عنوان:
پیشگفتار
الکتریسیته چیست؟ چگونه به وجود آن پی برده شد؟ و چه کاربردهایی دارد؟
همه ما با الکتریسیته یا برق آشنا هستیم. برای روشنایی، گرم کردن و سرد کردن ساختمانها، پیشگیری از فاسد شدن مواد غذایی، و بسیاری چیزهای دیگر از الکتریسیته استفاده می کنیم. ضبط صوت، رادیو، تلویزیون وسایلی هستند که با برق کار می کنند. به سبب استفاده از الکتریسیته، شیوه زندگانی ما با شیوه زندگانی نیاکانمان فرق بسیار کرده است.
اندیشیدن درباره الکتریسیته از دوهزار و پانصد سال پیش آغاز شد، و آن هنگامی بود که می دیدند کهربا، وقتی که مالش داده شود، چیزهای سبک، مانند خرده کاغذ، را می رباید. از آن پس، اندیشه مندان به بررسی این پدیده پرداختند و سرانجام راز آن را دریافتند. شیوه ذخیره کردن الکتریسیته را فراگرفتند و برای تولید آن باتری و ژنراتور ساختند.
آیزاک آسیموف، دانشمند امریکایی، درباره نظریات و کوششهای دانشمندانی که به الکتریسیته و کاربرد آن اندیشیده اند به پژوهش پرداخته است. او از تاریخ پیشرفتهای آدمی، با تکیه بر رگه های علمی این تلاش دوهزار و پانصد ساله، که به شناخت این راز طبیعت و به کار گرفتن آن در خدمت انسان انجامید، به زبانی ساده و گیرا سخن می گوید.
این کتاب ترجمه ای است از آنچه آسیموف در این زمینه برای نوجوانان نوشته است. برای اینکه خوانندگان فارسی زبان از زمان و چگونگی کار و کوشش پژوهشگرانی که نام آنها در این کتاب آمده است آگاهی یابند، ویراستاران کتاب نکته هایی در این باره آورده اند که با حروفی دیگر، جدا از متن، چاپ شده است. هرجا نیز به نکته ای بیشتر نیاز بوده است تا فهم موضوع آسانتر شود، آن نکته نیز برمتن اصلی کتاب افزوده شده است.
رساناها و نارساناها
مردم با خواندن شرح آزمایشهای گریکه به موضوع الکتریسیته بیش از گذشته غلاقه مند شدند.
استیون گری، که از مردم انگلیس بود،؛ تصمیم گرفت که خودش آزمایشهایی انجام بدهد. او از شیشه به عنوان (( الکتریک )) استفاده کرد، زیرا می توانست شیشه های بزرگ را به قیمت ارزان بخرد.
اگر گری که می دانست که شیشه الکتریک خوبی است، چند سال پیش که دست به آزمایش زده بود تنگ گوی گوگردی را نمی شکست، یا اصلا از به کار بردن گوگرد صرف نظر می کرد.
گری سراسر یک لوله شیشه ای را که توخالی بود و درازیش به یک متر می رسید، مالش داد. در نتیجه، پرهایی که نزدیک لوله شیشه ای بودند به آن چسبیدند. معلوم شد که، بر اثر مالش، در لوله شیشه ای الکتریسیته پدید آمده است.
چون هردو سر لوله شیشه ای باز بود، گری فکر کرد ممکن است توی آن گرد و خاک برود و در آزمایشهای او تاثیر بگذارد. به همین سبب هر دو لوله را با چوب پنبه بست. آن وقت، از آنچه دید تعجب کرد. پرها جذب چوب پنبه ها نیز ی شدند، در صورتی که او چوب پنبه ها را مالش نداده بود و فقط شیشه را مالش داده بود. گری نتیجه گرفت که الکتریسیته ای که بر اثر مالش در لوله شیشه ای پدید می آید وارد چوب پنبه ها نیز می شود.
گری از خود می پرسید که آیا نظر او درست است . آیا الکتریسیته می تواند از جایی به جای دیگر برود؟ او دست به آزمایشهای دیگری زد تا از این راز پرده بردارد. چوی با درازای تقریبا 10 سانتیمتر برداشت و نوک آن را در چوب پنبه ای که با آن یک سر لوله شیشه ای را بسته بود فرو برد. در نوک دیگر این چوب گلوله ای از عاج قرار داد. آن وقت، شروع به مالش دادن لوله شیشه ای کرد. این کار را با احتیاط کامل انجام می داد و دقت می کرد که دستش با چوب پنبه و چوبی که به آن وصل کرده بود و گلوله عاج تماس پیدا نکند. این بار، بعد از آنکه شیشه را مالش داد، پرها جذب گلوله عاج شدند. گری نتیجه گرفت که نظرش درست بوده است و الکتریسیته حرکت می کند و از چیزی به چیز دیگر منتقل می شود.
استیون گری (Steven Garay 1736-1666 میلادی) فیزیکدان انگلیسی بود که بیشتر در زمینه الکتریسیته به پژوهش می پرداخت. نخستین کسی بود که مواد را بر حسب آنکه بتوانند بر اثر اصطکاک دارای الکتریسیته بشوند به دو دسته الکتریک و غیر الکتریک تقسیم کرد. گری کشف کرد که نیروی جاذبه الکتریکی را می توان بر اثرتماس از یک جسم به جسم دیگر منتقل کرد. عقیده داشت که الکتریسیته می تواند از میان اجسام بگذرد و جاری شود، وبنابراین سیال است. گری در سال 1731 میلادی کشف کرد که هر چیز را میتوان با سیال الکتریکی پر کرد. دانشمندان دیگر، بر پایه این کشف، شیوه ذخیره کردن الکتریسیته را یافتند.
هوا و آب را میتوان از درون یک لوله توخالی گذراند. این نوع گذشتن را جاری شدن می نامند. هر مایع و هر گازی می تواند جاری شود. رود مایعی است که در حال جاری شدن است و باد گازی است که در حال جاری شدن است. مایعها و گازها را سیال می نامند که به معنی ((جاری یا روان)) است.
گری با آزمایشی که کرد نشان داد که الکتریسیته می تواند از میان اجسام بگذرد و جاری شود. پس الکتریسیته هم یک سیال است. از آن زمان به بعد بود که اصطلاح سیال الکتریکی در میان مردم رایج شد.
بعد ازآن گری کوشش کرد تا بداند که الکتریسیته چه فاصله ای را می تواند بپیماید. گلوله عاج را از نخی که به چوب پنبه سر لوله شیشه ای بسته بود آویزان کرد. گلوله عاج، هر بار که او لوله شیشه ای را مالش می داد، پرها را می ربود. گری نخی را که گلوله عاج از آن آویزان بود دارازتر و دارازتر می کرد، تا اینکه طول آن به 9 متر رسید و گلوله همچنان پرها را جذب می کرد.
گری می خواست که طول نخ را همچنان بیشتر کند، ولی نمی توانست، زیرا وقتی که طول نخ به 9 متر رسید، مجبور شد که روی بام خانه خودش بایستد. بنابراین، فکر دیگری کرد. تصمیم گرفت که در کارگاه خودش نخ تابیده بسیاردرازی را چند بار از یک گوشه سقف تا گوشه دیگر امتداد بدهد و نخها را به وسیله میخ به سقف بند کند. به این ترتیب، بیش از صد متر نخ را به صورت رفت و برگشت بر سقف کارگاه امتداد داد. دو سر این نخ دراز از سقف آویزان بود. گری لوله شیشه ای را به یک سر نخ و گلوله عاج را به سر دیگر آن بست. اما در این حالت هر قدر لوله شیشه ای را مالش داد، گلوله عاج پرها را نرو بود.
ناگهان چنین به نظر می رسید که الکتریسیته از جریان بازایستاده است. آیا درازی بیش از اندازه نخ سبب آن بود؟ آیا او سرانجام توانسته بود بیشترین مسافتی را که الکتریسیته می توانست بپیماید پیدا کند؟
نه، این نظر درست نبود، زیرا در این حالت ، حتی لوله شیشه ای هم بعداز مالش داده شدن پرها را نمی ربود. این تصور درست نبود که الکتریسیته از جریان بازایستاده است ، بلکه اصلا الکتریسیته ای وجود نداشت . او کاری انجام داده بود که آزمایش را خراب می کرد، کاری که در آزمایشهای پیشین انجام نداده بود. این کار چه می توانست باشد؟
گری می دید که در آزمایش های پیشین نخ را به صورت آویزان نگاه می داشت، ولی در این آزمایش آن را به سقف میخ کرده است. آیا میخها آزمایش او را خراب کرده اند؟ شاید سیال الکتریکی از راه میخها وارد سقف شده و از آنجا هم به هوای آزاد رفته است. شاید کلفت بودن میخها سبب شده است که سیال الکتریکی به آسانی از آنها بگذرد و وارد سقف شود. آیا بهتر نیست که نخ را با چیز نازکتری یه سقف بند کند؟
گری کمی نخ ابریشمی نازک و محکم داشت. نخ ابریشمی را به تکه های کوتاهی تقسیم کرد. یک سر هر تکه را به یکی از میخها بست و سر دیگر آن را به نخ تابیده درازی، که بیش از سی متر طول آن بود، گره زد. حالا سیال الکتریکی، هنگامی که از نخ تابیده می گذشت نمی توانست به میخها برسد، زیرا برای این کار می بایست نخست از نخهای ابریشمی بسیار نازک بگذرد. اگر نخهای ابریشمی به قدر کافی نازک بودند و از گذشتن سیال الکتریکی جلوگیری می کردند، در این صورت سیال الکتریکی در نخ تابیده باقی می ماند و آزمایش به نتیجه می رسید.
گری دست به آزمایش زد و این بار موفق شد. سیال الکتریکی از سرتاسر نخ تابیده سی متری گذشت. وقتی که گری لوله شیشه ای را در یک یر نخ مالش می داد، در سر دیگر آن گلوله عاج پرها را می ربود.
حالا گری شروع کرد که به طول نخ سی متری بیفزاید. او این کار را آن قدر ادامه داد که نخهای ابریشمی سنگینی نخ را نتوانستند نحمل کنند و پاره شدند. آن وقت، تصمیم گرفت که به جای نخهای ابریشمی سیم برنجی به کار ببرد. وقتی که این کار را انجام داد ، متوجه شد که سیال الکتریکی بازهم راهی پیدا کرده است و رفته است . راه فرار سیال الکتریکی جز سیم های برنجی چیز دیگری نمی توانست باشد. اما گری به نکته دیگری هم توجه کرد و فهمید که جنس سیم بیش از کلفتی یا نازکی آن باید اهمیت داشته باشد.
گری بازهم به آزمایشهای بیشتری پرداخت و سرانجام فهمید که الکتریسیته از فلزها آسانتر می گذرد تا از هر چیز دیگری. فلز، یا هر ماده دیگری که الکتریسیته را به آسانی از خود می گذراند، رسانا نامیده می شود. هر چیزی که ، مانند ابریشم ، الکتریسیته را به آسانی از خود نمی گذراند نارسانا نامیده می شود.
حالا گری می فهمید که چرا بعضی از چیزها، مانند کهربا و شیشه و گوگرد، بر اثر مالش الکتریسیته دار می شوند. همه آنها چیزهای نارسانا هستند. وقتی که آنها را مالش می دهیم، پر از الکتریسیته نمی تواند به جای دیگری برود.
وقتی که یک قطعه فلز را، که رساناست، مالش می دهیم، الکتریسیته در هر چیزی که با آن قطعه فلز در تماس ایت وارد می شود. الکتریسیته چنان آسان و با چنان سرعتی می گذرد که چیزی از آن در قطعه فلز باقی نمی ماند. اگر یک قطعه فلز با ماده ای که نارساناست تماس پیدا کند، هر چه سیال الکتریکی در آن ماده نارسانا وجود داشته باشد از راه آن قطعه فلز از ماده نارسانا خارج می شود.
در سال 1731 میلادی (1110 شمسی)، گری با چند تکه فلز و چند تکه صمغ به آزمایش تئوری خودش پرداخت. صمغ مایع چسبناکی است که از ساقه بعضی از درختان و گیاهان به بیرون تراوشمی کنند و در هوای آزاد منجمد و سخت می شود. صمغ منجمد چیزی است مانند کهربا و نارساناست. گری یک تکه فلزی را روی قطعه بزرگی صمغ گذاشت و این بار فلز را نه با دست ، بلکه با یک دستمال ابریشمی مالش داد . ابریشم ماده ای است نارسانا. در این آزمایش فقط صمغ و ابریشم و هوا با فلز در تما بودند که هر سه نارسانا هستند. بر اثر مالش، فلز الکتریسیته دار شد و چون فلز فقط با اجسام نارسانا در تماس بود، الکتریسیته نتوانست از آنها بگذرد و به جای دیگری برود. به همین سبب فلز مالش داده شده نیز پرها را به خود جذب کرد.
گری برای آزمایش تئوری خودش به آزمایش دیگری نیز دست زد. او پسر بچه ای را به کمک ریسمانهای ابریشمی محکمی از سقف آویزان کرد و بازوی او را با دستمال ابریشمی مالش داد. بعد از مدتی بدن آن پسر بچه و حتی لباسهای او پرها را به خود جذب کردند.
گری با این آزمایشها نشان داد که هر چیز را بر اثر مالش می توان با سیال الکتریکی پر کرد.
مثبت و منفی
خبر آزمایشهای الکتریکی از اقیانوس اطلس گذشت و به پنسیلوانیا ، که در آن زمان یکی از مستعمرات انگلستان در امریکا بود، رسید. در سال 1747 میلادی (1126 شمسی) یک بطری لید از انگلستان برای بنجمین فرانکلین ، دانشمند آمریکایی، به پنسیلوانیا فرستاده شد. بنجمین فرانکلین از خود می پرسید: سیال الکتریکی از کجا می آید؟ وقتی که کسی یک میله شیشه ای را مالش می دهد و آن را پر از الکتریسیته می کند، آیا الکتریسیته ای که در میله شیشه ای وجود دارد از دست آن شخص وارد میله شیشه ای می شود؟ در این صورت، خود آن شخص چگونه دارای الکتریسیته شده است ؟ آیا آن را از زمین گرفته است؟
فرانکلین تصمیم گرفت که با انجام دادن آزمایشهایی به این نکته پی ببرد. او یک تکه بزرگ موم تهیه کرد و از مردی خواست که روی تکه موم بایستد. موم ماده ای است نارسانا. بنابراین ، تا وقتی که آن مرد رویموم ایستاده بود، جز با هوای دور و برش و تکه موم با چیز دیگری تماس نداشت و هیچ الکتریسیته ای نمی توانست وارد بدن او شود.
مردی که روی تکه موم ایستاده بود یک میله شیشه ای در دست داشت. او به همان روش معمولی میله شیشه ای را مالش داد. میله الکتریسیته دار ار کجا وارد میله شیشه ای شده است؟ بعد به سوال خودش این طور جواب داد: الکتریسیته می بایست از بدن این مرد وارد میله شیشه ای شده باشد. بدن او همیشه دارای الکتریسیته بوده است، ولی الکتریسیته بدن او، به دلیلی که برای ما معلوم نیست، خودش را نشان نمی داده است. آن مرد وقتی میله شیشه ای را مالش داد، مقداری از الکتریسیته بدنش وارد میله شیشه ای شد. اما درباره خود او چه می توان گفت؟ بدن او مقداری از الکتریسیته خود را از دست داده است ، ولی چه نتیجه ای از این کار حاصل شده است؟
فرانکلین تصمیم گرفت که در این باره آزمایش بیشتری بکند. تکه موم بزرگ دیگری تهیه کرد و آن را نزدیک تکه موم قبلی گذاشت و از مرد دیگری خواست که روی آن بایستد. مرد نخستین، که میله شیشه ای الکتریسیته دار را به دست داشت، میله را به تن مرد دوم زد و در نتیجه سیال الکتریکی وارد بدن او شد. مرد دوم الکتریسیته دار شده بود و پرها به تن او چسبیدند. اگر او انگشت خود را به جسم رسانایی نزدیک می کرد، جرقه ای می زد و آن وقت تن او دیگر الکتریسیته دار نبود. تن او از بار الکتریکی خالی می شد.
فرانکلین از آزمایشهایی که انجام داده بود چنین نتیجه گرفت: هر چیزی از پیش دارای مقداری سیال الکتریکی است، ولی چیزی را نمی رباید و چنین به نظر می رسد که الکتریسیته دار نیست . بر اثر مالش مقداری از سیال الکتریکی یک چیز محو می شود یا مقداری سیال الکتریکی به خورد آن داده می شود. آن وقت ، سیال الکتریکی آن چیز یا بیشتر از مقدار معمولی می شود یا کمتر از آن . در هر دو حالت آن چیز دارای بار الکتریکی خواهد بود. اگر سیال الکتریکی آن بیش از مقدار معمولی باشد، بار الکتریکی مثبت خواهد بود. اگر سیال الکتریکی آن کمتراز مقدار معمولی باشد، بار الکتریکی منفی خواهد بود. اگر دو چیز بار الکتریکی مثبت داشته باشند، همدیگر را می رانند. هر یک از آن دو بیش از اندازه معمول الکتریسیته دارد و به الکتریسیته ای که در دیگری موجود است نیازمند نیست. اگر دو چیز بار الکتریکی منفی داشته باشند، همدیگر را می رانند. هر یک از آن دو کمتر از اندازه معمول الکتریسیته دارد و هیچ کدام الکتریسیته اضافی ندارد که به دیگری بدهد.
اما اگر یکی از دو چیز دارای بار الکتریکی مثبت و دیگری دارای بار الکتریکی منفی باشد، وضع دیگری پیش می آید. چیزی که دارای بار الکتریکی مثبت است دارای سیال الکتریکی اضافی است که می تواند آن را از دست بدهد. در حالی که چیز دیگر با کمبود سیال الکتریکی روبروست و به سیال الکتریکی بیشتری نیاز دارد. به همین سبب، این دو چیز همدیگر را می ربایند و همین که با یکدیگر تماس پیدا کردند، سیال الکتریکی از چیزی که دارای بار الکتریکی مثبت است به آن چیزی که دارای بار الکتریکی منفی است می رود. آن وقت ، هر دو چیز به مقدار مناسب الکتریسیته خواهند داشت و هیچ کدام دارای بار الکتریکی نخواهد بود. در این حالت می گویند که دو بار الکتریکی مخالف همدیگر را خنثی کرده اند.
فرانکلین همین نکته را نیز آزمایش کرد. از یکی از آن دو مرد خواست که میله شیشه ای را مالش دهد و نوک آن را به انگشت مرد دوم بزند. وقتی که این کار انجام گرفت ، یکی از آن دو دارای سیال الکتریکی بیشتر از مقدار لازم بود و دیگری دارای سیال الکتریکی کمتر از مقدار لازم. بنابراین، هر دو دارای بار الکتریکی بودند. یکی بار الکتریکی مثبت داشت و دیگری بار الکتریکی منفی.
آن وقت ، فرانکلین از آنها خواست که دست خود رات بلند کنند و انگشتان خود را به یکدیگر بزنند. همین که این کار انجام گرفت، سیال الکتریکی از بدنم یکی به بدن دیگری پرید، میان انگشتان آنها جرقه درخشانی زد و هر دو در انگشتهای خود احساس لرزش کردند. سپس هیچ کدام از آن دو دارای بار الکتریکی نبود.
اما حالا این سوال پیش آمده بود که کدام بار الکتریکی مثبت است و کدام منفی. وقتی که شیشه را با ابریشم مالش می دادند، آیا سیال الکتریکی شیشه سرانجام بیش از مقدار معمولی می شد یا کمتر از آن؟ راهی وجود نداشت که فرانکلین بتواند پاسخ این پرشس را بدهد. بنابراین، سعی کرد که با حدس و گمان این موضوع را دریابد.
فرانکلین چنین نظر داد که وقتی که شیشه را مالش بدهد، سیال الکتریکی آن کمتر از مقدار معمولی می شود و بنابراین، شیشه دارای بار الکتریکی منفی خواهد بود. معنی این گفته آن بود که وقتی که میله صمغی را مالش بدهند، در میله صمغی بارالکتریکی مثبت به وجود خواهد آمد. بار الکتریکی همه چیزهای دیگر را با بار الکتریکی شیشه و صمغ مقایسه می کردند. اگر چیزی، بعد از الکتریسیته دار شدن ، مانند شیشه الکتریسیته دار عمل می کرد، می گفتند که آن چیز بار الکتریکی منفی دارد. اگر مانند صمغ الکتریسیته دار عمل می کرد، می گفتند که دارای بار الکتریکی مثبت است.
سالها بعد ، دانشمندان ، وقتی که توانستند درباره پدیده های طبیعی عمیق تر بیندیشند و از حقایق و روشهای تازه تری ، که فرانکلین به آنها دسترسی نداشت، استفاده کنند، فهمیدند که فرانکلین در این باره اشتباه کرده و حدس درست نزده است . آنها فهمیدند که شیشه پس از مالش داده شدن دارای بار الکتریکی مثبت و صمغ پس از مالش داده دارای بار الکتریکی منفی می شود. با این همه اشتباه در اساس تئوری فرانکلین تاثیری ندارد.
به این ترتیب، فرانکلین با این آزمایش ثابت کرد که آذرخش یک جرقه الکتریکی است و الکتریسیته ای که در ابرها به وجود می آید مانند الکتریسیته ای است که در آزمایشگاه می توان تولید کرد.
فرانکلین کار دیگری نیز انجام داد. در سال 1747 میلادی (1126 شمسی) او با بطری لیدی که از انگلستان برایش فرستاده بودند آزمایش می کرد. اما بعدها بطری هایی به کار برد که نوک بیرونی میله برنجی آنها، به جای اینکه صاف یا گلوله شکل باشد، تیز بود. فرانکلین فهمید که وقتی که میله برنجی نوک تیز باشد، بار الکتریکی بطری به آسانی خالی می شود . در حقیقت، وقتی که نوک میله برنجی مانند نوک سوزن بود، الکتریسیته دار کردن بطری بسیار دشوار می شد. البته وارد کردن بار الکتریکی بیدرنگ از راه میله نوک تیز فرار می کرد.
فرانکلین نشان داده بود که ابرها و زمین ، به هنگام رعد و برق، مانند یک بطری لید بسیار بزرگ عمل می کنند. به همین سبب، به این فکر افتاد که شاید یک میله نوک تیز بتواند سبب تخلیه بار الکتریکی میان ابرها و زمین شود.
فرض کنیم که میله نوک تیزی را بر بالای بام خانه ای نصب کنیم و آن را به وسیله سیم به زمین اتصال دهیم. در این صورت، در خانه و دور و بر آن بار الکتریکی زیاد انباشته نخواهد شد، زیرا هر بار الکتریکی ای که تولید شود از راه میله نوک تیز به زمین خواهد رفت و هرگز تخلیه الکتریکی شدیدی میان ابرها و خانه به وجود نخواهد آمد. به گفته دیگر، خانه از برق زدگی محفوظ خواهد ماند. این میله نوک تیز را که بر بلندترین نقطه ساختمانها نصب می شود برقگیرمی نامند.
فرانکلین در سال 1753 میلادی، یعنی یک سال بعد از آزمایشی که با بادبادک انجام داد، به مردم آموخت که چگونه در خانه های خود برقگیر بگذارند. از آن به بعد نصب برقگیر در ساختمانهای سراسر مهاجنشیهای امریکایی و در همه کشورهای اروپا معمول شد.
این نخستین باری بود که دانش انسان درباره الکتریسیته در خدمت مردم سراسر جهان قرار می گرفت.
قانون کولن
وقتی که اصول الکتریسیته ساکن دا مورد مطالعه قرار می دهیم بسیار مهم است که برای محاسبه نیروهای حاصل از یک مجموعه از بارهای الکتریکی ، بر قانون کولن به خوبی مسلط باشیم و به ویژه ، باید به خوبی درک کنیم که اصل اثر مستقل بارهای الکتریکی در حل مسائل چگونه می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
در اینجا مسائل این بخش و حل آنها طوری ارائه می گردد تا ترتیب استفاده از این اصل به ویژه در حل مسائل بخشهای 19،20و21 مشخص شود. در عین حال این مسائل به خواننده فرصت می دهد که روشی را که عموما برای یافتن تعادل اجسام و دستگاههای جدا از هم به کاربرده می شود مورد تجدیدنظر قرار دهید.
در حل مسائل مربوط به محاسبه بارهای الکتریکی، به پایداری تعدل بارها توجه کنید ( مثلا ، اگر تعادل بارq در مسئله 299 نسبت به حرکت در امتداد خط مستقیمی که تمام سه بار را به هم متصل می سازد پایدار باشد، نسبت به حرکت در کلیه امتدادذهای دیگرز ناپایدار خواهد بود). این حالت خاصی از یک قضیه عمومی است که می گوید غیرممکن است که بتوان تعادل پایداری در دستگاهی از بارهای الکتریکی آزاد به دست آورد.
در صورتی که بارها بر حسب کولن و فاصله بر حسب متر باشد، قانون کولن را طوری بنویسید که نیرو را بتوان بر حسب نیوتن به دست آورد.
میدان الکتریکی – شدت میدان
مفهوم اصلی یک میدان الکتریکی و کمیتهایی که آن را توصیف می کنند یکی از مشکلترین بخشهای این دوره است و باید به طور کامل یاد گرفته شود.
به این دلیل این بخش از کتاب بر روی ساده ترین مسائل مربوط به کاربرد رابطه F=eE، توزیع بار بر روی سطح رساناهایی که در یک میدان الکتریکی قرار گرفته اند و بالاخره بر حرکت اجسام باردار تحت تاثیر نیروهای میدان الکتریکی تکیه دارد.
بسیاری از مسائل این بخش ماهیت کیفی دارد و طوری طرح شده اند که به طور ساده نیروها را محاسبه نکنند بلکه رفتار بارها را در رساناها تحت تاثیر میدان الکتریکی خارجی توضیح دهند و نیز چگونگی تغییرات میدان را وقتی که رساناها در آن میدان قرار می گیرند تشریح کنند.
ظرفیت و خازنها
یکی از مشکلترین مسائل، مربوط به رابطه بین اندازه بارهای موجود بر روی صفحات خازن و شدت میدان داخل خازن است. چگونگی تغییر اندازه بارهای موجود بر روی صفحات و نیروهای موثر بین اجسام (یا یک خازن) هنگامی که در محیطهایی با خواص دی الکتریکی متفاوت قرار می گیرند، نیز مشکل است.
اما درباره تغییر تاثیر متقابل دو جسم بارداری که در یک دی الکتریک فرو می روند زمانی که بارهای آنها ثابتند یا وقتی که پتانسیل آنها ثابت می ماند، برخی از دانش آموزان فکر می کنند که این تاثیر متقابل در هر شرایطی به نسبت گذر دهی محیط کاهش می یابد.
به منظور جلوگیری از چنین سوء تعبیری، دانش آموز باید با دقت، مفهوم فیزیکی ظرفیت را به عنوان کمیتی که اثر شکل، ابعاد و موقعیت مکانی یک جسم و خواص محیط را با روابط بین پتانسیل و بار جسم به حساب می آورد، در نظر بگیرد. به منظور به دست آوردن یک تصویر ذهنی از تغییرات یک میدان الکتریکی وقتی که یک جسم در محیطهای مختلف قرار می گیرد باید دقت ویژه ای به رابطه این تغییرات با شرایطی که تحت آن شرایط این محیطها تغییر می کنند مبذول نمود.
میدان مغناطیسی حاصل از جریان الکتریکی
بیشترین مسائل این بخش درباره خواص و ویژگیهای میدان مغناطیسی حاصل از جریان در رابطه با بسته شدن خطوط نیروی میدان بحث می کند. از آنجا که این مسائل تا خدودی مبتنی بر مواردی خارج از برنامه دبیرستانها است ، پیشنهاد می شود که آنها را به عنوان فوق برنامه مورد بحث قرار دهید. بر روی مسائل مربوط به کارهای انجام شده به وسیله نیروی میدان مغناطیسی حاصل از جریان در یک حلقه بسته دقت ویژه ای باید مبذول شود.
نیروهای موثر در یک میدان مغناطیسی بر رساناهای حامل جریان
اگر دانش آموز حتی قاعده دست چپ را برای حالتی که امتداد شدت جریان بر خطوط نیروی میدان مغناطیسی عمود است به درستی بداند چنانچه جریان با خطوط نیرو زاویه حاده بسازد، در پیدا کردن امتداد و جهت نیروی وارد بررسانا دچار مشکلاتی می شود.
مشکلتر از این مورد هنگامی است که بخواهیم چگونگی حرکت یک رسانا را وقتی که خطوط نیرو زوایای مختلفی با امتداد جریان در بخشهای متفاوت یک رسانا تشکیل می دهند بررسی کنیم. همین اندازه مشکل است که اثر ناشی از ناهمگنی میدان را بر یک رسانا در ساده ترین حالت بررسی کنیم. تمام مسائل این بخش دقیقا با این موارد سروکار دارند. در موقع حل مسائل، وقتی می خواهید نیروهای وارد بر قسمتهای مختلف رساناها را در شرایط گوناگون پیدا کنید باید به ترتیب به کار بردن قاعده دست چپ دقت ویژه ای داشته باشید.