الشحنات الكهربائية وكثافتها

ما هو مفهوم الشحنة الكهربائية؟

تعرف الشحنة الكهربائية بأنها الخاصية الأساسية للمادة التي تحملها بعض الجسيمات الأولية، والتي تتحكم في كيفية تأثر الجسيمات بالمجال الكهربائي أو المغناطيسي، كما تحدث الشحنة الكهربائية، التي يمكن أن تكون موجبة أو سالبة في وحدات طبيعية منفصلة ولا يتم إنشاؤها أو إتلافها.

تعتبر الشحنة الكهربائية محفوظة في أي نظام معزول، ففي أي تفاعل كيميائي أو نووي، تكون الشحنة الكهربائية الصافية ثابتة، أي أنه يبقى المجموع الجبري للرسوم الأساسية كما هو.

أنواع الشحنات الكهربائية:

تتكون الشحنات الكهربائية من نوعين عامين: موجبة وسالبة، حيث أن جسمان لهما فائض من نوع واحد من الشحنة يبذلان قوة تنافر على بعضهما البعض عندما يكونان قريبين نسبيًا من بعضهما البعض، أما إذا كان الجسمان لهما شحنة معاكسة زائدة، وأحدهما موجب الشحنة والآخر سالب الشحنة، فسيجذب أحدهما الآخر عندما يكون قريبًا نسبيًا.

تمتلك العديد من جسيمات المادة الأساسية أو دون الذرية خاصية الشحنة الكهربائية على سبيل المثال: للإلكترونات شحنة سالبة والبروتونات شحنة موجبة، لكن النيوترونات لها شحنة صفرية.

وجدت التجربة أن الشحنة السالبة لكل إلكترون لها نفس المقدار، والذي يساوي أيضًا الشحنة الموجبة لكل بروتون، وبالتالي توجد الشحنة في وحدات طبيعية مساوية لشحنة الإلكترون أو البروتون، وهو ثابت فيزيائي أساسي، كما تم إجراء قياس مباشر ومقنع لشحنة الإلكترون، كوحدة طبيعية للشحنة الكهربائية، لأول مرة (1909) في تجربة Millikan oil-drop.

تكون ذرات المادة متعادلة كهربائيًا؛ لأن نواتها تحتوي على نفس عدد البروتونات الموجودة في الإلكترونات المحيطة بالنواة، ويتضمن التيار الكهربائي والأجسام المشحونة فصل بعض الشحنة السالبة للذرات المحايدة.

يتكون التيار في الأسلاك المعدنية من انجراف من الإلكترونات يكون فيها واحد أو اثنان من كل ذرة أكثر ارتباطًا من البقية، وتفقد بعض الذرات الموجودة في الطبقة السطحية لقضيب زجاجي شحنة موجبة بفركها بقطعة قماش حريرية، حبيث أن إلكترونات تكون تاركة شحنة موجبة صافية؛ بسبب البروتونات غير المحايدة لنواتها، بحيث أن جسم سالب الشحنة يحتوي على فائض من الإلكترونات على سطحه.

وحدة قياس الشحنة الكهربائية:

وحدة الشحنة الكهربائية في نظامي المتر – كيلوجرام – ثانية، ونظام (SI) هي الكولوم، حيث يتم تعريفها على أنها مقدار الشحنة الكهربائية التي تتدفق عبر مقطع عرضي لموصل في دائرة كهربائية خلال كل ثانية، وعندما يكون للتيار قيمة أمبير واحد، يتكون الكولوم الواحد من 6.24 × 1018 وحدة طبيعية من الشحنة الكهربائية، مثل الإلكترونات الفردية أو البروتونات، ومن تعريف الأمبير، فإن الإلكترون نفسه له شحنة سالبة تبلغ (1.602176634 × 10−19) كولوم.

وحدة الشحن الكهروكيميائية هي فاراداي، حيث إنها مفيدة في وصف تفاعلات التحليل الكهربائي مثل: الطلاء الكهربائي المعدني، بحيث واحد فاراداي يساوي (96485.332123) كولوم، شحنة مول من الإلكترونات (أي رقم أفوجادرو، (6.02214076 × 10²³) من الإلكترونات.

كثافة الشحنة الكهربائية:

بالنسبة للمجال الكهربائي فإنه من المهم جدًا تحديد تدفق الشحنة، حيث إن هذه المجالات لديها تراكم للشحنات الكهربائية، وبالتالي فإن كثافة الشحنة مهمة جدًا لحساب العديد من الأغراض، إذ يجب حساب كثافة الشحنة هذه بناءً على مساحة السطح بالإضافة إلى حجم الجسم الكهربائي.

تعرف كثافة الشحنة أنها مقياس تراكم الشحنة الكهربائية في مجال معين، ويقيس كمية الشحنة الكهربائية حسب الأبعاد التالية:

• لكل وحدة طول، أي كثافة الشحنة الخطية، حيث q هي الشحنة والطول الذي يتم توزيعها عليه، وستكون وحدة (SI) هي (Coulomb m –¹).
  
• لكل وحدة مساحة، أي كثافة الشحنة السطحية، حيث q هي الشحنة و A هي مساحة السطح، ووحدة (SI) هي (Coulomb m ^{− 2}).
  
• لكل وحدة حجم، أي كثافة شحنة الحجم، حيث q هي الشحنة و V هو حجم التوزيع، ووحدة (SI) هي (Coulomb m ^{− 3}).
  

تعتمد كثافة الشحن على توزيع الشحنة الكهربائية ويمكن أن تكون موجبة أو سالبة، وستكون كثافة الشحنة هي مقياس الشحنة الكهربائية لكل وحدة مساحة على السطح، أو لكل وحدة حجم للجسم أو المجال، كما تصف كثافة الشحنة مقدار الشحنة الكهربائية المتراكمة في مجال معين، وبشكل أساسي، يتم حساب كثافة الشحنة لكل وحدة حجم ومساحة السطح والطول.

يقيس مقدار الشحنة الكهربائية لكل وحدة قياس للمساحة، وقد يكون هذا الفضاء واحدًا أو ثنائيًا أو ثلاثي الأبعاد، حيث تعتمد كثافة الشحن على الموضع، والذي يمكن أن يكون سالبًا.

يتم حساب كثافة الشحنة الخطية على النحو التالي:
λ = ql
يتم حساب كثافة شحنة السطح على النحو التالي:
σ = qA
يتم حساب كثافة شحنة الحجم على النحو التالي:
ρ = qV
حيث λ كثافة الشحنة الخطية، σ كثافة شحنة السطح، ρ كثافة شحنة الحجم، q الشحنة الكهربائية، منطقة الطول L، والحجم هو v.

مثال: نجد كثافة شحنة مجال كهربي، إذا كانت شحنة مقدارها 6 كولوم لكل متر موجودة في مكعب حجمه 3 م ³
الحل: الشحنة الكهربائية، (q =6 C per m)، حجم المكعب (V = 3 m³)، وتُعطى صيغة كثافة الشحنة المحسوبة للحجم من خلال: (ρ = q/V) (ρ = 6/3)، وكثافة الشحن للحجم (ρ =
2Cperm³).

حفظ الشحنة الكهربائية:

الحفاظ على الشحنة في الفيزياء، يعني ذلك ثبات الشحنة الكهربائية الكلية في الكون أو في أي تفاعل كيميائي أو نووي محدد، ولا تتغير الشحنة الإجمالية في أي نظام مغلق أبدًا، على الأقل ضمن حدود الملاحظة الأكثر دقة.

في المصطلحات الكلاسيكية، يشير هذا القانون إلى أن ظهور مقدار معين من الشحنة الموجبة في جزء واحد من النظام يكون دائمًا مصحوبًا بظهور كمية مساوية من الشحنة السالبة في مكان آخر في النظام؛ على سبيل المثال، عند فرك مسطرة بلاستيكية بقطعة قماش، تصبح سالبة الشحنة وتصبح قطعة القماش مشحونة بشكل إيجابي بمقدار مساوٍ.

على الرغم من أن الجسيمات الأساسية للمادة تظهر باستمرار وتلقائيًا وتختفي وتتحول إلى بعضها البعض، إلا أنها تخضع دائمًا لقيود الحفاظ على الكمية الصافية من الشحنة، وعندما يتحول جسيم مشحون إلى جسيم جديد، يرث الجسيم الجديد الشحنة الدقيقة للجسيم الأصلي.

عندما يظهر جسيم مشحون، حيث لم يكن موجودًا من قبل، فإنه دائمًا ما يكون مصحوبًا بجسيم آخر له شحنة متساوية ومعاكسة، بحيث لا يحدث أي تغير صافٍ في الشحنة، ويتطلب إبادة الجسيم المشحون إبادة جسيم له شحنة متساوية ومعاكسة.

قانون الحفظ في الفيزياء، العديد من المبادئ التي تنص على أن بعض الخصائص الفيزيائية (أي الكميات القابلة للقياس) لا تتغير بمرور الوقت داخل نظام فيزيائي منعزل، وفي الفيزياء الكلاسيكية، تتحكم القوانين من هذا النوع في الطاقة والزخم والزخم الزاوي والكتلة والشحنة الكهربائية.

في فيزياء الجسيمات، تنطبق قوانين الحفظ الأخرى على خصائص الجسيمات دون الذرية التي تكون ثابتة أثناء التفاعلات، وتتمثل إحدى الوظائف المهمة لقوانين الحفظ في أنها تجعل من الممكن التنبؤ بالسلوك العياني للنظام دون الحاجة إلى النظر في التفاصيل الدقيقة لمسار العملية الفيزيائية أو التفاعل الكيميائي.