تعريف شحنة الفضاء:
يشار إلى تراكم الشحنات في منطقة معينة باسم “شحنة الفضاء” (space charge)، يمكن أن تكون المساحة التي تتركز فيها الشحنات إمّا مساحة خالية أو عازلة للكهرباء، علاوةً على ذلك، قد تكون سحابة الشحنات هذه متنقلة أو غير متحركة بطبيعتها، تشير شحنة الفضاء إلى مجموعة الإلكترونات المنبعثة من سطح المعدن بعد تطبيق تيار الأنبوب، على مسافة قصيرة من سطح المعدن، تجمع هذه الإلكترونات وتشكل سحابة من الشحنات حول سطح المعدن.
الشحنة الفضائية هي كثافة الشحنة الموجودة في الفضاء الحر، مثل داخل حزمة من الجسيمات، إنّه على النقيض، على سبيل المثال، كثافة الشحنة على أسطح الأقطاب الموصلة أو الشحنات المقيدة داخل المواد العازلة، من المهم مراعاة الشحنة الفضائية لأنّ كثافة الشحنة، بأي شكل من الأشكال، تؤثر على المجالات الكهربائية عبر “قانون كولوم”، والذي بدوره يؤثر أيضًا على مسارات حزم الجسيمات المشحونة “بموجب قانون قوة لورنتز“.
أمثلة لشرح مفهوم شحنة الفضاء:
مثال (1): الآن، ضع في اعتبارك الحالة التي جلبنا فيها أشباه الموصلات من النوع (p) في اتصال مع أشباه الموصلات من النوع (n)، كما هو معروف جيدًا، تحتوي مادة أشباه الموصلات من النوع (n) على إلكترونات زائدة بينما يتم استنفاد مادة النوع (p) منها، وبالتالي، عندما يتم الاتصال بهذين النوعين من المواد، ستبدأ الإلكترونات في الانتقال من النوع (n) إلى النوع (p).
يؤدي هذا إلى إعادة اتحاد الإلكترونات والثقوب “الشحنات الموجبة” الموجودة بالقرب من التقاطع مع بعضها البعض، نتيجةً لذلك، سيتم استنفاد منطقة معينة حول التقاطع من حاملات الشحنة المتنقلة، هذه المنطقة ليست سوى منطقة الشحنة الفضائية التي تحتوي على أيونات غير متحركة.
مثال (2): بعد ذلك، لنفترض أنّ لدينا أنبوب إلكترون (electron tube) مزود بالطاقة، في مثل هذه الحالة، سيتم إخراج الإلكترونات من محطة الكاثود وستبدأ في التحرك نحو القطب الموجب، ومع ذلك، لا يمكن لهذه الإلكترونات الوصول إلى وجهتها على الفور، أي أنّها ستستغرق بعض الوقت المحدد لإكمال رحلتها، نتيجةً لذلك، يمكن أن تتراكم هذه الإلكترونات بالقرب من نهاية الكاثود للجهاز وتشكل سحابة من الشحنات السالبة، يؤدي هذا إلى تكوين منطقة شحنة الفضاء السالبة والتي يمكن أن تتحرك تحت تأثير المجال الكهربائي المطبق.
يشير المثال (2) إلى أنّ السبب الأساسي الذي يؤدي إلى تراكم الشحنات هو حقيقة أنّ معدل الإزالة أقل مقارنة بمعدل التراكم، أي أنّ محطة الكاثود تصدر عددًا من الإلكترونات أكثر من تلك التي تنتقل نحو القطب الموجب، ومع ذلك، حتى محاصرة الشحنات والانجراف والانتشار يمكن أن يساهم في حدوث منطقة الشحنات الفضائية، علاوةً على ذلك، إذا كانت قطبية الشحنات التي تشكل الشحنة الفضائية هي نفسها قطبية القطب المرتبط، فإنّها تسمّى الشحنات المتجانسة، من ناحية أخرى، إذا كانت أقطابها تختلف عن بعضها البعض، فيشار إليها باسم الشحنات غير المتجانسة.
نتائج وجود شحنة الفضاء:
يشكل تأثير شحنة الفضاء تحديًا من خلال التأثير على كفاءة التحويل وطاقة الإخراج للمحولات الحرارية، هذا لأنّه عندما توجد مثل هذه السحابة الإلكترونية حول سطح المعدن، فإنّها تشكل حاجزًا إضافيًا للإلكترونات التي من المفترض أن تصل إلى نقطتها النهائية، يتم اختبار هذا التثبيط لحركة الإلكترونات في شكل تنافر للإلكترونات المنبعثة من الإلكترونات الموجودة في السحابة.
يؤدي تأثير شحنة الفضاء الذي يحدث في العوازل أيضًا إلى انهيار المكونات الكهربائية مثل المكثفات، هذا لأنه عندما يتم تطبيق الفولتية العالية، فإنّ الشحنات الكهربائية المنبعثة من القطب الكهربائي تنحصر داخل الغاز المحيط بها، يُنظر أيضًا إلى نفس التأثير على أنّه يتسبب في فشل كابلات الطاقة التي تحمل جهدًا عاليًا.
ومع ذلك ، يُنظر أيضًا إلى تأثير شحنة الفضاء على أنّه مفيد في سيناريوهات معينة، على سبيل المثال، يؤدي وجود منطقة شحنة فضائية إلى إنشاء قوة دافعة كهربائية (EMF) سلبية على أنابيب معينة وهو ما يماثل توفير انحياز سلبي لها، هذا جدير بالتقدير لأنّه يساعد المهندسين على التحكم بشكل أفضل في عملية التضخيم (amplification)، وبالتالي تحسين كفاءتها.
مثال آخر جدير بالملاحظة هو أنّ شحنة الفضاء تميل إلى تقليل ضوضاء الصورة (shot noise)، هذا لأنّه، في الأساس، تؤثر شحنة الفضاء على سهولة حركة الشحنات على طول مسارها، يقلل هذا (inturn) من عدد الشحنات التي تصل عشوائيًا، ممّا يقلل من تباينها الإحصائي الذي لا يمثل سوى ضوضاء الصورة.
