مختبر الفيزياء

مختبر الفيزياء

الأجسام المشحونة

لاحظت في هذا الفصل ودرست ظواهر تنتج عن فصل الشحنات الكهربائية. وتعلمت أن كلًّا من المطاط الصلب والبلاستيك يميل إلى أن تصبح شحنته سالبة بعد الدلك، في حين يميل كل من الصوف والزجاج إلى يصبح موجب الشحنة.

ولكن ماذا يحدث إذا دلكت جسمين معًا يميل كل منهما إلى أن يصبح سالب الشحنة؟ هل تنتقل الإلكترونات؟ وإذا كان الأمر كذلك فأي المادتين ستكتسب إلكترونات، وأيهما ستفقدها؟

ستصمم في هذه التجربة إجراءات وخطوات لمزيد من الاستقصاءات حول الشحنات الموجبة والسالبة.

سؤال التجربة

كيف يمكنك اختبار قدرة المواد على اكتساب أو فقد الشحنات السالبة؟

الأهداف

• تلاحظ أن المواد المختلفة تميل إلى أن تشحن بشحنة موجبة أو تشحن بشحنة سالبة.
• تقارن بين قدرة المواد على اكتساب الشحنات السالبة والشحنات الموجبة والاحتفاظ بها.
• تفسر البيانات لترتب قائمة بالمواد من الأكثر ميلًا لتصبح سالبة الشحنة إلى الأكثر ميلًا لتصبح موجبة الشحنة.

احتياطات السلامة

توجد رموز احتياطات السلامة في الصفحة دون نص تفصيلي إضافي.

المواد والأدوات

• مسطرة بلاستيكية طولها (15 cm)
• خيط
• حامل
• شريط لاصق
• مواد قابلة للشحن، مثل:

• قضيب مطاطي
• قضيب بلاستيكي
• قضيب زجاجي
• أنبوب البولي فينيل كلورايد (PVC)
• أنبوب نحاسي
• أنبوب فولاذي
• أقلام رصاص
• أقلام حبر
• قطعة صوف
• قطعة حرير
• غلاف طعام بلاستيكي
• أكياس بلاستيكية
• ورق زبد
• ورق ألومنيوم

الخطوات

• انظر إلى الصورة المجاورة لتستفيد منها في تعليق المسطرة البلاستيكية. يفضل غسل المسطرة بالماء والصابون، وتجفيفها تمامًا قبل كل استعمال، وخصوصًا إذا كان الجو رطبًا. اربط الخيط بمنتصف المسطرة، على أن يفصل بينه وبين المسطرة لفة إلى ثلاث لفات من الشريط اللاصق.

• استخدم الحالتين الآتيتين مرجعًا لأنواع الشحنات التي يمكن أن تكون للمواد:

• عند دلك مسطرة بلاستيكية بقطعة صوف تشحن المسطرة البلاستيكية بشحنة سالبة، أما قطعة الصوف فتشحن بشحنة موجبة.
• عند دلك مسطرة بلاستيكية بغلاف طعام بلاستيكي تشحن المسطرة البلاستيكية بشحنة موجبة، أما غلاف الطعام البلاستيكي فيشحن بشحنة سالبة.

• صمم خطوات وإجراءات لمعرفة أي الأجسام تميل إلى أن تشحن بشحنة سالبة، وأيها تميل إلى أن تشحن بشحنة موجبة. جرب مجموعات مختلفة من المواد، ودون ملاحظاتك في جدول البيانات.

• طور اختبارًا لتكشف ما إذا كان جسم ما متعادلًا أم لا. وتذكر أن المسطرة المشحونة قد تنجذب إلى جسم متعادل إذا عملت على فصل شحنات هذا الجسم بالحث.

• تأكد من أن معلمك قد تفحص تجربتك، وعليك الحصول على موافقته قبل متابعة تنفيذ النشاط.

جدول البيانات

| المادة 1 | المادة 2 | الشحنة على المسطرة (+، -، 0) | ملاحظات على حركة المسطرة | الشحنة على المادة 1 (+، -، 0) | الشحنة على المادة 2 (+، -، 0) |
| -------- | -------- | ---------------------------- | ------------------------ | ----------------------------- | ----------------------------- |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |

التحليل

• لاحظ واستنتج: عندما قربت مواد مشحونة بعضها إلى بعض، هل لاحظت وجود قوة بين هذه المواد المشحونة؟ صف هذه القوة.

• صياغة النماذج: أنشئ رسمًا لتوزيع الشحنة على المادتين في إحدى المحاولات. واستخدم الرسم لتوضيح لماذا أثرت المادتان إحداهما في الأخرى بتلك الطريقة خلال تجربتك؟

• استخلص النتائج: أي المواد احتفظت بشحنة فائضة، وأيها لم تحتفظ بالشحنة جيدًا؟

• استخلص النتائج: أي المواد لها ميل لتشحن بشحنة سالبة، وأيها لها ميل لتشحن بشحنة موجبة؟

• فسر البيانات: استخدم جدول بياناتك لتعد قائمة بالميول النسبية للمواد لتصبح موجبة الشحنة أو سالبتها.

الاستنتاج والتطبيق

• وضح المقصود بتعبير الشحنة الفائضة، وعدم التوازن في الشحنة عند الإشارة إلى الكهرباء الساكنة.

• هل تبقى الشحنة الفائضة في المادة أم تنتقل مع مرور الوقت؟

• هل يمكنك إكمال هذا النشاط باستخدام قضيب فلزي بدلًا من المسطرة البلاستيكية المعلقة؟ وضح إجابتك.

• تستعمل الأغلفة البلاستيكية الشفافة لتغطية أوعية الطعام، فلماذا يلتصق الغلاف البلاستيكي الشفاف بعضه ببعض بعد سحبه عن أوعية الطعام التي كان يغطيها؟

التوسع في البحث

راجع المعلومات في كتابك حول الكشاف الكهربائي. وأعد تصميم النشاط على أن تستعمل الكشاف الكهربائي بدلًا من المسطرة البلاستيكية المعلقة؛ لتفحص نوع الشحنة التي على الجسم.

الفيزياء في الحياة

للشاحنات غالبًا حزام مطاطي أو سلسلة متدلية منها تتصل بسطح الطريق. لماذا؟

تقنية المستقبل

المركبة الفضائية والكهرباء الساكنة

Spacecraft and Static Electricity

معظم الأجسام على الأرض لا تتراكم عليها شحنات كهربائية ساكنة كبيرة؛ وذلك بسبب ملامسة سطوح هذه الأجسام لطبقة رطبة تعمل على نقل الشحنات من الأرض أو إليها؛ حيث يمكن للأرض استيعاب أي كمية من الشحنات. كما تعلمت في هذا الفصل، أما في الفضاء فلا توجد رطوبة، كما أن الأرض بعيدة، لذا تصطدم الجسيمات المشحونة التي تنطلق خارجة من الشمس أو تلك الموجودة في ذيل الأيونوسفير بالمركبة الفضائية وتلتصق بها، فتشحن سطح المركبة الفضائية بآلاف الفولتات.

البلازما والشحن

البلازما إحدى حالات المادة، وتتكون من إلكترونات حرة وأيونات موجبة. تكون المركبة الفضائية في مدارها محاطة بسحابة رقيقة من هذه البلازما. وتتحرك الإلكترونات في البلازما بسهولة أكبر من الأيونات الموجبة الضخمة، لذا يميل سطح المركبة الفضائية إلى جذب الإلكترونات؛ فيحدث تراكم للشحنة السالبة. وتجذب هذه الشحنة السالبة بعض الأيونات الموجبة الثقيلة، التي تصطدم بالمركبة الفضائية فتلحق الضرر بسطحها.

هناك صعوبة إضافية على متن محطة الفضاء الدولية، ناجمة عن صفوف الألواح الشمسية التي تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء. فعندما تزود هذه الألواح محطة الفضاء بالطاقة يصبح جهد سطح المركبة قريبًا من جهد الألواح الشمسية. ونتيجة لذلك قد يحدث قوس كهربائي، تفريغ كهربائي يستمر في صورة شرر متكرر الحدوث، بين محطة الفضاء والبلازما المحيطة بها.

عواقب تكون القوس

درجة حرارة الأقواس الكهربائية المتكونة كبيرة جدًا، كما أنها تحمل تيارًا كهربائيًا كبيرًا، لذا يمكنها أن تشعل الصواريخ الموجهة قبل أوان تشغيلها، ويمكنها تفجير براغي التثبيت، وتتداخل مع الحساسات الإلكترونية الخاصة بتشغيل المركبة الفضائية. كما أن الألواح الشمسية معرضة بصورة خاصة لضرر القوس الكهربائي. وإضافة إلى الأضرار التي قد تلحق بمكونات المركبة الفضائية فإن تراكم الشحنة قد يعرض طاقم المركبة إلى الخطر في أثناء سيرهم في الفضاء.

لتفريغ فرق الجهد وحماية المركبة والطاقم يجب أن يوصل السطح الخارجي لمحطة الفضاء بسحابة البلازما المحيطة بها، وذلك بموصل كهربائي يسمى قواطع البلازما. يبدأ التوصيل على متن المحطة في مكان تأين غاز الزينون المتدفق من مستودع في وحدة قواطع البلازما PCU بواسطة تيار كهربائي. ويحدث هذا التأين عند مجمع الكاثود، القطب السالب، ويكون الزينون المتأين في حالة البلازما، ويخرج من المركبة عن طريق مجمع الكاثود.

ويعمل تيار البلازما الموصل على وصل المركبة بسحابة البلازما المحيطة بها، مما يؤدي إلى خفض فرق الجهد إلى مستويات آمنة.

تسميات الشكل

• وحدة قواطع البلازما
• مجمع الكاثود
• مستودع الزينون
• نموذج PCU

تطبيقات مستقبلية

قد تصمم المركبة الفضائية المستقبلية بدمج قواطع البلازما في نظام الدفع. ففي صاروخ البلازما المغناطيسية ذي الدفع النوعي المتغير مثلًا قد يستخدم عادم البلازما الناتج لتوفير الربط الكهربائي بين المركبة الفضائية والبلازما المحيطة بها. ويعتقد العلماء أن هذا النوع من الصواريخ سيستخدم في المستقبل للسفر بين الكواكب.

التوسع

• طبّق: ما الغرض من استخدام قواطع البلازما؟ وإلى أي مدى يشبه استخدام إصبعك في تفريغ الكشاف الكهربائي؟

• ابحث: كيف يمكن للعلماء معرفة مقدار الشحنة على سطح محطة الفضاء الدولية؟