طرق انتقال الشحنات الكهربائية

الشحنات الكهربائية

• يجب علينا فهم أن الشحنة الكهربائية هي الخاصية الفيزيائية الأساسية للمادة، حيث تتعرض لقوة عند الاحتفاظ بها في مجال كهربائي أو مغناطيسي قبل أن نتعرف على طرق انتقال الشحنات الكهربائية.
• يترابط الشحن الكهربائي الساكن بمجال كهربائي، وتولد الشحنة الكهربائية المتحركة مجالًا مغناطيسيًا، ويسمى الجمع بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية بالمجال الكهرومغناطيسي.
• تنشأ قوة كهرومغناطيسية بفعل تفاعل الشحنات الكهربائية، والتي تشكل أساس الفيزياء.
• يمكن تعريف الشحنات الكهربائية بأنها “خاصية الجسيمات غير الذرية التي تتعرض لقوة عند وضعها في مجال كهرومغناطيسي.

كيف تنتقل الشحنات الكهربائية

بغض النظر عن حركة الشحنات الكهربائية ونقل الإلكترونات، تبقى الشحنة الإجمالية ثابتة، حيث يتحرك الإلكترونات ولكنها لا تفقد، وهذا هو قانون الحفاظ على الشحنة. يمكن للشحنات الكهربائية أن تنتقل عبر الطرق التالية:

الشحن بالتوصيل

• يُعد نقل الإلكترونات من مولد فان دي غراف إلى الإنسان مثالاً على التوصيل.
• يحدث التوصيل عندما يكون هناك اتصال مباشر بين المواد التي تختلف في قدرتها على التخلص من الإلكترونات أو استقبالها.
• ينتج مولد فان دي جراف شحنة سالبة في الجزء العلوي، وبالتالي يميل إلى فقدان الإلكترونات.
• يميل يد الشخص لاستقبال الإلكترونات لأنها موجبة الشحنة، وعند توصيلها بالمولد فإن الإلكترونات تتدفق من أعلى المولد إلى يد الشخص.
• لا يلزمك مولد كهربائي فان دي غراف لإجراء التوصيل، فقد يحدث انتقال الشحنات الكهربائية عند المشي على سجادة صوفية بأحذية مطاطية.
• يميل الصوف إلى التخلي عن الإلكترونات ويميل المطاط إلى احتوائها.
• لذلك تنتقل الشحنة الكهربائية من السجادة إلى حذائك في كل مرة تضع فيها قدمك.
• يمكن أن يؤدي نقل الإلكترونات إلى أن تصبح سالب الشحنة والسجادة تصبح موجبة الشحنة.

الشحن بالاستقطاب

• في بحث حول الشحنة الكهربائية، افترض أنك تسير على سجادة صوفية بأحذية مطاطية وأصبحت تحمل شحنة سالبة، ثم لمست مقبض الباب المعدني، سيتم صد الإلكترونات الموجودة في المعدن المحايد وستجد يدك تبتعد تلقائيا قبل أن تلمس المقبض.
• وبهذه الطريقة، يصبح أحد الأطراف، وهو مقبض الباب، مشحونًا بشكل إيجابي، في حين يصبح الطرف الآخر مشحونًا بشكل سلبي، وهذا ما يُسمَى بالاستقطاب.
• يحدث الاستقطاب عندما تتحرك الإلكترونات داخل جسم محايد بسبب وجود مجال كهربائي قريب من جسم مشحون.
• يُمكن حدوث نقل الشحنات الكهربائية بدون اتصال مباشر بين الأجسام، ويعتبر استقطاب الأجسام المشحونة في مكان قريب من الطرق التي يتم بها نقل الشحنات الكهربائية.

الشحن بالدلك

• قد يؤدي الاحتكاك بين البالون والشعر إلى فرك الإلكترونات من الشعر إلى البالون، وذلك لأن البالون يجذب الإلكترونات بشكل أكبر من الشعر، لذا يجب تجنب فرك البالون المنفوخ على الشعر.
• بعد تحرر الإلكترونات، يصبح البالون سالب الشحنة، بينما يصبح الشعر موجب الشحنة، وتبتعد الشحنات المتشابهة عن بعضها البعض وتنتهي بالإقتراب من مناطق الشحنات المختلفة لأن الشحنات المتشابهة تتنافر.
• تتجاذب الشحنات المعاكسة بين البالون والشعر مما يؤدي إلى جذبهما لبعضهما.
• عند فرك مادة بأخرى، يتم شحنها بالاحتكاك.
• يفقد الإلكترون الشحنات الموجبة، بينما تكتسب بعض المواد الإلكترونات السالبة.
• تساوي كمية الإلكترونات المكتسبة والمفقودة بعضها البعض، وبمعنى آخر، يمكننا القول إن الشحنات الكهربائية محفوظة.
• عند فرك الزجاج على الحرير، يفقد الزجاج الإلكترونات والشحنة الموجبة، بينما يكتسب الحرير الإلكترونات والشحنة السالبة.

أنواع الشحنات الكهربائية

هناك ثلاث أنواع من الشحنات الكهربائية وهم، موجبة وسالبة ومتعادلة:

• الشحنات الكهربائية الموجبة: هي جسمان يحملان نوعين مختلفين من الشحنة، ويتفاعلان بقوة تنافرية عندما يكونا قريبين نسبيًا من بعضهما البعض.
• الشحنات الكهربائية السالبة: لدى هذين الجسمين شحنة معاكسة زائدة؛ حيث يكون أحدهما موجب الشحنة والآخر سالب الشحنة، وبالتالي يتم جذب أحدهما إلى الآخر عندما يكونا قريبين نسبيًا.
• الشحنات الكهربائية المتعادلة: إذا كانت الشحنات الموجبة والسالبة متساوية ومجموعها يساوي الصفر، فهذا يعني أنها شحنات كهربائية محايدة أو متعادلة. وتعتبر حركة الشحنات الكهربائية المسؤولة عن إنتاج أحد أنواع الطاقة المعروفة بالطاقة الكهربائية.

حساب الشحنة الكهربائية

تُعد وحدة الشحنة الكهربائية في نظام SI، والذي يعتمد على الأمتار والكيلوجرامات والثواني، هي الكولوم، ويمكن تعريفها على أنها مقدار الشحنة الكهربائية التي تتدفق عبر مقطع عرضي للموصل في دائرة كهربائية لمدة ثانية واحدة عندما يكون التيار يساوي أمبير واحد.

ويتكون الكولوم الواحد من 6.24 × 10¹⁸ وحدة طبيعية من الشحنة الكهربائية، مثل الإلكترونات الفردية أو البروتونات، ومن تعريف الأمبير، فإن الإلكترون نفسه له شحنة سالبة تبلغ 1.602176634 × 10⁻¹⁹ كولوم.

تطبيقات الكهرباء الساكنة

بعد أن تعرفنا طرق انتقال الشحنات الكهربائية، يجب أن ندرك أن الكهرباء الساكنة قد تكون مزعجة. عند لمس مقبض الباب أو احتكاكها بالملابس، يمكن أن تسبب صدمة. ومع ذلك، لها استخدامات مفيدة. يمكن استخدام قوى الجاذبية بين الجسيمات المشحونة نتيجة للكهرباء الساكنة في التحكم في تلوث الهواء وطلاء السيارات. إليك أهم الفوائد التي تمنحنا إياها الكهرباء الساكنة

مكافحة التلوث

يتم استخدام الكهرباء الساكنة للتحكم في التلوث عن طريق تطبيق شحنة ثابتة على جزيئات الأوساخ في الهواء، ثم جمع تلك الجسيمات المشحونة على لوح أو مجمع الشحنة الكهربائية المعاكسة، وتسمى هذه الأجهزة في الغالب بالمرسبات الكهروستاتيكية.

استخدام الكهرباء الساكنة في المداخن

تستخدم المصانع الكهربائية الساكنة للحد من التلوث الذي يصدر من مداخنها، حيث يتم تحميل الدخان بشحنة كهربائية، وعندما يمر عبر أقطاب كهربائية معاكسة الشحنة، تتشبث معظم جسيمات الدخان بالأقطاب، مما يمنع بعض الجسيمات الدخانية من الخروج إلى الغلاف الجوي.

معطرات الجو

• يشتري بعض الأشخاص ما يسمى بمؤينات الهواء لتنقية الهواء في منازلهم وتنظيفه.
• يمكن أن تستخدم منقيات الهواء نفس المبدأ لمكافحة التلوث الذي ينبعث من المداخن.
• تعمل هذه الأجهزة على تجريد الإلكترونات من جزيئات الدخان والغبار وحبوب اللقاح في الهواء، تمامًا كما يحدث في توليد الكهرباء الساكنة.
• تتجاذب جزيئات الغبار والدخان المشحونة إلى لوحة على الجهاز مع الشحنة المعاكسة، وتلتصق بها.
• بعد فترة، يتم إزالة العديد من الملوثات من الهواء.
• بسبب ان الجسيمات المشحونة ستتصاقى بالأسطح المحايدة، فبعضها سيتصاق بالجدران بجوار المصدر، وهذا يؤدي إلى تلوث شديد ويصعب تنظيفه.

زيروجرافي

• تستخدم آلة التصوير أو آلة الزيروكس الكهرباء الساكنة لنسخ الطباعة المطلوبة على الصفحات، وذلك يتم عن طريق تقنية الزيروغرافيا.
• تم إصدار جهاز واحد من هذا النوع يشحن الحبر كهربائيًا ليتم إلصاقه بالورق في المناطق المحددة.
• تتوفر نسخة أخرى من آلة التصوير التي تستخدم الشحنات لإلصاق الحبر بالأسطوانة، والتي يتم نقلها بعد ذلك إلى الورق.

دهان السيارات

• يستخدم بعض مُصنِّعي السيارات الكهرباء الساكِنة لمساعدتهم في طلاء السيارات التي يُصنعونها.
• يتم تجهيز سطح السيارة أولاً، ثم يتم وضعها في المكان المحدد للطلاء، وهذه هي الطريقة التي يتم بها العمل.
• يتم إعطاء الطلاء شحنة كهربائية ثم يُرش بخفة داخل المقصورة.
• تتجذب جزيئات الطلاء المشحونة إلى السيارة وتلتصق بالجسم، تمامًا كما يلتصق البالون المشحون بالحائط.
• بمجرد أن يجف الطلاء، يتم تثبيته بشكل أفضل على السيارة ويصبح أكثر نعومة لأنه يتم توزيعه بالتساوي.