تعريف القوة الكهروستاتيكية وتطبيقاتها
هناك أنواع مختلفة من القوى المعروفة في العلوم، وتتعامل الفيزياء بشكل أساسي مع أربع قوى أساسية وهي: الجاذبية والقوة النووية الضعيفة والقوة النووية القوية والقوى الكهرومغناطيسية، وترتبط قوة الكهروستاتيكيةبالقوة الكهرومغناطيسية أيضًا.
مفهوم القوة الكهروستاتيكية
تشير القوى الكهروستاتيكية إلى الجاذبية أو التنافر بين الجسيمات بسبب تأثير شحناتها الكهربائية، وتسمى هذه القوة أيضًا بقوة كولوم أو تفاعل كولوم، وهي تحمل اسم الفيزيائي الفرنسي تشارلز أوغستين دي كولوم الذي وصف هذه القوة في عام 1785.
كيف تعمل القوة الكهروستاتيكية
تعمل القوة الكهروستاتيكية في مسافة قدرة تقريبًا عشر قطر نواة الذرة، وفيها تتنافر الشحنات المتشابهة بينما تتجاذب الشحنات المختلفة، على سبيل المثال إذا تقابل بروتونان موجبان الشحنة أو إليكترونان سالبان الشحنة فإنهما يتنافران، أما البروتونات والإليكترونات فتنجذب لبعضها البعض.
لماذا لا تلتصق البروتونات بالإلكترونات في الذرة
بينما تنجذب البروتونات والإليكترونات لبعضهما البعض عن طريق القوة الكهروستاتيكية، فإن البروتونات لا تترك نواة الذرة لتلتصق بالإليكترونات، وذلك يحدث لأنها مرتبطة ببعضها البعض بقوة أخرى تسمى القوة النووية القوية، وهي أقوى بكثير من القوة الكهرومغناطيسية لكنها تعمل على مسافة أقصر بكثير منها.
حساب القوة الكهروستاتيكية باستخدام قانون كولوم
يُمكن قياس قوى التجاذب أو التنافر بين جسمين مشحونين باستخدام قانون كولوم
F = kq1q2 / r2
- حيث f تعبر عن القوة، و k يمثل ثابت كولوم، و q1 و q2 هما مقدار الشحنتين الكهربائيتين، و r يمثل المسافة بين مركزي الشحنتين.
- في نظام الوحدات المترية (سنتيمتر – جرام – ثانية)، k=1، وفي نظام النظام الدولي
- يساوي ثابت كولوم 8.98 × 10^9 نيوتن متر مربع لكل كولوم مربع.
- من المهم ملاحظة أن القوة بين الشحنتين تتناسب طردياً مع حجم كل شحنة وتتناقص عكسياً مع مربع المسافة بينهما.
تطبيقات على القوة الكهروستاتيكية
أثبتت الكهرباء الساكنة أو القوى الكهروستاتيكية فوائد كثيرة في العديد من المجالات.
مولد فان دي جراف
يعتبر مولد فان دي جراف أكثر من مجرد مولد يستخدم لإثبات وجود جهد عالي للكهرباء الساكنة، إذ يتميز بفائدته في عالم البحث العلمي. تم تطوير هذا المولد في عام 1931م بواسطة العالم ربرت فان دي جراف ليستخدم في أبحاث الفيزياء النووية، وذلك استنادًا إلى دراسات كلفن.
مكونات مولد فان دي جراف
- قبة (كرة من معني فلزي) كبيرة.
- حزام مطاطي يدور حول محورين ويستطيع جمع الشحنات.
- يتكون من مجموعتين من الأسنان المدببة؛ مجموعة متصلة بالكرة ومجموعة متصلة بالمحرك
- محرك
- قاعدة
طريقة عمل الجهاز
- عند تشغيل المحرك، يبدأ توليد الكهرباء الساكنة، وعندما تزيدالشحنات بمقدار كافٍ، تنتقل من الأسفل إلى الأعلى حتى تصل إلى القبة الفلزية عن طريق الأسنان والحزام المطاطي.
- مع استمرار الدوران، يرتفع الجهد في الكرة إلى مستوى عالٍ جدًا، مما يمكن أن يصعق أي شخص يلمسها وهو متصل بالأرض.
- يمكن للطاقة الكهربائية التي يولدها الكرة أن تكون كافية لإضاءة مصباح كهربائي.
- عندما تريد لمس الكرة، يجب أن تقف إما على لوح خشبي أو ترتدي حذاءً غير مبلل.
التصوير الجاف Xerography
تستخدم معظم آلات النسخ عملية إلكتروستاتيكية تسمى xerography، وهي كلمة مشتقة من الكلمات اليونانية xeros للتعبير عن الجفاف وGraphos للتعبير عن الكتابة. إنها واحدة من التطبيقات الشيقة للقوة الكهروستاتيكية.
ألية عمل التصوير الجاف
يتم رش أسطوانة الألمنيوم المطلية بالسيلينيوم بشحنة موجبة من نقاط على جهاز يسمى كوروترون، ويتميز السيلينيوم بخاصية مميزة وهي أنه `موصل ضوئي`، مما يعني أنه يكون عازلاً في الظلام وموصلاً عند تعرضه للضوء.
في المرحلة الأولى من عملية التصوير الجاف، يتم توصيل أسطوانة موصلة بالأرض مع طبقة رقيقة من السيلينيوم ذات شحنة موجبة منتظمة، حيث يتم إحداث شحنة سالبة.
في المرحلة الثانية ، يتم تعريض سطح الأسطوانة لصورة كل ما سيتم نسخه، عندما تكون الصورة خفيفة ، يصبح السيلينيوم موصلًا ، ويتم تحييد الشحنة الموجبة، بينما في المناطق المظلمة ،تظل الشحنة الموجبة موجودة ، وبالتالي يتم نقل الصورة إلى الأسطوانة (في صورة مناطق مظلمة ومناطق مضيئة).
في المرحلة الثالثة من عملية الطباعة، يتم استخدام مسحوق أسود جاف يدعى مسحوق الحبر، ويتم رشه بشحنة سالبة حتى ينجذب إلى المناطق الموجبة على الأسطوانة. ثم يتم وضع شحنات موجهة على ورقة فارغة (التي يتم الطباعة عليها) بشحنة أكبر من شحنة الأسطوانة، حتى يتم نقل الحبر من الأسطوانة إلى الورقة.
في النهاية، يتم تمرير الورق والحبر الكهروستاتيكي من خلال بكرات ضغط ساخنة، التي تذوب الحبر وتلتصق به دائمًا داخل ألياف الورق.
ربما تكون الفكرة معقدة إلى حد ما، ولكنها من أهم تطبيقات الكهرباء الساكنة المثيرة للاهتمام.
طابعات الليزر
تستخدم طابعات الليزر عملية التصوير الجاف لإنتاج صور عالية الجودة على الورق، حيث يستخدم الليزر لإنشاء صورة على أسطوانة ناقلة للضوء. وتعتبر هذه الطريقة من أكثر تطبيقات الكهرباء الساكنة شيوعا. تتلقى الطابعة الليزرية الإخراج من جهاز الكمبيوتر وتتمكن من تحقيق جودة عالية للإخراج بسبب الدقة التي يمكن التحكم بها في ضوء الليزر. وتتعامل العديد من طابعات الليزر مع معلومات مهمة مثل إنشاء أحرف وخطوط معقدة. قد تحتوي الطابعة على جهاز كمبيوتر أقوى من جهاز الكمبيوتر الذي يرسل إليها البيانات الأولية.
وفي طابعة الليزر ، يتم مسح شعاع الليزر ضوئيًا عبر أسطوانة ناقلة ضوئية ، تاركًا صورة موجبة الشحنة، ثم تتم الخطوات الأخرى لشحن الأسطوانة ونقل الصورة إلى الورق بنفس تقنية xerography، لكن في تلكالتقنية يمكن التحكم في ضوء الليزر بدقة شديدة ، مما يتيح لطابعات الليزر إنتاج صور عالية الجودة.
مرسبات الدخان وتنظيف الهواء الالكتروستاتيكي
تعد مرشحات الهواء أحد التطبيقات الهامة الأخرى للقوى الكهربائية الإلكتروستاتيكية، حيث يعمل كل من مرشحات الدخان الكبيرة والصغيرة بنفس الطريقة.
ويتم ترشيح الدخان عن طريق رش شحنة زائدة (موجبة عادة) على الدخان والغبار وحبوب اللقاح والجزيئات الأخرى في الهواء ثم يمر الهواء عبر شبكة مشحونة بشكل معاكس (سالبة عادة) فتنجذب الجسيمات المشحونة (الملوثات) نحو الشبكة، ويخرج الهواء نقيًا، وقد يتم تمرير الهواء على عدة شبكات متتالية لإزالة أكبر قدر من الملوثات.
وتستخدم المرسبات الكهروستاتيكية الكبيرة صناعيًا لإزالة أكثر من 99٪ من الجسيمات الموجودة في انبعاثات غاز المداخن المرتبطة بحرق الفحم والنفط، كما تكون المرسبات المنزلية ، غالبًا مقترنة مع نظام التدفئة وتكييف الهواء بالمنزل ، وهي فعالة جدًا في إزالة الجسيمات الملوثة والمهيجات والمواد المسببة للحساسية من الهواء.
الطلاء الالكتروستاتيكي
يُعد الطلاء الكهروستاتيكي أحد أشهر تطبيقات القوة الكهروستاتيكية، ويستخدم لطلاء الأماكن التي يصعب طلاؤها بالطرق التقليدية، حيث تستخدم الشحنات الكهروستاتيكية المتنافرة لوضع طبقة من الطلاء أو العوازل على المعادن، سواءً لحمايتها أو طلائها.