كيف تتحرك الشحنات الكهربائية

الشحنة الكهربائية هي خاصية فيزيائية تتسبب في تجربة قوة عند وضعها في المجال الكهرومغناطيسي، وهناك نوعان من الشحنات الكهربائية؛ إيجابية وسلبية (التي تقوم عادة بالبروتونات والإلكترونات على التوالي)، وبمثابة رسوم صد وجذب على التوالي، ويشار إلى الكائن الذي يحمل شحنة كهربائية بدون تهمة صافية باسم محايد، ويتم تسمية المعرفة المبكرة لكيفية تفاعل المواد المشحونة الآن الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، وتظل دقيقة للمشاكل التي لا تتطلب النظر في الآثار الكمية.

خواص الشحنات الكهربائية

الشحنة الكهربائية هي خاصية محفوظة؛ فلا يمكن تغيير الشحنة الصافية للنظام المعزول، ومقدار الشحنة الإيجابية يساوي مقدار الشحنة السلبية. وتتم شحن الشحنة الكهربائية بواسطة جزيئات وليس ذرات في المادة العادية. وإذا كان عدد الإلكترونات أكبر من البروتونات في المادة، فستكون لها شحنة سالبة، وإذا كان عدد البروتونات أكبر، فستكون لها شحنة موجبة، وإذا كانت الأعداد متساوية، فلن تكون لها أي شحنة.

– تحتوي الشحنة الكهربائية على حقل كهربائي، وإذا كانت الشحنة تتحرك فإنها تولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا، يُسمى الجمع بين المجال الكهربائي والمغناطيسي الحقل الكهرومغناطيسي، وتفاعله مع الشحنات هو مصدر القوة الكهرومغناطيسية، التي تعد واحدة من القوى الأساسية الأربعة في الفيزياء، تسمى دراسة التفاعلات الفوتونية بين الجزيئات المشحونة الديناميكا الكهربائية الكمية.

الوحدة المستمدة من الشحنة الكهربائية في نظام الوحدات الدولي هي الكولوم (C)، وهي تسمى بالنسبة إلى الفيزيائي الفرنسي شارل أوغستان دي كولوم، وفي الهندسة الكهربائية يتم استخدام ساعة الأمبير (Ah) أيضا، وفي الفيزياء والكيمياء يتم استخدام تهمة الابتدائية (ه كوحدة) عادة، وتستخدم الكيمياء أيضا ثابت فاراداي باعتباره شحنة على جزيء من الإلكترونات، وغالبا ما يتم استخدام الرمز Q للإشارة إلى الشحنة.

التحكم في الشحنات الكهربائية

يمكن لتعلم كيفية التحكم في حركة الإلكترونات على المقاييس الجزيئية والنانومتر أن يساعد العلماء في ابتكار دوائر صغيرة الحجم للعديد من التطبيقات، بما في ذلك طرق أكثر فعالية لتخزين واستخدام الطاقة الشمسية، ويعرض مارشال نيوتن، الكيميائي النظري في مختبر بروكهافن، حديثا يسلط الضوء على التقنيات النظرية المستخدمة لفهم العوامل التي تؤثر على حركة الإلكترون.

– يقول نيوتن: يؤدي نقل الإلكترون دورا حيويا في العديد من العمليات البيولوجية، بما في ذلك التواصل مع الخلايا العصبية وتحويل الطاقة من الطعام إلى أشكال مفيدة. إنه الخطوة الأولى في عملية التمثيل الضوئي، حيث يتم فصل الشحنات أولا وتخزين الطاقة للاستخدام لاحقا. وهو أحد المفاهيم الكامنة وراء إنتاج الطاقة باستخدام الخلايا الشمسية.

نيوتن وصف كيف أدى دمج النظرية الميكانيكية الكم الإلكترونية مع التقنيات الحسابية إلى طريقة موحدة ومتكاملة لفهم طبيعة نقل الشحنة في المجموعات الجزيئية المعقدة.

يشير هذا البحث إلى فهمنا لنقل الشحنة الإلكترونية من خلال الإجابة على بعض الأسئلة الكمية الأساسية الميكانيكية، مثل مدى النقل وكفاءته والطريقة التي ينتقل بها الشحن من المانح إلى المتلقي في التجمع الجزيئي، أو “المسار الجزيئي.

تعتمد الإجابات على حسابات كمية جزيئية مفصلة لفجوات الطاقة التي تفصل بين الحالات الإلكترونية ذات الصلة، وعلى قوة الاقتران بين الوحدات الجزيئية المجاورة على طول الممرات.

– وقال نيوتن: يمكن أن يؤدي هذا النهج الجديد إلى تطوير طرق للتنبؤ بالسلوك الإلكتروني للنقل والتحكم فيه عن طريق “ضبط” المكونات الجزيئية، مما يفتح إمكانيات جديدة لتصميم خطط للطاقة الشمسية.

دور المسؤول في الكهرباء الساكنة

تشير الكهرباء الساكنة إلى التحميل الكهربائي لجسم ما والتفريغ الكهربائي المتعلق عندما يتم جمع كائنين غير متوازنين معا، ويؤدي التفريغ الكهروستاتيكي إلى حدوث تغيير في شحن كل من الكائنين.

عند فرك قطعة من الزجاج وأخرى من الراتنج معًا، لا يتم إظهار أي خواص كهربائية، وعندما تترك على أسطح مفروشة معًا، فإنها لا تظهر أي خصائص كهربائية، وعند فصلهما عن بعضهما البعض، يتم جذبهما لبعضهما البعض.

يتم فرك قطعتين من الزجاج بقطعتين من الراتنج، ثم يتم فصلها وتعليقها بالقرب من القطع السابقة من الزجاج والراتنج. وتسبب هذه العملية في أن تصد بعض القطع من الزجاج بعضها البعض، وتتجذب كل قطعة من الراتنج كل قطعة من الزجاج، وتصد بعض قطع الراتنج بعضها البعض.

الجاذبية والتنافر هما ظاهرة كهربائية، ويقال إن الأجسام التي تظهر فيها هذه الظاهرة مشحونة كهربائيا، ويمكن شحن الأجسام بطرق أخرى كثيرة، وكذلك عن طريق الاحتكاك. تشبه الخواص الكهربائية للقطعتين من الزجاج بعضهما البعض، ولكن عكس الخواص الكهربائية للقطعتين من الراتنج: فيجذب الزجاج ما يصده الراتنج، ويصد ما يجذبه الراتنج.

إذا تمت تصرفات الجسم المكهرب بأي طريقة كانت، وتشابهت مع تصرفات الزجاج، مثلاً إذا صُدِّر الزجاج وجذب الراتنج، فإن الجسم يعتبر مكهربًا، وإذا صُدِّر الراتنج وجذب الزجاج فإن الراتنج يعتبر كهربائيًا، وجميع الأشكال المكهربة إما زجاجية أو راتنجية.

تعرف الاتفاقية المعتمدة في المجتمع العلمي كهربة الجسم الزجاجي بأنها كهربة إيجابية وكهربة راتنجية سلبية. إن السمات المتضادة تماما لكل من هذين النوعين من الكهرباء تدعونا للإشارة إليهما بعلامات متضادة. ولكن تطبيق العلامة الإيجابية على أحدهما بدلا من النوع الآخر يجب أن يعتبر مسألة اصطلاحية تعسفية تماما، تماما كما هو الحال في اتفاقية رسم البيانات الرياضية لحساب المسافات الإيجابية نحو اليد اليمنى.

لا يمكن استشعار أي تأثير، سواء كانت جاذبية أو طرد، بين جسم مشحون كهربائيا وجسم غير مشحون.