الشحنة الكهربائية

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

الشحنة الكهربائية

تتكون كل المواد في الكون، من جسم الإنسان إلى النجوم البعيدة، من نوعين من الجسيمات الدقيقة هما الإلكترونات والكواركات. وتكوِّن الكواركات بدورها جسيمات أكبر، تنقسم إلى نوعين هما البروتونات والنيوترونات. وللإلكترونات والكواركات خاصية تسمى الشحنة الكهربائية، حيث تحمل الإلكترونات نوعًا من الشحنات يسمى الشحنة السالبة، بينما تحمل الكواركات إما الشحنات السالبة أو النوع الآخر من الشحنات الذي يسمى الشحنة الموجبة. وتساوي الشحنة الموجبة على البروتون الشحنة السالبة على الإلكترون، وذلك لأن البروتون يحتوي على كواركين يحمل كل منهما ثلثي وحدة شحنة موجبة، وكوارك يحمل ثلث وحدة شحنة سالبة. أما النيوترون فيحتوي على كواركين يحمل كل منهما ثلث وحدة شحنة سالبة وكوارك يحمل ثلثي وحدة شحنة موجبة. وتلغي الشحنات بعضها بعضًا لأن إجمالي الشحنة الموجبة على النيوترون يساوي إجمالي الشحنة السالبة. ولذلك يقال أن النيوترون متعادل كهربائيًا، أي لايحمل شحنة كهربائية إجمالية.

والشحنات المتضادة، أو غير المتشابهة ـ السالبة والموجبة ـ تتجاذب، بينما تتنافر الشحنات المتشابهة ـ الموجبة والموجبة أو السالبة والسالبة. وتنتج قوة التجاذب أو التنافر بين الشحنات عن قوى غير مرئية تسمى المجالات الكهربائية، تحيط بكل جسيم مشحون. وبسبب وجود المجالات، تتجاذب الجسيمات المشحونة أو تتنافر، حتى عندما تكون غير متلامسة.

تتحول الذرة إلى أيون عندما تكتسب أو تفقد إلكترونًا، وتكتسب بذلك شحنة كهربائية. وتحتوي الذرة العادية (إلى اليسار) على عدد مساو من البروتونات الموجبة والإلكترونات السالبة. وإذا فقدت إلكترونًا (إلى اليمين) تتحول إلى أيون موجب الشحنة.
الذرات. تتحد الكواركات لتكوين البروتونات والنيوترونات. وتتحد البروتونات والنيوترونات بدروها مع الإلكترونات لتكوين الذرات. وفي الذرة تترابط النيوترونات والبروتونات لتكوين لب دقيق يسمى النواة.

وتجذب النواة الموجبة الشحنة في الذرة الإلكترونات السالبة الشحنة. والنواة موجبة الشحنة لأنها تحتوي على بروتونات، ولا تحتوي على إلكترونات. وتدور الإلكترونات السالبة حول النواة الموجبة فيما يشبه دوران الكواكب حول الشمس.

ولكل نوع من الذرات عدد مختلف من البروتونات. فالهيدروجين، على سبيل المثال، وهو أبسط الذرات، يحتوي على بروتون واحد في النواة، بينما تحتوي ذرة الأكسجين على 8 بروتونات، والحديد على 26 بروتونًا، واليورانيوم على 92 بروتونًا. وتحتوي الذرة عادة على عدد مساو من البروتونات والإلكترونات. ونتيجة لذلك، تلغي الشحنات السالبة للإلكترونات الشحنات الموجبة للبروتونات، وتصبح الذرة متعادلة كهربائيًا.

الأيونات. تفقد الذرة أو تكتسب أحيانًا إلكترونًا واحدًا أو أكثر. فإذا اكتسبت إلكترونًا تصبح الذرة سالبة الشحنة، بينما تصبح موجبة الشحنة إذا فقدت إلكترونًا. وتسمى الذرات التي تحمل شحنة كهربائية الأيونات. ومعظم الأيونات موجبة الشحنة، ولذلك تعني كلمة أيون، عندما تستخدم بمفردها، الذرة التي فقدت إلكترونًا واحدًا أو أكثر. وتتجاذب الأيونات الموجبة والسالبة، ويمكنها أن تتحد لتكوين المواد الصلبة. فملح الطعام العادي، على سبيل المثال، يتكون من الصوديوم والكلور. وفيه تفقد كل ذرة من ذرات الصوديوم إلكترونًا لتكوين أيون صوديوم موجب. وتتلقى كل ذرة من ذرات الكلور هذا الإلكترون لتكوين أيون كلوريد سالب. وبسبب قوة الجذب الكهربائي بين الأيونات يكون ملح الطعام صلبًا، ودرجة انصهاره عالية.

الجزيئات. تتقاسم الذرات المتعادلة الإلكترونات مع غيرها من الذرات. وتكون الذرات التي تتقاسم الإلكترونات منجذبة بعضها نحو بعض. ويجعل هذا التجاذب الذرات مرتبطة بعضها ببعض لتكوين جزيئات. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تتقاسم ذرتا هيدروجين الإلكترونات مع ذرة أكسجين لتكوين جزئ ماء. وتميل الإلكترونات إلى البقاء قرب ذرة الأكسجين معظم الوقت، مما يعطيها شحنة كهربائية سالبة. وتكتسب ذرتا الهيدروجين شحنتين موجبتين. وتمسك قوة الجذب الكهربائي بين هذه الذرات المشحونة جزئ الماء في حالة ترابط.

الكهرباء الساكنة. في بعض الأحيان يفقد عدد كبير من ذرات جسم ما الإلكترونات أو يكتسبها. وعندما يحدث مثل هذا الفقدان أو الاكتساب يكتسب الجسم كله شحنة كهربائية. ويصف مصطلح الكهرباء الساكنة الأوضاع التي تحمل فيها الأجسام شحنة كهربائية.

تحدث الكهرباء الساكنة، على سبيل المثال، عندما تفرك قميصك ببالون، حيث يسبب احتكاك البالون بالقميص انتقال الإلكترونات من القميص إلى البالون، مما يؤدي إلى اكتساب القميص لشحنة كلية موجبة، نظرًا لاحتوائها على عدد من البروتونات أكبر من الإلكترونات، واكتساب البالون لشحنة كلية سالبة لاحتوائها على إلكترونات زائدة. ولذلك يلتصق البالون بالقميص أو بأي سطح آخر مثل الجدار.

ويشبه ذلك ما يحدث عندما تمشي فوق سجاد في يوم جاف، حيث يؤدي الاحتكاك بين حذائك والسجاد إلى انتقال الإلكترونات من جسمك إلى السجاد، معطيًا جسمك شحنة كهربائية موجبة. وعندما تلمس مقبض الباب أو أي جسم فلزي آخر، تقفز الإلكترونات من الجسم الفلزي إلى جسمك، وحينئذ قد تشاهد شرارة وتحس بصدمة خفيفة.

وينتج البرق عن الكهرباء الساكنة. فالعلماء يعتقدون أن قطرات المطر المحمولة في رياح السحب البرقية تكوِّن شحنات كهربائية، حيث تصبح أجزاء من السحاب مشحونة بشحنة موجبة، بينما تصبح أجزاء أخرى مشحونة بشحنة سالبة. وقد تقفز الشحنات بين أجزاء السحاب المختلفة، أو من السحاب إلى الأرض، مما يؤدي إلى توليد الشرارة الكهربائية الضخمة التي نسميها البرق.

وللكهرباء الساكنة استخدامات عديدة في المنازل والمؤسسات والمصانع. فأجهزة النسخ التي نراها في المكاتب، على سبيل المثال، ناسخات كهروستاتية، تصنع نسخًا من المادة المطبوعة أو المكتوبة بجذب جسيمات التونر (الحبر المسحوق) إلى الورقة الموجبة الشحنة. وتستخدم الكهرباء الساكنة أيضًا في المنظفات الهوائية المسماة المرسِّبات الكهروستاتية. فهذه النبائط تشحن جسيمات الغبار والدخان والبكتيريا وحبوب اللقاح في الهواء بشحنات كهربائية موجبة. وتنقي ألواح تجميع سالبة الشحنة الهواء بجذب هذه الجسيمات الموجبة الشحنة إلى داخل المنظف.

الموصلات والعوازل
تنتقل الشحنات الكهربائية عبر بعض المواد بدرجة أفضل من انتقالها عبر مواد أخرى، حيث تنتقل بسهولة عبر مواد تسمى الموصلات. وتقاوم مواد تسمى العوازل انتقال الشحنات الكهربائية.

التيار الكهربائي في الفلزات
الموصلات. تحتوي المواد الموصلة للكهرباء على جسيمات مشحونة تتحرك بحرية عبر المادة. وعند تطبيق شحنة كهربائية إضافية على الموصل تنتشر الجسيمات المشحونة على سطح المادة. والجسيمات الحرة في معظم الموصلات إلكترونات غير مرتبطة بالذرات، وأيونات في موصلات أخرى.

والفلزات موصلات جيدة لأنها تحتوي على عدد كبير من الإلكترونات الحرة، ولذلك تصنع معظم الأسلاك المستخدمة في نقل الطاقة الكهربائية من الفلزات، وخاصة النحاس. وبعض السوائل أيضًا موصلات. فالماء المالح، على سبيل المثال، موصل للكهرباء لأنه يحتوي على أيونات صوديوم وكلوريد حرة الحركة داخل السائل.

وبعض الغازات أيضًا موصلات. ففي حالة تسخين غاز ما إلى درجات عالية تتحرك ذراته بسرعة عالية تؤدي إلى تصادمها، بعضها ببعض، بشدة، مما يجعل الإلكترونات تنفلت منها، وعندئذ يتحول الغاز إلى نوع من الموصلات الكهربائية يسمى البلازما. ومن أمثلة البلازما الغاز الساخن المتوهج داخل المصباح الفلوري، والغازات الساخنة التي تكوِّن الشمس والنجوم الأخرى.

وفي معظم الموصلات تتصادم الإلكترونات المتحركة مع الذرات باستمرار، وتفقد الطاقة، ولكنها تتحرك بحرية تامة، ولا تفقد أي طاقة، في بعض المواد التي تسمى الموصلات الفائقة. وتتطلب الموصلات الفائقة درجات منخفضة جدًا لتؤدي وظيفة توصيل الكهرباء، ولذلك يستخدم هذا النوع من الموصلات في بعض الحالات الخاصة، وقد يستخدم في المستقبل في صناعة المحركات ذات الكفاءة العالية والمولدات وخطوط القدرة.

العوازل. في العوازل تكون الإلكترونات مرتبطة بإحكام بذراتها، ولا تستطيع التحرك بحرية. وعند تطبيق شحنة كهربائية إضافية على العازل تبقى الشحنة في مكانها، ولا تتحرك عبر المادة. ومن أمثلة العوازل الزجاج والمطاط والبلاستيك والهواء العادي الجاف.

والعوازل مهمة في السلامة الكهربائية، حيث تصنع معظم الحبال الكهربائية من مادة موصلة مغطاة بمادة عازلة مثل المطاط أو البلاستيك. ويستطيع الشخص لمس الحبل المغطى بالمادة العازلة حتى في حالة اتصال الحبل بمأخذ التيار.

أشباه الموصلات. توصل بعض المواد الشحنة الكهربائية أفضل من العوازل، ولكن ليس بمستوى الموصلات. وتسمى هذه المواد أشباه الموصلات، ومن أكثرها استخدامًا السليكون. وبإضافة كميات صغيرة من مواد أخرى إلى شبه الموصل يستطيع المهندسون ضبط قدرتها على توصيل الشحنة الكهربائية. وأشباه الموصلات مهمة في تشغيل الحواسيب والآلات الحاسبة وأجهزة الراديو والتلفاز وألعاب الفيديو ونبائط أخرى عديدة.

المقاومة. تعني اعتراض المادة لمرور الشحنات الكهربائية عبرها. وتحدث المقاومة عندما تصطدم الإلكترونات المتحركة في المادة بالذرات، وتطلق طاقة في شكل حرارة. والموصلات الجيدة، مثل النحاس، ضعيفة المقاومة، مقارنة بأشباه الموصلات، مثل السليكون. أما العوازل، مثل الزجاج والخشب، فذات مقاومة عالية جدًا، يصعب معها مرور الشحنات الكهربائية عبرها. ولا تشكل الموصلات الفائقة أي مقاومة لمرور الشحنات عبرها.

ولا تتوقف المقاومة على نوع المادة فحسب، بل على حجمها وشكلها أيضًا. فالسلك النحاسي الرقيق، على سبيل المثال، أكثر مقاومة من السلك السميك، والسلك الطويل أكثر مقاومة من السلك القصير. وقد تتفاوت مقاومة المادة أيضًا حسب درجة الحرارة.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]