نیروی الکترواستاتیک: جاذبه و دافعه بارهای الکتریکی
در دنیای علم، نیروهای مختلفی وجود دارند که پدیده‌های گوناگون را توجیه می‌کنند. فیزیکدانان به طور ویژه با چهار نیروی اساسی سروکار دارند: نیروی گرانشی، نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی الکترومغناطیسی. در این میان، نیروی الکترواستاتیک به عنوان یکی از زیرشاخه‌های مهم نیروی الکترومغناطیسی شناخته می‌شود. این نیرو، نقش کلیدی در تعاملات بین ذرات باردار ایفا می‌کند و درک آن برای فهم بسیاری از پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی ضروری است. شناخت نیروهای بنیادین به ما کمک می‌کند تا درک عمیق‌تری از جهان پیرامون خود داشته باشیم.
نیروی الکترواستاتیک: تعریف و مفهوم
نیروی الکترواستاتیک، نیرویی است که بین ذرات دارای بار الکتریکی وجود دارد. این نیرو می‌تواند جاذبه یا دافعه باشد. به عبارت دیگر، ذرات با بارهای هم‌نام یکدیگر را دفع می‌کنند و ذرات با بارهای غیرهم‌نام یکدیگر را جذب می‌کنند. این نیرو به نام نیروی کولن یا کنش کولن نیز شناخته می‌شود. نام‌گذاری آن به افتخار فیزیکدان فرانسوی، شارل آگوستن دو کولن، است که این نیرو را در سال 1785 توصیف کرد. درک این نیرو برای شناخت رفتار مواد در سطح اتمی و مولکولی اهمیت زیادی دارد.
نحوه عملکرد نیروی الکترواستاتیک
نیروی الکترواستاتیک در فاصله‌ای در حدود یک‌دهم قطر هسته اتم، یعنی تقریباً 16-10 متر، عمل می‌کند. همان‌طور که می‌دانیم، بارهای الکتریکی هم‌نام یکدیگر را دفع و بارهای غیرهم‌نام یکدیگر را جذب می‌کنند. به عنوان مثال، دو پروتون (بار مثبت) یکدیگر را دفع می‌کنند، همان‌طور که دو کاتیون (یون مثبت) نیز دافعه دارند. به طور مشابه، دو الکترون (بار منفی) یا دو آنیون (یون منفی) نیز یکدیگر را دفع می‌کنند. در مقابل، یک پروتون و یک الکترون یا یک کاتیون و یک آنیون، یکدیگر را جذب می‌کنند. این ویژگی اساسی نیروی الکترواستاتیک، پایه‌ای برای بسیاری از تعاملات شیمیایی و فیزیکی است.
چرا پروتون‌ها به الکترون‌ها نمی‌چسبند؟
با وجود اینکه نیروی الکترواستاتیک بین پروتون‌ها و الکترون‌ها جاذبه ایجاد می‌کند، پروتون‌ها هسته اتم را ترک نمی‌کنند تا به الکترون‌ها بپیوندند. دلیل این امر، وجود نیروی هسته‌ای قوی است که پروتون‌ها و نوترون‌ها را در کنار هم در هسته اتم نگه می‌دارد. نیروی هسته‌ای قوی بسیار قوی‌تر از نیروی الکترومغناطیسی است، اما در فاصله‌های بسیار کوتاه‌تری عمل می‌کند.
در واقع، می‌توان گفت پروتون‌ها و الکترون‌ها در اتم "در تماس" هستند. این به این دلیل است که الکترون‌ها هم خاصیت ذره‌ای و هم خاصیت موجی دارند. طول موج الکترون تقریباً هم‌اندازه با خود اتم است، بنابراین الکترون‌ها نمی‌توانند از آنچه هستند به پروتون‌ها نزدیک‌تر شوند.
محاسبه نیروی الکترواستاتیک با استفاده از قانون کولن
میزان جاذبه یا دافعه بین دو جسم باردار را می‌توان با استفاده از قانون کولن محاسبه کرد:
F = kq1q2/r2
در این فرمول:
- F نشان‌دهنده نیرو است.
- k ضریب تناسب است.
- q1 و q2 دو بار الکتریکی هستند.
- r فاصله بین مراکز دو بار است.
در سیستم CGS، مقدار k در خلاء برابر با 1 است. در سیستم SI، مقدار k در خلاء برابر با 8.98 × 109 نیوتن متر مربع بر کولن مربع است. قانون کولن ذرات باردار مانند پروتون‌ها و یون‌ها را به صورت بارهای نقطه‌ای در نظر می‌گیرد، با اینکه این ذرات اندازه‌گیری شدنی هستند.
نکته مهم: نیروی الکترواستاتیک بین دو بار، مستقیماً متناسب با حاصل‌ضرب بزرگی هر دو بار و به طور معکوس متناسب با مجذور فاصله بین آن‌هاست.
تأیید قانون کولن با یک آزمایش ساده
می‌توان با یک آزمایش ساده قانون کولن را تأیید کرد. دو گوی کوچک با جرم و بار الکتریکی یکسان را از دو نخ با جرم ناچیز آویزان کنید. سه نیرو بر هر گوی وارد می‌شود: وزن (mg)، کشش نخ (T) و نیروی الکتریکی (F). از آنجایی که گوی‌ها بار الکتریکی هم‌نام دارند، یکدیگر را دفع می‌کنند. در حالت تعادل:
T sin θ = F و T cos θ = mg
اگر قانون کولن صحیح باشد:
F = mg tan θ
اهمیت قانون کولن
قانون کولن در شیمی و فیزیک از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، زیرا این قانون، نیرو بین اجزای اتم، اتم‌ها، یون‌ها، مولکول‌ها و اجزای مولکول‌ها را توصیف می‌کند. با افزایش فاصله بین ذرات یا یون‌های باردار، نیروی جاذبه یا دافعه بین آن‌ها کاهش می‌یابد و تشکیل پیوند یونی کمتر مطلوب می‌شود. در مقابل، زمانی که ذرات باردار به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند، انرژی افزایش می‌یابد و تشکیل پیوند یونی مطلوب‌تر می‌شود.
نکات کلیدی: نیروی الکترواستاتیک
- نیروی الکترواستاتیک با نام‌های نیروی کولن یا کنش کولن نیز شناخته می‌شود.
- این نیرو، نیروی جاذبه یا دافعه بین دو جسم دارای بار الکتریکی است.
- بارهای هم‌نام یکدیگر را دفع می‌کنند، در حالی که بارهای غیرهم‌نام یکدیگر را جذب می‌کنند.
- قانون کولن برای محاسبه قدرت نیرو بین دو بار الکتریکی به کار می‌رود.
- شیمی
- علم
