تعتبر تجربة تفاعل الأجسام المشحونة عن بُعد واحدة من التجارب الأساسية والمهمة في مجال الفيزياء، وهي من أوائل التجارب التي يخوضها الطلاب في مختبرات المدارس.
في هذا السياق، سنستعرض كيف تؤثر الشحنة الكهربائية على نتائج تجارب متنوعة مع مختلف المواد والأشياء، كما سنسلط الضوء على خصائص هذه الشحنة. تابعوا معنا.
الشحنة الكهربائية
- قبل التطرق إلى الاسم العلمي والنموذجي لتجربة تفاعل الأجسام المشحونة عن بُعد، يجدر بنا تعريف الشحنة الكهربائية. تُعتبر هذه الشحنة خاصية أساسية تميز المواد المكونة من جسيمات أولية، حيث تحدد استجابة المادة للقوى الناتجة عن المجال الكهرومغناطيسي. وتنقسم الشحنات إلى نوعين: موجبة وسالبة، وهما المسؤولتان عن تكوين المجال الكهربائي.
- إذا كانت الشحنة متحركة، فإنها تتحمل مسؤولية تكوين المجال المغناطيسي. يجري قياس الشحنة الكهربائية وفقًا للنظام الدولي للوحدات باستخدام وحدة تُعرف باسم “الكولوم”، ويتم التعبير عنها بوحدة الأمبير في الساعة في تطبيقات الكهرباء الهندسية.
تجربة تفاعل الأجسام المشحونة عن بُعد
- تُعرف هذه التجربة بالتجربة الاستهلالية، ويمكن تنفيذها باستخدام شريط لاصق، وبالونات بلاستيكية، وخيوط من الصوف. تبدأ التجربة بنفخ بالونين وربطهما بخيوط الصوف، ليُعلقَا في نقطة واحدة باستخدام الشريط اللاصق، ومن ثم يتم شحن البالونين عن طريق تدليكه.
- نلاحظ عندها أن البالونين يتباعدان، ويعزى ذلك علميًا إلى أن الأجسام التي تحمل شحنات متشابهة تتنافر، بينما الأجسام التي تحمل شحنات مختلفة تتجاذب عند الاقتراب. في هذه التجربة، تكتسب البالونات شحنة سالبة مما يتسبب في حدوث التنافر بينهما.
- ومن الأمثلة على الأجسام التي تؤثر في بعضها عن بُعد، الغيمة والأرض. فوجود غيمة مشحونة بالقرب من الأرض يُحدث تأثيرًا في الأشجار والمباني، حيث تنتقل الشحنات الكهربائية بين الغيمة والأرض.
خصائص الشحنات الكهربائية
بعد تحديد الاسم العلمي لتجربة تفاعل الأجسام المشحونة، من الضروري كذلك التعرف على خصائص الشحنات الكهربائية كالتالي:
خاصية الإضافة
- تسمح هذه الخاصية بجمع الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة، وتُعتبر كميات قياسية. فمثلًا، إذا كان لدينا نظام كهربائي يتكون من شحنتين، إحداهما بقيمة “س” والأخرى بقيمة “ع”، فإن مجموع الشحنات في النظام يساوي “ع + س”.
حفظ المادة
- تعتبر الشحنة الكهربائية محفوظة وفقًا لقانون حفظ المادة، فهي لا تفنى ولا تنشأ من العدم، بل يتم انتقالها بين الأجسام وفق طرق متنوعة. في نظام معين، يكون هناك توازن بين الشحنات المكتسبة من جسم وآخر يفقد نفس المقدار.
الشحنة الكهربائية مُكممة
-
تُحسب كمية الشحنة الكهربائية في الجسم وتُعبر عنها بقيمة محددة وبوحدة معينة، حيث تتساوى مع كتلة البروتون أو الإلكترون.
- يمكن التعبير عنها رياضيًا بالصيغة Q= e*n، حيث Q تمثل مقدار الشحنة الكهربائية في الجسم، وn تمثل العدد الصحيح، مما يشير إلى الوحدة الأساسية للبروتون الموجب أو الإلكترون السالب.
- تجربة تفاعل الأجسام المشحونة تعتبر تجربة علمية مهمة، وقد أدت إلى العديد من الاكتشافات والاختراعات في مجالات متنوعة، من الأدوات الكهربائية المنزلية إلى المعدات الفضائية. وقد ساهمت دراسات الشحنة الكهربائية في إحداث ثورة في عالم الفيزياء وفهم الظواهر الفيزيائية على كوكب الأرض مثل الصواعق والبرق.
ما هي القوة الكهربائية؟
تُعرف القوة الكهربائية بأنها قوة غير ملامسة حيث يمكن للأجسام المشحونة أن تؤثر على أشياء أخرى، سواء كانت مشحونة أو غير مشحونة.
مثال على القوة الكهربائية
-
عند فرك بالون بفروة حيوان مثل صوف، أو حتى بخصلات من الشعر، من المحتمل أن يُشحن البالون وتؤثر شحنته على أي شيء آخر بالقرب منه بشكل غير مألوف.
- إذا وضعنا قطع صغيرة من الورق على سطح الطاولة ثم اقتربنا من البالون، فسيكون لهذا البالون المشحون تأثير كافي لرفع هذه القطع الورقية بعيدًا عن الطاولة.
- ويمكن أيضًا أن يحدث هذا التأثير حتى إذا كان البالون بعيدًا عن القطع الورقية.
الشحنات الكهربائية الموجودة في الأجسام
توجد شحنات كهربائية في الأجسام بنوعين:
- الأجسام التي تحتوي على شحنات موجبة أكثر من الشحنات السالبة، مما يعني أن عدد البروتونات الموجبة فيها يتجاوز عدد الإلكترونات السالبة، وتُعرف هذه الأجسام بالأجسام المشحونة إيجابيًا.
- أما الأجسام التي تحتوي على شحنات سالبة أكثر من الشحنات الموجبة، فتُعرف بالأجسام المشحونة سلبيًا.
- تعتبر الشحنات نوعين متعاكسين، وحسب المبدأ الأساسي لتفاعل الشحنات، فإن الأجسام الموجبة الشحنة تجذب الأجسام السالبة، مما يؤدي إلى تأثيرات قوى جذب بينها.
علاقة قانون نيوتن بالقوة الكهربائية
عند تطبيق القانون الثالث لنيوتن، يمكن اعتبار القوة تفاعلًا متبادلاً بين جسمين، حيث يقوم كل منهما بإنتاج قوة جذب أو دفع متساوية ومعاكسة تجاه الآخر. يحدث ذلك بسبب وجود شحنات مختلفة بين الأجسام. لتبسيط الفكرة، يمكننا تصوير الأجسام الحاملة لشحنات متعاكسة كما يلي:
- عندما ندفع الجسم “أ” نحو اليمين، يُدفع الجسم “ب” نحو اليسار، مما يؤدي إلى حركة تجاذب متبادلة بينهما.
- تكون القوى المؤثرة متساوية في الحجم وأيضًا متعاكسة، مما يخلق تأثيرًا متبادلًا بينهما.
شحن الأجسام عبر الاتصال
-
تشير عملية شحن الأجسام إلى اكتساب أو فقدان الإلكترونات.
- يمكن شحن الأجسام بعدة طرق، مثل الشحن عن طريق الاتصال أو الاستقراء بين الأجسام.
- تظهر العوامل المؤثرة على الشحن الساكن عند حدوث تلامس بين الأجسام المشحونة وأي جسم محايد.
- هذا يعني وجود تفاعل بين أجسام أخرى، وبالتالي تكون جميع هذه الأجسام ذات شحنة واحدة، سواء كانت موجبة أو سالبة.
- عند حدوث تلامس بين مادتين مشحونتين بشحنات غير متشابهة، يتم المحافظة على شحنة النظام الإجمالية.
- توزيع الشحنة يحدث بحسب قدرة كل مادة على التجاذب تجاه الأخرى.
- إذا كانت الأجسام المتلامسة كرات ذات أشكال معينة، فإن أنصاف أقطارها تسهم في الشحنة الكلية، ويكون هناك ارتباط طردي بين الأقطار والسعات.
- بينما تكون شحنات البروتونات والإلكترونات متناسبة في الحجم، إلا أن كل منها يحمل إشارة مختلفة.
- وبهذا، يمكن القول إن جميع الأجسام المشحونة في الطبيعة تتكون من مضاعفات كاملة للشحنة الأساسية.
- وهذا يعني أن الشحنات تتشكل من مجموعات من البروتونات والإلكترونات.