اينكه اگر حاصل جمع دو كميت صفر شود، يكي از آن دو مثبت و ديگري منفي است، استفاده نمود. طبق قرارداد به ميله پلاستيكي را بار منفي و ميله شيشه‌اي را بار مثبت نسبت داده‌اند.

بيان ساده اي از قانون بقاي بار

وقتي كه يك ميله پلاستيكي را با خز مالش مي‌دهيم، ميله بار منفي و خز بار مثبت پيدا مي‌كند. آزمايش را با دو جسم خنثي شروع مي‌كنيم، يعني مجموع بار آن دو برابر صفر است. بعد از مالش دادن ، يكي بار مثبت و ديگري بار منفي مي‌يابد كه باز هم بار كل برابر صفر مي‌شود. همچنين وقتي ميله‌اي بار مثبت بيابد، بار جسم پلاستيكي كه ميله شيشه‌اي را با آن مالش مي‌دهيم منفي مي‌شود.

هيچ كس نمي تواند يكي از اين دو بار را خلق كند، بدون آنكه همزمان ديگري را نيز توليد كرده باشد در يك چنين فرايندي مقدار كل بار تغيير نمي‌كند. اين مطلب بيانگر قانون بقاي بار الكتريكي است. اين قانون همانند قوانين پايستگي جرم و انرژي ، اندازه حركت خطي ، اندازه حركت زاويه اي و ... در فيزيك يك قانون بنيادي است.

قانون بقاي بار الكتريكي در اتم

همه اجسام داراي ذراتي با بار الكتريكي مثبت و منفي هستند. اين ذرات هماناتمهايي هستند كه جهان مادي را مي‌سازند. ابعاد اين اتمها از مرتبه آنگستروم است. چندين ميليون از اين اتمها ، در كنار هم ، چيزي در حدود يك نقطه نمايان مي‌شوند. هر اتم از لحاظ بار الكتريكي خنثي است، زيرا به تعداد مساوي بار مثبت و منفي دارد. بار مثبت اتم و تقريبا تمامي جرم آن ، در مركز آن ، يعني در هسته متمركز شده است. ابعاد هسته ده هزار برابر كوچكتر از ابعاد كل اتم است. هسته يك خوشه محكم به هم چسبيده متشكل از دو نوع ذره پروتونها و نوترونهاست. 
تراكم جرم در اين ذرات غير قابل تصور است. يك تفاوت مهم بين پروتونها و نوترونها اين است كه پروتونها داراي بار الكتريكي مثبت بوده ولي نوترونها از نظر بار الكتريكي خنثي هستند. تعداد پروتونها هسته ، عنصر شيميايي را كه هسته به آن تعلق دارد، مشخص مي‌كند، با اين حال قسمت اعظم فضاي اتم خالي است، در ناحيه اطراف هسته تعدادي ذره با بار الكتريكي منفي به نام الكترون وجود دارد. جرم الكترون كم است، اما بار آن منفي و مقدارش برابر مقدار بار روي پروتون است. از اينرو در يك اتم خنثي تعداد الكترونها در فضاي اطراف هسته درست برابر تعداد پروتونها در داخل هسته است. الكترونها توسط نيروي جاذبه الكتريكي در نزديكي هسته به آن مقيد مي‌شوند.

مبادله بار و قانون بقاي بار الكتريكي

گاهي يك تماس ساده ميان اجسام ممكن است باعث شود كه تعدادي الكترون از يك جسم به جسم ديگر منتقل شود. وقتي ميله پلاستيكي با خز مالش داده مي‌شود، برخي الكترونها از خز به ميله پلاستيكي منتقل مي‌شوند. ممكن است تعداد الكترونهايي كه به ميله پلاستيكي منتقل مي‌شوند، در حدود ( 9 ^ 10 ) باشد كه ظاهرا زياد است. تعداد كل الكترونهاي موجود در ميله پلاستيكي در حدود 24 ^ 10 است.

در فلزات بستگي الكترونها به هسته ضعيف است و الكترونها مي‌توانند آزادانه در داخل ماده حركت كنند. چون بار به راحتي در داخل ميله فلزي به هم وصل نماييم، هر دو كره خنثي مي‌شوند. ماده اي كه بار الكتريكي را از خود عبور مي‌دهد رسانا ناميده مي‌شود. در جامدات ، فقط الكترونها مي‌توانند حركت كنند. اما محلول الكتروليت ، آب شور يا گاز داخل لامپ فلوئورسانس رساناهاي بسيار خوبي هستند. زيرا حاملين بار مثبت و منفي هردو تحت تاثير نيروي الكتريكي مي‌توانند آزادانه حركت كنند. در تمام فرايندهاي مبادله بار و انتقالات اخير قانون بقاي بار الكتركي به دقت ملاحظه مي‌شود. به عبارتي نحوه مبادله بار به توسط قانون بقاي بار صورت مي‌گيرد. در واكنشهاي شيميايي اين قانون همانند قانون بقاي جرم ظاهر مي شود و واكنش را از نظر الكتريكي مجاز مي داند كه در طرفين واكنش مجموع بارهاي الكتريكي برابر باشند.