الشحن الكهربائي بطريقة الحث

ما هو الشحن الكهربائي بطريقة الحث؟

تسمى عملية شحن جسم بالاحتكاك، حيث يعد شحن الاحتكاك طريقة شائعة جدًا لشحن كائن ما، ومع ذلك فهي ليست العملية الوحيدة التي يتم من خلالها شحن الأشياء، كما يعرف الشحن التعريفي أنه طريقة تُستخدم لشحن جسم ما دون لمس الكائن بأي جسم مشحون آخر، ويتطلب فهم الشحن عن طريق الاستقراء فهم طبيعة الموصل وفهم عملية الاستقطاب.

شحن نظام ثنائي المجال باستخدام جسم مشحون بشحنة سالبة:

يتضمن أحد المظاهرات الشائعة التي يتم إجراؤها في الشحن التعريفي لكرتين معدنيتين، إذ يتم دعم الكرات المعدنية بواسطة حوامل عازلة بحيث لا يمكن لأي شحنة مكتسبة بواسطة الكرات أن تنتقل إلى الأرض، كما يتم وضع الكرات جنبًا إلى جنب لتشكيل نظام ثنائي الكرات، وكونها مصنوعة من معدن (موصل)، فإن الإلكترونات حرة في التحرك بين الكرات، من الكرة أ إلى الكرة ب والعكس بالعكس.

إذا تم شحن بالون مطاطي سالبًا (ربما عن طريق فركه بفرو الحيوانات) وتم وضعه بالقرب من الكرات، فسيتم حث الإلكترونات الموجودة في نظام الكرتين على الابتعاد عن البالون، وهذا ببساطة هو المبدأ الذي يمثل الشحنات المتنافرة، إذ نظرًا لشحنها سالبًا، يتم صد الإلكترونات بواسطة البالون سالب الشحنة.

وكونهم موجودين في موصل، فإنهم أحرار في التحرك حول سطح الموصل، بعد ذلك يكون هناك هجرة جماعية للإلكترونات من الكرة أ إلى الكرة ب، بحيث هذه الهجرة الإلكترونية تتسبب في استقطاب النظام ثنائي المجال، وبشكل عام، يكون نظام الكراتين محايدًا كهربائيًا ومع ذلك، فإن حركة الإلكترونات خارج الكرة أ وفي الكرة ب تفصل الشحنة السالبة عن الشحنة الموجبة.

بالنظر إلى الكرات كل على حدة، سيكون من الدقة القول إن الكرة أ لها شحنة موجبة إجمالية وأن الكرة ب لها شحنة سالبة إجمالية، وبمجرد استقطاب نظام الكراتين، يتم فصل الكرة ب فعليًا عن الكرة أ باستخدام الحامل العازل، وبعد سحب الشحنة السالبة بعيدًا عن البالون، من المحتمل أن تعيد الشحنة السالبة توزيع نفسها بشكل موحد حول الكرة ب، وفي الوقت نفسه، تظل الشحنة الموجبة الزائدة على الكرة أ موجودة بالقرب من البالون سالب الشحنة، بما يتفق مع المبدأ القائل بأن الشحنات المعاكسة تجتذب.

عندما يتم سحب البالون بعيدًا، يكون هناك توزيع موحد للشحنة حول سطح كلا الكرتين، حيث يحدث هذا التوزيع عندما تتحرك الإلكترونات المتبقية في الكرة أ عبر سطح الكرة حتى يتم توزيع الشحنة الموجبة الزائدة بشكل موحد.

قانون حفظ الشحنة:

يمكن ملاحظة قانون حفظ الشحنة بسهولة في عملية الشحن التعريفي، حيث بالنظر إلى المثال أعلاه، يمكن للمرء أن ينظر إلى المجالين كنظام، قبل عملية الشحن كانت التكلفة الإجمالية للنظام صفرًا، وكان هناك عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات داخل المجالين.

عندما تم حث الإلكترونات على التحرك من الكرة أ إلى الكرة ب، عند هذه النقطة، تصبح الكرات الفردية مشحونة، وكمية الشحنة الموجبة على الكرة أ تساوي كمية الشحنة السالبة على الكرة ب، يعني إذا كانت الكرة أ تحتوي على 1000 وحدة من الشحنة الموجبة، فإن الكرة ب بها 1000 وحدة من الشحنة السالبة، وتحديد الشحنة الإجمالية للنظام عملية حسابية سهلة؛ إنه ببساطة مجموع الشحنات المفروضة على المجالات الفردية، حيث الشحنة الإجمالية للكرتين = +1000 وحدة + (1000 وحدة) = 0 وحدة.

تكون الشحنات الإجمالية على نظام كائنين هي نفسها بعد عملية الشحن، كما كانت قبل عملية الشحن، ولا يتم إنشاء الشحنات أو إتلافها أثناء عملية الشحن هذه؛ يتم نقله ببساطة من كائن إلى كائن آخر في شكل إلكترونات.

شحن نظام ثنائي باستخدام جسم مشحون بشحنة موجبة:

توضح الأمثلة أعلاه كيفية استخدام بالون سالب الشحنة لاستقطاب نظام ثنائي الكرات وشحن الكرات في النهاية عن طريق الحث، ولكن ماذا سيحدث للكرة أ والكرة ب إذا تم استخدام جسم موجب الشحنة لاستقطاب نظام الكرتين أولاً، وكيف ستكون النتيجة مختلفة وكيف ستتغير حركة الإلكترون.

نأخذ في الاعتبار على سبيل المثال، إحضار بالون موجب الشحنة بالقرب من الكرة أ، وجود الشحنة الموجبة يؤدي إلى هجرة جماعية للإلكترونات من الكرة ب إلى (وإلى) الكرة أ، وهذه الحركة ناتجة عن مبدأ بسيط يجذب الأضداد، إذ تنجذب الإلكترونات سالبة الشحنة في جميع أنحاء نظام الكراتين إلى البالون الموجب الشحنة.

حركة الإلكترونات هذه من الكرة ب إلى الكرة أ، حيث تترك الكرة ب بشحنة موجبة شاملة والكرة أ بشحنة سالبة إجمالية، وهكذا تم استقطاب نظام الكارتين، ومع بقاء البالون موجب الشحنة في مكان قريب، يتم فصل الكرة ب فعليًا عن الكرة أ، ويتم توزيع الشحنة الموجبة الزائدة بشكل موحد عبر سطح الكرة ب، وتظل الشحنة السالبة الزائدة على الكرة أ مزدحمة باتجاه الجانب الأيسر من الكرة، في موضعها نفسها قريبة من البالون.

بمجرد إزالة البالون، تعيد الإلكترونات توزيع نفسها حول الكرة أ حتى يتم توزيع الشحنة السالبة الزائدة بالتساوي عبر السطح، وفي النهاية تصبح الكرة أ مشحونة سالبًا وتتحول الكرة ب إلى شحنة موجبة.

يمكن استخدام عملية الشحن التعريفي هذه لشحن زوج من علب الببسي، حيث إنها تجربة بسيطة بما يكفي لتكرارها في المنزل، إذ يتم تثبيت علبتين منبثقة على أكواب الستايروفوم باستخدام شريط سكوتش، ويتم وضع العلب جنبًا إلى جنب ويتم إحضار بالون مطاطي سالب الشحنة (تم فركه بفرو الحيوانات) بالقرب من إحدى العلب.

يمكن أن يؤدي وجود الشحنة السالبة بالقرب من العلبة أ إلى حركة الإلكترون من العلبة أ إلى العلبة ب، وبمجرد فصل العلب يتم شحن العلب، إذ يمكن اختبار نوع الشحنة على العلب من خلال معرفة ما إذا كانت تجذب البالون سالب الشحنة أو تصد البالون سالب الشحنة.

بالطبع، نتوقع أن تجذب العلبة (أ) (المشحونة إيجابًا) البالون السالب الشحنة، وأن تقوم العلبة ب (المشحونة سالبًا) بصد البالون سالب الشحنة، وأثناء عملية الشحن التعريفي، يتمثل دور البالون في تحفيز حركة الإلكترونات من علبة إلى أخرى، ويتم استخدامه لاستقطاب نظام العلبتين، إذ لا يقوم البالون أبدًا بتزويد الإلكترونات إلى العلبة (ما لم تسمع شرارة، مما يشير إلى تفريغ البرق من البالون إلى العلبة).

أهمية الأرضية في الشحن التعريفي:

في حالات الشحن عن طريق الاستقراء التي نوقشت أعلاه، لا تكون الشحنة النهائية على الكائن أبدًا نتيجة حركة الإلكترون من الجسم المشحون إلى الأشياء المحايدة في الأصل، إذ لا ينقل البالون أبدًا الإلكترونات إلى الكرات أو يستقبلها؛ ولا يقوم قضيب الزجاج بنقل الإلكترونات أو استقبالها من الكرات.

يكتسب الكائن المحايد الأقرب من الجسم المشحون (الكرة أ في هذه المناقشات) شحنته من الكائن الذي يتم لمسه، وفي الحالات المذكورة أعلاه، يتم استخدام الكرة الثانية لتزويد الإلكترونات بالكرة أ أو لتلقي الإلكترونات من الكرة أ، ودور الكرة ب في الأمثلة أعلاه هو العمل كمورد أو مستقبل للإلكترونات استجابةً للكائن الذي تم تقريبه من الكرة أ وبهذا المعنى، فإن الكرة ب تعمل مثل الأرض.

لتوضيح أهمية الأرض بشكل أكبر، نضع في الاعتبار الشحن التعريفي لمجال موصل واحد، ونفترض أن بالونًا مطاطيًا سالب الشحنة تم وضعه بالقرب من كرة واحدة، سيؤدي وجود الشحنة السالبة إلى تحفيز حركة الإلكترون في الكرة، ونظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر، سيتم صد الإلكترونات السالبة داخل الكرة المعدنية بواسطة البالون سالب الشحنة.

سيكون هناك هجرة جماعية للإلكترونات من الجانب الأيسر للكرة إلى الجانب الأيمن من الكرة، مما يتسبب في استقطاب الشحنة داخل الكرة، وبمجرد أن تصبح الشحنة داخل الكرة مستقطبة، يتم لمس الكرة، إذ يسمح لمس الكرة للإلكترونات بالخروج من الكرة والانتقال عبر اليد إلى “الأرض”، وفي هذه المرحلة تكتسب الكرة شحنة، مع ترك الإلكترونات للكرة، تكتسب الكرة شحنة موجبة وبمجرد تحريك البالون بعيدًا عن الكرة، تعيد الشحنة الموجبة الزائدة توزيع نفسها (عن طريق حركة الإلكترونات المتبقية)، بحيث يتم توزيع الشحنة الموجبة بشكل موحد حول سطح الكرة.