ما هو المقصود بالشحنة الكهربائية؟
الشحنة الكهربائية هي الخاصية الأساسية لأشكال المادة التي تظهر التجاذب أو التنافر الكهربائي في وجود مادة أخرى.
علاوة على ذلك ، تعتبر الشحنة الكهربائية خاصية تعريف للعديد من الجسيمات دون الذرية ، نظرًا لأن شحنات الجسيمات المستقلة هي مضاعفات عددية للشحنة الأولية e ، فنحن نقول أن الشحنة الكهربائية هي كمية.
كان مايكل فاراداي ، في تجاربه مع التحليل الكهربائي ، أول من لاحظ الطبيعة المنفصلة للشحنة الكهربائية.
أثبتت تجربة قطرة الزيت لروبرت ميليكان هذه الحقيقة بشكل مباشر وقامت بقياس الشحنة الأولية.
وُجد أن أحد أنواع الجسيمات ، وهو الكواركات ، يحتوي على شحنة جزئية تبلغ -1/3 أو +2/3.
لكن يُعتقد أنها تحدث دائمًا في عدد صحيح من مضاعفات الشحنات ، وهي كواركات بمفردها لم يسبق رؤيتها من قبل.
شحنة كهربائية
إذا كان هناك عدد من الإلكترونات يفوق عدد البروتونات في قطعة من المادة ، فسيكون لها شحنة سالبة.
إذا كان هناك عدد أقل ، فسيكون له شحنة موجبة ، وإذا كان هناك أرقام متساوية ، فسيكون محايدًا.
إنه يأتي بمضاعفات عددية من الوحدات الفردية الصغيرة ، تسمى الشحنة الأولية ، e ، تقريبًا 1.602 × 10-19 كولوم.
إنها أصغر شحنة يمكن أن توجد بحرية (الجسيمات التي تسمى الكواركات لها أصغر شحنة ، مضاعفات 1 / 3e.
لكنها موجودة فقط في تركيبة ، ودائمًا ما تتحد لتشكل 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 الكولوم (C) ، والتي سميت على اسم الفيزيائي الفرنسي تشارلز أوغستين دي كولوم.
في الهندسة الكهربائية ، يشيع استخدام الأمبير – (Ah) أيضًا ، بينما في الفيزياء والكيمياء ، تُستخدم الشحنة الأولية (e) كوحدة.
تستخدم الكيمياء شيئًا يسمى ثابت فاراداي كشحنة لكل مول من الإلكترونات ، والتي يُشار إليها عادةً بالرمز الصغير q للشحنة.
حقل كهرومغناطيسي
تحتوي الشحنة الكهربائية على مجال كهربائي ، وإذا تحركت الشحنة ، فإنها تولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا.
الجمع بين المجالين الكهربائي والمغناطيسي يسمى المجال الكهرومغناطيسي ، وتفاعله مع الشحنات هو مصدر القوة الكهرومغناطيسية ، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة للفيزياء.
تسمى دراسة التفاعلات التي تتم بوساطة الفوتون بين الجسيمات المشحونة بالديناميكا الكهربية الكمية.
الاستقرار النسبي
هذا يعني أن أي جسيم له شحنة q ، بغض النظر عن السرعة التي ينتقل بها ، له دائمًا شحنة q.
تم التحقق من هذه الخاصية تجريبياً من خلال إظهار أن نواة الهليوم المفردة لها شحنتان (بروتونان ونيوترونان مرتبطان معًا في نواة ويتحركان بسرعة عالية).
وهي نفس شحنة نواتين من الديوتيريوم (بروتون ونيوترون مرتبطان ببعضهما البعض ، لكنهما يتحركان ببطء أكثر مما لو كانا في نواة الهليوم).
نقل الشحنات الكهربائية
في الصورة أعلاه ، لماذا يقف شعر هذه الفتاة من نهايته؟ تلمس جهازًا يسمى “مولد فان دي غراف”.
تحتوي القبة الموجودة أعلى الجهاز على شحنة كهربائية سالبة ، وعندما تضع الفتاة يدها على القبة ، فإنها تصبح سالبة الشحنة أيضًا ، وصولاً إلى طرف كل شعرة!
السؤال هنا: ما الذي يجعل الشعر يقف على نهايته؟
الجواب: كل الخيوط سالبة الشحنة ، وبالتالي فهي مثل الشحنات المتنافرة لبعضها البعض ، وبالتالي فإن الخيوط تبتعد عن بعضها البعض مما يتسبب في توقفها في النهاية.
نقل الإلكترون
أصبحت الفتاة في الصورة مشحونة سالبة لأن الإلكترونات تتدفق إليها من مولد فان دي جراف.
عندما تتحرك الإلكترونات بين الأشياء ، تصبح المادة المحايدة مشحونة – وهذا يحدث حتى مع الذرات الفردية.
الذرات المحايدة ، لأن لديها 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 الشكل أدناه ، عندما تفقد الذرة إلكتروناتها تصبح أيونًا موجبًا أو كاتيونًا.
عندما تكتسب الذرة إلكترونات ، تصبح أيونًا سالبًا أو أنيونًا.
اتبع أيضًا:
حفظ الشحنة
مثل تكوين الأيونات ، يعتمد تكوين المادة المشحونة عمومًا على انتقال الإلكترونات ، إما بين مادتين أو داخل مادة.
تتم الإشارة إلى ثلاث طرق يمكن أن يحدث بها ذلك: التوصيل والاستقطاب والاحتكاك.
جميع الطرق الثلاثة موصوفة أدناه ، ولكن بغض النظر عن كيفية تحرك الإلكترونات ، تظل الشحنة الإجمالية.
كل عادة؛ تتحرك الإلكترونات ، لكنها لا تتلف ، وهو قانون حفظ الشحنة.
توصيل
يعتبر نقل الإلكترونات من مولد فان دي جراف إلى الفتاة مثالاً على التوصيل حيث يحدث التوصيل.
عندما يكون هناك اتصال مباشر بين المواد ، فإنها تختلف في قدرتها على التبرع أو قبول الإلكترونات.
ينتج مولد Van de Graaf أيضًا شحنة سالبة على القبة ، لذلك يميل إلى التخلي عن الإلكترونات.
الأيدي البشرية مشحونة إيجابياً ، لذا فهي تميل إلى قبول الإلكترونات ، وبالتالي تتدفق الإلكترونات من القبة إلى يد الفتاة عند ملامستها.
لا تحتاج إلى مولد من Van de Graaf لإجراء الاتصال ، يمكن أن يحدث ذلك عندما تمشي على سجادة من الصوف بأحذية مطاطية.
يميل الصوف إلى التخلي عن الإلكترونات ويميل المطاط إلى قبولها ، لذلك تنقل السجادة الإلكترونات إلى حذائك في كل مرة تضع فيها قدمك عليه.
نتيجة لذلك ، يصبح نقل الإلكترون سالبًا ، بينما تصبح الحصيرة مشحونة إيجابًا.
الاستقطاب
لنفترض أنك تمشي على بساط من الصوف بأحذية ذات نعل مطاطي وأصبحت سالبة الشحنة.
إذا قمت بعد ذلك بلمس مقبض الباب المعدني ، فسيتم طرد الإلكترونات من المعدن المحايد بعيدًا عن يدك قبل أن تلمس المقبض.
وبهذه الطريقة ، يتم شحن أحد طرفي المقبض بشكل إيجابي بينما يتم شحن الطرف الآخر سالبًا ، وهذا ما يسمى بالانحياز.
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.
هنا يأتي السؤال: ماذا يحدث عندما يتم وضع الشريط البلاستيكي سالب الشحنة على الرسم البياني بالقرب من اللوحة المعدنية المحايدة؟
الإجابة هي: تصد الإلكترونات الموجودة على اللوحة بواسطة الشحنات السالبة على الشريط ، وتتحرك الإلكترونات بعيدًا عن الشريط.
جعل جانب واحد من اللوحة موجب الشحنة والجانب الآخر مشحون سالبًا.
احتكاك
هل قمت بفرك بالون منتفخ في شعرك؟ يمكنك أن ترى ما يحدث في الشكل أدناه ، بسبب الاحتكاك بين البالون والشعر.
و> عليك “فصل” الإلكترونات عن شعر البالون ، لأن البالون يجذب الإلكترونات بقوة أكبر من الشعر.
بعد نقل الإلكترون ، يصبح البالون سالبًا ويصبح الشعر موجب الشحنة.
تتفكك الخيوط الفردية وتقف في نهايتها لأن الشحنات تتنافر.
يجذب البالون والشعر بعضهما البعض أيضًا ، لأن الشحنات المتقابلة تجذب بعضها البعض.
تتحرك الإلكترونات بهذه الطريقة ، كلما كان هناك احتكاك بين المواد يختلف في قدرتها على التخلي عن الإلكترونات أو قبولها.
نختار لك: