ترازوی پیچشی کولن

بار الکتریکی

مفهوم الکتریسیته از زمانهای قدیم مورد توجه مردم بوده است .داستان الکتریسیته برمیگردد به زمانی که یونانیان کهربا را کشف کردند .کهربافسیلی از صمغ یک درخت است که در اثر مالش با پارچه های پشمی باردار می شود .یونانیان مشاهده کردند که کهربای باردار تکه های کوچک کاه را به خود جذب می کند . ماهیت نیروی جابه ای که بین تکه های کاه و کهربا وجود داشت الکتریسیته نامگذاری شد .

بار الکتریکی (Electric Charge) خاصیت فیزیکیاز یک ماده است که باعث می شود وقتی در یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی قرار می گیرد، نیرویی به آن واردگردد

یک جسم میتوتند دو نوع بار الکتریی داشته باشد ،مثبت یا منفی .

ویلیام گیلبرت فیزیک ‌‌دان انگلیسی مشخص کردکه بین دو جسم دارای بار مشابه نیروی دافعه وجود دارد و در حالت برعکس این نیرو جاذبه خواهد بود. نیروی الکتریکی بین دو بار نیروی غیر تماسی است .یعنی برای اینکه دو ذره به هم نیروی الکتریکی وارد کنند لازم نیست حتما با یکدیگر در تماس باشند .

بنجامین فرانکلین فیزیک ‌‌دان آمریکایی نشان داد که با استفاده از وسیله ‌‌ای به نام بطری لیدن (Leyen Jar) می توان بار الکتریکی را ذخیره نمود. این بطری شیشه ‌‌ای توسط دو ورقه فلزی که یکی از در داخل و دیگری در خارج شیشه قرار دارد، نیروی الکتریکی بزرگی بین این ورقه‌‌ ها ایجاد کند. اساس کلر بطری لیدن همانند خازن های امروزی است.

روشهای بار دار کردن یک جسم

الف)روش مالش

در این روش یک جسم را با یک جسم دیگر مالش میدهند این اثر از دوران باستان شناخته شده است. به عنوان مثال ، مالش یک میله شیشه ای با یک تکه پشم منجر به بار مثبت شدن میله شیشه ای می شود ، در حالی که قطعه پشم در پایان با بار منفی مواجه می شود. وقتی دوجسم به یکدیگر مالش داده می شوند یکی از آنها الکترون ازدست میدهد و دارای بار مثبت می شود و دیگری به همان تعداد که جسم اول الکترون از دست داده الکترون می گید و دارای بار منفی می شود.

ب)روش تماس

در این روش جسم با با خالص صفر به جسم دیگر که دارای بار الکتریکی است تماس داده میشود با تبادل الکترون بین دوجسم تا زمانی که دو جسم هم پتانسیل شوند هر دو جسم دارای بار هم نام خواهند شد.

ج)روش القا

در این روش یک جسم خنثی بدون تماس یامالش باجسم باردار دیگر باردار میشود

قانون کولن 

در سال ۱۷۸۳ قانونی توسط فیزیکدان فرانسوی شارل آگوستن دوکولن منتشر با استفاده از ترازوی پیچشی ابداعی خود کاوندیش ساخته شده بود نشان داد که نیروی الکنترو استاتیکی که دوذره باردار به هم وارد می کنند با حاصل ضرب اندازه بارهای دوذره رابطه مستقیم و با مجذور فاصله دو بار رابطه عکس دارد . رابطه قانون کولن را اینجا بنویس ابتدا تناسب سپس رابطه نهایی

کولن با تکرار آزمایش بر روی ذرات باردار توانست رابطه زیر را برای نیروی بین دوذره باردار که در فاصله r قرار دارند بدست آورد که در این رابطه k ثابت کولن نام دارد

ترازوی پیچشی کولن

دستگاهی که کولن ساخت که به وسیله آن می‌توانست نیرویی را که دو ذره باردار بر یکدیگر وارد می‌کنند، اندازه بگیرد.متشکل از میله‌ای دمبل مانند قرار بود که به دو انتهای آن کره‌های کوچکی متصل شده است. این دمبل بوسیله یک رشته که از وسط دمبل می‌گذرد، آویخته شده است. هر گاه کره باردار که توسط یک دسته عایق جابجا می شود را به یکی از کره‌های دمبل برخورد دهیم در اثر تماس مقداری از بار کره ثابت به یکی از کره های دمبل خواهد رفت و بین دو کره نیروی دافعه ایجاد شده ودمبل خواهد چرخید و رشته تابخواهد خورد با اندازه گیری زاویه انحراف دمبل می‌توان نیروی میان دو بار الکتریکی را اندازه گیری کرد .

نحوه کار با شبیه ساز

شبیه ساز حاضر از دو قسمت تشکیل شده که با انتخاب دکمه دو رنگ میتوان آزمایش را با استفاده از آونگ ها یا ترازوی پیچشی کولن انجام داد . برای شروع ابتدا یکی از حالات را انتخاب میکنیم . سپس با استفاده از دکمه های آبی یا قرمز نوع بار و اندازه بارها را انتخاب می نماییم .در این حالت توسط مالش میله پلاستیکی با پارچه پشمی یا میله شیشه ای با پاچه ابریشمی میله ها دارای بار الکتریکی میگردند .میزان مالش پارچه ها و دستمال اندازه بار را تعیین می کند که میتواند کم متوسط یا زیاد باشد .با کلیک بر روی دکمه خاکستری میله به سمت کره ثابت واندو گراف یا یکی از آونگهای الکتریکی خواهد رفت و با برخورد به آنها بمقداری از بار میله به کره ها منتقل خواهد شد . در اثر تماس دوکره آونگ یا کره های ثابت و دمبلی ترازوی پیچش بارها تقسیم شده و در اثر نیروی دافعه بین بارهای همنام میله دمبلی شکل حول سیمی که به کمک آن معلق قرار گرفته خواهد چرخید و با توجه به عددی که برروی بدنه ترازوی پیچشی کولن نوشته شده نیروی بین دوذره باردار اندازه گیری خواهد شد . در مورد آونگ ها با توجه به نیروهای متوازن (کشش نخ ،وزن و نیروی رانش الکترواستاتیکی ) میتوان نیرویی که بین دوکره آونگ ایجاد شده را محاسبه نمود.

در این شبیه ساز ابزارهای اندازه گیری نقاله و خطکش نیز پیش بینی شده که میتوان به کمک آن زوایا و فواصل را اندازه گیری نمود.

پرسش ها:

نیروی الکترواستاتیکی بین ذرات باردار با فاصله بارها چه رابطه ای دارد؟

نیروی الکترواستاتیکی بین ذرات بادار با اندازه بار ذرات چه رابطه ای دارد؟

ساختمان ترازوی پیچشی کولن را توضیح دهید؟

آیا تماس بین دو ذره باردار برای اینکه ذرات باردار به هم نیرو وارد کنند لازم است؟