سرشت علم(۹): مغناطیس و برق ساکن

سه شنبه, ۱۶ام مرداد, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی نهم:

مغناطیس و برق ساکن[۱]

قوانین حَرکتِ نیوتن،نیرو را پدیده­ای تعریف کردند که مُوجبِ شتاب­گرفتن جرم می­شود[۲]. اگرچه نیوتن این قانون را تنها در موردِ نیرویِ جاذبه بکار برد، باری آن قوانین، راهکارهای منطقی‌ دیگری را برای شناسایی و طبقه ­بندیِ نیرو‌هایِ طبیعی فراهم کردند.

یکی‌ از مهم‌ترین و ناشناخته‌ترین نیرو‌ها در زمانِ نیوتن مِغناطیس[۳] بود که باعث می­شد تا یک طرفِ سوزنی آهنین، در راستای قطبِ شمال قرار گیرد.

  • مطالعه­ی نیرویِ مغناطیس در آن عصر که دورانِ دریانوردی و اکتشافاتِ سرزمین‌ها بود به اوج خود رسیده بود و از اهمیتِ خاصی‌ برخوردار بود.
  • در دورانِ کهن، آتنی‌ها سنگ‌هایی مغناطیسی را در جنوب یونان در منطقه­ای که مغناسیه[۴] خوانده می­شد پیدا کرده بودند و بهمین دلیل هم نامِ مغناطیس، بر آن سنگ‌ها نهادند.
  • پژوهشگرانِ کهن دریافته بودند که با آویزان­کردنِ فلزی مغناطیسی‌ از نخی، یک سویِ آن فلز بطرفِ قطبِ شمال و دیگر سو به قطبِ جنوب متمایل می­شود. اختراعِ قطب­نما بر این اساس بود.
  • دیگر اینکه آنها دریافته بودند که برخی‌ فلزات، در مالِش به سنگ‌هایِ مغناطیسی‌ خصوصیتِ آهن­ربایی می­گیرند و دریافته بودند که قطب‌های ناهمسوی آهن­ربا یکدیگر را جذب و قطب‌های همسو یکدیگر را دفع می­کنند.

برخی‌ سازندگانِ قطب­نما، مانند دریانوردِ انگلیسی‌ رابرت نورمن[۵])۱۵۵۰-۱۶۰۰، ( تلاشِ بسیاری برای بهینه­سازی قطب­نما‌ها کرد. او در کتابِ خود “جاذبه­ی نوین[۶] – ۱۵۸۱”  در موردِ گرایش و قرارگیریِ نوکِ سوزن‌ها روبه­پایین (dip) بعنوان مشکلِ طراحیِ قطب­نماهایی دقیق­تر اشاره داشت.

  • مشکلِ روبه­پایین قرارگیریِ سوزن­ها [۷]چالشِ بزرگی‌ بود چون توازنِ سوزن را در قطب­نما سخت می­کرد.
  • نتیجتاً او با قراردادنِ سوزنی بر محوری افقی، زاویه­ی سراشیبیِ[۸] نوکِ سوزن را محاسبه کرد.
  • نورمن سپس به آزمون‌هایی مختلف برای بهینه­سازیِ آن ابزار پرداخت و به جست­وجویِ اندازه­گیریِ آن نیرو بر سوزنِ مغناطیسی‌ برآمد.

نظریه‌های گوناگونی پیرامونِ عملکردِ مغناطیس مطرح بود اما پزشک و فیزیکدانِ انگلیسی ویلیام گیلبرت[۹] (۱۵۴۴-۱۶۰۳) بالاخره هم­نِهِشتی[۱۰] یعنی ‌روال، طرح و روندِ کارکردیِ آهن­ربا را خلاصه کرد.

  • در کتابِ خود بنام ” پیرامونِ مغناطیس[۱۱] – ۱۶۰۰” او نوشت که هر آهن­ربایی دو قطب دارد؛ و براده‌هایِ شکسته­یِ آهن­ربا هم خود آهن­ربایی کامل هستند.[۱۲]
  • او مطرح کرد که کره­ی زمین خود آهن­ربایی بزرگ است و دیگر آهن­ربا‌ها خود را با طیفِ قطب‌های زمین، یعنی با قطب‌های آن آهن­ربایِ بزرگ، همسو می­کنند.
  • اینگونه طیف را گیلبرت “دو قطبه[۱۳]” نامید، شمال و جنوب، و نوشت که زمین، خورشید و دیگر ستارگان آهن­ربا‌های بزرگی “دو قطبه” هستند.
  • او مطرح کرد که برخی‌ سنگ‌هایِ آذرین یا آتشفشانی در فرآیندِ “سرد و منجمدشدن” خود را با طیفِ “دو قطبه­ی” زمین همسو می­کنند.
  • سال‌ها بعد، مایکل فاراده[۱۴]، دانشمندِ بریتانیایی (۱۷۹۱-۱۸۶۷) آزمایشاتِ بی­شماری در تاییدِ نظریه­ی گیلبرت بر براده‌هایِ آهن انجام داد.

برقِ ساکن، نیرویی رایج اما بسیار ظریف است. در اواخر قرن ۱۸ و اوایل قرن ۱۹ برقِ ساکن پدیده­ا­ی موجبِ کنجکاوی، اما کم­توجه‌ تلقی‌ می­شد، اگرچه برقِ ساکن ارزش پژوهشی داشت.[۱۵]

  • ویلیام گیلبرت در پژوهش‌های خود پیرامونِ میدان یا حوزه­ی مغناطیسی‌ زمین به برقِ ساکن توجه کرده بود. او متوجه شده­بود که برخی‌ مواد هنگامیکه به پشم، شیشه، ابریشم، کهربا[۱۶] و بعضی‌ موادِ معدنی دیگر مالیده می­شوند “بار[۱۷] یا شارژی” الکتریکی‌ می­گیرند.
  • برخی‌ مواد که نارسانا[۱۸] یا عایق نامیده می­شوند چنین باری را پذیرا هستند و موادی دیگر که رسانا[۱۹] یا هادی هستند بار خود را هدایت یا رسانش می‌‌کنند و مواد نارسانا را نیز از بار الکتریکی‌ خالی‌ می­کنند.
  • بار یا شارژِ الکتریکی‌ از طریقِ تماسِ مواد به یکدیگر منتقل می­شود.
  • ماشین‌هایِ اصطکاکیِ برق­زا[۲۰] که از طریقِ داشتنِ تسمه­ای کهربایی‌، لاستیکی و یا پشمی، بر روی مواد مالیده می­شوند می­توانند بار یا شارژِ الکتریکی‌ بالایی تولید کنند. چنین ماشین‌هایی‌ تا اوایلِ قرن ۲۰ برای تولیدِ ولتاژ بالا  در آزمایشگاه‌هایِ فیزیک استفاده می‌شدند.

اجسامی که بارِ الکتریکی‌ دارند بر روی یکدیگر نیرو وارد می­کنند – نیرویی که قابلِ اندازه­گیری است. اجسامِ دارایِ بارِ الکتریکی‌ (درست مانندِ آهن­ربا) یکدیگر را جذب و یا دفع می­کنند.

  • بنجامین فرانکلین[۲۱] (۱۷۰۶-۱۷۹۰) دولتمرد و دانشمندِ آمریکایی که از امضاکنندگانِ قانون اساسی‌ و اعلامیه­ی استقلالِ آمریکاست مشاهداتِ خود را در موردِ برقِ ساکن توضیح داد.
  • او شارژِ الکتریکی‌ را نوعی شاره یا سیال[۲۲] (چیزی که امروز الکترون می­دانیم) خواند و بر این باور بود که تمامِ اجسامِ بدونِ بار مقدارِ ثابتی از آن مایع‌ را دارا هستند.
  • ماده از طریقِ اِصطکاک باردار می­شود و اگر الکترون اضافی داشته­باشد باری منفی و اگر کمبودِ الکترون داشته­باشد بار مثبت می‌گیرد.
  • فرانکلین با استفاده از گوی‌های متفاوت، بارِ مثبت و منفی‌ و جذب و دفعِ مواد را در آزمایشاتی گوناگون نشان داد و آنچه او مایعِ درونی‌ می‌نامید همان است که امروز الکترون نامیده می­شود.
  • او با استفاده از نظراتِ علمی‌ خود توانست برقگیر‌ها یا میله‌هایِ ضدِ صاعقه­ای[۲۳] را که امروز بر بام­ها و در بالایِ بسیاری ساختمان‌ها نصب هستند اختراع کند.

چارلز کولمب[۲۴]  (۱۷۳۶-۱۸۰۶) آزمایشاتِ دقیقی‌ را برایِ مطالعه­ی نیرویِ برق ساکن انجام داد و توانست فرمولِ محاسباتی قانونِ آن نیرو را که بین دو جسم باردار است بدست آورد: نیرو برابر است با حاصلِ ضرب بارهای (شارژها) دو جسم تقسیم بر مجذورِ فاصله­ی بین آن دو در زمانی‌ ثابت.

  • این فرمول شباهتِ عجیبی‌ به فرمولِ نیرویِ گرانش یا جاذبه دارد.
  • البته این فرمول از دو جهت با فرمول نیروی جاذبه متفاوت است. نخست اینکه نیرویِ برقِ ساکن می­تواند جاذبه و یا دافعه باشد در حالیکه نیروی جاذبه همانگونه که از اسم­اش آشکار است همیشه بهم­گراینده[۲۵] و جاذب است. دوم اینکه این نیرو بمراتب بزرگتر از نیرویِ جاذبه است.

نیرویِ برقِ ساکن این روز‌ها موضوعِ پژوهش‌های فیزیکی‌ نیست اما ما هر روزه با پیآمد‌هایِ آن روبرو هستیم.

  • صاعقه هنگامی رخ می­دهد که قطراتِ بارانِ شدیدا مغشوش و متشنج[۲۶] در درونِ ابر‌ها، بدلیلِ اصطکاک، باری (شارژی) الکتریکی‌ می­گیرند.
  • دستگاهِ کپی­برداری، برقِ ساکن را جهتِ چسباندنِ ذراتِ پلاستیکیِ‌ و چسباندنِ پودر رنگ به کاغذ استفاده می‌کند.
  • یکی‌ از تفاوت‌های عمده­ی مغناطیس و برق ساکن این است که هیچگاه نمی‌‌توان مغناطیسی‌ تک قطبی داشت. به عبارت دیگر در هر مغناطیسی‌ شمال و جنوب هم زمان وجود دارد. حال آنکه در برق ساکن می‌‌توان بار منفی‌ یا مثبت به صورت مجزا داشت.

[۱]

Magnetism and Static Electricity

[۲]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۳]

Magnetism

[۴]

Magnesia

[۵]

Robert Norman

[۶]

The Newe Attractive

[۷]

Dip

[۸]

Angle of the dip

[۹]

William Gilbert

[۱۰]

synthesis

[۱۱]

De Magnete

[۱۲]

Harre, R. Great scientific Experiments. New York: Oxford University Press, 1987.

[۱۳]

dipole

[۱۴]

Michael Faraday

[۱۵]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 5. New York: Wiley, 1997.

[۱۶]

amber

[۱۷]

electric charge

[۱۸]

insulator

[۱۹]

conductor

[۲۰]

electric friction machines

[۲۱]

Benjamin Franklin

[۲۲]

fluid

[۲۳]

lightning rods

[۲۴]

Charles Coulomb

[۲۵]

attractive

[۲۶]

agitated raindrops

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.