كهربة الهيئات ، تفاعل الشحنات

في هذه المقالة ، سنحاول تقديم فكرة عامة إلى حد ما عن ماهية كهربة الأجسام ، وسنتطرق أيضًا إلى قانون الحفاظ على الشحنة الكهربائية.

بغض النظر عما إذا كان مصدر الطاقة الكهربائية هذا أو ذاك يعمل وفقًا للمبدأ ، فإن كل منها يحدث كهربة للأجسام المادية ، أي فصل الشحنات الكهربائية الموجودة في مصدر الطاقة الكهربائية وتركيزها في أماكن معينة ، على سبيل المثال ، على أقطاب أو أطراف المصدر. نتيجة لهذه العملية ، يتم الحصول على فائض من الشحنات السالبة (الإلكترونات) في أحد طرفي مصدر الطاقة الكهربائية (الكاثود) ، ونقص الإلكترونات في الطرف الآخر (الأنود) ، أي الأول منهم مشحون بالكهرباء السالبة ، والثاني بالكهرباء الموجبة.

بعد اكتشاف الإلكترون ، الجسيم الأولي ذو الشحنة الدنيا ، بعد شرح بنية الذرة أخيرًا ، أصبحت معظم الظواهر الفيزيائية المتعلقة بالكهرباء قابلة للتفسير أيضًا.

وُجد أن المادة التي تتكون منها الأجسام بشكل عام محايدة كهربائياً ، لأن الجزيئات والذرات التي يتكون منها الجسم تكون متعادلة في ظل الظروف العادية ، وبالتالي لا توجد شحنة للأجسام. ولكن إذا احتك هذا الجسم المحايد بجسم آخر ، فإن بعض الإلكترونات ستترك ذراتها وتنتقل من جسم إلى آخر. لا يزيد طول المسارات التي تقطعها هذه الإلكترونات أثناء هذه الحركة عن المسافة بين الذرات المتجاورة.

ومع ذلك ، إذا انفصلت الأجسام بعد الاحتكاك ، وتحركت ، فسيتم شحن كلا الجسمين. سيصبح الجسم الذي مرت إليه الإلكترونات سالبًا ، والجسم الذي تبرع بهذه الإلكترونات سيكتسب شحنة موجبة ، سيصبح موجب الشحنة. هذا كهربة.

افترض أنه في بعض الأجسام المادية ، على سبيل المثال في الزجاج ، كان من الممكن إزالة بعض إلكتروناتها من عدد كبير من الذرات. هذا يعني أن الزجاج ، الذي فقد بعض إلكتروناته ، سيُشحن بالكهرباء الموجبة ، لأن الشحنات الموجبة فيه اكتسبت ميزة على الشحنات السالبة.

لا يمكن أن تختفي الإلكترونات التي تم إزالتها من الزجاج ويجب وضعها في مكان ما. افترض أنه بعد إزالة الإلكترونات من الزجاج ، يتم وضعها على كرة معدنية. من الواضح بعد ذلك أن الكرة المعدنية التي تستقبل إلكترونات إضافية مشحونة بالكهرباء السالبة ، حيث تُعطى الشحنات السالبة فيها الأولوية على الشحنات الموجبة.

كهربة الجسم المادي - يعني إنشاء فائض أو نقص في الإلكترونات فيه ، أي يخل بتوازن اثنين من الأضداد فيه ، وهما الشحنات الموجبة والسالبة.

لكهرباء جسمين ماديين في وقت واحد ومع شحنات كهربائية مختلفة - يعني سحب الإلكترونات من جسم واحد ونقلها إلى جسم آخر.

إذا تشكلت شحنة كهربائية موجبة في مكان ما في الطبيعة ، فلا بد من ظهور شحنة سالبة بنفس القيمة المطلقة في وقت واحد معها ، حيث إن أي فائض من الإلكترونات في أي جسم مادي ينشأ بسبب افتقارها إلى جسم مادي آخر.

تظهر الشحنات الكهربائية المختلفة في الظواهر الكهربائية على أنها مصاحبة دائمًا للأضداد ، والتي تشكل وحدتها وتفاعلها المحتوى الداخلي للظواهر الكهربائية في المواد.

تصبح الأجسام المحايدة مكهربة عندما تعطي أو تستقبل إلكترونات ، وفي كلتا الحالتين تكتسب شحنة كهربائية وتتوقف عن أن تكون محايدة. هنا لا تنشأ الشحنات الكهربائية من أي مكان ، يتم فصل الشحنات فقط ، لأن الإلكترونات كانت موجودة بالفعل في الأجسام وغيرت موقعها ببساطة ، تنتقل الإلكترونات من جسم مكهرب إلى جسم مكهرب آخر.

تعتمد علامة الشحنة الكهربائية الناتجة عن احتكاك الأجسام على طبيعة هذه الأجسام وحالة أسطحها وعدد من الأسباب الأخرى. لذلك ، لا يُستبعد احتمال أن يكون نفس الجسم المادي في حالة واحدة مشحونًا بالإيجابية وفي حالة أخرى بالكهرباء السالبة ، على سبيل المثال ، تصبح المعادن عند فركها على الزجاج والصوف مكهربة بشكل سلبي ، وعند الاحتكاك بها. ممحاة - بشكل ايجابي.

قد يكون السؤال المناسب هو: لماذا لا تتدفق الشحنة الكهربائية من خلال المواد العازلة ولكن من خلال المعادن؟ النقطة المهمة هي أنه في المواد العازلة ، ترتبط جميع الإلكترونات بنوى ذراتها ، وليس لديها القدرة على التحرك بحرية في جميع أنحاء الجسم.

لكن الوضع مختلف في المعادن. روابط الإلكترون في ذرات المعادن أضعف بكثير مما هي عليه في العوازل ، وبعض الإلكترونات تترك ذراتها بسهولة وتتحرك بحرية في جميع أنحاء الجسم ، وهذه هي ما يسمى بالإلكترونات الحرة التي توفر نقل الشحنة في الأسلاك.

يحدث فصل الشحنات أثناء احتكاك الأجسام المعدنية وأثناء احتكاك المواد العازلة. ولكن في المظاهرات ، يتم استخدام العوازل الكهربائية: الإيبونيت ، والعنبر ، والزجاج. يتم اللجوء إلى هذا لسبب بسيط وهو أنه نظرًا لأن الشحنات لا تتحرك عبر الحجم في المواد العازلة ، فإنها تظل في نفس الأماكن على أسطح الأجسام التي نشأت منها.

وإذا أصبحت قطعة من المعدن مكهربة عن طريق الاحتكاك ، على سبيل المثال ، بالنسبة للفراء ، فإن الشحنة ، التي لا تملك سوى الوقت للانتقال إلى سطحها ، سوف تستنزف على الفور إلى جسم المجرب ، ومظاهرة ، على سبيل المثال ، مع العوازل ، لن تعمل. ولكن إذا تم عزل قطعة من المعدن عن يد المجرب ، فإنها ستبقى على المعدن.

إذا تم إطلاق شحنة الأجسام فقط في عملية الكهربة ، فكيف تتصرف شحنتها الإجمالية؟ توفر التجارب البسيطة إجابة على هذا السؤال. ضع مقياسًا كهربيًا مع قرص معدني متصل بقضيبه ، ضع قطعة قماش صوفية على القرص بحجم هذا القرص. يتم وضع قرص موصل آخر أعلى قرص الأنسجة ، هو نفسه الموجود على قضيب مقياس الكهربي ، ولكنه مزود بمقبض عازل.

من خلال الضغط على المقبض ، يحرك المُختبِر القرص العلوي عدة مرات ، ويفركه ضد قرص النسيج المذكور الموجود على قرص قضيب الكهرومتر ، ثم يحركه بعيدًا عن جهاز القياس الكهربائي. تنحرف إبرة جهاز القياس الكهربي عند إزالة القرص وتبقى في هذا الوضع. يشير هذا إلى أن شحنة كهربائية قد نشأت على القماش الصوفي وعلى القرص المتصل بقضيب جهاز القياس الكهربي.

يتم بعد ذلك توصيل القرص الذي يحتوي على المقبض بالمقياس الكهربي الثاني ، ولكن بدون توصيل القرص به ، ويلاحظ أن الإبرة تنحرف بنفس زاوية إبرة المقياس الكهربي الأول تقريبًا.

أظهرت التجربة أن كلا القرصين أثناء الكهربة تلقيا رسومًا من نفس الوحدة. لكن ما هي علامات هذه الاتهامات؟ للإجابة على هذا السؤال ، يتم توصيل العدادات الكهربائية بسلك. ستعود إبر المقياس الكهربي على الفور إلى موضع الصفر الذي كانت عليه قبل بدء التجربة. تم تحييد الشحنة ، مما يعني أن الشحنات على الأقراص كانت متساوية في الحجم ولكنها معاكسة في الإشارة ، وإجمالاً أعطت صفرًا ، كما كان قبل بدء التجربة.

تظهر تجارب مماثلة أنه أثناء الكهربة ، يتم الاحتفاظ بالشحنة الإجمالية للأجسام ، أي إذا كانت الكمية الإجمالية صفرًا قبل الكهرباء ، فإن الكمية الإجمالية ستكون صفرًا بعد الكهرباء ... ولكن لماذا يحدث هذا؟ إذا قمت بفرك قطعة قماش بعصا من خشب الأبنوس ، فإنها ستصبح سالبة الشحنة والقماش مشحون بشكل إيجابي ، وهذه حقيقة معروفة. يتشكل فائض من الإلكترونات على الإيبونيت عند فركه على الصوف ، وعجز مقابل على القماش.

ستكون الشحنات متساوية في المعامل ، لأن عدد الإلكترونات التي مرت من القماش إلى الإيبونيت ، وتلقى الإيبونيت مثل هذه الشحنة السالبة ، وتشكلت نفس الكمية من الشحنة الموجبة على القماش ، لأن الإلكترونات التي تركت القماش هي الشحنة الموجبة على القماش. وفائض الإلكترونات على الإيبونيت يساوي تمامًا نقص الإلكترونات على القماش. الرسوم معاكسة في الإشارة ولكنها متساوية في الحجم. من الواضح أنه يتم الحفاظ على الشحن الكامل أثناء الكهربة ؛ إنها تساوي صفرًا إجمالاً.

علاوة على ذلك ، حتى لو كانت الشحنات على كلا الجسمين غير صفرية قبل الكهرباء ، فإن الشحنة الإجمالية لا تزال كما كانت قبل الكهرباء. بعد الإشارة إلى تهم الهيئات قبل تفاعلها كـ q1 و q2 ، والتهم بعد التفاعل كـ q1 'و q2' ، فإن المساواة التالية ستكون صحيحة:

q1 + q2 = q1 '+ q2'

هذا يعني أنه بالنسبة لأي تفاعل بين الأجسام ، يتم الحفاظ دائمًا على الشحنة الإجمالية. هذا هو أحد القوانين الأساسية للطبيعة ، قانون حفظ الشحنة الكهربائية. اكتشفه بنجامين فرانكلين في عام 1750 وقدم مفهومي "الشحنة الموجبة" و "الشحنة السالبة". واقترح فرانكلين الإشارة إلى الاتهامات المعاكسة بعلامات «-» و «+».

في الإلكترونيات قواعد كيرشوف لأن التيارات تتبع مباشرة من قانون حفظ الشحنة الكهربائية. يتم تمثيل مجموعة الأسلاك والمكونات الإلكترونية كنظام مفتوح. إجمالي تدفق الشحنات إلى نظام معين يساوي إجمالي تدفق الرسوم من هذا النظام. تفترض قواعد كيرشوف أن النظام الإلكتروني لا يمكنه تغيير شحنته الإجمالية بشكل كبير.

في الإنصاف ، نلاحظ أن أفضل اختبار تجريبي لقانون حفظ الشحنة الكهربائية هو البحث عن مثل هذه الانحرافات للجسيمات الأولية التي يمكن السماح بها في حالة الحفظ غير الصارم للشحنة. لم يتم ملاحظة مثل هذه الانحرافات في الممارسة العملية.

طرق أخرى لكهرباء الأجسام المادية:

1. إذا تم غمر صفيحة الزنك في محلول حمض الكبريتيك H2SO4 ، فسوف تذوب فيه جزئيًا. بعض الذرات الموجودة على صفيحة الزنك ، تاركة إلكترونين من إلكتروناتها على لوحة الزنك ، ستدخل في محلول بسلسلة من الأحماض على شكل أيونات الزنك موجبة الشحنة مضاعفة. نتيجة لذلك ، سيتم شحن لوحة الزنك بالكهرباء السالبة (فائض الإلكترونات) وسيتم شحن محلول حامض الكبريتيك بالإيجاب (فائض أيونات الزنك الموجبة). تستخدم هذه الخاصية لكهربة الزنك في محلول حامض الكبريتيك في خلية كلفانية كعملية رئيسية لظهور الطاقة الكهربائية.

2. إذا سقطت أشعة الضوء على سطح معادن مثل الزنك والسيزيوم وبعضها الآخر ، فإن الإلكترونات الحرة تنطلق من هذه الأسطح إلى البيئة. نتيجة لذلك ، يتم شحن المعدن بالكهرباء الموجبة ، والمساحة المحيطة به مشحونة بالكهرباء السالبة. يسمى انبعاث الإلكترونات من الأسطح المضيئة لبعض المعادن بالتأثير الكهروضوئي ، والذي وجد تطبيقًا في الخلايا الكهروضوئية.

3. إذا تم تسخين الجسم المعدني إلى حالة من الحرارة البيضاء ، فإن الإلكترونات الحرة سوف تطير من سطحه إلى الفضاء المحيط.نتيجة لذلك ، سيتم شحن المعدن الذي فقد إلكتروناته بالكهرباء الموجبة ، وسيتم شحن المناطق المحيطة به بالكهرباء السالبة.

4. إذا قمت بلحام طرفي سلكين مختلفين ، على سبيل المثال ، البزموت والنحاس ، وقمت بتسخين الوصلة بينهما ، فإن الإلكترونات الحرة ستنتقل جزئيًا من السلك النحاسي إلى البزموت. نتيجة لذلك ، سيتم شحن الأسلاك النحاسية بالكهرباء الموجبة ، بينما يتم شحن سلك البزموت بالكهرباء السالبة. ظاهرة كهربة جسمين فيزيائيين عند امتصاصهما للطاقة الحرارية تستخدم في المزدوجات الحرارية.

تسمى الظواهر المرتبطة بتفاعل الأجسام المكهربة بالظواهر الكهربائية.

يتم تحديد التفاعل بين الأجسام المكهربة من خلال ما يسمى تختلف القوى الكهربائية عن قوى ذات طبيعة أخرى من حيث أنها تتسبب في تنافر الأجسام المشحونة وجذب بعضها البعض ، بغض النظر عن سرعة حركتها.

بهذه الطريقة ، يختلف التفاعل بين الأجسام المشحونة ، على سبيل المثال ، عن الجاذبية ، التي تتميز فقط بجاذبية الأجسام ، أو عن قوى الأصل المغناطيسي ، والتي تعتمد على السرعة النسبية لحركة الشحنات ، مما يتسبب في المغناطيسية. الظواهر.

تدرس الهندسة الكهربائية بشكل أساسي قوانين المظهر الخارجي لخصائص الأجسام المكهربة - قوانين المجالات الكهرومغناطيسية.

نأمل أن يكون هذا المقال القصير قد أعطاك فكرة عامة عن ماهية كهربة الأجسام ، والآن أنت تعرف كيف تتحقق تجريبيًا من قانون حفظ الشحنة الكهربائية باستخدام تجربة بسيطة.