الشحنة الكهربائية وخصائصها

لا يتم دائمًا تفسير العمليات الفيزيائية التي تحدث في الطبيعة من خلال عمل قوانين النظرية الحركية الجزيئية أو الميكانيكا أو الديناميكا الحرارية. هناك أيضًا قوى كهرومغناطيسية تعمل عن بعد ولا تعتمد على وزن الجسم.

تم وصف مظاهرهم لأول مرة في أعمال العلماء القدماء من اليونان ، عندما جذبوا الضوء ، جزيئات صغيرة من المواد الفردية مع العنبر ، فركت ضد الصوف.

المساهمة التاريخية للعلماء في تطوير الديناميكا الكهربائية

تمت دراسة تجارب العنبر بالتفصيل من قبل الباحث الإنجليزي ويليام هيلبرت ... في السنوات الأخيرة من القرن السادس عشر ، قدم سرداً لعمله وحدد الأشياء القادرة على جذب أجسام أخرى من مسافة بمصطلح "مكهرب".

أثبت الفيزيائي الفرنسي تشارلز دوفاي وجود شحنات ذات علامات معاكسة: تم تشكيل بعضها عن طريق فرك أجسام زجاجية على قماش حريري ، والبعض الآخر - راتنجات على الصوف. هذا ما أسماهم: الزجاج والراتنج. بعد الانتهاء من البحث ، قدم بنجامين فرانكلين مفهوم الشحنات السالبة والموجبة.

يدرك تشارلز فيسولكا إمكانية قياس قوة الشحنات من خلال تصميم توازن الالتواء لاختراعه.

قام روبرت ميليكن ، بناءً على سلسلة من التجارب ، بتأسيس الطبيعة المنفصلة للشحنات الكهربائية لأي مادة ، مما يثبت أنها تتكون من عدد معين من الجسيمات الأولية. (يجب عدم الخلط بينه وبين مفهوم آخر لهذا المصطلح - التجزئة ، الانقطاع).

كانت أعمال هؤلاء العلماء بمثابة أساس المعرفة الحديثة للعمليات والظواهر التي تحدث في المجالات الكهربائية والمغناطيسية الناتجة عن الشحنات الكهربائية وحركتها ، والتي تمت دراستها بواسطة الديناميكا الكهربائية.

تحديد الرسوم ومبادئ التعامل معهم

تميز الشحنة الكهربائية خصائص المواد التي تزودها بالقدرة على إنشاء مجالات كهربائية والتفاعل في العمليات الكهرومغناطيسية. وتسمى أيضًا كمية الكهرباء ويتم تعريفها على أنها كمية عددية مادية. تُستخدم الرموز "q" أو "Q" للإشارة إلى الشحنة ، وتُستخدم وحدة "القلادة" في القياسات ، والتي سميت على اسم العالم الفرنسي الذي طور تقنية فريدة من نوعها.

لقد ابتكر جهازًا يستخدم جسمه كرات معلقة على خيط رفيع من الكوارتز. تم توجيههم في الفضاء بطريقة معينة وتم تسجيل موقعهم مقابل مقياس متدرج بأقسام متساوية.

من خلال ثقب خاص في الغطاء ، تم إحضار كرة أخرى بشحنة إضافية إلى هذه الكرات. أجبرت قوى التفاعل الناتجة الكرات على الانحراف ، لتدوير تأرجحها. أتاح الاختلاف في قراءات المقياس قبل الشحن وبعده تقدير كمية الكهرباء في عينات الاختبار.

تتميز شحنة مقدارها 1 كولوم في نظام SI بتيار قدره 1 أمبير يمر عبر المقطع العرضي للسلك في وقت يساوي 1 ثانية.

تقسم الديناميكا الكهربائية الحديثة جميع الشحنات الكهربائية إلى:

• إيجابي؛

• سلبي.

عندما يتفاعلون مع بعضهم البعض ، فإنهم يطورون قوى يعتمد اتجاهها على القطبية الحالية.

الشحنات من نفس النوع ، موجبة أو سالبة ، تتنافر دائمًا في اتجاهين متعاكسين ، وتميل إلى الابتعاد عن بعضها البعض قدر الإمكان. وبالنسبة لشحنات الإشارات المعاكسة ، هناك قوى تميل إلى الجمع بينها وتوحيدها في واحد. .

مبدأ التراكب

عندما يكون هناك عدة شحنات في حجم معين ، فإن مبدأ التراكب يعمل معها.

معناه أن كل شحنة بطريقة معينة ، وفقًا للطريقة التي تمت مناقشتها أعلاه ، تتفاعل مع جميع الشحنة الأخرى ، وتنجذب إلى الأضداد وتتنافر من قبل مماثلة. على سبيل المثال ، تتأثر الشحنة الموجبة q1 بقوة الجذب F31 للشحنة السالبة q3 وقوة التنافر F21 من q2.

يتم تحديد القوة الناتجة F1 المؤثرة على q1 من خلال الجمع الهندسي للمتجهين F31 و F21. (F1 = F31 + F21).

يتم استخدام نفس الطريقة لتحديد القوى الناتجة F2 و F3 على الشحنات q2 و q3 على التوالي.

باستخدام مبدأ التراكب ، استنتج أنه بالنسبة لعدد معين من الشحنات في نظام مغلق ، تعمل القوى الكهروستاتيكية الثابتة بين جميع أجسامها ، والإمكانات في أي نقطة معينة في هذا الفضاء تساوي مجموع إمكانات الجميع رسوم مشحونة بشكل منفصل.

يتم تأكيد عمل هذه القوانين من خلال الأجهزة التي تم إنشاؤها بواسطة المكشاف الكهربائي والمقياس الكهربي ، والتي لها مبدأ تشغيل مشترك.

يتكون المكشاف الكهربائي من صفحتين رفيعتين متطابقتين من رقائق معدنية معلقة في مساحة معزولة على خيط موصل متصل بكرة معدنية. في الحالة الطبيعية ، لا تعمل الشحنات على هذه الكرة ، لذلك تتدلى البتلات بحرية في الفراغ داخل لمبة الجهاز.

كيف يمكن نقل الشحنة بين الجثث

إذا أحضرت جسمًا مشحونًا ، مثل قضيب ، إلى كرة المكشاف الكهربائي ، فسوف تمر الشحنة عبر الكرة على طول خيط موصل إلى البتلات. سوف يتلقون نفس الشحنة ويبدأون في الابتعاد عن بعضهم البعض بزاوية تتناسب مع كمية الكهرباء المطبقة.

يحتوي المقياس الكهربي على نفس البنية الأساسية ، ولكن هناك اختلافات صغيرة: بتلة واحدة ثابتة بلا حراك ، والثانية تتحرك بعيدًا عنها ومجهزة بسهم يسمح لك بقراءة المقياس المتدرج.

يمكن استخدام الموجات الحاملة الوسيطة لنقل الشحنة من جسم مشحون وثابت بعيدًا إلى جهاز كهربائي.

لا تتمتع القياسات التي يتم إجراؤها بواسطة مقياس كهربائي بدرجة عالية من الدقة ، ومن الصعب على أساسها تحليل القوى المؤثرة بين الشحنات. توازن التواء كولوم هو أكثر ملاءمة لدراستهم. استخدموا كرات بأقطار أصغر بكثير من بعدهم عن بعضهم البعض. لها خصائص الشحنات النقطية - الأجسام المشحونة التي لا تؤثر أبعادها على دقة الجهاز.

أكدت القياسات التي أجراها كولوم افتراضه أن الشحنة النقطية تنتقل من جسم مشحون إلى نفس الشحنة في الخصائص والكتلة ، ولكن بدون شحن بطريقة يتم توزيعها بالتساوي بينهما ، متناقصًا بعامل 2 عند المصدر.وبهذه الطريقة ، كان من الممكن تقليل مبلغ الرسوم مرتين وثلاث مرات ومرات أخرى.

تسمى القوى الموجودة بين الشحنات الكهربائية الثابتة تفاعلات كولومبية أو ثابتة. يتم دراستها بواسطة الكهرباء الساكنة ، وهي أحد فروع الديناميكا الكهربية.

أنواع ناقلات الشحنة الكهربائية

يعتبر العلم الحديث أصغر إلكترون للجسيمات سالبة الشحنة ، وإيجابيًا - بوزيترون ... لهما نفس الكتلة 9.1 × 10-31 كجم. يحتوي بروتون الجسيم على شحنة موجبة واحدة فقط وكتلته 1.7 × 10-27 كجم. في الطبيعة ، عدد الشحنات الموجبة والسالبة متوازن.

في المعادن ، يتم إنشاء حركة الإلكترونات كهرباءوفي أشباه الموصلات تكون حاملات شحنتها عبارة عن إلكترونات وثقوب.

في الغازات ، يتكون التيار من حركة الأيونات - الجسيمات غير الأولية المشحونة (الذرات أو الجزيئات) ذات الشحنات الموجبة ، والتي تسمى الكاتيونات ، أو الأنيونات السالبة.

تتكون الأيونات من جسيمات محايدة.

يتم إنشاء شحنة موجبة في جسيم فقد إلكترونًا تحت تأثير تفريغ كهربائي قوي أو ضوء أو إشعاع مشع أو تدفق الرياح أو حركة كتل الماء أو عدد من الأسباب الأخرى.

تتشكل الأيونات السالبة من الجسيمات المحايدة التي تلقت إلكترونًا بالإضافة إلى ذلك.

استخدام التأين للأغراض الطبية والحياة اليومية

لاحظ الباحثون منذ فترة طويلة قدرة الأيونات السالبة على التأثير على جسم الإنسان ، وتحسين استهلاك الأكسجين في الهواء ، وإيصاله بشكل أسرع إلى الأنسجة والخلايا ، وتسريع أكسدة السيروتونين.كل هذا في المجمع يزيد بشكل كبير من المناعة ويحسن المزاج ويخفف الألم.

تم تسمية أول مؤين يستخدم لعلاج الناس باسم ثريات Chizhevsky ، تكريما للعالم السوفيتي الذي ابتكر جهازًا له تأثير مفيد على صحة الإنسان.

في الأجهزة الكهربائية الحديثة للعمل في بيئة منزلية ، يمكنك العثور على المؤينات المدمجة في المكانس الكهربائية ومرطبات الهواء ومجففات الشعر ومجففات الشعر ...

تعمل المؤينات الهوائية الخاصة على تنقية تركيبتها وتقليل كمية الغبار والشوائب الضارة.

المؤينات المائية قادرة على تقليل كمية الكواشف الكيميائية في تركيبها. يتم استخدامها لتنظيف البرك والبحيرات ، وتشبع الماء بأيونات النحاس أو الفضة التي تقلل من نمو الطحالب ، وتقتل الفيروسات والبكتيريا.

مصطلحات وتعريفات مفيدة

ما هو حجم الشحنة الكهربائية

هذه شحنة كهربائية موزعة في جميع أنحاء الحجم.

ما هي الشحنة الكهربائية السطحية

وهي عبارة عن شحنة كهربائية يتم توزيعها على السطح.

ما هي الشحنة الكهربائية الخطية

وهي عبارة عن شحنة كهربائية يتم توزيعها على طول الخط.

ما كثافة حجم الشحنة الكهربائية

إنها كمية قياسية تميز توزيع حجم الشحنة الكهربائية ، مساوية لنسبة شحنة الحجم إلى عنصر الحجم الذي يتم توزيعه فيه عندما يميل عنصر الحجم هذا إلى الصفر.

ما هي كثافة الشحنة الكهربائية السطحية

إنها كمية قياسية تميز توزيع الشحنة الكهربائية على السطح ، مساوية لنسبة الشحنة الكهربائية للسطح إلى عنصر السطح الذي يتم توزيعها عليه عندما يميل عنصر السطح هذا إلى الصفر.

ما هي كثافة الشحنة الكهربائية الخطية

إنها كمية قياسية تميز توزيع شحنة كهربائية خطية ، تساوي حد نسبة الشحنة الكهربائية الخطية إلى عنصر طول الخط الذي توزع عليه هذه الشحنة عندما يميل عنصر الطول هذا إلى الصفر .

ما هو ثنائي القطب الكهربائي

إنها مجموعة من شحنتين كهربائيتين متساويتين في الحجم ومعاكسة في الإشارة وتقع على مسافة صغيرة جدًا من بعضها البعض مقارنة بالمسافة منها إلى نقاط المراقبة.

ما هي العزم الكهربائي لثنائي القطب الكهربائي

إنها كمية متجهية تساوي حاصل ضرب القيمة المطلقة لإحدى شحنات ثنائي القطب والمسافة بينهما وتوجيهها من الشحنة السالبة إلى الشحنة الموجبة.

ما هي اللحظة الكهربائية للجسم

إنها كمية متجهة تساوي المجموع الهندسي للعزم الكهربائية لجميع ثنائيات الأقطاب التي يتكون منها الجسم قيد الدراسة. يتم تعريف "العزم الكهربائي لحجم معين من المادة" بطريقة مماثلة.