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.
Magnetism and Static Electricity
Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.
Magnetism
Magnesia
Robert Norman
The Newe Attractive
Dip
Angle of the dip
William Gilbert
synthesis
De Magnete
Harre, R. Great scientific Experiments. New York: Oxford University Press, 1987.
dipole
Michael Faraday
Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 5. New York: Wiley, 1997.
amber
electric charge
insulator
conductor
electric friction machines
Benjamin Franklin
fluid
lightning rods
Charles Coulomb
attractive
agitated raindrops
—————–
* 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