كيف تتحرك الشحنات الكهربائية. الشحنة الكهربائية هي خاصية محفوظة. لا يمكن تغيير صافي شحنة نظام معزول. إنها مقدار الشحنة الموجبة مطروحًا منها مقدار الشحنة السالبة.
أيضًا، تحمل الجسيمات دون الذرية شحنة كهربائية، تمامًا كما في المادة العادية تحمل الإلكترونات شحنة سالبة والبروتونات تحمل شحنة موجبة في نوى الذرات – اتبع موقع جديد اليومة لمعرفة كيفية نقل الشحنة الكهربائية.
ما هو المقصود بالشحنة الكهربائية؟
الشحنة الكهربائية هي الخاصية الأساسية لأشكال المادة لإظهار التجاذب أو التنافر الكهربائي في وجود مادة أخرى.
تمامًا كما أن الشحنة الكهربائية هي خاصية للعديد من الجسيمات دون الذرية، نظرًا لأن شحنات الجسيمات الفردية هي مضاعفات عددية للشحنة الأولية e، فإننا نقول إن الشحنة الكهربائية هي كمية.
كان مايكل فاراداي أول من لاحظ الطبيعة المنفصلة للشحنة الكهربائية في تجاربه مع التحليل الكهربائي.
أكدت تجربة قطرة الزيت التي أجراها روبرت ميليكين هذه الحقيقة مباشرة وقامت بقياس الشحنة الأولية.
تم العثور على نوع واحد فقط من الجسيمات، وهو الكواركات، يحتوي على شحنة جزئية تبلغ -1/3 أو +2/3.
لكن يُعتقد أنها تحدث دائمًا كمضاعفات الشحنة المتكاملة، وهي كواركات لم يتم مواجهتها من قبل.
شاهد أيضاً: كيف تم اكتشاف الكهرباء في العالم
شحنة كهربائية
إذا كانت قطعة من المادة تحتوي على إلكترونات أكثر من البروتونات، فستكون لها شحنة سالبة.
إذا كان الرقم أقل، فسيكون له شحنة موجبة، وإذا كانت الأرقام متساوية، فسيكون محايدًا.
إنه عدد صحيح مضاعف للوحدات الصغيرة الفردية تسمى الشحنة الأولية، e، حوالي 1.602 × 10-19 كولوم.
إنها أصغر شحنة يمكن أن توجد بحرية (الجسيمات التي تسمى الكواركات لها أصغر شحنة من مضاعفات 1 / 3e.
لكنه لا يوجد إلا في تركيبة، ودائمًا ما يندمج لتكوين جزيئات بالشحنة الصحيحة.)
شحنة البروتون هي + e، في حين أن الإلكترون له شحنة −e.
وحدة الشحنة الكهربائية
وحدة الشحنة الكهربائية المشتقة من النظام الدولي للوحدات هي كولوم (C)، الذي سمي على اسم الفيزيائي الفرنسي تشارلز أوغستين دي كولوم.
في الهندسة الكهربائية، غالبًا ما تستخدم ساعة الأمبير – (آه)، بينما في الفيزياء والكيمياء، عادةً ما تستخدم شحنة العنصر (هـ) كوحدة.
تستخدم الكيمياء ما يسمى ثابت فاراداي كشحنة لكل مول من الإلكترونات، وعادة ما يُشار إليها بالرمز الصغير q للشحنة.
حقل كهرومغناطيسي
تحتوي الشحنة الكهربائية على مجال كهربائي، وعندما تتحرك الشحنة، فإنها تخلق أيضًا مجالًا مغناطيسيًا.
الجمع بين المجال الكهربائي والمغناطيسي يسمى المجال الكهرومغناطيسي، وتفاعله مع الشحنات هو مصدر القوة الكهرومغناطيسية، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة في الفيزياء.
تسمى دراسة التفاعلات التي تتم بوساطة الفوتون بين الجسيمات المشحونة بالديناميكا الكهربية الكمية.
الاستقرار النسبي
بالإضافة إلى الخصائص الموصوفة في مقالات حول الكهرومغناطيسية، فإن الشحنة ثابتة نسبية.
هذا يعني أن أي جسيم شحنة q، بغض النظر عن مدى سرعته، له دائمًا شحنة q.
تم اختبار هذه الخاصية بشكل تجريبي، حيث تبين أن شحنة نواة هيليوم واحدة (بروتونان ونيوترونان مرتبطان معًا في النواة ويتحركان بسرعة عالية).
هذه هي نفس شحنة نواتين من الديوتيريوم (بروتون واحد ونيوترون واحد مرتبطان معًا ولكنهما يتحركان ببطء أكثر مما لو كانا في نواة الهليوم).
نقل الشحنات الكهربائية
لماذا يقف شعر هذه الفتاة مستقيماً في الصورة أعلاه؟ تلمس جهازًا يسمى “مولد فان دي جراف”.
تحتوي القبة الموجودة أعلى الجهاز على شحنة كهربائية سالبة، وعندما تضع الفتاة يدها على القبة، فإنها تصبح أيضًا مشحونة سالبة، حتى طرف كل شعرة!
هذا يطرح السؤال: ما الذي يجعل الشعر لا يزال قائما؟
الجواب: كل الخيوط أصبحت سالبة الشحنة فتتنافر كالشحنات فتبتعد الخيوط عن بعضها وتتوقف عند نهاياتها.
نقل الإلكترون
تلقت الفتاة في الصورة شحنة سالبة لأن الإلكترونات تتدفق إليها من مولد فان دي جراف.
لأن المادة المحايدة تصبح مشحونة عندما تتحرك الإلكترونات بين الأشياء، يحدث هذا حتى للذرات الفردية.
تمتلك الذرات المحايدة شحنة كهربائية لأنها تحتوي على نفس عدد الإلكترونات السالبة مثل البروتونات الموجبة.
ومع ذلك، عندما تفقد الذرات إلكترونات أو تكتسبها، فإنها تصبح جسيمات مشحونة تسمى أيونات.
يمكنك أن ترى كيف يحدث هذا في الصورة أدناه حيث تفقد الذرة الإلكترونات لتصبح أيونًا موجبًا أو كاتيونًا.
عندما تكتسب الذرة إلكترونات، تصبح أيونًا سالبًا أو أنيونًا.
إقرأ أيضاً: معلومات عن الهندسة الكهربائية
احفظ الشحنة
مثل تكوين الأيونات، يعتمد تكوين مادة مشحونة بشكل عام على انتقال الإلكترونات إما بين مادتين أو داخل مادة.
يمكن الإشارة إلى ثلاث طرق يمكن من خلالها حدوث ذلك: التوصيل والاستقطاب والاحتكاك.
جميع الطرق الثلاثة موصوفة أدناه، ومع ذلك، بغض النظر عن كيفية نقل الإلكترونات، تظل الشحنة الإجمالية.
كما هو الحال دائما؛ تتحرك الإلكترونات لكنها لا تدمر، وهذا هو قانون حفظ الشحنة.
توصيل
يعد نقل الإلكترونات من مولد Van de Graaf إلى الفتاة مثالًا على التوصيل حيث يحدث التوصيل.
عندما يكون هناك اتصال مباشر بين المواد التي تختلف في قدرتها على التبرع أو قبول الإلكترونات.
ينشئ مولد Van de Graaff أيضًا شحنة سالبة على القبة، لذلك يميل إلى التخلي عن الإلكترونات.
الأيدي البشرية مشحونة إيجابياً، لذا فهي تميل إلى قبول الإلكترونات، لذلك تتدفق الإلكترونات من القبة إلى يد الفتاة عندما تقوم بالاتصال.
لا يتطلب توصيل مولد من Van de Graaf، كما قد يحدث عندما تمشي عبر سجادة من الصوف بأحذية مطاطية.
عندما يميل الصوف إلى إعطاء الإلكترونات ويميل المطاط إلى قبولها، فإن السجاد ينقل الإلكترونات إلى حذائك في كل مرة تطأ فيها قدمك.
لذلك، يؤدي انتقال الإلكترونات إلى جعلها سالبة وتصبح السجادة مشحونة بشكل إيجابي.
الاستقطاب
لنفترض أنك مشيت على سجادة صوفية مرتدية أحذية بنعل مطاطي وشحنة سالبة.
إذا لمست بعد ذلك مقبض الباب المعدني، فإن الإلكترونات الموجودة في المعدن المحايد سوف تتنافر وتبتعد عن يدك حتى قبل أن تلمس المقبض.
وهكذا، يصبح أحد طرفي القلم موجب الشحنة والآخر سالبًا، وهذا ما يسمى الاستقطاب.
يحدث الاستقطاب عندما تتحرك الإلكترونات داخل جسم محايد بسبب المجال الكهربائي لجسم مشحون قريب.
يحدث هذا بدون اتصال مباشر بين الجسمين، وتوضح الصورة أدناه كيفية حدوث الاستقطاب.
وهذا يطرح السؤال التالي: ماذا يحدث عندما يكون القضيب البلاستيكي سالب الشحنة في الرسم البياني بجوار اللوح المعدني المحايد؟
الإجابة هي: تنفجر الإلكترونات في اللوح، بفضل الشحنات السالبة في اللب، تبتعد الإلكترونات عن اللب.
يؤدي هذا إلى أن يصبح أحد جانبي الصفيحة موجب الشحنة والآخر سالبًا.
احتكاك
هل فركت بالونًا منفوخًا في شعرك؟ يمكنك أن ترى ما يحدث في الصورة أدناه، فهذا يسبب احتكاكًا بين البالون والشعر.
يمكنك “فصل” الإلكترونات عن شعر البالون لأن البالون يجذب الإلكترونات بقوة أكبر من الشعر.
بعد انتقال الإلكترونات، يصبح البالون سالبًا ويصبح الشعر موجب الشحنة.
تتحرك الخيوط الفردية بعيدًا عن بعضها البعض، وتقف في نهايتها، لأن الشحنات تتنافر.
ينجذب منطاد الهواء والشعر لبعضهما البعض لأن الشحنات المعاكسة تتجاذب.
يتم نقل الإلكترونات بهذه الطريقة كلما كان هناك احتكاك بين المواد التي تختلف في قدرتها على التبرع أو قبول الإلكترونات.
اخترنا لكم ما هي السيارات الكهربائية؟
كيف تتحرك الشحنات الكهربائية عندما تتحرك الإلكترونات بين الأشياء، تصبح المادة المحايدة مشحونة ؛ على سبيل المثال، عندما تفقد الذرات إلكترونات أو تكتسبها، فإنها تصبح جسيمات مشحونة تسمى أيونات.