تعریف: برق ساکن به عدم تعادل چارج برقی بر روی سطح یک جسم گفته می‌شود. این پدیده نوعی از انرژی پتانسیل برقی است و هنگامی رخ می‌دهد که چارج‌های مثبت(پروتون‌ها) و چارج‌های منفی(الکترون‌ها) یک جسم به تعداد مساوی نباشند.

اولین کسی که پدیده برق ساکن را مشاهده و ثبت کرد، تالس(Thales of Miletus) فیلسوف و دانشمند یونانی بود. او مشاهده کرد که وقتی کهربا (Amber) که در یونانی به آن الکترون می‌گفتند با پارچه پشمی مالش داده شود، می‌تواند اجسام سبک مانند پر یا کاه را به خود جذب کند.

کلمه “ساکن” به این معنی است که چارج‌ها حرکت نمی‌کنند و در همان محل تجمع خود باقی می‌مانند، تا زمانی که مسیری برای تخلیه پیدا کنند. مانند جرقه‌ای که هنگام دست زدن به یک دستگیره فلزی به آن مواجه می‌شوید، که در واقع تخلیه چارج های برقی می‌باشند که با قدم زدن روی فرش‌ها در بدن شما تجمع نموده و با تماس با دستگیر فلزی به آن انتقال می یابد.

علت اصلی ایجاد برق ساکن اکثرا نتیجه مالش یا اصطکاک دو ماده مختلف به یکدیگر می‌باشد، که باعث انتقال الکترون‌ها می‌شود که در نتیجه؛ یکی از اجسام الکترون اضافه پیدا می‌کند(چارج منفی)، و جسم دیگر کمبود الکترون پیدا می‌کند(چارج مثبت).

در این ویدیو-انیمیشن، چگونگی شکل گیری برق ساکن به وضوح تشریح شده است. 

در جدول ذیل تعدادی از تفاوت‌های بین برق ساکن و جاری، بیان شده اند.

واحد اندازه گیری چارج برقی

واحد اصلی اندازه گیری چارج برقی که اساس آن برق ساکن است، در سیستم بین المللی (SI) کُلمب است و به حرف C نشان داده میشود.

مقدار آن برابر است به 1C = 6,242 × 10¹⁸e یعنی یک کولمب چارج شامل تقریبا 6.242 کوینتیلیون الکترون است.

​خواص فیزیکی چارج‌های برقی

​چارج برقی یک خاصیت بنیادی فیزیکی ماده است که دارای چهار ویژه‌گی کلیدی ذیل می‌باشد:

​الف) نوعیت چارج‌ها

​چارج‌های برقی به دو نوع مثبت(پروتون‌ها) و منفی(الکترون‌ها) تقسیم می‌شوند. وقتی تعداد چارج‌های مثبت و منفی در یک جسم برابر باشند، جسم خنثی است.

اتوم‌ها منبع اصلی چارج‌های برقی می‌باشند.

در این ویدیو-انیمیشن به تشریح ساختار اتوم پرداخته شده است.

ب) قوه‌های جذب و دفع بین چارج‌ها

چارج‌های هم نوع(مثبت با مثبت یا منفی با منفی) یکدیگر را دفع می‌کنند. چارج‌های مختلف النوع (مثبت و منفی) یکدیگر را جذب می‌کنند.

ج) بقای چارج

قانون بقای چارج بیان می‌دارد که چارج برقی در یک سیستم بسته نه تولید و نه از بین می‌رود، بلکه صرفاً از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌گردد.

​د) کوانتیده ‌بودن چارج

چارج برقی همیشه به شکل بسته‌های کامل(کوانتا) منتقل می‌شود. یعنی چارج هر جسم باید یک مضرب درست(صحیح) از چارج بنیادی(چارج یک الکترون، e) باشد.

یعنی: q = ne   در اینجا … ± n = ± 1 ± 2 ± 3 یک عدد صحیح است و نمیتواند کسری باشد. q تعداد چارج برقی و e = 1,6 × 10^-19C یک مقدار ثابت است.

تجربه قطره روغن میلیکان

تجربه قطره روغن میلیکان در سال ۱۹۰۹م قوی‌ترین و معروف‌ترین شواهد تجربی برای کوانتیده بودن چارج برقی را ارائه کرد. هدف از آن اندازه‌گیری دقیق چارج برقی یک الکترون بود، طوریکه ذرات ریز روغن با مالش چارجدار شده و وارد محفظه‌ای بین دو صفحه فلزی موازی با چارج برقی مخالف می‌شدند. با تنظیم ولتاژ بین صفحات، قوهٔ برقی (F_e) به سمت بالا، قوهٔ جاذبه (F_g) و قوهٔ شناوری را که به سمت پایین وارد می‌شدند، خنثی می‌کرد.

هنگامی که قطرات در حالت تعادل(ساکن یا با سرعت ثابت) قرار می‌گرفتند، قوهٔ خالص صفر می‌شد، از آنجا که F_e = qE و F_g = mg، می‌توان چارج قطره (q) را محاسبه کرد. در نتیجه میلیکان مشاهده کرد که چارج‌های محاسبه شده برای تمامی قطرات روغن، همواره مضرب‌های صحیح از یک مقدار ثابت و حداقل هستند. او به این مقدار حداقل، چارج بنیادی یا الکترون نام گذاشت. این آزمایش به وضوح نشان داد که چارج برقی، برخلاف کمیت‌هایی مانند کتله یا طول که می‌توانند هر مقداری داشته باشند، به صورت بسته‌ای یا کوانتومی وجود دارد و قابل تقسیم به مقادیر کوچکتر از الکترون نیست.

شکل ذیل نشان دهنده دستگاه میلیکان برای اندازه گیری چارج الکترون می باشد.

مفهوم عمل متقابل چارج‌ها (Charge Interaction)

عمل متقابل چارج‌ها بیان می‌دارد که چارج‌های برقی بر اساس نوعیت‌شان بر یکدیگر قوه وارد می کنند که منجر به دفع و یا جذب آنها می گردد. تاثیر متقابل الکترومقناطیسی یکی از قوای بنیادی طبیعت است که عمل متقابل بین چارج‌های برقی را توضیح می‌دهد.

تصویر ذیل نشان دهنده عمل متقابل بین چارج همنوع می‌باشد.

طریقه های چارجدار ساختن اجسام

اجسام را به سه طریق میتوان چارجدار ساخت:

۱) طریقه مالش(Friction): این عدم تعادل چارج‌ها معمولاً از طریق مالش دو ماده عایق به یکدیگر ایجاد می‌شود که باعث انتقال الکترون‌ها از یک سطح به سطح دیگر شده و سبب می گردد که یکی از اجسام الکترون اضافی(چارج منفی) و دیگری کمبود الکترون (چارج مثبت)داشته باشند.

در این ویدیو به تشریح عملی این موضوع پرداخته شده که نشان می‌دهد، چگونه اجسام از طریق مالش چاچدار می‌شوند.

۲) القای برقی (Electrostatic Induction): نزدیک شدن یک جسم چارجدار به یک جسم خنثی نیز می‌تواند باعث قطبی شدن چارج برقی و ایجاد چارج برقی در جسم خنثی شود.

در این ویدیو به تشریح عملی این موضوع پرداخته شده است که چگونه یک جسم چاچدار بالای یک جسم خنثی عمل نموده و سبب چارج دار شدن آن می گردد.

۳) طریقۀ تماس (Charging by contact)

در فیزیک به آن هدایت یا کاندکشن (Conduction) نیز گفته می‌شود، یکی از روش‌های چارجدار ساختن اجسام است. در این طریقه، یک جسم چارجدار با یک جسم خنثی(یا دارای چارج کمتر) تماس فیزیکی مستقیم برقرار می‌کند.

این روش چگونه کار می کند؟

یک جسم، مثلاً یک میله دارای چارج منفی با یک هادی خنثی مثل یک کره فلزی تماس داده می‌شود. به دلیل وجود قوۀ دافعه بین چارج‌های همنوع در میله و هادی، چارج‌ها تلاش می‌کنند تا از یکدیگر دور شوند. این امر باعث می‌شود که الکترون‌های اضافی(چارج‌های منفی) از میله به سطح کره فلزی خنثی جریان پیدا کنند. چارج‌های منتقل شده فوراً در سراسر سطح هادی(کره) توزیع می‌شوند تا به حالت تعادل برسند. پس از جدا کردن میله، هادی خنثی چارج‌هایی را که کسب کرده یا از دست داده حفظ می‌کند. مهم‌ترین نکته در طریقۀ تماس این است که جسم خنثی، پس از تماس، با همان نوع چارج جسم اول (چارج القاکننده) چارجدار می‌شود.

در اینجا دو مورد قابل توجه اند:

• اگر جسم اولیه مثبت باشد، جسم خنثی نیز مثبت می‌شود (با از دست دادن الکترون).
• اگر جسم اولیه منفی باشد، جسم خنثی نیز منفی می‌شود (با کسب الکترون).

این روش برای اجسام هادی‌ بسیار مؤثر است، زیرا الکترون‌های آزاد می‌توانند به راحتی بین دو جسم جریان پیدا کنند.

کاربردهای عملی تخلیه چارج‌های برقی(Electrical Discharge)

تخلیه برقی کنترل‌شده در صنایع و فناوری‌های مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد طور مثال ماشینکاری تخلیه برقی (EDM) یک روش تولید است که در آن از جرقه‌های برقی کنترل‌شده برای برش یا شکل‌دهی دقیق مواد سخت و هادی‌ها استفاده می‌شود.

تصویر ذیل ایجاد قوس برقی در برش کاری فلزات را نشان می‌دهد.

چراغ‌های رنگه: لامپ‌های فلورسنت، نیون و برخی لامپ‌های LED با استفاده از تخلیه برقی در گاز برای تولید نور کار می‌کنند.

 پدیده‌های طبیعی برق ساکن

​برق ساکن در طبیعت و زندگی روزمره ما فراوان می‌باشند که در ذیل به تعدادی از آنها اشاره شده است.

رعد و برق: بزرگترین و قویترین نمونه تخلیه چارج برقی در طبیعت هستند.

در اثر حرکت و برخورد قطرات آب و بلورهای یخ در داخل ابرها، چارج‌های برقی انباشته می‌شوند و اختلاف پتانشیل عظیمی بین قسمت‌های مختلف ابر یا بین ابر و زمین ایجاد می‌گردد. زمانیکه این اختلاف پتانسیل به اندازه کافی بزرگ شود، هوا برقی شده و مسیر هدایتی ایجاد می‌کند و تخلیه ناگهانی و قدرتمندی(رعد و برق) رخ می‌دهد که بعضا می تواند خیلی خطرناک باشد.

تجربه‌های روزمره

جرقه زدن دستگیره دروازه پس از راه رفتن روی فرش(بخصوص در هوای خشک) بدن ما چارج برقی جمع می‌کند و با لمس یک جسم فلزی(هادی)، این چارج به صورت یک جرقه کوچک تخلیه می‌شود.

چسبیدن لباس‌ها به هم یا به بدن: به دلیل انباشته شدن چارج های مخالف روی الیاف‌ها ایجاد می‌گردد.

سیخ شدن موها: در اثر مالیدن شانه یا پوقانه به موها، چارج برقی منتقل می‌شود و موهای با چارج همنوع یکدیگر را دفع می‌کنند.

خلاصۀ مفاهیم کلیدی

۱ . تعریف برق ساکن (Static Electricity): برق ساکن ناشی از نابرابری (عدم تعادل) چارج‌های برقی(الکترون‌ها) روی سطح یک جسم است.

۲ . چارج‌های برقی: چارج برقی در طبیعت دو نوع است: مثبت(پروتون‌ها چارج بینادی مثبت) و منفی(الکترون‌ها چارج بنیادی منفی).

۳ . جذب و دفع: چارج‌های همنوع(مثبت با مثبت یا منفی با منفی) یکدیگر را دفع می‌کنند و چارج‌های مختلف النوع یکدیگر را جذب می‌کنند.

۴ . روش های چارجدار ساختن اجسام: اجسام معمولاً به سه طریق ذیل چارجدار می‌شوند:

• مالش(اثر تریبوالکتریک): انتقال الکترون‌ها توسط اصطکاک.
• تماس(Conduction): انتقال چارج مستقیم بین دو جسم.
• القا(Induction): چارج‌دار ساختن یک جسم از فاصله، بدون تماس.