ما هي الكهرباء الساكنة ؟

ما هي الكهرباء الساكنة ؟
WHAT IS STATIC ELECTRICITY?

عندما تمشي على سجادة وتصل إلى مقبض الباب.......... تشعر برعشة !

أو عندما تدخل إلى داخل البيت من مكان بارد , تسحب قبعتك عن رأسك ....... واو ! كل شعرك سيقف على أطرافه. ما الذي يحدث؟ ولماذا فقط يحدث في الشتاء؟

الجواب هو : الكهرباء الساكنة

لفهم ماهية الكهروستاتيكية , يجب أن نتعلم قليلاً عن طبيعة المادة . بكلمات أخرى مما تتكون المواد حولنا؟

كل شيء يتكون من الذرات:

لنتخيل أننا نقسم حلقة من الذهب الخالص إلى قسمين ، ثم نأخذ أحد القسمين ونقسمه إلى قسمين ثم نستمر في التقسيم مرات كثيرة جداً ، إذا أمكن لنا ذلك . سنحصل على أجزاء صغيرة لن نستطيع رؤيتها بدون مجهر. إنها صغيرة جداً ولكنها لا تزال ذهبا . إذا استمريت في عملية التقسيم بعد ذلك تصل إلى جزء صغير جداً من الذهب يسمى ذرة . أما عملية تقسيم الذرة ذاتها فهو أمر آخر لا دخل له بموضوعنا .

كل شيء حولنا يتكون من ذرات. وقد وجد العلماء لغاية الآن 115 نوعا مختلفاً من الذرات. كل شيء تراه هو عبارة عن اتحاد عدد من هذه الذرات.

أجزاء الذرة :

إذاً مما تتكون الذرات؟؟ في وسط كل ذرة توجد نواة وكل نواة تحتوي نوعين من الجسيمات ( بروتونات و نيوترونات ). يدور حول النواة جسيمات أصغر هي الإلكترونات. الـ 115 ذرة تختلف عن بعضها بسبب اختلاف عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات فيها.

من المفيد التفكير في نموذج للذرة يشبه النظام الشمسي. النواة في مركز الذرة , كما هي الشمس في مركز المجموعة الشمسية . الإلكترونات تدور حول النواة كما تدور الكواكب حول الشمس . الإلكترونات بعيدة جداً عن النواة . لكن هذا النموذج ليس دقيقا تماماً ولكن يمكن استخدامه للمساعدة في فهم الكهرباء الساكنة .

(لاحظ : النموذج الأدق يبين الإلكترونات تتحرك في ثلاث محاور بأشكال مختلفة تسمى مدارات) .

الشحنات الكهربائية:

البروتونات, النيوترونات والالكترونات تختلف كثيراً عن بعضها. كل له خواصه المختلفة وإحدى هذه الخواص هي الشحنة الكهربائية. البروتونات ذات شحنة موجبة , الإلكترونات سالبة والنيوترونات لا شحنة لها. شحنة بروتون واحد لها نفس قيمة شحنة الكترون واحد . وعندما يتساوى عدد الإلكترونات مع عدد البروتونات في ذرة ما فإن هذه الذرة متعادلة أي شحنتها الكلية صفر.

الإلكترونات تستطيع الحركة:

البروتونات والنيوترونات مرتبطة معاً في النواة بقوة كبيرة جداً . عادةً النواة لا تتغير . لكن بعض الإلكترونات الخارجية يمكن فقدها بسهولة ويمكنها الحركة من ذرة الى أخرى . الذرة التي تخسر الكترونات عندها شحنات موجبة ( بروتونات ) أكثر من الشحنات السالبة ( الالكترونات ) ولذا تصبح موجبة الشحنة . أما الذرة التي تكسب الكترونات تصبح عندها شحنات سالبة أكثر من الشحنات الموجبة ولذا تصبح سالبة الشحنة.

بعض المواد الكتروناتها مرتبطة جداً بأنوية ذراتها ولذا لا تتحرك خلالها بسهولة. هذه المواد تدعى مواد عازلة ( بلاستيك , قماش , زجاج والهواء الجاف ). المواد التي تتحرك الكتروناتها خلال الذرات تدعى مواد موصلة ( معظم المعادن موصلة جيدة ).

كيف نستطيع تحريك الإلكترونات من مكان إلى آخر؟؟؟؟؟ إحدى الطرق الشائعة هي بدلك جسمين ببعضهما .إذا كانا من مواد مختلفة عازلة, الإلكترونات ممكن أن تنتقل من أحدهما إلى الآخر . كلما دلكت أكثر كلما انتقل عدد أكبر من الإلكترونات وكلما كان نم الشحنه على الجسمين أكبر.

يعتقد العلماء أن الدلك والاحتكاك ليسا سبب انتقال الالكترونات وإنما ببساطة الاتصال بين الأجسام المختلفة. الدلك فقط يزيد من مساحة الاتصال بينهما .

الكهروستاتيكية هي عدم التوازن بين كمية الشحنة الموجبة وكمية الشحنة السالبة على جسم.

الشحنات المتعاكسة تتجاذب والمتشابهة تتنافر:

الأجسام المشحونة بشحنات مختلفة تنشد نحو بعضها بينما ذات الشحنات المتشابهة تدفع بعضها البعض بعيداً.

الجسم المشحون أيضا يجذب أي شيء متعادل. فكر كيف تلصق بالوناً بالحائط. إذا دلكت البالون بشعرك فإنك تشحنه فهو سينتزع الكترونات أكثر ويصيح سالباً . قربه من جسم متعادل فتتحرك الشحنات في ذلك الجسم , فإذا كان هذا الجسم موصلاً فإن الإلكترونات ستتحرك بسهولة للجهة البعيدة منه أي أبعد ما يكون عن البالون.. أما إذا كان الجسم عازلاً فإن عدداً قليلا من الالكترونات يبتعد إلى الجهة البعيدة للجسم . في كلتا الحالتين الجهة القريبة من الجسم تصبح موجبة وهذا ما يجعل البالون بلتصق بالحائط .

ولكن ما علاقة ذلك بالصدمة؟ ( الرعشة ) أو الشعر المكهرب ؟ عندما تخلع قبعتك فإنها تدلك بشعرك فتنتقل الإلكترونات من شعرك للقبعة وهو ما يشحن شعرك موجباً. ووتتنافر الشعرات مع بعضها لأن لها نفس الشحنة ويصبح شعرك كما في الأشكال التالية.

وعندما تسير على السجادة فإن الإلكترونات تنتقل من صوفها إلى جسمك مما يجعلك تملك كمية من الالكترونات الزائدة . يد الباب المعدنية موصل جيد للكهرباء مما يسهل انتقال الإلكترونات من جسمك اإليها فتشعر برعشة.

تكون الكهروستاتيكية ملحوظة أكثر في الشتاء حينما يكون الهواء جافاً , وفي الصيف الهواء عالي الرطوبة لا تلحظ ظواهر الكهرباء السكونية. لأن الماء يساعد في انتقال الإلكترونات بعيداً عن جسمك وبذلك لا تتكون شحنة عالية عليه قد تشكل خطراً عليك .

متسلسلة التريبو الكتريك:

عندما تدلك مادتين مختلفتين ببعضهما من ستصبح موجبة ومن ستصبح سالبة؟؟

العلماء رتبوا المواد حسب قدرتها على الاحتفاظ بالكتروناتها أو لخسارتها. هذا الترتيب اطلق عليه (متسلسلة التريبو الكتريك) . سنعرض هنا بعضاً من عناصر هذه السلسلة . في ظروف مثالية , إذا دلكت مادتين معاً , فإن المادة في أعلى السلسلة تفقد الكترونات وتصبح موجبة والمادة في أسفله تكتسب الإلكترونات وتصبح سالبة.

متسلسلة التريبو الكتريك
يدك
الزجاج
شعرك
النايلون
الصوف
الفرو
الحرير
الورق
القطن
المطاط
البوليستر
البلاستيك

قانون حفظ الشحنة:

عندما نشحن شيئاً بالكهرباء الستاتيكية فلن يكون هناك فناء للإلكترونات ولن تظهر بروتونات جديدة . الإلكترونات فقط تنتقل من مكان إلى آخر. الشحنة الكلية تبقى ثابتة. هذا ما يدعى بمبدأ حفظ الشحنة .

قانون كولوم:

الأجسام المشحونة تولد حولها مجالاً كهربائياً غير مرئي, تعتمد شدته على عدة أشياء: كمية الشحنة, المسافة وشكل الأجسام. ولذا لتسهيل الدراسة سنتعامل مع شحنات نقطية تكون صغيرة جداً مقارنة بالمسافة بينها.

شارلز كولوم اكتشف المجال الكهربائي عام 1780. لقد وجد أن القوة الكهربائية بين الشحنات النقطية تعتمد على حاصل ضرب شحناتها, أي أنه كلما زادت كمية الشحنة زادت قوة المجال. وأن المجال يتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين الشحنات. هذا يعني أنه كلما زادت المسافة بين الشحنات ضعفت القوة بينهما. ويمكن كتابة هذا كقانون:

ق = أ ( ش1 × ش2 ) / ف2

حيث ش الشحنة , ف المسافة بين الشحنتين, أ ثابت التناسب ويعتمد على الوسط العازل بين الشحنتين .

يمكننا أن نجرب معاً:

ملاحظه للأمان:

* من فضلك إقرأ كل التعليمات كاملة فبل البدء بالعمل.

* حاول استعمال الجزء من الجسم الذي يحمل أكبر شحنه ( الذي دلك أكثر ) عند عمل هذه التجارب .

* يفضل عمل هذه التجارب في جو جاف .

التجربة الاولى: الحبيبات المتأرجحة:

ما نحتاجه:

مشط بلاستيكي أو مطاط صلب أو بالون , خيط , حبوب صغيرة جافة (أرز منفوش مثلاً)

طريقة العمل:

1- اربط واحدة من الحبوب بقطعة من الخيط طولها حوالي 12 سم. وثبت الطرف الاخر للخيط بشيء ما كحافة الطاولة مثلاً.

2- اغسل المشط لتزيل عنه أي أثر للدهون ثم جففه جيداً.

3- اشحن المشط بتمريره عدة مرات في شعر طويل جاف ونظيف. أو ادلكه بقطعة من الصوف .

4- قرب المشط من الحبوب المعلقة . إنها سوف تتأرجح محاولة ملامسة المشط , ابقهِ حتى تبتعد الحبة لوحدها عن المشط.

5- يمكنك عمل هذه التجربة باستبدال المشط ببالون.

ما حدث: عند استعمال المشط لتمشيط الشعر تحركت إلكترونات من شعرك إلى المشط , المشط سيشحن سالباً . الحبوب المتعادلة تنجذب نحو المشط في البداية فتتحرك بعض الإلكترونات إليها فتشحن سالباً وتتنافر مع المشط وتبتعد عنه.

التجربة الثانية: الماء المحني :

ما نحتاجه:

قطعة مطاط صلبة أو مشط بلاستيكي أو بالون.

مغسلة المطبخ وصنبور ماء.

طريقة العمل :

1- افتح الصنبور قليلاً لتحصل على خط رفيع جداً من الماء سمكه حوالي 3 مم .

2- اشحن البالون بدلكه بشعرك وهو جاف عدة مرات أو ادلكه بسترتك.

3- قرب البالون ببطء من الماء وراقب الماء وهو ينحني نحوه .

4- يمكنك عمل التجربة باستخدام مشط بدلاً عن البالون .

ماحدث:

الماء المتعادل انجذب نحو المشط وتحرك نحوه.

التجربة الثالثة: اضاءة مصباح باستخدام بالون:

ما نحتاجه:

بالون أو مطاط صلب.

غرفو معتمة .

مصبح فلورسنت (وليس مصباح عادي).

ملاحظة للأمان: لا تستخدم أباريز الكهرباء في الحائط.

امسك المصباح جيداً حتى لا ينكسر ويؤذيك.

طريقة العمل:

1- خذ المصباح والمشط إلى غرفة معتمة.

2- اشحن المشط بدلكه بشعرك أو بسترتك جيداً لأننا نحتاج كمية كبيرة من الشحنة لهذه التجربة.

3- اجعل المصباح يلامس الجزء المشحون من المشط وراقب ما يحدث. يجب أن ترى شرارات صغيرة. جرب ملامسة عدة أجزاء من المصباح.

ماحدث:

عندما لامس المصباح المشط انتقلت الإلكترونات منه إلى المصباح مسببة ظهور الشرارات الصغيرة. في الحالة العادية الإلكترونات التي تضيء المصباح مصدرها مصدر قدرة كهربائي .

التجربة الرابعة: الكهروسكونية في الصيف:

ما نحتاجه:

بالون, ساعة .

طريقة العمل:

1- ادلك البالون بشعرك أو بسترتك. الصقه بالحائط وراقب كم من الوقت يبقى ملتصقاً قبل أن يقع.

2- اعد نفس الخطوات السابقة في الحمام بعد استعماله من قبل شخص آخر لعمل شاور ساخن.

ما حدث:

في الحمام , الماء في الهواء وعلى الجدار يساعد على انتقال الشحنات عن البالون بسرعة. في الصيف الهواء رطب والكهرباء السكونية لا تظهر بشكل جيد لأن الشحنات لا تبقى على الأجسام بل تنتقل إلى الهواء الرطب. أما في الشتاء حيث الهواء جاف فتكون ملحوظة أكثر وتستمر الشحنات على الأجسام لفترة أطول.