طرق الشحن الكهربائي

ما هي طرق الشحن الكهربائي؟

تسمى عملية تزويد جسم ما بالشحنة الكهربائية (الإلكترونات) أو فقدان الجسم للشحنة الكهربائية (الإلكترونات) بالشحن، مما يعني أنّ الشحن يعني اكتساب الإلكترون أو فقده، يمكن شحن جسم غير مشحون بطرق مختلفة:

• الشحن عن طريق الاحتكاك – Charging by friction.
  
• الشحن عن طريق التوصيل – Charging by conduction.
  
• الشحن عن طريق الحثّ – Charging by induction.
  

الشحن عن طريق الاحتكاك:

عندما يتم فرك جسم ما مع جسم آخر، تنتقل الإلكترونات من جسم إلى آخر، يحدث هذا النقل للإلكترونات بسبب الإحتكاك بين الجسمين. يفقد الجسم الذي ينقل الإلكترونات شحنة سالبة (إلكترونات) والجسم الذي يقبل الإلكترونات يكتسب شحنة سالبة (إلكترونات). ومن ثمّ، فإنّ الجسم الذي يكتسب إلكترونات إضافية يصبح سالباً ويصبح الجسم الذي يفقد الإلكترونات مشحوناً بشحنة موجبة. وبالتالي، يتم شحن الجسمين بالإحتكاك. تسمى الشحنة التي يتم الحصول عليها على الجسمين بشحنة الإحتكاك. تسمى طريقة شحن الجسم هذه بالتكهرب عن طريق الإحتكاك (electrification by friction).

الشحن عن طريق التوصيل:

تسمى عملية شحن الجسم غير المشحون عن طريق ملامسته لجسم مشحون آخر الشحن عن طريق التوصيل، يحتوي الجسم المشحون على عدد غير متساوٍ من الإلكترونات السالبة والشحنات الموجبة (البروتونات)، وبالتالي، عندما يتم توصيل جسم مشحون بالموصل غير المشحون، يتم نقل الإلكترونات من الجسم المشحون إلى الموصل.

تخيل وجود قضيب سالب الشحنة يلامس كرة محايدة “غير مشحونة” وتمر بعض الإلكترونات إلى الكرة، نتيجة لذلك، يتم شحن الكرة المحايدة عن طريق الإتصال. إذا كان القضيب مشحوناً بشحنة موجبة، فإنّ بعض إلكترونات الكرة تمر إلى القضيب وعندما نفصلها، تصبح الكرة مشحونة بشحنة موجبة.

قواعد شحن الجسم بالتوصيل:

• عندما يلامس جسم مشحون جسماً محايداً، يكون لكلاهما نفس الشحنة.
  
• عندما يتلامس جسمان مشحونان بعضهما البعض، يتم الإحتفاظ بالشحنة الإجمالية للنظام ويتشاركان الشحنة الإجمالية وفقاً لقدراتهما، بمعنى إذا كان لديهم نفس القدر من الشحنات المختلفة، فعند تلامس هذان الجسمان لبعضهما البعض تصبح شحناتهما محايدة. وإذا كان مقدار الشحنات مختلفاً، فبعد تدفق الشحنة يتم شحنهما سالباً أو إيجاباً، من المستحيل وجود شحنات متعاكسة بعد الإتصال.
  
• يمكننا إيجاد الشحنة لكل نصف قطر بالمعادلة التالية:
  

(q = q_total ∕ r_total = (q₁+ q₂ + q₃) ∕ (r₁ + r₂ + r₃ 

ثم نستخدم المعادلة التالية لإيجاد الشحنة لكل كرة لها نصف قطر r₁ وr₂:

q₁ = (q₁ + q₂ ∕ r₁ + r₂) . r₁
q₂ = ( q₁ + q₂ ∕ r₁+ r₂) . r₂ 

مثال: لدينا مجالات مشحونة لها نصف قطر (3r وشحنتها 6q) و(2r وشحنتها 13q) و(r وشحنتها 4q-) إذا لمسنا الثلاث كرات لبعضها البعض، فاحسب الشحنات النهائية لهذه الكرات.

q_r = q_total ∕ r_total = (6q + 13q + (-4q)) ∕ (3r+ 2r + r) = 15q ∕ 6r

q_A = (15q ∕ 6r ) . r_A = (15q ∕ 6r) . 3r = 7, 5 q

q_B = ( 15q ∕ 6r ) . r_B = (15q ∕ 6r) . 2r = 5q

q_C = ( 15q ∕ 6r ) . r_C = (15q ∕ 6r) . r = 2,5 q 

الشحن عن طريق الحث:

تسمى عملية شحن الجسم غير المشحون بجلب جسم مشحون آخر بالقرب منه، ولكن دون لمسه، بالشحن عن طريق الحثّ. تخيّل وجود كرة معدنية غير مشحونة وقضيب بلاستيكي سالب الشحنة، إذا أحضرنا القضيب البلاستيكي سالب الشحنة بالقرب من الكرة غير المشحونة، يحدث فصل للشحنة.

تنجذب الشحنات الموجبة في الكرة نحو القضيب البلاستيكي وتتحرك إلى أحد طرفي الكرة الأقرب إلى القضيب البلاستيكي. وبالمثل، يتم صد الشحنات السالبة من القضيب البلاستيكي وتنتقل إلى طرف آخر للكرة يكون بعيداً عن القضيب البلاستيكي. وبالتالي، فإنّ الشحنات الموجودة في الكرة تعيد ترتيب نفسها بحيث تكون جميع الشحنات الموجبة أقرب إلى القضيب البلاستيكي وتكون جميع الشحنات السالبة بعيدة عنه.

إذا كانت هذه الكرة متصلة بالأرض عبر سلك، فإنّ الإلكترونات الحرة للكرة في الطرف الأبعد تتدفق إلى الأرض، وهكذا، تصبح الكرة مشحونة بشحنة موجبة عن طريق الحثّ، إذا تمت إزالة القضيب البلاستيكي، تنتشر جميع الشحنات الموجبة بشكل موحد في الكرة.

أهمية التأريض في الشحن عن طريق الحث:

في حالات الشحن عن طريق الحث، لا تكون الشحنة النهائية على الجسم أبداً نتيجة حركة الإلكترون من الجسم المشحون إلى الأجسام المحايدة في الأصل، لا ينقل البالون أبداً الإلكترونات إلى الكرات أو يستقبلها، ولا يقوم قضيب الزجاج بنقل الإلكترونات أو استقبالها من الكرات، يكتسب الجسم المحايد الأقرب من الجسم المشحون شحنته من الجسم الذي يتم لمسه، بهذا المعنى، تعمل الكرة مثل الأرض (ground).

لتوضيح أهمية التأريض بشكل أكبر، ضع في اعتبارك الشحن الحثّي بوجود موصل واحد. افترض أنّه تم وضع بالون مطاطي سالب الشحنة بالقرب من كرة، سيؤدي وجود الشحنة السالبة إلى تحفيز حركة الإلكترون في الكرة، نظراً لأنّ 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.

بمجرد أن تصبح الشحنة داخل الكرة مستقطبة، يتم لمس الكرة. يسمح لمس الكرة للإلكترونات بالخروج من الكرة والانتقال عبر اليد إلى “الأرض”. في هذه المرحلة تكتسب الكرة شحنة. مع ترك الإلكترونات للكرة، تكتسب الكرة شحنة موجبة. بمجرد تحريك البالون بعيداً عن الكرة، تعيد الشحنة الموجبة الزائدة توزيع نفسها (عن طريق حركة الإلكترونات المتبقية) بحيث يتم توزيع الشحنة الموجبة بشكل موحد حول سطح الكرة.