كيف تتحرك الشحنات الكهربائية؟ الشحنة الكهربائية هي خاصية محفوظة. لا يمكن تغيير صافي الشحنة على نظام معزول. هذا هو مقدار الشحنة الموجبة مطروحًا منها مقدار الشحنة السالبة.
بالإضافة إلى ذلك، تحمل الجسيمات دون الذرية الشحنة الكهربائية، كما هو الحال في المادة العادية، تحمل الإلكترونات الشحنة السالبة والبروتونات تحمل الشحنة الموجبة في نوى الذرات ؛ اتبع موقع القلعةة لمعرفة كيفية نقل الشحنة الكهربائية.
ماذا تعني الشحنة الكهربائية؟
الشحنة الكهربائية هي الخاصية الأساسية لأشكال المادة التي تظهر التجاذب أو التنافر الكهربائي في وجود مادة أخرى.
نظرًا لأن الشحنة الكهربائية هي خاصية للعديد من الجسيمات دون الذرية، نظرًا لأن شحنات الجسيمات القائمة بذاتها هي مضاعفات عددية للشحنة الأولية e، فإننا نقول إن الشحنة الكهربائية هي كمية.
كان مايكل فاراداي، في تجاربه مع التحليل الكهربائي، أول من لاحظ الطبيعة المنفصلة للشحنة الكهربائية.
أكدت تجربة روبرت ميليكان لتقطير الزيت هذه الحقيقة مباشرة وقامت بقياس الشحنة الأولية.
نوع واحد فقط من الجسيمات، الكواركات، وجد أن له شحنة جزئية إما -1/3 أو +2/3.
لكن يُعتقد دائمًا أنها تنشأ في مضاعفات الشحنة المتكاملة في كواركات ذاتية لم يسبق رؤيتها من قبل.
شاهد أيضاً: كيف تم اكتشاف الكهرباء في العالم
الشحن الكهربائي
إذا كان هناك عدد من الإلكترونات يفوق عدد البروتونات في قطعة من المادة، فسيكون لها شحنة سالبة.
إذا كان هناك رقم أصغر، فسيكون له شحنة موجبة، وإذا كان هناك عدد متساوٍ، فسيكون محايدًا.
إنه يأتي بمضاعفات كاملة لوحدات فردية أصغر تسمى الشحنة الأولية، e، حوالي 1.602 × 10-19 كولوم.
إنها أصغر شحنة يمكن أن توجد بحرية (الجسيمات التي تسمى الكواركات لها أصغر شحنة، مضاعف 1 / 3e.
لكنها موجودة فقط في تركيبة، وهي دائمًا ما تتحد لتشكيل جسيمات ذات شحنة صحيحة.)
يحتوي البروتون على شحنة + e، بينما يحتوي الإلكترون على شحنة −e.
وحدة الشحن الكهربائي
وحدة الشحنة الكهربائية المشتقة من النظام الدولي للوحدات هي كولوم (C)، الذي سمي على اسم الفيزيائي الفرنسي تشارلز أوغسطين دي كولوم.
في الهندسة الكهربائية، يشيع استخدام الأمبير (Ah) أيضًا، بينما في الفيزياء والكيمياء، تُستخدم الشحنة الأولية (e) كوحدة.
تستخدم الكيمياء ما يسمى ثابت فارادا كشحنة لكل مول من الإلكترون، وعادة ما يتم الإشارة إليها بالرمز الصغير q للشحنة.
حقل كهرومغناطيسي
تحتوي الشحنة الكهربائية على مجال كهربائي، وإذا كانت الشحنة تتحرك، فإنها تنتج أيضًا مجالًا مغناطيسيًا.
الجمع بين المجال الكهربائي والمغناطيسي يسمى المجال الكهرومغناطيسي، وتفاعله مع الشحنات هو مصدر القوة الكهرومغناطيسية، إحدى القوى الأساسية الأربعة للفيزياء.
تسمى دراسة التفاعلات التي تتم بوساطة الفوتون بين الجسيمات المشحونة بالديناميكا الكهربية الكمية.
الاستقرار النسبي
بالإضافة إلى الخصائص الموصوفة في المقالات حول الكهرومغناطيسية، تعتبر الشحنة ثابتة نسبية.
هذا يعني أن أي جسيم شحنة q، بغض النظر عن السرعة التي ينتقل بها، له دائمًا شحنة q.
تم تأكيد هذه الخاصية تجريبيًا من خلال إظهار أن شحنة نواة هيليوم واحدة (بروتونان ونيوترونان مرتبطان في النواة ويتحركان بسرعة عالية).
لها نفس شحنة نواتين من الديوتيريوم (بروتون واحد ونيوترون واحد مرتبطان معًا، لكنهما يتحركان ببطء أكثر مما لو كانا في نواة الهليوم).
نقل الشحنات الكهربائية
لماذا يقف شعر هذه الفتاة مستقيماً في الصورة أعلاه؟ يلمس جهاز يسمى “مولد فان دي غراف”.
تحتوي القبة الموجودة في الجزء العلوي من الجهاز على شحنة كهربائية سالبة، وعندما تضع الفتاة يدها على القبة، فإنها تصبح سالبة الشحنة أيضًا، حتى طرف كل شعرة.
السؤال هنا هو: ما الذي يجعل الشعر يقف؟
إجابه: أصبحت كل الخيوط سالبة الشحنة، لذا فهي مثل الشحنات التي تتنافر، فتبتعد الخيوط عن بعضها، وتتوقف عند النهاية.
التحويل الإلكتروني
أصبحت الفتاة في الصورة مشحونة سالبة لأن الإلكترونات تتدفق إليها من مولد فان دي جراف.
لأنه عندما تتحرك الإلكترونات بين الأشياء، تصبح المادة المحايدة مشحونة، وهذا يحدث حتى مع الذرات الفردية.
تمتلك الذرات المحايدة شحنة كهربائية لأنها تحتوي على نفس عدد الإلكترونات السالبة مثل البروتونات الموجبة.
ومع ذلك، إذا فقدت الذرات إلكترونات أو اكتسبتها، فإنها تصبح جسيمات مشحونة تسمى أيونات.
يمكنك أن ترى كيف يحدث هذا في الصورة أدناه عندما تفقد الذرة الإلكترونات لتصبح أيونًا موجبًا أو كاتيونًا.
عندما تكتسب الذرة إلكترونات، تصبح أيونًا سالبًا أو أنيونًا.
اقرأ أيضا: المعلومات الكهروتقنية
احفظ الشحن
مثل تكوين الأيونات، يعتمد تكوين مادة مشحونة بشكل عام على انتقال الإلكترونات بين مادتين أو داخل المادة.
تم ذكر ثلاث طرق يمكن من خلالها حدوث ذلك: التوصيل والاستقطاب والاحتكاك.
جميع الطرق الثلاثة موصوفة أدناه، ولكن بغض النظر عن كيفية نقل الإلكترونات، تظل الشحنة الإجمالية.
كما هو الحال دائما؛ تتحرك الإلكترونات لكنها لا تدمر، وهذا هو قانون حفظ الشحنة.
شحنة
يعد نقل الإلكترونات من مولد van de Graaff إلى الابنة مثالًا على التوصيل حيث يحدث التوصيل.
عندما يكون هناك اتصال مباشر بين المواد التي تختلف في قدرتها على رفض أو قبول الإلكترونات.
ينتج مولد Van de Graaf أيضًا شحنة سالبة على القبة، لذلك تميل إلى التخلي عن الإلكترونات.
الأيدي البشرية مشحونة إيجابياً، لذا فهي تميل إلى قبول الإلكترونات، لذلك تتدفق الإلكترونات من القبة إلى يد الفتاة عندما تقوم بالاتصال.
لا تحتاج إلى مولد فان دي جراف للاتصال، كما يمكنك عندما تمشي على سجادة صوفية بأحذية مطاطية.
عندما يميل الصوف إلى التخلي عن الإلكترونات ويميل المطاط إلى قبولها، فإن السجاد ينقل الإلكترونات إلى حذائك في كل مرة تخطو فيها عليها.
وبالتالي، يؤدي نقل الإلكترونات إلى جعلها سالبة بينما تصبح الحصيرة مشحونة بشكل إيجابي.
الاستقطاب
لنفترض أنك مشيت عبر سجادة صوفية بأحذية نعل مطاطي وشحنة سالبة.
إذا قمت بعد ذلك بلمس مقبض باب معدني، فسيتم صد إلكترونات المعدن المحايد وتترك يدك قبل أن تلمس المقبض.
بهذه الطريقة، يصبح أحد طرفي المقبض موجب الشحنة والطرف الآخر مشحونًا سالبًا، وهذا ما يسمى الاستقطاب.
يحدث الاستقطاب عندما تتحرك الإلكترونات داخل جسم محايد بسبب المجال الكهربائي لجسم مشحون قريب.
يحدث بدون اتصال مباشر بين الجسمين، ويوضح الشكل أدناه كيفية حدوث الاستقطاب.
وهنا يطرح سؤال. ماذا يحدث عندما يوضع قضيب بلاستيكي سالب الشحنة من رسم بياني بالقرب من لوح معدني محايد؟
الجواب هو أن الإلكترونات تنفر من الصفيحة، وبواسطة الشحنات السالبة على القضيب، تبتعد الإلكترونات عن القضيب.
نتيجة لذلك، يكون أحد جوانب اللوحة مشحونًا بشكل إيجابي والجانب الآخر مشحون سالبًا.
اتصل
هل قمت بوضع بالون منتفخ على شعرك؟ يمكنك أن ترى ما يحدث في الصورة أدناه، فهو يخلق احتكاكًا بين البالون والشعر.
يمكنك “فصل” الإلكترونات عن شعر البالون لأن للبالون جاذبية أقوى للإلكترونات من الشعر.
بعد انتقال الإلكترونات، يصبح البالون سالبًا ويصبح الشعر موجب الشحنة.
يتم فصل الخيوط الفردية عن بعضها، وتقف على نهايتها، لأن الشحنات تتنافر.
يجذب البالون والشعر بعضهما البعض لأن الشحنات المعاكسة تتجاذب.
يتم نقل الإلكترونات بهذه الطريقة عند حدوث تلامس بين المواد التي تختلف في قدرتها على رفض أو قبول الإلكترونات.
لقد اخترنا لك. ما هي السيارات الكهربائية؟
كيف تتحرك الشحنات الكهربائية عندما تتحرك الإلكترونات بين الأشياء، تصبح المادة المحايدة مشحونة ؛ على سبيل المثال، عندما تفقد الذرات إلكترونات أو تكتسبها، فإنها تصبح جسيمات مشحونة تسمى أيونات.