الفصل السادس : الشحنة الكهربائية

الكهرباء الساكنة 

يقصد بالكهرباء الساكنة توليد شحنات كهربائية عن طريق التدليك مع بقاء الشحنة مستقره في الجسم .

في بعض الأحيان يفقد عدد كبير من ذرات جسم ما الإلكترونات أو يكتسبها وعندما يحدث مثل هذا الفقدان أو الاكتساب يكتسب الجسم كله شحنة كهربائية . ويصف مصطلح الكهرباء الساكنة الأوضاع التي تحمل فيها الأجسام شحنة كهربائية.
تحدث الكهرباء الساكنة ، على سبيل المثال، عندما تفرك قميصك ببالون، حيث يسبب احتكاك البالون بالقميص انتقال الإلكترونات من القميص إلى البالون، مما يؤدي إلى اكتساب القميص لشحنة كلية موجبة، نظرًا لاحتوائها على عدد من البروتونات أكبر من الإلكترونات، واكتساب البالون لشحنة كلية سالبة لاحتوائها على إلكترونات زائدة. ولذلك يلتصق البالون بالقميص أو بأي سطح آخر مثل الجدار.
ويشبه ذلك ما يحدث عندما تمشي فوق سجاد في يوم جاف، حيث يؤدي الاحتكاك بين حذائك والسجاد إلى انتقال الإلكترونات من جسمك إلى السجاد، معطيًا جسمك شحنة كهربائية موجبة. وعندما تلمس مقبض الباب أو أي جسم فلزي آخر، تقفز الإلكترونات من الجسم الفلزي إلى جسمك، وحينئذ قد تشاهد شرارة وتحس بصدمة خفيفة .

توليد الكهرباء الساكنة باستخدام مولد فاندي جراف

التفريغ الكهربائي

التفريغ الكهربي هو انتقال الشحنة الكهربية المفاجئ واللحظي بين جسمين لهما فارق في الجهد الكهربي . وهذا المصطلح يستعمل لتعريف حدوث تيار كهربائي مفاجئ وغير مرغوب فيه في أحد الأجهزة الإلكترونية.

وتتكون الدارات الكهربائية المركبة من أنصاف الموصلات ، والسيليكون ومواد عازلة مصنوعة من أكسيد السيليكون . وهذه المواد قد يصيبها التلف عند تعرضها لضغط كهربائي عال . وقد ابتكرت حديثا مواد وأدوات تمنع حدوث الفريغ الكهربي .

أسباب حدوث التفريغ الكهربي

وحدوث التفريغ الكهربي هو أحد مشكلات الأجهزة الإلكترونية . ويحدث مثلا عند احتكاك جسمين ، فيصبح أحدهما غني بعددالإلكترونات ونسميه سالبا الشحنة، و يصاب الآخر بعجز في عدد إلكتروناته ونسميه ذو شحنه موجبة . ويحدث التفريغ أي انتقال الشحنة بين الجسمين ويتعادلا كهربيا عند تلامسهما .وهناك أمثلة لحدوث التفريغ الكهربي ، يحدث مثلا عندما نمشي على أنواع معينة من السجاد فيكتسب جسمنا بعض الشحنة منه ، أو عند تمشيط الشعر بمشط من البلاستيك ، ويحدث أيضا عند حك الكهرمان بقطعة من الصوف . وفي جميع تلك الحالات يؤدي احتكاك الأجسام إلى تولد هذا الفارق في الجهد الكهربي للجسمين والذي يـُحدث التفريغ الكهربي بينهما عندما يتلامسان .
ويوجد نوع أخر من التفريغ الكهربي وهذا بحدث بالتأثير الكهربي . وهو يحدث عندما تواجد جسم مشحون (1) وبجواره جسم أخر (2) غير مشحون ويكون معزولا عن الأرض . وعلي الرغم من تعادل الجسم (2) كهربائيا، يمكن بتأثير الجسم (1) أن تتوزع الإلكترونات في الجسم (2) بحيث تتجمع على سطحه المواجه للجسم (1) شحنة مضادة. فوجود الجسم المشحون يُنشئ مجالا كهربائيا يعمل على تجمع شحنة مضادة على السطح المواجه له في الجسم (2) . ومع ذلك يبقى الجسم (2) متعادلا كهربيا، فما يجري ما هو إلا توزيع للشحنات على سطحيه المواجه والبعيد عن الجسم (1) . عندئذ يمكن أن يحدث تفريغ كهربي عند ملامسة الجسم (2) لجسم ثالث.
الصورة المجاورة لأحد الصواعق حيث يحدث تفريغ كهربي بين السحاب المشحون كهربيا والأرض . والسبب في اكتساب السحاب لشحنة كهربية هو اصتدام حبيبات بخار الماء بعضها البعض واحتكاكهم المستمر، مما يترتب عليه انتقال بعض الإلكترونات من حبة إلى حبة ،فتصبح واحدة غنية بالإلكترونات (سالبة كهربيا)، والأخرى ذات عجز في الإلكترونات (موجبة كهربيا) . وبتجمع مجموعات كبيرة من الحبات ذات الشحنة الواحدة تحت تأثير الظروف الجوية يصبح بينها فارق هائل في الجهد الكهربي ، والذي يؤدي إلى التفريغ الكهربي بين تلك التجمعات وظهور البرق ، أو بينها وبين الأرض .

صور  التفريغ الكهربائي

مولد فان دي جراف ( فيديو )

أنواع المواد وقابليتها لتوصيل الكهربائي:

تنقسم المواد إلى ثلاثة أقسام من حيث قابليتها في التوصيل الكهربائي وهي :

المواد الموصلة : هي كل جسمٍ تنتقل خلاله الشحنات الكهربائية في الحال بسبب وجود إلكترونات حرة الحركة في ذراته ، كالحديد والنحاس والألمنيوم والزئبق أي الفلزات بصورة عامة.

المواد رديئة التوصيل وتسمى بالعوازل : وهي كل جسمٍ لاتنتقل خلاله الشحنات الكهربائية في الحال بسبب قلة وجود الإلكترونات الحرة فيه ، مثل الورق الجاف والخشب الجاف .

أشباه الموصلات : هي المواد التي تكون عادةً رديئة التوصيل للكهربائية إذا كانت نقيةً إلا أنها تصبح جيدة التوصيل للكهربائية إذا احتوت على شوائب معينة، مثل الجرمانيوم والسيلكون.

 الخشب غير موصل للكهرباء

سلك معدني موصل للكهرباء

 

قانون اوم:

رسم توضيحي لدائرة بسيطة بها: مصدر للجهد الكهربائي (فرق الجهد) V، ويمر بها تيار كهربائي شدته I، ومقاومة كهربائية قيمتها R.

وينص هذا القانون على أن فرق الجهد الكهربائي بين طرفي ناقل معدني يتناسب طرديا مع شدة التيار الكهربائي المار فيه.

يتم تعريف النسبة الثابتة بين فرق الجهد وشدة التيار بالمقاومة الكهربائية ويرمز إليها بالحرف اللاتيني R. ويلاحظ أن المقاومة R لناقل ما هي قيمة ثابتة ولا تتغير بتغير فرق الجهد بين طرفيه، ويعبر عن هذا المبدأ من خلال المعادلة التالية:

كما يمكن التعبير عن نفس المعادلة بصيغة أخرى: :
حيث:

• V: هي فرق الجهد الكهربائي بين طرفي الناقل المعدني (المقاومة) ويقاس بوحدة تسمى بالفولت، ويرمز له بالرمز(V).
• I: هي شدة التيار الكهرباني المار في الناقل ويقاس بوحدة تسمى بالأمبير، ويرمز له بالرمز (A).
• R: هي مقاومة الناقل للتيار وتقاس بوحدة تسمى بالأوم، ويرمز لها بالرمز (Ω).

ويمكن صياغة القانون السابق حسب الوحدات الكهربائية كالتالي:

الدوائر الكهربائية:

(دائرة كهربائية موصلة على التوالي)

دائرة التوالي:

الدائرة الكهربائية التي توصل مكوناتها على التوالي ، أي يمر فيها التيار واحدة تلو الأخرى تسمى  دائرة توصيل على التوالي.

توصيل المقاومات على التوالى

 

دائرة التوازي:

توصيل المقاومات على التوازي

يقع على كل مقاومة عندالتوصيل على التوازي نفس فرق الجهد . وتكون شدة التيار الكلي I في الدائرة تساوي مجموع شدة التيارات المارة في كل مقاومة . ويمكن تعيين شدة التيار المارة في كل مقاومة باستخدام قانون أوم .