الكهرباء ... التكهرب

فتاة مبدعة

تمهيد :

وجد أرسطو طاليس ، أحد حكماء الإغريق الذين عاشوا في القرن السادس قبل الميلاد أن " الكهرب " وهو مادة صمغية متحجرة له قابلية جذب بعض الأجسام الخفيفة إذا دُلِكَ بقطعة من الصوف .

بعد أرسطو طاليس ، وعلى امتداد القرون الماضية تعرَّف العلماء إلى كثير من المواد التي تشارك الكهرب في هذه الخاصية ( جذب بعض الأجسام الخفيفة ) وأطلقوا اسم الكهربائية على هذه الخاصية .

مشاهدات :

عند تمشيط الشعر الجاف بمشط مصنوع من البلاستيك يصبح له القابلية على جذب قصاصات الورق .

عندما تمشي فوق سجادة في يوم جاف فإنك تحس بشرارة كهربائية عندما يقترب إصبعك من يد الباب المعدنية.

عند خلع الملابس المصنوعة من النايلون في الظلام تلاحظ شرارة كهربائية .

تنجذب قصاصات الورق إلى شاشة التلفاز عندما يكون مشتعلاً .

إذا مسحت زجاج شباك غرفتك بالورق الجاف تلاحظ تخلف قطع من الغبار أو الورق على الزجاج وانجذابه إليه .

إن سبب هذه الظواهر هو تكهرب الأجسام نتيجةً لاحتكاكها أو لدلكها بأجسام أخرى أو لتأثرها بأجسامٍ متكهربة .

وصف العلماء التكهرب بأنه عملية توليد الشحنات الكهربائية على الجسم نتيجة انتقال إلكترونات منه أو إليه .

الجسم الذي يفقد إلكترونات يصبح موجب الشحنة .
الجسم الذي يكسب إلكترونات يصبح سالب الشحنة .

التكهرب هو شحن الجسم بشحنة كهربائية عن طريق فقد أو اكتساب الجسم للإلكترونات. وتعتبر الشحنة الكهربائية خاصية من خواص المادة كالكتلة والحجم . وللتعرف على مصدر هذه الشحنات الكهربائية دعنا نلقي نظرة فاحصة على التركيب الذري للمادة ، حيث نجد أن جميع المواد تُبْنَى من وحدات صغيرة تسمى ذرات كما في الشكل.

نموذج لتوزيع الإلكترونات في ذرة عنصر الألمنيوم

وتتكون كل ذرة من نواة مركزية تحتوي على دقائق موجبة الشحنة ( بروتونات ) ، ودقائق أخرى غير مشحونة ( نيوترونات ) ، ويدور حول النواة في مدارات مختلفة دقائق سالبة الشحنة تسمى إلكترونات ، والشحنة الموجبة للبروتونات تساوي مقدار الشحنة السالبة للإلكترونات في الذرة المستقرة التي تكون متعادلة كهربائيا ، فإذا فقدت بعض ذرات الجسم عددا من الكتروناتها يصبح الجسم موجب الشحنة في حين يصبح الجسم سالب الشحنة إذا اكتسب عددا من الإلكترونات .
كيف يتم شحن ( تكهرب ) الأجسام ؟
أ- الشحن ( التكهرب ) بالدلك :
إذا دلك جسمان متعادلان من مادتين مختلفين أو تلامسا جيداً فإن بعض الإلكترونات تنتقل من أحد الجسمين للآخر ، وعدد الإلكترونات التي يفقدها أحد الجسمين يساوي تماما عدد الإلكترونات التي يكتسبها الجسم الآخر ، ولذلك تكون شحنتاها متساويتين في المقدار، مختلفتين في النوع .
مثال : شحن الزجاج بالشحنة الموجبة حين دلكه بالحرير . وكذلك شحن قضيب أبونيت بالشحنة السالبة حين دلكه
بالصوف.

بعد الدلك أثناء عملية الدلك تنتقل الإلكترونات من قطعة الصوف إلى قضيب الأبونيت قبل الدلك

ب- الشحن باللمس أو التماس :
إذا اتصل (أو تلامس) جسم موصل مشحون مع موصل متعادل فإن الموصل المشحون يفقد جزءا من شحنته إلى الموصل المتعادل ، أي تصبح شحنتاهما من نفس النوع ، ويتم توزيع الشحنة الكلية بحيث يبقى المجموع الكلي للشحنات ثابتا .
نقول الجسم الذي ينشحن بالتماس يكتسب شحنة مشابهة لشحنة الجسم الشاحن .

جـ- الشحن بالتأثير (الحث) :
عند تقريب جسم مشحون من جسمٍ موصل معزولٍ ( متعادل كهربائياً ) تظهر على الجسم المتعادل شحنتان : الشحنة القريبة من الجسم المؤثر وتكون مخالفة لشحنته وتسمى بالشحنة المقيدة .
الشحنة البعيدة عن الجسم المؤثر وتكون مشابهة لشحنته وتسمى بالشحنة الطليقة .
فمثلاً :
عند تقريب جسم مشحون شحنة موجبة من جسمٍ موصل معزولٍ ( متعادل كهربائياً ) فإن الشحنة الموجبة للجسم الأول (الشحنة المؤثرة) تؤثر على الموصل الثاني حيث :
تتجاذب الشحنة الموجبة للجسم الأول مع بعض الإلكترونات الحرة في الموصل الثاني فتتجمع هذه الإلكترونات عند طرفه القريب من الجسم المشحون وتتكون هناك شحنة سالبة . وبنفس الوقت تتكون شحنة موجبة على الطرف البعيد للجسم المشحون .

الشحنة المتكونة بالتأثير تكون دائماً أقل مقداراً من الشحنة المؤثرة وتختلف عنها في النوع .
التجاذب والتنافر بين الشحنات :

علِّق ساقاً من الزجاج المدلوكة وقرِّب منه ساقاً من المطاط المدلوكة بالفرو تلاحظ حصول تجاذب بينهما .
قرب ساقاً من الزجاج المدلوكة بالحرير من ساقٍ زجاج معلقة مشحونة نلاحظ تنافر الساقين الزجاجيين .
تجربة

كل جسمين مشحونين بشحنتين متشابهتين يتنافران .
كل جسمين مشحونين بشحنتين مختلفتين يتجاذبان .

نوعا الشحنة :

الشحنة الموجبة ( + ) : مثل شحنة البروتون أو الشحنة التي تتكون على ساق قضيب زجاجي عند دلكه بالحرير.
الشحنة السالبة ( ـ ) : مثل شحنة الإلكترون أو الشحنة التي تتكون على ساق قضيب من المطاط ( أو الأبونايت ) حين دلكها بالفرو أو الصوف .

تقاس الشحنات بوحدة تسمى الكولولم

الكشاف الكهربائي :

للكشف عن وجود الشحنة الكهربائية على الأجسام ونوعها ، نستخدم

" الكشاف الكهربائي " ذا الورقتين المعدنيتين.

يتكون هذا الكشاف من قرص معدني يتصل بساقٍ معدنية تنتهي بورقتين معدنيتين رقيقتين وتُوضَعُ الساق والورقتان في بعض الأحيان داخل غلافٍ من الزجاج معزولٍ عن الساق عزلاً كهربائياً . وهنالك أشكال متعددةٌ من الكشافات الكهربائية.

يتم الكشف عن وجود الشحنة الكهربائية على الجسم بتقريب الجسم أو جعله يلامس قرص كشاف كهربالئي متعادل فإن انفرجت ورقتاه دل على أن الجسم مشحون .

ويتم الكشف عن نوع الشحنة سالبة أو موجبة وذلك بأن نشحن الكشاف بشحنة معلومة ونقرب بصورة تدريجية الجسم من قرص الكشاف فإن ازداد الانفراج دل على أن الجسم يحمل نوع شحنة الكشاف المعلومة نفسها بسبب زيادة قوة التنافر.

أما إذا قل الانفراج كلما اقترب الجسم من قرص الكشاف دل على أن الجسم مشحون بشحنةٍ مخالفةٍ لشحنة الكشاف بسبب زيادة الشحنة على القرص ونقصانها على الورقتين ولذلك قل الانفراج .

يتضح لك مما سبق أن الشحنات التي تفقدها مادة تكتسبها مادة أخرى ولذلك يمكننا القول أن الشحنات الكهربائية على الأجسام لا تفنى ولا تستحدث ولكن تنتقل من جسم لآخر وهذا هو " مبدأ حفظ الشحنة الكهربائية " .
المواد الموصلة والعازلة وشبه الموصلة :

[b]تنقسم المواد إلى ثلاثة أقسام من حيث قابليتها في التوصيل الكهربائي وهي :
المواد الموصلة : هي كل جسمٍ تنتقل خلاله الشحنات الكهربائية في الحال بسبب وجود إلكترونات حرة الحركة في ذراته ، كالحديد والنحاس والألمنيوم والزئبق أي الفلزات بصورة عامة.

المواد رديئة التوصيل وتسمى بالعوازل : وهي كل جسمٍ لاتنتقل خلاله الشحنات الكهربائية في الحال بسبب قلة وجود الإلكترونات الحرة فيه ، مثل الورق الجاف والخشب الجاف .

أشباه الموصلات : هي المواد التي تكون عادةً رديئة التوصيل للكهربائية إذا كانت نقيةً إلا أنها تصبح جيدة التوصيل للكهربائية إذا احتوت على شوائب معينة، مثل الجرمانيوم والسيلكون.