الشحنة الكهربائية في كل مكان حولك ، لكنك لا تلاحظها إلا في حالات نادرة ، مثل عندما يقف شعرك في نهايته بعد ذلك تخلع قبعة أو عندما تحصل على انزلاق حاد عندما تمد يدك لتلمس شيئًا بعد فرك قدميك على طول سجادة.
هاتان الظاهرتان أمثلة علىكهرباء ساكنة، شيء ربما تعلمته عندما كنت طفلاً. ولكن كيف تجعل الشحنات الساكنة شعرك يقف في النهاية ولماذا يمكن أن يسبب لك صدمة ثابتة؟
ما الذي يحدث بالفعل على المستوى الذري الذي ينتج هذه التجارب العالمية؟ يمنحك التعرف على التفاصيل حول الكهرباء الساكنة رؤية أكثر تفصيلاً لهذه الخاصية الرائعة للمادة.
أساسيات الشحن الكهربائي
الشحنة الكهربائية هي خاصية أساسية للمادة. يتم فصلها إلى شحنة موجبة وشحنات سالبة ، وعلى الرغم من أن بعض الجسيمات تكون كذلك محايدة كهربائيًا - مثل النيوترون - تتكون في الواقع من عناصر أساسية أكثر الجسيمات التيفعلتحمل شحنة كهربائية.
أهم جسيمين مشحونين يجب معرفتهما عندما تتعرف على الكهرباء الساكنة هما مكونان من المكونات الرئيسية للذرة: البروتونات والإلكترونات.
البروتونات موجبة الشحنة بشحنة +ه، بينما يتم شحن الإلكترونات سالبًا عند -ه، أينه = 1.602 × 10−19 ج. يشير C هنا إلى
القاعدة الأساسية لكيفية عمل الشحنة الكهربائية هي أن الشحنات المعاكسة تتجاذب وتتنافر. لذلك إذا قمت بإحضار إلكترون بالقرب من إلكترون آخر ، فإنهم سيدفعون أنفسهم بعيدًا ، بينما إذا أحضرت إلكترونًا بالقرب من البروتون ، فسوف ينجذب إليه.
تعريف الكهرباء الساكنة
على المستوى الأساسي ، تشير الكهرباء الساكنة ببساطة إلى الشحنات التي لا تتحرك. ومع ذلك ، هناك ما هو أكثر من ذلك بكثير! إن الشيء الرئيسي في الكهرباء الساكنة هو أنها تحدث عندما يكون هناك خلل في الشحن ، وهذا الخلل يخلق في الأساسالجهد الكهربائي، مما يعني أن هناك إمكانية لتدفق التيار الكهربائي (لإعادة توازن الشحنة) بسبب مواضع الجسيمات الحاملة للشحنة.
في الذرات ، وبالتبعية معظم الأشياء اليومية ، هناك توازن بين الموجب والسالب الشحنات (أي بين البروتونات والإلكترونات) ، لذا فهي محايدة كهربائيًا عند أخذها في الاعتبار جميعها سويا.
لذا إذا قربت ذرة من أخرى ، فلن تكون هناك قوة كهربائية بينهما لأن الكل من الشحنات الموجبة متوازنة مع الشحنات السالبة ، لذلك لا توجد شحنة صافية لتوليد a فرض.
في حين أن الأمر أكثر تعقيدًا من ذلك بقليل (لأن الإلكترونات تتحرك دائمًا ، لذا فهي لا تتحركدائمامنع الشحنة الموجبة من البروتونات) ، يخلق هذا الوضع المحايد تباينًا واضحًا مع ما يحدث عندما يكون هناك تراكم لشحنة ثابتة.
في الأساس ، عندما يكتسب جسم ما (مثل شعرك بعد فرك البالون عليه) فائضًا أو عجزًا في الشحن (لذلك المزيد أو أقل من الإلكترونات في حالتها العادية) ، إذًا لم تعد محايدة ويمكنها توليد ما تسميه ثابتًا كهرباء. في المقابل ، الكهرباء العادية هيحركة مستمرةمن الشحنة (على شكل إلكترونات في تيار كهربائي) ، بينما الكهرباء الساكنة لا تنطوي على حركةحتىتعيد الشحنات توازن بعضها البعض - وربما تمنحك انزلاقًا حادًا في هذه العملية!
كيف تعمل الكهرباء الساكنة
تعتمد الكهرباء الساكنة بشكل أساسي على عدم التوازن بين الشحنات الموجبة والشحنات السالبة ، ولكن الإلكترونات فقط هي التي تتحرك فعليًا لخلق هذا الخلل.
في الذرة ، ترتبط البروتونات بإحكام في النواة (جنبًا إلى جنب مع النيوترونات) ، وكلاهما أثقل بكثير من الإلكترونات سالبة الشحنة التي تبقى في "سحابة" حول الجزء الخارجي من نواة.
نظرًا لأن هذه الجسيمات الأخف موجودة في الخارج ، فعندما يتلامس أحد الأشياء مع جسم آخر ، يكون الإلكترونات التي يمكن أن تنتقل فيما بينها ، وفركها معًا يزيد من معدل الشحن أنشأ. لذلك إذا التقط الجسم إلكترونات إضافية ، فإنه يصبح سالبًا ، بينما إذا فقد الإلكترونات يصبح موجب الشحنة.
تحتوي المواد العازلة على شحنة ثابتة جيدًا ، في حين أن الموصل الجيد سيحافظ فقط على شحنة ثابتة في مواقف معينة. لا يحمل الموصل المعطى إلكترونات إضافية شحنة ثابتة لأن الإلكترونات يمكن أن تتدفق بحرية في جميع أنحاء المادة (وهو تعريف الموصل الجيد).
لذلك يتبدد أي تراكم شحنة بسرعة كبيرة جدًا لتكوين كهرباء ثابتة ملحوظة ، ويمكن أن تنتقل إلى كائنات أخرى ما لم تكن معزولة تمامًا عن بقية البيئة. نظرًا لأن التيار لا يمكن أن يتدفق في العازل ، فإن التراكم الساكن يؤدي سريعًا إلى اختلال توازن ملحوظ في الشحن وبالتالي يولد الكهرباء الساكنة.
لأن الشحنات المتشابهة تتنافر ، وتتجاذب الرسوم المعاكسة ، فعندما يكون لشيء ما شحنة ثابتة ، فإنه يلتصق بالعناصر المشحونة بشكل معاكس ، ويمكن أيضًا في بعض الأحياناستقطابذرات في جسم محايد وتلتصق به أيضًا - الطريقة التي يلتصق بها البالون بالحائط بعد فركه على رأسك.
إذا كان تراكم الشحن كبيرًا بدرجة كافية وتم تحقيق جهد مرتفع نسبيًا بين السطحين أو الأشياء ، يمكن أن تقفز الشحنة من جسم إلى آخر. هذا هو السبب في أنه يمكنك الحصول على صدمة من الصدمة الساكنة إذا فركت قدميك على الأرض ثم لمست مقبض الباب.
أمثلة على الكهرباء الساكنة
هناك العديد من الأمثلة للكهرباء الساكنة التي ستواجهها في الحياة اليومية ، حتى لو لم تفكر بالضرورة في الدور الذي تلعبه الشحنات الساكنة في تشغيلها.
أحد الأمثلة الشائعة بشكل خاص هو الالتصاق الثابت بالملابس ، خاصة بعد استخدام المجفف ، والذي يحافظ على الظروف المثالية تطوير الكهرباء الساكنة ، ويتضمن أيضًا احتكاك الملابس ببعضها البعض والتقاط إلكترونات إضافية على طريق. تميل الصدمة الساكنة من الملابس المشحونة بهذه الطريقة إلى أن تكون صغيرة جدًا ، لكنك بالتأكيد لا تزال تلاحظها عندما تحصل على واحدة!
تعد آلات التصوير مثالًا رائعًا على كيفية استخدام الكهرباء الساكنة بشكل جيد. ينشئ الضوء الساطع الذي يمسح المستند ضوئيًا "ظلًا" كهربائيًا للصورة على موصل ضوئي (أي حساس للضوء) ، وعندما يدور الحزام ، فإنه يلتقط جزيئات الحبر سالبة الشحنة بسبب الاستاتيكية الشحنة.
تحتها حزام آخر يجلب ورقة حوله ، مما يعطيها شحنة ثابتة موجبة قوية في هذه العملية. عندما تقابل الشحنات السالبة من مسحوق الحبر الشحنات الموجبة على الورق ، يطبع الحبر نفسها على قطعة الورق ، في نفس نمط الظل الذي التقطته الموصلية الضوئية حزام.
مثال آخر يجب أن يعيدك إلى فصل الفيزياء في المدرسة: مولد Van de Graaff ، والعرض الكلاسيكي حيث يلمس شخص ما الكرة ويقف شعره على نهايته. يعمل المولد على أساس حركة الشحنات الكهربائية الساكنة ، مع حزام متحرك يمتد بطول الجهاز و "مشطان" معدنيان للتحكم في الشحنات الساكنة.
يسحب المشط المشحون بشحنة موجبة في الأسفل (المتصل بمصدر للكهرباء) الإلكترونات من الحزام ، ويتركه بشحنة موجبة صافية ، ويتم التقاط هذه الشحنة بواسطة مشط في الأعلى ، مما يؤدي إلى انتشارها إلى القبة الكبيرة في أعلى. إذا لمست القبة أثناء عملية الشحن ، فإن خيوط شعرك الفردية تلتقط الشحنات المطابقة وتتنافر ، مما يجعلها تقف في النهاية!
تجربة الطائرات الورقية لبنيامين فرانكلين
صاعقة البرق هي عرض درامي للغاية لقوة الكهرباء الساكنة ، وقد أثبت بنجامين فرانكلين ذلك في أحد أكثر العروض العلمية شهرة على الإطلاق عن طريق ربط مفتاح بسلسلة طائرة ورقية مبللة أثناء عاصفة رعدية.
في حين أنه من الأسطورة أن الطائرة الورقية أصيبت بالفعل بصاعقة صاعقة (من المحتمل أن يكون هذا قد قتل فرانكلين) ، فإن المجال الكهربائي من تم التقاط العاصفة بواسطة الخيط ، والذي - تمامًا مثل عرض مولد Van de Graaff الكلاسيكي - جعل خيوط الخيوط تقف على نهاية. أخيرًا ، لمس فرانكلين المفتاح وشعر بصدمة ثابتة ، مما يدل بوضوح على الصلة بين الكهرباء والبرق.
بالطبع ، ملأ العلماء الكثير من التفاصيل حول العملية منذ أيام بنجامين فرانكلين. يشبه إلى حد كبير احتكاك الملابس ببعضها البعض في المجفف أو احتكاك البالون بشعرك ، فإن الشحنات الساكنة ينتج البرق عن الاحتكاك ، ومن بلورات الجليد في الهواء البارد التي تلتقي بقطرات الماء من الهواء الدافئ كتلة.
يتراكم الشحن في أماكن مختلفة في السحابة ، وعندما يكون هناك فرق كبير بما فيه الكفاية في الجهد الكهربائي بين هذه الأماكن (أي جهد عالي بما فيه الكفاية) ، يتم إطلاقه على شكل أ صاعقة برق. يحدث هذا عادةفي غضونغيوم أو بين سحابين ، ولكن في بعض الأحيان سيضرب الترباس الأرض.
سلسلة Triboelectric
يُطلق على تراكم الشحنة الساكنة الناتج عن الاحتكاك والفرك اسم تأثير كهرباء الاحتكاك ، وبناءً على هذه المقالة ، فأنت تعرف بالفعل تفاصيل أسباب ذلك و كيف تعمل. تؤدي الأجسام التي تتلامس مع بعضها البعض إلى التقاط أحدهم إلكترونات إضافية (جميعها تحمل الشحنات السالبة) والآخر ينتج عنه عجز في الإلكترونات وبالتالي شبكة موجبة الشحنة.
ومع ذلك ، فإن الدرجة التي تلتقط بها المواد المختلفة الشحنة السالبة أو تفقد الإلكترونات وتكتسب شحنة موجبة تختلف بناءً على خصائص المادة. في حين أن العوازل بشكل عام أفضل في التقاط الشحنات الساكنة ، فإن العوازل المختلفة تلتقطها بمعدلات مختلفة.
على سبيل المثال ، تلتقط معظم أنواع المطاط ، ولا سيما التفلون ، الإلكترونات بسهولة شديدة ، وبالتالي فهي رائعة للعروض التوضيحية وقطع التكنولوجيا التي تعتمد على الكهرباء الساكنة. تختلف المواد بناءً على "سلبيتها الكهربية" ، والتي تعني أساسًا تقاربها الإلكتروني ، أو ميلها لالتقاطها من كائنات أخرى.
تقوم سلسلة كهرباء الاحتكاك بترتيب المواد المختلفة بناءً على قدرتها على التقاط شحنة ثابتة موجبة أو سالبة. العناصر الموضوعة في الجزء العلوي من سلسلة كهرباء الاحتكاك عرضة لالتقاط شحنة موجبة ، بينما من المرجح أن يكتسب أولئك الموجودون في الأسفل إلكترونات ويلتقطوا شحنة سالبة مثل a نتيجة. كلما زاد الفصل بين عنصرين في سلسلة كهرباء الاحتكاك ، كلما زاد فركهما معًا في تكوين شحنة ثابتة في كليهما.
أخطار الكهرباء الساكنة
في حين أن معظم مظاهرات الكهرباء الساكنة هي عروض ممتعة أو فضول بسيط في الحياة اليومية ، من المهم أن تتذكر أن الشحنات الساكنة غير المرغوب فيها يمكن أن تكون خطيرة عواقب.
على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي شرارة واحدة من الكهرباء الساكنة إلى اشتعال سوائل أو غازات قابلة للاشتعال ومن المحتمل أن تؤدي إلى حدوث انفجار. يمكن أن يتسبب التراكم الثابت الناتج عن الانزلاق عبر مقعد السيارة في حدوث مشكلة عند حدوث ذلك لإعادة تعبئة الغاز ، لذا يجب عليك دائمًا لمس الجزء المعدني من السيارة قبل ملئه فوق.
بالتاكيد،عظمفي ذلك الوقت ، تعد الكهرباء الساكنة مجرد ظاهرة مثيرة للاهتمام ، ولكن فهم كيفية عملها يمكن أن يساعدك في تجنب وقوع كارثة في بعض المواقف.