شحن الأجسام كهربائيا بالتوصيل

ما هي طريقة الشحن بالتوصيل؟

يتضمن الشحن عن طريق التوصيل ملامسة جسم مشحون بجسم محايد، بافتراض أن صفيحة ألمنيوم موجبة الشحنة ملامسة كرة معدنية محايدة، ويتم شحن الكرة المعدنية المحايدة نتيجة لتلامسها مع لوح الألمنيوم المشحون، أو بافتراض أن كرة معدنية سالبة الشحنة ملامسة اللوحة العلوية لمكشاف كهربائي بإبرة محايدة.

يصبح المكشاف الكهربائي المحايد مشحونًا نتيجة ملامسته الكرة المعدنية وأخيرًا، بافتراض أن طالب فيزياء غير مشحون يقف على منصة عازلة ويلامس مولد فان دي غراف سالب الشحنة، سيصبح طالب الفيزياء المحايدة مشحونًا نتيجة اتصاله بمولد Van de Graaff.

يتضمن كل من هذه الأمثلة اتصالًا بين كائن مشحون وجسم محايد، على عكس الحث، حيث يتم إحضار الكائن المشحون بالقرب من الجسم المشحون ولكن لم يتم الاتصال به مطلقًا، يتضمن شحن التوصيل إجراء اتصال مادي للجسم المشحون بالجسم المحايد، ونظرًا لأن الشحن عن طريق التوصيل ينطوي على الاتصال، فغالبًا ما يطلق عليه الشحن عن طريق الاتصال.

الشحن عن طريق التوصيل باستخدام جسم مشحون سلبًا:

عملية الشحن عن طريق الاتصال، حيث أولاً في حالة استخدام كرة معدنية سالبة الشحنة لشحن مكشاف كهربائي بإبرة محايدة، إذ يتطلب فهم العملية أن الشحنات المتشابهة تتنافر وأن لدينا رغبة شديدة في تقليل تنافرها من خلال الانتشار قدر الإمكان، حيث تحتوي الكرة المعدنية سالبة الشحنة على فائض من الإلكترونات؛ وتجد هذه الإلكترونات بعضها البعض مثيرة للاشمئزاز وتبتعد عن بعضها قدر الإمكان.

محيط الكرة هو أقصى ما يمكن أن يذهبوا إليه، وإذا كان هناك أي مسار موصل إلى قطعة أكثر اتساعًا من العقارات، فيمكن للمرء أن يتأكد من أن الإلكترونات ستكون على هذا المسار إلى العشب الأخضر وراءة، ومن الناحية الإنسانية، فإن الإلكترونات التي تعيش في نفس المنزل تحتقر بعضها البعض وتبحث دائمًا عن منزل خاص بها أو على الأقل منزل به غرف أكثر.

بالنظر إلى هذا الفهم لتنافر الإلكترون والإلكترون، ليس من الصعب التنبؤ بما تميل إليه الإلكترونات الزائدة على الكرة المعدنية إذا تم لمس الكرة إلى المكشاف الكهربائي المحايد، وبمجرد إجراء اتصال الكرة بالمكشاف الكهربائي، ينتقل عدد لا يحصى من الإلكترونات الزائدة من الكرة إلى المكشاف الكهربائي وينتشر حول نظام المكشاف الكهربائي.

بشكل عام، فإن الكائن الذي يوفر أكبر مساحة “للتسكع” سيكون هو الكائن الذي يضم أكبر عدد من الإلكترونات الزائدة، بحيث عند اكتمال عملية الشحن عن طريق التوصيل، يكتسب المكشاف الكهربائي شحنة سالبة زائدة بسبب حركة الإلكترونات عليه من الكرة المعدنية، ولا تزال الكرة المعدنية مشحونة سالبًا، فقط لديها شحنة سالبة زائدة أقل مما كانت عليه قبل عملية الشحن بالتوصيل.

الشحن عن طريق التوصيل باستخدام كائن مشحون بشكل إيجابي:

تضمن المثال السابق للشحن عن طريق التوصيل لمس جسم سالب الشحنة لجسم محايد، حيث عند التلامس تتحرك الإلكترونات من الجسم المشحون سالبًا إلى الجسم المحايد، وعند الانتهاء تم شحن كلا الجسمين سلبًا، ولكن ماذا يحدث إذا لامس جسم موجب الشحنة جسمًا محايدًا، نعتبر حالة صفيحة ألمنيوم موجبة الشحنة تستخدم لشحن كرة معدنية محايدة من خلال عملية التوصيل.

إن استخدام صفيحة ألمنيوم موجبة الشحنة يتم لمسها في كرة معدنية محايدة، حيث تحتوي صفيحة الألمنيوم المشحونة إيجابياً على فائض من البروتونات، وعند النظر إليها من منظور الإلكترون، نجد أن صفيحة ألمنيوم موجبة الشحنة لديها نقص في الإلكترونات.

من الناحية البشرية، يمكننا القول أن كل بروتون زائد هو إلى حد ما مستاء، ولا يكتفي حتى يجد إلكترونًا سالب الشحنة يتعايش معه ومع ذلك، نظرًا لأن البروتون مرتبط بإحكام في نواة الذرة، فإنه غير قادر على ترك ذرة بحثًا عن الإلكترون الذي يتوق إليه.

ومع ذلك، يمكنه جذب إلكترون متحرك تجاه نفسه، وإذا تم إنشاء مسار توصيل بين مجموعة من الإلكترونات وبروتون زائد، فيمكن للمرء أن يتأكد من أنه من المحتمل أن يكون هناك إلكترون على استعداد لاتخاذ المسار، ولذلك عندما تلامس صفيحة الألمنيوم المشحونة إيجابياً الكرة المعدنية المحايدة، تهاجر عدد لا يحصى من الإلكترونات الموجودة على الكرة المعدنية نحو صفيحة الألمنيوم.

هناك هجرة جماعية للإلكترونات حتى يتم إعادة توزيع الشحنة الموجبة على نظام الكرة المعدنية المصنوعة من الألومنيوم، إذ بعد فقد الإلكترونات في صفيحة الألمنيوم المشحونة إيجابياً، وهناك نقص في الإلكترونات على الكرة والشحنة الموجبة الإجمالية، ولا تزال لوحة الألومنيوم مشحونة بشكل إيجابي؛ فقط لديها الآن شحنة موجبة زائدة أقل مما كانت عليه قبل بدء عملية الشحن.

قد يثير التفسير أعلاه سؤالًا صعبًا إلى حد ما: لماذا يرغب إلكترون على الكرة المعدنية المحايدة سابقًا في التحرك بعيدًا عن الكرة المعدنية في المقام الأول، حيث أن الكرة المعدنية محايدة، وذلك لانه يجب إرضاء كل إلكترون عليه نظرًا لوجود بروتون مقابل، أما السبب الذي يمكن أن يدفع الإلكترون للذهاب من خلال جهود الهجرة إلى منطقة مختلفة من أجل الحصول على ما لديه بالفعل، بأنه ينتهي الأمر بأن الإلكترونات والبروتونات ليست مستقلة وفردية كما نعتقد.

حيث من منظور إنساني، لا يمكن اعتبار الإلكترونات والبروتونات كمواطنين مستقلين في نظام الحكم الحر، ولا تفعل الإلكترونات والبروتونات ما هو الأفضل لأنفسهم، لكن يجب أن يكونوا أكثر تفكيرًا اجتماعيًا، أي يجب أن يتصرفوا كمواطنين في دولة يجب أن تتصرف فيها سيادة القانون بطريقة تقلل من التأثيرات البغيضة الكلية داخل المجتمع ككل وتعظيم التأثيرات الجذابة الشاملة.

لن يكون الدافع وراء الإلكترونات والبروتونات هو ما هو جيد بالنسبة لهم، بل بما هو مفيد للبلد، وبهذا المعنى تمتد حدود الدولة إلى محيط مادة الموصل التي يوجد بداخلها إلكترون زائد وفي هذه الحالة، يكون الإلكترون الموجود في الكرة المعدنية جزءًا من دولة تمتد إلى ما بعد الكرة نفسها وتتضمن لوحة الألومنيوم بأكملها.

لذلك من خلال الانتقال من الكرة المعدنية إلى لوحة الألومنيوم، يكون الإلكترون قادرًا على تقليل الكمية الإجمالية للتأثيرات البغيضة داخل هذا البلد، إنه يعمل على نشر الشحنة الموجبة الزائدة على مساحة سطح أكبر، وبالتالي تقليل الكمية الإجمالية لقوى التنافر بين البروتونات الزائدة.

قانون حفظ الشحنات:

في كل من طرق الشحن الأخرى، الشحن عن طريق الاحتكاك والشحن عن طريق الاستقراء، إذ ينص قانون حفظ الشحنة على أن الشحنة محفوظة دائمًا، وعندما يتم النظر في جميع الكائنات المعنية قبل وبعد عملية معينة، ونلاحظ أن المبلغ الإجمالي للشحن بين الكائنات هو نفسه قبل بدء العملية كما هو بعد انتهاء العملية.

لوحظ نفس قانون الحفظ أثناء الشحن عن طريق عملية التوصيل، فإذا تم استخدام كرة معدنية سالبة الشحنة لشحن مكشاف كهربائي محايد، فإن الشحنة الكلية قبل بدء العملية تكون هي نفسها الشحنة الكلية عند انتهاء العملية.

لذا، إذا كان الكروي المعدني قبل بدء عملية الشحن يحتوي على 1000 وحدة من الشحنة السالبة ويكون المكشاف الكهربائي محايدًا، فإن الشحنة الإجمالية لكائنين في النظام هي -1000 وحدة، وربما أثناء عملية الشحن، انتقلت 600 وحدة من الشحنة السالبة من الكرة المعدنية إلى المكشاف الكهربائي.

عند اكتمال العملية، سيحتوي المكشاف الكهربائي على 600 وحدة من الشحنة السالبة والكرة المعدنية تحتوي على 400 وحدة من الشحنة السالبة (1000 وحدة الأصلية مطروحًا منها 600 وحدة نقلها إلى المكشاف الكهربائي)، ولا تزال الشحنة الإجمالية للكائنين في النظام -1000 وحدة، التكلفة الإجمالية قبل بدء العملية هي نفسها التكلفة الإجمالية عند اكتمال العملية، ولا يتم إنشاء الشحنة أو إتلافها، بل يتم نقلها ببساطة من كائن إلى كائن آخر في شكل إلكترونات.

يتطلب شحن التوصيل موصلًا، حيث تضمنت عملية الشحن عن طريق التوصيل لمس موصلين، ولكن هل يجب أن يتم شحن التلامس من خلال ملامسة اثنين من الموصلات أم هل يمكن للعازل أن يشحن جسمًا آخر عند لمسه؟ وهل يمكن شحن العازل بالتوصيل؟ يمكن أن يتم تعريف التوصيل والتمييز بين الموصلات والعوازل، حيث يُعتقد هنا أن الموصل فقط يمكنه توجيه تهمة إلى موصل آخر، إذ تتضمن عملية شحن كائن ما بشكل ملحوظ عن طريق الاتصال بين الكائنين المتصلين لحظيًا صافي الشحنة الزائدة.

تُعطى الشحنة الزائدة ببساطة مساحة أكبر تنتشر عليها لتقليل المقدار الإجمالي لقوى التنافر بينهما، حيث تتطلب هذه العملية أن تكون الكائنات موصلات حتى تتحرك الإلكترونات وتعيد توزيع نفسها، ويعيق العازل مثل هذه الحركة للإلكترونات بين الأشياء الملامسة وحول أسطح الأشياء.

يتم ملاحظة ذلك إذا تم وضع لوحة فطيرة من الألومنيوم على صفيحة رغوية مشحونة، وعندما يتم وضع لوح الألمنيوم المحايد على لوح الرغوة المشحون، فإن لوح الرغوة لا يوصل شحنه إلى الألومنيوم، وعلى الرغم من حقيقة أن السطحين كانا على اتصال، لم يحدث الشحن عن طريق الاتصال أو التوصيل، (أو على الأقل، فإن نقل الشحنة الذي قد يحدث لم يكن ملحوظًا بالوسائل المعتادة لاستخدام المكشاف الكهربائي، باستخدام مصباح اختبار الشحن أو اختبار تنافره مع جسم مشحون).

قد يقترح الكثيرون بسرعة أنهم استخدموا عازلًا مشحونًا لشحن المكشاف الكهربائي المحايد (أو أي جسم آخر) عن طريق التلامس، وفي الواقع، يمكن استخدام أنبوب غولف بلاستيكي سالب الشحنة لشحن المكشاف الكهربائي، ويتم لمس الأنبوب البلاستيكي باللوحة العلوية من المكشاف الكهربائي.

في معظم الحالات، يتم فرك الأنبوب البلاستيكي أو دحرجته عبر لوحة المكشاف الكهربائي، لا يعتبر في هذه الحالة شحن بالتوصيل، حيث من المرجح أن الشحن قد حدث من خلال عملية أخرى غير التوصيل، إذ لم يكن هناك تقاسم في الشحن بين الأنبوب البلاستيكي والأجزاء المعدنية من المكشاف الكهربائي.

بالطبع، بمجرد الحصول على بعض الشحنة الزائدة عن طريق المكشاف الكهربائي، فإن تلك الشحنة الزائدة توزع نفسها حول سطح المكشاف الكهربائي ومع ذلك، لا يتم تقاسم الشحنة بشكل موحد بين الجسمين، ولا تعمل البروتونات والإلكترونات الموجودة داخل أنبوب الجولف البلاستيكي والمكشاف الكهربائي معًا لتقاسم الشحنات الزائدة.