تطبيقات المجالات الكهربائية في الطب
يمكن تعريف المجال الكهربائي بأنه المنطقة المحيطة بجسيم مشحون كهربائيًا أو جسم تتأثر فيه الشحنة بالقوة الكهربائية، وتستخدم المجالات الكهربائية في العديد من التطبيقات بما في ذلك الطب، وفيما يلي أهم هذه التطبيقات:
- العلاج بالمجال الكهربائي المتناوب
هذا نوع من العلاج بالمجال الكهرومغناطيسي يعمل على تعطيل نمو وانقسام الخلايا السرطانية، وله دور أيضا في تباطؤ نمو أورام المخ. تم اختراع أجهزة تصدر موجات تتراوح بين 100-300 كيلو هرتز. وقد حصلت على موافقة من الولايات المتحدة وأوروبا لعلاج الورم الأرومي الدبقي المتكرر، ولكن لم يثبت حتى الآن فعالية هذه الأجهزة بشكل كامل؛ فهي تسبب بعض الآثار الجانبية مثل القضاء على الخلايا السليمة.
- تحفيز العضلات
يتم أيضا استخدام المجال الكهربائي لتخفيف الألم، وذلك عن طريق إنشاء مجال كهربائي في الأنسجة البيولوجية لتحفيز عملية الشفاء أو تعزيزها. يتم إنشاء مجال كهربائي على سطح الجلد لنقل الأيونات المفيدة لعملية الشفاء إلى الجلد أو من خلاله. ويؤدي ذلك إلى تأثير على المستوى الخلوي، مثل تنشيط الأعصاب وتغيير نفاذية غشاء الخلية.
- التئام الجروح
في حالة تلف الأنسجة يحدث إنتاج المجال الكهربائي في موقع الجرح، لذلك يتم استخدام مجالات التيار المتردد النبضي ومنخفض التردد (AC)، المطبقة إما مع أقطاب كهربائية مزروعة أو سطحية، إما لتحفيز أو قمع النشاط العصبي، ووالذي حسن علاج الجروح مقارنة بالعناية القياسية بالجروح.
- التحفيز الكهربائي للجهاز العصبي
يتم استخدام المجال الكهربائي للتحفيز العميق للدماغ، وذلك من خلال وضع أقطاب كهربائية جراحيا في مناطق محددة من الدماغ لتطبيق إشارات النبض التي تثبط الإشارات الذاتية التي تنتج رعشات مرض باركنسون أو نوبات الصرع.
تم استخدام هذه الطريقة بنجاح لاستعادة وظائف العضلات في المرضى الذين عانوا من إصابة كبيرة في النخاع الشوكي، وعلى الرغم من تلف الحبل الشوكي، فإن الجهاز العضلي الذي يحفِّزه عادةً قد يبقى غير تالف ويمكنه استقبال الإشارات وإرسالها إلى العضلات.
تطبيقات المجالات الكهربائية في مجال الطاقة
هناك العديد من استخدامات المجالات الكهربائية في مجالات الطاقة والهندسة على سبيل المثال:
- يستخدم المجال الكهربائي لتحسين السلوك الديناميكي الهوائي ونقل الحرارة والكتلة، وكذلك لتنفيذ التفاعلات الكيميائية مثل عمليات الانحلال الحراري والتغويز.
- تلعب العديد من الأدوار الهامة في تنظيف البيئة، مثل معالجة المياه والنفايات، وتنظيف الأسطح والتطهير.
- تساهم المجالات الكهربائية في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والاحترار العالمي، وتقلل استهلاك ناقلات الطاقة بزيادة الكفاءة، مما يساعد على تقليل انبعاثات الملوثات والملوثات البيئية.
تطبيقات المجالات الكهربائية في مجال الصناعة
- التحكم في التبلور
تعد تأثيرات المجال الكهربائي على التبلور مجالًا جديدًا ونشطًا نسبيًا للبحث، ويتم استخدام المجالات الكهربائية من أجل الحث على التبلور والتحكم في النتيجة البلورية متعددة الأشكال، بالإضافة ألي جودة بلورات البروتين، كما لها دور في فصل المكونات عن المعلقات في مخاليط متعددة المكونات وبلورة النظم الغذائية، كما يتم تغيير الإمكانات الكيميائية وبالتالي فرق الجهد الكيميائي بين السائل والصلب عن طريق تطبيق مجال كهربائي على محلول أو مادة كتلة بلورية. [5]
- نزع الماء الكهربائي
يتم استخدام المجال الكهربائي للمواد السائلة بشكل عام بدلاً من المواد الصلبة بسبب الحركات التاثيرية الناتجة عن المجال الكهربائي، وتعتبر هذه العملية هامة في العديد من الصناعات مثل الخزف وتحسين التربة.
أنواع المجال الكهربائي
يتم تقسيم المجال الكهربائي إلى نوعين أساسين هما :
- المجال الكهربائي المنتظم
يُطلق على المجال الكهربائي الثابت في جميع النقاط المجال الكهربائي المنتظم، حيث يتم الحصول على المجال الثابت عن طريق وضع الموصلين على التوازي مع بعضهما البعض، ويظل فرق الجهد بينهماثابتًا في كل نقطة.
مثال: يمكن إنشاء مجال كهربائي موحد بين لوحين مشحونين متوازيين، ويُطلق عليه اسم المكثف، وتخرج خطوط المجال الكهربائي من اللوحة الموجبة وتنتهي في اللوحة السلبية.
- المجال الكهربائي غير المنتظم
عندما تكون نقاط المجال الكهربائي غير منتظمة، يسمى المجال الكهربائي غير المنتظم، وفي هذا النوع يكون المجال الكهربائي غير منتظمة ومتفاوت في الحجم والاتجاهات.
مثال : ينتج المجال النقطي شعاعًا وتتناسب شدته عكسيًا مع المسافة.
خصائص المجال الكهربائي
- لا يحدث أبدًا تقاطع بين خطوط المجال الكهربائي.
- خطوط مجال الكهرباء تتقاطع بزاوية قائمة مع سطح الشحنة.
- تتناسب كل من حجم الشحنة وعدد خطوط المجال الكهربائي.
- تنطلق خطوط المجال الكهربائي من الشحنة الموجبة وتنتهي عند الشحنة السالبة.
- لا بد من استخدام شحنة واحدة حتى تبدأ أو تنتهي خطوط المجال عند اللانهاية.
- لا يمكن لخطوط الحقل أن تعبر الموصل، وبالتالي، يكون المجال الكهربائي داخل الموصل يساوي الصفر.
- يحدث ضغط جانبي بين خطوط المجال الكهربائي مما يفسر قوة التنافر التي تحدث بينها.
أمثلة على المجالات الكهربائية
- تنشأ المجالات الكهربية من تراكم الشحنات الكهربائية وتشكلاتها مثل المكثفات وخلايا البطاريات.
- توجد منطقة كهربائية خارجية في الموصلات التي تنقل التيار الكهربائي.
- تحتوي الضوء والأشعة السينية وموجات الراديو والموجات الدقيقة والموجات الكهرومغناطيسية على مكونات من المجال الكهربائي.
- – “يتم إنتاج شحنة كهربائية عندما يتم فرك البالون على السترة، مما يؤدي إلى شحن البالون، وبسبب هذه الشحنة يمكن للبالون أن يلتصق بالجدران، ولكن عند وضع البالون مع بالون آخر وفركه تمامًا، فإنهما يطيران في الاتجاه المعاكس.
- عندما يتم فرك المشط في الشعر، يتولد حقل كهربائي حوله، ونتيجة لذلك يتم جذب قلم الرصاص أو الورق إليه.
المجالات الكهربائية بالقرب من الموصلات
يكون الموصل في حالة توازن إلكتروستاتيكي عندما يكون توزيع الشحنة ثابتًا، وعند شحن الموصل، تنتشر الشحنة في الأصل، وفي حالة تحقيق التوازن، تتبع الشحنة والمجال الكهربائي هذه الخصائص
- يحدث الشحن الزائد فقط على سطح الموصل.
- المجال الكهربائي يساوي الصفر داخل الجزء الصلب من الموصل.
- يكون المجال الكهربائي على سطح الموصل عموديًا على السطح.
- تتجمع الشحنة ويكون المجال أقوى على الأجزاء المدببة من الموصل.
في حال وجود موصل سالب الشحنة، أي بوجود إلكترونات زائدة، فإنه يحدث تنافر بين هذه الإلكترونات، حيث يسعون للابتعاد قدر الإمكان عن بعضهم، ويحدث بالتالي انتقالها إلى سطح الموصل، وتوزيعها بحيث يكون المجال الكهربائي داخل الموصل صفرًا.
في حال عدم وجود حقل كهربائي، تتحرك الإلكترونات الحرة لإلغاء الشحنة الموجبة من البروتونات داخل الموصل. يجب أن يكون الحقل الكهربائي صفرا. ويمكن الاطلاع على بحث عن المجالات الكهربائية لمزيد من المعلومات