اقرأ في هذا المقال
- ما هو المكشاف الكهربائي؟
- كيف يعمل المكشاف الكهربائي؟
- أنواع المكشاف الكهربائي
- استخدامات المكشاف الكهربائي
- شحن المكشاف الكهربائي
ما هو المكشاف الكهربائي؟
المكشاف الكهربائي: هو جهاز علمي يستخدم للكشف عن وجود شحنة كهربائية على الجسم أو إشعاع مؤين. في عام 1600م، اخترع الطبيب البريطاني “ويليام جيلبرت” أول مكشاف كهربائي بإبرة محورية تسمى “فيرسوريوم” (versorium). يكتشف المكشاف الكهربائي الشحنة بناءً على القوة الكهروستاتيكية كولوم (Coulomb electrostatic force) التي تسبب حركة شحنة الإختبار. يمكن اعتبار المكشاف الكهربائي بمثابة مقياس جهد خام لأنّ الشحنة الكهربائية لجسم ما تساوي سعتها، تُعرف الأداة المستخدمة لقياس الشحنة كمياً بالمقياس الكهربائي.
كيف يعمل المكشاف الكهربائي؟
يعتمد مبدأ عمل المكشاف الكهربائي على التركيب الذري للعناصر، وتحريض الشحنة، والبنية الداخلية للعناصر المعدنية، وفكرة أنّ الشحنات المتشابهة تتنافر فيما بينها، بينما الشحنات المختلفة تتجاذب مع بعضها البعض. يتكون المكشاف الكهربائي من مقبض للكشف عن المعادن في الأعلى متصل بزوج من الأوراق المعدنية المتدلية من أسفل قضيب التوصيل. عندما لا توجد شحنة، تتدلى أوراق المعادن بشكل فضفاض إلى الأسفل. ولكن عندما يتم وضع جسم مشحون بالقرب من المكشاف الكهربائي، يمكن أن يحدث أحد الأمرين:
عندما تكون الشحنة موجبة: تنجذب الإلكترونات الموجودة في معدن المكشاف الكهربائي إلى الشحنة وتتحرك لأعلى خارج الأوراق، ينتج عن هذا أنّ الأوراق يصبح لها شحنة موجبة مؤقتة ولأنّ الشحنات تتنافر، تنفصل الأوراق. عند إزالة الشحنة، تعود الإلكترونات إلى مواقعها الأصلية وترتاح الأوراق.
عندما تكون الشحنة سالبة: تتنافر الإلكترونات الموجودة في معدن المكشاف الكهربائي وتتحرك باتجاه الأوراق الموجودة في الأسفل، يؤدي هذا إلى اكتساب الأوراق شحنة سالبة مؤقتة ولأنّ الشحنات تتنافر، تنفصل الأوراق مرة أخرى، ثم بعد إزالة الشحنة، تعود الإلكترونات إلى موقعها الأصلي وترتاح الأوراق.
يستجيب المكشاف الكهربائي لوجود شحنة من خلال حركة الإلكترونات داخل الأوراق أو بعيداً عنها، في كلتا الحالتين، تنفصل الأوراق. من المهم ملاحظة أنّ المكشاف الكهربائي لا يمكنه تحديد ما إذا كان الجسم المشحون موجباً أو سالباً، فهو يستجيب فقط لوجود شحنة كهربائية.
أنواع المكشاف الكهربائي:
هناك نوعان كلاسيكيان من المكشاف الكهربائي أو الإلكتروسكوب وهما كالتالي:
المكشاف الكهربائي ذو الكرة اللبية – Pith-ball electroscope:
اخترع “جون كانتون” المكشاف الكهربائي ذو الكرة اللبية في عام 1754م، ويتكون من واحدة أو إثنتين من الكرات الخفيفة الصغيرة وهي مادة خفيفة الوزن غير موصلة تسمى اللب. من أجل معرفة ما إذا كان الجسم مشحوناً أم لا، يتم إحضاره بالقرب من كرة اللب غير المشحونة، إذا انجذبت الكرة نحو الجسم، فهذا يعني أنّ الجسم مشحون.
المكشاف الكهربائي ذو الأوراق الذهبية – Gold-leaf electroscope:
تم تطوير المكشاف الكهربائي ذو الأوراق الذهبية من قبل “أبراهام بينيت” في عام 1787م، وهو أكثر حساسية من المكشاف الكهربائي ذي الكرة اللبية. يتكون من قضيب معدني رأسي به شريحتان متوازيتان من أوراق ذهبية مرنة رفيعة معلقة عليه، لمنع ورقة الذهب من تيارات الهواء، يتم حفظها في زجاجة زجاجية، تنتشر أوراق الذهب على شكل حرف “V” المقلوب عندما يقترب منها جسم مشحون.
استخدامات المكشاف الكهربائي:
- يتم استخدامه للكشف عن الشحنات الساكنة.
- يمكن تحديد طبيعة الشحنات الكهربائية باستخدام المكشاف الكهربائي.
- يمكن مقارنة مقادير شحنتين مختلفتين باستخدام المكشاف الكهربائي.
- كشف التيارات الصغيرة، حيث يمكن استخدام المكشاف الكهربائي لإثبات أنّ تياراً صغيراً يتدفق في دائرة.
- استخدام المكشاف الكهربائي كمقياس الفولتميتر أو المقياس الكهربائي (electrometer).
شحن المكشاف الكهربائي:
هناك عدة طرق لشحن المكشاف الكهربائي، وتشمل:
- الشحن عن طريق الإحتكاك: افرك عازلاً لشحنه، ثمّ قم بضربها على اللوحة العلوية من المكشاف الكهربائي، سيؤدي ذلك إلى نقل الشحنة من العازل إلى المكشاف الكهربائي. هذه الطريقة مباشرة وواضحة، ومع ذلك، فإنّ الشحنة المتبقية على المكشاف الكهربائي لن تتركه دائماً منحرفاً تماماً.
- الشحن عن طريق الحثّ (induction): هذه طريقة سريعة للحصول على شحنة أكبر على المكشاف الكهربائي، ومع ذلك، يمكن أن تبدو سحرية بعض الشيء، لذلك يجب استخدامها بعناية.
افرك عازلاً لشحنه، قربه من اللوحة العلوية للمكشاف الكهربائي ولكن لا تدعه يلمسه. سيؤدي ذلك إلى إحداث شحنة معاكسة على لوحة المكشاف الكهربائي، مما يترك شحنة صافية على ورقة الذهب، والتي سترتفع. الآن المس اللوحة بإصبعك للحظات لتأريضها (لا تزال تمسك بالعازل المشحون بالقرب من اللوحة العلوية)، سيتم تحييد شحنة اللوحة العلوية ولكن ستظل هناك شحنة على ورقة الذهب، اترك الصفيحة ثم خذ العازل المشحون بعيداً، الشحنة التي تم دفعها لأسفل إلى ورقة الذهب ستعيد الآن توزيع نفسها على اللوحة والورقة، تاركة كل شيء مشحوناً، ستظهر الورقة انحرافاً جيداً.
الشحن باستخدام مولد (EHT) أو (Van de Graaff): يمكنك استخدام سلك توصيل متصل بأحد مصادر الجهد العالي هذه لشحن المكشاف الكهربائي لأوراق الذهب، هذه الطريقة سريعة وفعّالة وواضحة، يجب أن تكون المحطة الأخرى للإمداد مؤرضة، قم بتوصيل سلك التوصيل الطائر (flying lead) بالإمداد من خلال مقاومة أمان.
