Electric Charge Crash Course Physics

مقبض الباب المكهرب، خدعة البالون التي تجعل شعركم ينتصب، أو طبعاً، الصاعقة، جميعها تعمل بنفس المبدأ، الكهرباء الساكنة. تتكون الكهرباء الساكنة عندما يكتسب جسم ما شحنة إجمالية كهربائية موجبة أو سالبة، ما يحدث اختلالاً، يتطلب إعادته إلى حالة التوازن، آثارها ليست كارثية دائماً كما في حالة الصاعقة، لنأخذ مثلاُ قطعتي لاصق ملصقتين على طاولة، إذا نزعتم الاثنتين عن الطاولة وحاولتم إلصاقهما إلى بعض، فهذا سهل الحصول أليس كذلك؟ ولكن يتضح أنهما تتنافران لكن حاولوا أن تلصقوا واحدة فوق الأخرى، ثم انزعوا الاثنتين عن الطاولة وافصلوهما، لم تعودا متنافرتين، بل هما الآن متجاذبتان. في الحالة الأولى، اكتسبت كلا القطعتين شحنة سالبة من الطاولة، وبما أن الشحنات المتشابهة تتنافر، فإن القطعتين تباعدتا. في الحالة الثانية، اكتسبت إحدى القطعتين شحنات سالبة من الأخرى، ما ترك القطعتين في حالة تعاكس كلي للشحنات، ولهذا فقد حدث تجاذب. تبدأ دراسة الكهرباء من هنا، من الملاحظات الأساسية للشحنات الكهربائية، التي أطلقت من مئات السنين شرارة الإبداع والابتكار التي غيرت عالمنا للأبد. لنفهم الكهرباء، يجب أن نبدأ من الذرة، تتضمن الذرات جسيمات ذات شحنة، بروتونات موجبة، وإلكترونات سالبة، وبشكل عام يتساوى عددها، ما يعني أن محصلة الشحنة الكهربائية للذرة يساوي الصفر. هي غير مشحونة كهربائياً. في المواد الصلبة تبقى البروتونات ثابتة، لكن بعض الإلكترونات تكون حرة الحركة، تدعى هذه الإلكترونات المتحركة: الإلكترونات الحرة، وتستقر في الغلاف الخارجي للذرة كإلكترونات تكافؤية ومن ثم يتم نزعها ونقلها بسهولة عند تطبيق قوة خارجية عليها. مدى سهولة تنقل الإلكترونات يعتمد على المادة. ونقوم بتوصيف المواد كما نفعل في الانتقال الحراري، باستخدام النواقل والعوازل. المواد الناقلة كالنحاس، تسمح للإلكترونات الحرة بالتنقل بحرية عبر الجسم الصلب، بينما تقوم العوازل بتقييدها مما يحد من طوفانها. إذاً، لدينا العوازل والنواقل والإلكترونات الحرة المتنقلة عبرها، لكن ما سبب حركة هذه الجسيمات المشحونة أساساً؟ الجواب يكمن في اختلال الشحنة الكهربائية، عندما يكون لأحد أجزاء العنصر عدد مختلف من الإلكترونات الحرة مقارنة مع جزء آخر. عندما نتحدث عن عنصر ذي شحنة إجمالية سالبة، نقصد أنه يمتلك الكثير من الإلكترونات، وعندما نتحدث عن عنصر ذو شحنة إجمالية موجبة، نقصد أنه ينقصة إلكترونات حرة. هذا الاختلال قد يحدث أو يضبط بكثير من الطرق. لنقل أن لديكم عصا زجاجية غير مشحونة كهربائياً، وتقومون بفركها بقطعة قماش، هذا التفاعل المادي يسبب انتقال الإلكترونات إلى قطعة القماش، ما يجعل العصا موجبة الشحنة. يدعى هذا الشحن بالاحتكاك. حيث كانت العصا وقطعة القماش في البداية غير مشحونتين، لكن بعد الاحتكاك يصبح للعصا محصلة شحنة موجبة. لكن احتمال كون العصا موجبة الشحنة أو سالبة الشحنة في النهاية، يعتمد على المادة المستخدمة. قام اليونانيون القدماء بفرك الفرو بالكهرمان، واكتشفوا أن الكهرمان بعد ذلك يجذب الشعر والريش، اليوم نعرف أن الأول خطف إلكترونات خلال العملية، ما أعطى الكهرمان شحنة إجمالية موجبة، تماماً كالعصا الزجاجية. عليكم أن تعلموا أنه لم تتكون أي شحنات جديدة خلال هذه العملية، فالشحنة الإجمالية ما بين هذين العنصرين ما زالت صفر. يعرف هذا بقانون مصونية الشحنة الكهربائية، وينص على أنه ليس بالإمكان توليد شحنة كهربائية إجمالية، بدلاً عن ذلك، يمكن فقط للإلكترونات الانتقال من مكان إلى آخر. والآن، إذا لامستم عصاً زجاجية موجبة الشحنة مع عصا غير مشحونة، فستقفز شحنة موجبة متمثلة ببعض الإلكترونات من العصا غير المشحونة إلى تلك الموجبة، حتى يصبح للعنصرين نفس توزع الشحنات. إذاً، لدينا الآن عصوان كلاهما مشحونتان إيجابيان بعض الشيء. يدعى هذا الشحن باللمس. عندما يتلامس عنصران، تنتقل الشحنات بينهما. إذاً تتحرك الشحنات عندما تتلامس مادتان مختلفتان في المادة. سواءً بالاحتكاك أو التلامس البسيط، لكن ليس من الضروري فعلياً أن تتلامس المواد لكي يعاد ترتيب إلكتروناتها. لنقل أنكم أتيتم بعصا موجبة الشحنة وقربتموها من عصا معدنية ناقلة، عندها تنجذب الإلكترونات في جزء من العصا المعدنية إلى العصا الموجبة. والآن الطرف ذو العدد الأكبر من الإلكترونات، شحنته سالبة، ما يترك الطرف الآخر من العصا مع عدد أقل من الإلكترونات وشحنة موجبة. أتعلمون ماذا فعلنا هنا؟ لقد جعلنا العصا المعدنية مستقطبة. أعدنا توزيع الشحنة بحيث نخلق اختلالاً في الشحنة داخل عنصر. عنصر ما زال متعادلاً كهربائياً. تخيلوا الآن أننا قسمنا العصا المعدنية في المنتصف تماماً. ما زالت لم تلمس العصا الموجبة، لكن بما أننا قسمناها أثناء وجود اختلال. يصبح لدينا طرف موجب وطرف سالب. تعرف هذه العملية بالشحن بالتأثير. توليد شحنة إجمالية دون التلامس مع عنصر آخر. والآن، إذا تم توصيل عنصر مشحون إلى عنصر ناقل متعادل الشحنة وأكبر حجماً، فإن الشحنة الإجمالية تتم إعادة توزيعها بحيث تخسر العناصر الأصغر معظم شحنتها الإجمالية، ما حجم العنصر المقصود على وجه الدقة؟ ماذا عن الأرض!؟ سطحها هو ناقل جيد في معظم الأماكن ويمكن اعتباره متعادل الشحنة غالباً. إذاً، فإن توصيل عنصر مشحون إلى الأرض يخلق طريقاً تتسرب عبرها الشحنات إلى الأرض، ما يجعل العنصر غير مشحون كهربائياً. يعرف هذا بالتأريض. لنقل أننا أعدنا التجربة السابقة، لكننا أحضرنا عصا سالبة الشحنة وقربناها من العصا غير المشحونة. تصبح العصا غير المشحونة مستقطبة، مع شحنة إجمالية موجبة قرب العصا المشحونة، وشحنة سالبة على الطرف الآخر. لكن إذا قمنا بتأريض العصا، فإن الشحنات السالبة المبعدة من قبل العصا المشحونة تجد مكاناً تنتقل إليه. الأرض، التي تتشتت فيها الشحنات السالبة تاركة للعصا المعدنية شحنة إجمالية موجبة، والآن إذا قطعنا الاتصال مع الأرض، فإن العصا تبقى موجبة الشحنة. هذه العملية لا تتطلب أي تلامس بين العصوين. فقط اتصالاً بالأرض. حسناً إذاً، لقد تحدثنا عن كيف أن الشحنات المتعاكسة تتجاذب. والشحنات المتشابهة تتنافر. لكن كيف نعاير هذه التفاعلات كمياً في صيغة معادلات وواحدات؟ سيتوجب علينا إيجاد قوة طبقة على الأجسام المشحونة بواحدة النيوتن، لكن لكي نجد تعداد النيوتن، علينا أولاً قياس الشحنة، ويستدل عليها بحرف والمقاسة بواحدة كولومب. بما أن الأجسام تكون موجبة أو سالبة الشحنة، فيمكن أن ينتج لديك قيم موجبة أو سالبة، على سبيل المثال يحمل إلكترون شحنة قيمتتها ناقص 1.6 مضروبة ب10 أس ناقص 19 كولومب. يعني ذلك أن هناك مقدار 6.24 مضروب ب10 أس 18 من الإلكترونات مقابل كل واحدا كولب سالب الإشارة. هذا القيمة، قيمة شحنة إلكترون واحد مقاسة بالكولومب، تعرف بالشحنة الأولية، ويستدل عليها باستخدام حرف صغير. سنستخدم هذا الترميز كثيراً عند الحديث عن البروتونات والإلكترونات، حيث أن البروتونات تملك شحنة قيمتها موجبة، بينما الإلكترونات، قيمتها سالبة. بما أن لدينا طريقة لقياس الشحنة الآن، فبإمكاننا حساب القوى بين الجسيمات. والمعادلة التي سنستخدمها مشابهة جداً لتلك التي نستخدمها في الثقالة. لكن بدلاً عن استخدام الكيلوغرامات لإيجاد النيوتن، نستخدم هنا الكولومب. تنص معادلتنا هنا على أن القوة بين جسيمين مشحونين تساوي ناتج ضرب الشحنتين تقسيم مربع المسافة. والمسافة مربعة لأنه كما في الثقالة، عندما تتضاعف المسافة بين جسمين، تنخفض القوة بينهما إلى ربع القيمة الأصلية. وكما في الثقالة، هذه القوة لها ثابت التناسب الخاص بها. يرمز له بحرف صغير. وتعتمد قيمته على الوسط المحيط بالشحنات. في معظم المرات، الوسط الذي ستتعاملون معه سيكون الهواء فقط، أو ربما فراغ، وفي الحالتين، الثابت هو تسعة ضرب عشرة أس 9 كولومب. عند ضرب باقي الصيغة بK يعطيكم ذلك النتيجة بالنيوتن. كل هذه الصيغة تعرف باسم قانون كولومب. وتعرف الK بثابت قانون كولومب. الثقالة والقوى الكهربائية الساكنة تعمل بطرق مختلفة بالطبع، لذا علينا التعبير عنها بطرق مختلفة. قوة الجاذبية في النهاية هي جاذبة دائماً، لكن القوى الكهربائية الساكنة تكون إما جاذبة أو أو منفرة، اعتماداً على إشارة الشحنات. إذاً ناتج ضرب الشحنتين يمكن أن يكون سالباً أو موجباً، مع كون الإشارة الناتجة لF إما زائد أو ناقص، تبعاً للتجاذب أو التنافر. والآن لنضع قانون كولومب تحت الاختبار. لنقل أن هنالك إلكترونان يبعدان عن بعضهما مسافة 1 نانومتر، ما يعني 1 مضروبة ب10 أس ناقص تسعة متر، يمكنكم حساب القوة بينهما بضرب قيمة الشحنتين، وكلاهما تساويان ناقص 1.6 في 10 أس ناقص 19 كولومب تقسيم مربع المسافة بينهما ثم نضرب ما سبق بK والقوة الناتجة تكون زائد 2.3 ضرب 10 أس ناقص 10 نيوتن لاحظوا الآن أن الجواب موجب، يعني ذلك أن الإلكترونات تتنافر. إذا استخدمنا بروتون وإلكترون على نفس المسافة من بعضهما نحصل على ناقص 2.3 ضرب 10 أس ناقص 10 نيوتن ما يعني أنهما يتجاذبان، وكما القوى الأخرى، نطبق الجمع الشعاعي على حالتنا هذه أيضاً. يعني هذا أن بإمكاننا حساب محصلة القوى على الشحنة بتطبيق قانون كولومب على كل زوج من الشحنات في أي وضع. من قانون كولومب يمكننا حساب مقدار القوة ومعرفة اتجاهها تبعاً لإشارة الناتج. إذاً، بمساعدة حيلة بسيطة بالشريط اللاصق، وزوج من العصي المتحركة، كشفنا أساسيات القوى الكهربائية الساكنة. في المرة القادمة، سنتعلم عن الحقول الكهربائية وكيفية تخيل تأثيرها على الأجسام المجاورة. تعلمنا اليوم عن القوى الكهربائية الساكنة وعن كيفية تحويل وإعادة ترتيب الشحنات الكهربائية. ناقشنا كذلك قانون كولومب، وكيفية حساب القوة بين الجسيمات المشحونة باستخدام الأشعة. تم إنتاج سلسلة Crash Course للفيزياء بالاشتراك مع استديوهات PBS الرقمية. بإمكانكم التوجه إلى قناتهم والاطلاع على آخر الحلقات من برامجهم مثل Idea Channel, Brain Craft Shank's FX. تم تصوير هذه الحلقة في استديوهات Doctor Cheryl Kinney Crash Course Studio بمساعدة هؤلاء الناس الرائعين، وفريق البصريات الرائع أيضاً، Thought Cafe.