الشحنة الكهربائية
8-1 الشحنة الكهربائية
Electric Charge
رابط الدرس الرقمي
[www.ien.edu.sa](http://www.ien.edu.sa)
تجربة استهلالية
أي القوى تؤثر عن بعد؟
سؤال التجربة
ماذا يحدث عند دلك مسطرة بلاستيكية بقطعة صوف ثم تقريبها إلى قصاصات ورقية؟
الخطوات
- ضع (100 - 150) قصاصة ورق، مما ينتج عن استعمال الخرامة، على الطاولة.
- خذ مسطرة بلاستيكية، وادلكها بقطعة صوف.
- قرب المسطرة إلى القصاصات، ولاحظ تأثيرها فيها.
التحليل
ماذا حدث لقصاصات الورق عندما قربت المسطرة البلاستيكية إليها؟ وماذا حدث للقصاصات التي التصقت بالمسطرة؟ هل لاحظت نتائج غير متوقعة عندما قربت المسطرة إلى قصاصات الورق؟ إذا كان هناك نتائج غير متوقعة فصفها.
التفكير الناقد
ما القوى المؤثرة في قصاصات الورق قبل تقريب المسطرة إليها؟ وماذا يمكنك أن تستنتج عن القوى المؤثرة في هذه القصاصات بعد تقريب المسطرة البلاستيكية إليها؟
ضع فرضيات توضح التأثير الذي أحدثته المسطرة في القصاصات الورقية، مستعينًا بإجاباتك عن السؤالين السابقين.
الأهداف
- توضح أن الأجسام المشحونة تؤثر بقوى تجاذب وتنافر.
- تثبت أن عملية الشحن هي فصل للشحنات الكهربائية، وليس إنتاجها.
- تصف الاختلافات بين الموصلات والعوازل.
المفردات
- الكهرباء الساكنة، الكهروسكونية.
- الذرة المتعادلة.
- مادة عازلة.
- مادة موصلة.
لعلك مشيت يومًا على سجادة، وقد احتك حذاؤك بنسيجها، مما ولد شرارة كهربائية ظهرت عندما لمست شخصًا آخر. هل هناك تشابه بين هذه الشرارة والبرق؟
لاختبار ذلك، أجرى بنيامين فرانكلين عام 1752م تجربة على طائرة ورقية؛ حيث طير الطائرة، وربط مفتاحًا في نهاية الخيط المتصل بها، وعندما اقتربت عاصفة رعدية من الطائرة لاحظ أن ألياف الخيط الرخوة قد انتصبت وتنافر بعضها عن بعض.
وعندما قرب فرانكلين إصبعه من المفتاح لاحظ حدوث شرارة كهربائية. وكانت هذه تجربة رائعة ولكنها مجازفة خطيرة، ومن حسن حظه أنه نجا، فقد حاول أحد العلماء إعادة التجربة نفسها إلا أنه مات مصعوقًا.
وقد انطلقت بعد ذلك سلسلة من البحوث في مجال الكهرباء، بعدما أظهرت تجربة فرانكلين أن البرق يشبه الشرر الناجم عن الاحتكاك. وتسمى التأثيرات الكهربائية التي تتولد بهذه الطريقة الكهرباء الساكنة.
وفي هذا الفصل ستستقصي الكهرباء الساكنة، الكهروسكونية، وهي دراسة الشحنات الكهربائية التي تتجمع وتحتجز في مكان ما. ويمكن ملاحظة آثار الكهرباء الساكنة على نطاق واسع؛ بدءًا بالبرق، ووصولًا إلى المستوى المجهري للذرات والجزيئات. أما الكهرباء التيارية، المتحركة، المتولدة عن البطاريات والمولدات فستدرسها في الفصول اللاحقة.
الأجسام المشحونة
Charged Objects
هل لاحظت انجذاب شعرك نحو المشط عند تمشيطه في يوم جاف؟ لعلك لاحظت أيضًا التصاق الجوارب أحيانًا بعضها ببعض عند إخراجها من مجففة الملابس. ولعلك لاحظت كذلك انجذاب قصاصات الورق إلى المسطرة البلاستيكية الموضحة في التجربة الاستهلالية وفي الشكل 8-1.
من المؤكد وجود قوة ناتجة كبيرة نسبيًا سببت تسارع القصاصات إلى أعلى بمقدار أكبر من تسارعها إلى أسفل الناتج عن قوة الجاذبية الأرضية.
وهناك اختلافات أخرى بين القوة الناتجة وقوة الجاذبية الأرضية؛ فقصاصات الورق لا تنجذب إلى المسطرة إلا بعد دلك المسطرة، كما أن المسطرة تفقد خاصية الجذب هذه بعد فترة قصيرة. أما قوة الجاذبية الأرضية فلا تحتاج إلى دلك حتى تتولد، كما أنها لا تفقد خاصية الجذب.
لقد لاحظ قدماء الإغريق آثارًا مماثلة للمسطرة المدلوكة عندما دلكوا العنبر، الكهرمان. وترجمة كلمة عنبر إلى اللغة اليونانية هي "إلكترون"، وتسمى خاصية الجذب هذه الآن الكهرباء. وتسمى الأجسام التي تبدي تفاعلًا كهربائيًا بعد الدلك الأجسام المشحونة.
الشكل 8-1
يولد دلك مسطرة بلاستيكية بقطعة صوف قوة تجاذب بين المسطرة وقصاصات الورق. وعند تقريب المسطرة أكثر إلى قصاصات الورق تعمل قوة الجذب الكهربائية على تسارع هذه القصاصات رأسيًا إلى أعلى في اتجاه معاكس لتسارع قوة الجاذبية الأرضية.
تجربة عملية
كيف تشحن الأجسام؟
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.
الشحنات المتماثلة
يمكنك استكشاف التفاعلات الكهربائية باستخدام أجسام بسيطة، مثل شريط لاصق. اطو تقريبًا (5 cm) من الشريط حتى يتخذ ذلك الجزء مقبضًا، ثم ثبت الجزء المتبقي من الشريط (8 - 12 cm) على سطح جاف وأملس كسطح الطاولة.
بالطريقة نفسها، ثبت شريطًا آخر مماثلًا للشريط الأول بالقرب منه، ثم اسحب الشريطين بسرعة عن سطح الطاولة، وقرب أحدهما إلى الآخر. ستلاحظ أن هناك خاصية جديدة تجعلهما يتنافران؛ فلقد أصبحا مشحونين كهربائيًا.
ولأنهما أعدا بالطريقة نفسها، فيجب أن يكون لهما النوع نفسه من الشحنات. وهكذا تتوصل إلى أن الجسمين اللذين لهما النوع نفسه من الشحنة يتنافران.
يمكنك معرفة المزيد عن هذه الشحنة بإجراء تجارب بسيطة. فلعلك لاحظت أن الشريط ينجذب إلى يدك، هل ينجذب كلا الجانبين أم أحدهما فقط؟ وإذا انتظرت فترة من الزمن، وخصوصًا في الطقس الرطب، فستلاحظ اختفاء الشحنة الكهربائية. ويمكنك إعادة شحن الشريط مرة أخرى بإلصاقه بسطح الطاولة وسحبه عنها. كما يمكنك إزالة الشحنة عن الشريط بدلك جانبيه بأصابعك بلطف.
الشحنات المختلفة
ألصق الآن شريطًا على سطح الطاولة، ثم ضع الشريط الثاني فوق الأول. وكما هو موضح في الشكل 8-2a، استخدم مقبض الطرف السفلي لكلا الشريطين لسحبهما معًا عن سطح الطاولة، ثم ادلكهما بأصابعك حتى تختفي قوة التجاذب بينهما وبين يدك. لقد أزلت كل الشحنات الكهربائية عنهما.
أمسك مقبض كل شريط بيد، وبسرعة اسحب الشريطين أحدهما بعيدًا عن الآخر، ستجد أنهما قد شحنا، وانجذبا ثانية إلى يديك، فهل سيتنافران؟ لا، سيتجاذبان الآن؛ لأن لهما شحنتين مختلفتين، إلا أنهما لن يبقيا مشحونين فترة طويلة؛ لأنهما سيلتصقان معًا.
هل الشريط هو الجسم الوحيد الذي يمكنك شحنه؟ للإجابة عن هذا السؤال ألصق مرة أخرى شريطًا لاصقًا على سطح الطاولة، وضع شريطًا آخر فوقه. علم الشريط السفلي بالرمز (B)، والشريط العلوي بالرمز (T)، ثم اسحب الشريطين معًا. فرغهما من الشحنات، ثم اسحب أحدهما بعيدًا عن الآخر، وألصق طرف مقبض كل منهما في طرف طاولة أو أسفل غطاء مصباح أو أي جسم مماثل.
ينبغي أن يعلقا بحيث يتدليان إلى أسفل، على أن تكون بينهما مسافة قصيرة. أخيرًا ادلك مشطًا بلاستيكيًا أو قلم حبر بقطعة صوف، وقربه إلى أحد الشريطين، ثم قربه إلى الشريط الآخر. ستلاحظ أن أحد الشريطين ينجذب إلى المشط، بينما يتنافر الآخر معه، كما هو موضح في الشكل 8-2b. يمكنك الآن استكشاف تفاعلات الأجسام المشحونة مع الأشرطة اللاصقة.
حاول شحن أجسام أخرى، مثل كؤوس زجاجية، وأكياس بلاستيكية. ادلكها بمواد مختلفة مثل الحرير والصوف. وإذا كان الجو جافًا فحك حذاءك بالسجاد وأنت تمشي، وقرب إصبعك إلى قطعتي الشريط اللاصق.
ولاختبار الحرير أو الصوف ضع يدك في كيس بلاستيكي، وادلك الكيس بقطعة الصوف أو الحرير، ثم أخرج يدك من الكيس، وقربه هو والقطعة التي دلكتها إلى الشريطين اللاصقين.
ستجذب معظم الأجسام المشحونة أحد الشريطين، وتتنافر مع الآخر، ولن تجد أبدًا جسمًا يتنافر مع كلا الشريطين، إلا أنه يمكن أن تجد بعض الأجسام تجذب الشريطين؛ فمثلًا ستجد أن إصبعك يجذب كلا الشريطين، وستكتشف هذا التأثير لاحقًا في هذا الفصل.
الشكل 8-2
يمكن شحن الأشرطة بشحنات مختلفة في الشكل a، ويمكن استعمالها بعد ذلك لتوضيح التفاعلات بين الشحنات المتماثلة والمختلفة في الشكل b.
أنواع الشحنات
يمكنك من خلال تجاربك إعداد قائمة بالأجسام المعلمة بـ (B)، التي لها نفس شحنة الشريط الملصق على سطح الطاولة. كما يمكنك إعداد قائمة أخرى للأجسام المعلمة بـ (T) التي لها شحنة مماثلة لشحنة الشريط العلوي.
ستلاحظ أن هناك قائمتين فقط؛ لأنه لا يوجد إلا نوعان من الشحنات، أطلق عليهما بنيامين فرانكلين الشحنة الموجبة والشحنة السالبة.
ووفق تسمية فرانكلين فإن المطاط والبلاستيك يشحنان عادة بشحنات سالبة عند دلكهما، أما الزجاج والصوف فيشحنان عادة بشحنات موجبة.
وكما لاحظت أن الشريطين غير المشحونين أصبحا مشحونين بشحنتين مختلفتين بعد سحب أحدهما بعيدًا عن الآخر، لذا يمكنك توضيح أنه عند دلك البلاستيك بالصوف يصبح البلاستيك سالب الشحنة والصوف موجب الشحنة.
ولا يتكون نوعا الشحنات بشكل منفصل، وإنما يتكونان على شكل أزواج. وتشير كل هذه التجارب إلى أن المادة بطبيعتها تحتوي على نوعين من الشحنة: موجبة وسالبة. وبطريقة معينة يمكن فصل نوعي الشحنة. ولاستكشاف ذلك أكثر يتعين عليك تعرف الصورة المجهرية للمادة.
الشكل 8-3
ترتب سلسلة الدلك الكهربائي قائمة المواد من حيث الأكثر فقدًا للإلكترونات عند أعلى السهم إلى الأكثر اكتسابًا للإلكترونات في ذيل السهم.
ترتيب سلسلة الدلك الكهربائي كما يظهر في الشكل
- يد الإنسان، موجب جدًا.
- زجاج.
- شعر الإنسان.
- نايلون.
- صوف.
- فراء الحيوانات.
- حرير.
- ألمنيوم.
- ورق.
- قطن.
- خشب.
- عنبر.
- مطاط البالونات.
- مطاط صلب، إيبونيت.
- نيكل، نحاس، فضة، ذهب.
- بوليستر.
- بولي إيثلين.
- تيفلون، سالب.
دلالة الألوان
- وضحت الشحنات الموجبة باللون الأحمر.
- وضحت الشحنات السالبة باللون الأزرق.
النظرة المجهرية للشحنة
A Microscopic View of Charge
توجد الشحنات الكهربائية في الذرات. وقد اكتشف ج. ج. طومسون عام 1897م أن المواد جميعها تحتوي على جسيمات صغيرة جدًا سالبة الشحنة تسمى الإلكترونات.
وبين عامي 1909 و1911م اكتشف أرنست راذرفورد، تلميذ طومسون من نيوزلندا، أن هناك جسمًا مركزيًا ذا شحنة موجبة تتركز فيه كتلة الذرة تسمى النواة.
وتكون الذرة متعادلة عندما تكون الشحنة الموجبة في النواة مساوية للشحنة السالبة للإلكترونات التي تدور حول النواة.
يمكن إزالة إلكترونات المدارات الخارجية للذرات المتعادلة بإضافة طاقة إليها، وعندها تصبح هذه الذرات التي تفقد إلكترونات موجبة الشحنة. وأي مادة تتكون من هذه الذرات الفاقدة للإلكترونات تكون موجبة الشحنة.
ويمكن أن تبقى الإلكترونات المفقودة حرة غير مرتبطة، أو ترتبط مع ذرات أخرى فتصبح جسيمات سالبة الشحنة. واكتساب الشحنة، من وجهة النظر المجهرية، ما هي إلا عملية انتقال للإلكترونات.
فصل الشحنة
إذا دلك جسمان متعادلان معًا فقد يصبح كل منهما مشحونًا حسب ترتيب المواد في سلسلة الدلك الكهربائي، كما هو موضح في الشكل 8-3.
ففي حالة دلك المطاط بالصوف، كما هو موضح في الشكل 8-4، تنتقل الإلكترونات من ذرات الصوف إلى ذرات المطاط. وتعمل الإلكترونات الإضافية التي اكتسبها المطاط على جعل شحنته الكلية سالبة، في حين تجعل الإلكترونات التي فقدها الصوف شحنته الكلية موجبة.
أما المجموع الكلي للشحنة على الجسمين فيبقى هو نفسه؛ أي أن الشحنة محفوظة؛ وهذا يعني أن الشحنات المفردة لا يمكن أن تفنى أو تستحدث، وكل ما يحدث هو أن الشحنات الموجبة والشحنات السالبة تنفصلان من خلال عملية انتقال الإلكترونات.
العمليات المعقدة التي تؤثر في إطارات سيارة أو شاحنة متحركة يمكن أن تؤدي إلى أن تصبح الإطارات مشحونة. كما أن العمليات التي تحدث داخل السحب الرعدية تجعل أسفل السحابة سالب الشحنة، وأعلاها موجب الشحنة. وفي كلتا الحالتين السابقتين لا تستحدث الشحنة، بل تنفصل.
الشكل 8-4
عند استعمال قطعة صوف لشحن قضيب مطاط تنتقل الإلكترونات من ذرات الصوف إلى ذرات المطاط. وبهذه الطريقة يشحن الجسمان.
الموصلات والعوازل
Conductors and Insulators
أمسك قضيبًا بلاستيكيًا أو مشطًا من منتصفه وادلك أحد طرفيه، ستجد أن الطرف المدلوك فقط أصبح مشحونًا؛ أي أن الشحنات التي انتقلت إلى البلاستيك بقيت في المكان الذي وضعت فيه ولم تتحرك.
وتسمى المادة التي لا تنتقل خلالها الشحنة بسهولة مادة عازلة. فالزجاج والخشب الجاف ومعظم المواد البلاستيكية والملابس والجو الجاف جميعها عوازل جيدة.
افترض أنك وضعت قضيبًا فلزيًا فوق قضيب بلاستيكي معزول. فإذا لمست بعد ذلك أحد طرفي القضيب الفلزي بمشط مشحون فستجد أن الشحنة تنتشر بسرعة داخل القضيب الفلزي.
وتسمى المادة التي تسمح بانتقال الشحنات خلالها بسهولة مادة موصلة. وتعمل الإلكترونات على نقل الشحنة الكهربائية أو توصيلها خلال الفلز. لذا تعد الفلزات موصلات جيدة؛ لأنه يوجد في كل ذرة إلكترون واحد على الأقل يمكن أن ينفصل عنها بسهولة.
وتؤثر هذه الإلكترونات وكأنها تابعة لذرات الفلز جميعها وليس لذرة معينة؛ أي تتحرك هذه الإلكترونات بحرية خلال قطعة الفلز.
والشكل 8-5 يقارن بين سلوك الشحنات عندما توضع على موصل، وسلوكها عندما توضع على عازل. فالنحاس والألومنيوم موصلان ممتازان؛ لذا فهما يستخدمان لنقل الكهرباء. وتعد البلازما، وهي غاز متأين بدرجة كبيرة، والجرافيت موصلين جيدين للشحنة الكهربائية.
الشكل 8-5
تتوزع الشحنات التي توضع على موصل على كامل سطحه الخارجي في الشكل a، بينما تبقى الشحنات على العازل في المكان الذي توضع فيه في الشكل b.
تطبيق الفيزياء
موصل أم عازل؟
من المفيد تصنيف عنصر على أنه موصل فقط أو عازل فقط، إلا أن التصنيف قد يختلف اعتمادًا على الشكل الذي يتخذه العنصر.
فالكربون مثلًا يكون عازلًا في حالة الألماس، أما في الجرافيت فيوصل الشحنة؛ لأن ذرات الكربون في الألماس ترتبط بقوة مع أربع ذرات كربون أخرى، أما في حالة الجرافيت فتكون ذرات الكربون ثلاث روابط قوية، ورابطة رابعة ضعيفة تسمح للإلكترونات بحركة محدودة. لذا يكون الجرافيت أكثر موصلية من الألماس، رغم أن كليهما يتركب من ذرات الكربون.
عندما يصبح الهواء موصلًا
يعد الهواء عازلًا، إلا أنه تحت ظروف معينة تتحرك الشحنات خلاله كما لو كان موصلًا. فالشرارة الكهربائية التي تحدث بين إصبعك ومقبض الباب الفلزي بعد دلك قدميك بالسجاد تفرغ الشحنات من جسمك كما هو موضح في الشكل 8-6؛ فيصبح متعادلًا؛ لأن الشحنات الزائدة الموجودة عليه قد انفصلت عنه.
وبالمثل يفرغ البرق شحنات السحب الرعدية. وفي كلتا الحالتين يصبح الهواء موصلًا للحظات فقط. ولكنك تعرف أنه يجب أن يحتوي الموصل على شحنات حرة الحركة، فمن أين تأتي هذه الشحنات في حالة الهواء العازل؟
لكي تحدث الشرارة أو البرق يجب أن تتكون جسيمات مشحونة حرة الحركة في الهواء المتعادل، وفي حالة البرق تكون الشحنات الزائدة في الغيمة وعلى الأرض كبيرة بشكل كاف لفصل الإلكترونات من جزيئات الهواء.
وتتكون نتيجة ذلك البلازما؛ التي تتكون من الإلكترونات والذرات الموجبة الشحنة والذرات السالبة الشحنة، والتي تعد موصلًا. ويولد تفريغ الشحنات الذي يحدث بين الأرض والسحب الرعدية، من خلال هذه الموصلات، شررًا لامعًا يسمى البرق.
أما في حالة إصبعك ومقبض الباب الفلزي فيسمى تفريغ الشحنات شرارة كهربائية.
الشكل 8-6
تتفرغ الشحنات الكهربائية من جسمك عند اقتراب يدك من مقبض الباب.
8-1 مراجعة
- الأجسام المشحونة: بعد دلك مشط بسترة مصنوعة من الصوف يمكنه جذب قصاصات ورق صغيرة. لماذا يفقد المشط هذه القدرة بعد عدة دقائق؟
- أنواع الشحنات: من خلال التجارب التي مرت في هذا الجزء، كيف يمكنك أن تعرف أي الشريطين (B) أو (T) موجب الشحنة؟
- أنواع الشحنات: كرة البيلسان كرة صغيرة مصنوعة من مادة خفيفة، مثل البولسترين، وتكون عادة مطلية بطبقة من الجرافيت أو الألومنيوم. كيف يمكنك أن تحدد ما إذا كانت كرة البيلسان المعلقة بخيط عازل متعادلة كهربائيًا، أو ذات شحنة موجبة، أو ذات شحنة سالبة؟
- فصل الشحنات: يشحن قضيب مطاط بشحنة سالبة عند دلكه بالصوف. ماذا يحدث لشحنة الصوف؟ ولماذا؟
- شحن الموصلات: افترض أنك علقت قضيبًا فلزيًا طويلًا بخيوط حرير بحيث أصبح القضيب معزولًا، ثم لامست أحد طرفي القضيب الفلزي بقضيب زجاجي مشحون. صف كيف يشحن القضيب الفلزي، وحدد نوع الشحنات عليه.
- الشحن بالدلك: يمكنك شحن قضيب مطاط بشحنة سالبة بدلكه بالصوف. ماذا يحدث عند دلك قضيب نحاس بالصوف؟
- التفكير الناقد: يمكن أن يفترض أحدهم أن الشحنة الكهربائية تشبه الموائع تتدفق من أجسام لديها فائض في المائع إلى أجسام لديها نقص فيه. لماذا يكون نموذج التيار الثنائي الشحنة أفضل من نموذج المائع الأحادي؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.