اقرأ في هذا المقال
- ما هي الكهرباء الساكنة؟
- كيف تعمل الكهرباء الساكنة؟
- ما الذي يسبب الكهرباء الساكنة؟
- ما فائدة الكهرباء الساكنة؟
ما هي الكهرباء الساكنة؟
يمكن أن تكون الكهرباء الساكنة مصدر إزعاج أو حتى خطر. الطاقة التي تجعل شعرك يقف في نهايته يمكن أن تلحق الضرر أيضاً بالإلكترونيات وتسبب انفجارات. ومع ذلك، يمكن التحكم فيه والتلاعب به بشكل صحيح، ويمكن أن يكون أيضاً نعمة هائلة للحياة الحديثة. “الشحنة الكهربائية هي خاصية أساسية للمادة “، وفقاً “لمايكل ريتشموند”، أستاذ الفيزياء في معهد روتشستر للتكنولوجيا.
تحمل البروتونات والإلكترونات جميع الشحنات الكهربائية في الكون تقريباً، يقال أنّ البروتونات تحتوي على شحنة (+1) وحدة إلكترون، بينما تحتوي الإلكترونات على شحنة قدرها (−1) على الرغم من أنّ هذه الإشارات عشوائية تماماً، نظراً لأنّ البروتونات محصورة عموماً في النوى الذرية، والتي بدورها تكون مدمجة داخل الذرات، فإنّها ليست حرة في الحركة مثل الإلكترونات. لذلك، عندما نتحدث عن التيار الكهربائي، فإنّنا نعني دائماً تدفق الإلكترونات، وعندما نتحدث عن الكهرباء الساكنة، فإنّنا نعني عموماً عدم التوازن بين الشحنات السالبة والموجبة في الأشياء.
كيف تعمل الكهرباء الساكنة؟
تتكون جميع الأشياء المادية من ذرات، يوجد داخل الذرة بروتونات وإلكترونات ونيوترونات، البروتونات موجبة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة والنيوترونات متعادلة. لذلك، كل الأشياء تتكون من الشحنات، تجذب الشحنات المعاكسة بعضها البعض (سالبة مع موجبة) وأيضاً الشحنات المتشابهة تتنافر (موجبة مع موجبة أو سالبة مع سالبة)، في معظم الأوقات تكون الشحنات الموجبة والسالبة متوازنة في جسم ما، مما يجعل هذا الجسم محايداً.
الكهرباء الساكنة هي نتيجة عدم التوازن بين الشحنات السالبة والموجبة في الجسم، يمكن أن تتراكم هذه الشحنات على سطح الجسم حتى تجد طريقة للإفراج عنه أو تفريغه، طريقة واحدة لتفريغ هذه الشحنات وهي من خلال الدائرة. يمكن أن يؤدي إحتكاك بعض المواد ببعضها البعض إلى نقل الشحنات السالبة أو الإلكترونات، على سبيل المثال، إذا فركت حذائك على السجادة، فإنّ جسمك يجمع إلكترونات إضافية، تتشبث الإلكترونات بجسمك حتى يمكن إطلاقها، عندما تصل إلى حيوان فروي مثلاً وتلمسه، تحصل على صدمة.
لا تقلق إنّه فقط الإلكترونات الزائدة التي يتم إطلاقها منك إلى حيوانك الأليف. وأيضاً عندما تفرك بالوناً على ملابسك ويلتصق بالحائط، فإنك تضيف فائضاً من الإلكترونات (الشحنات السالبة) إلى سطح البالون. الجدار الآن أكثر إيجابية من البالون، عندما يتلامس الإثنان سوف يلتصق البالون بسبب القاعدة التي تجذب الأضداد (إيجابي إلى سلبي).
الطاقة الكامنة والحركية – Potential and kinetic energy:
من الجدير بالذكر أنّ هناك طريقة أخرى للتفكير في الكهرباء الساكنة والتيار الكهربائي وربطها بأشياء نعرفها بالفعل عن الطاقة، يمكننا التفكير في الكهرباء الساكنة كنوع من أنواع الطاقة الكامنة: إنّها طاقة مخزنة جاهزة وتنتظر القيام بشيء مفيد لنا بطريقة مماثلة، الكهرباء الحالية مماثلة للطاقة الحركية: الطاقة في الحركة، وإن كانت من النوع الكهربائي. تماماً كما يمكنك تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية (على سبيل المثال، عن طريق ترك جسم يتدحرج إلى أسفل التل)، لذلك يمكنك تحويل الكهرباء الساكنة إلى كهرباء تيار (هذا ما تفعله صاعقة البرق) والعودة مرة أخرى (هكذا تفعل مولدات – Van de Graaff generator).
ما الذي يسبب الكهرباء الساكنة؟
حتى سنوات قليلة ماضية كان العلماء واثقين من أنّهم يفهمون الكهرباء الساكنة وكيف تعمل بالضبط، تمامًا مثل الإغريق القدماء، نميل إلى الاعتقاد بأنّ الكهرباء الساكنة تأتي من فرك الأشياء، لذلك إذا كنت تعيش في منزل به سجاد من النايلون ومقابض أبواب معدنية فسوف تكون علمت أنّ جسمك يكوّن شحنة ثابتة عندما تمشي على الأرض، والتي يمكن أن تفرغ عندما تلمس مقبض الباب، مما يمنحك صدمة كهربائية صغيرة.
في معظم التجارب المدرسية، نتعلم أيضاً أشياء ثابتة عن طريق فرك الأشياء، ربما جربت تلك الحيلة حيث تقوم بفرك بالون على ملابسك لجعلها تلتصق؟ قد تستنتج من هذا أنّ الكهرباء الساكنة مرتبطة بطريقة أو بأخرى بالإحتكاك، وهذا هو فعل الاحتكاك الشديد الذي ينتج عنه تراكم الطاقة الكهربائية (بنفس الطريقة التي ينتج عن الاحتكاك الحرارة وحتى النار).
تأثير الاحتكاك الكهربائي – The triboelectric effect:
ليس الاحتكاك هو المهم ولكن حقيقة أنّنا نجمع بين مادتين مختلفتين هي التي تهمنا، فرك شيئين معاً بقوة يؤدي إلى اتصالهما مراراً وتكراراً – وهذا هو ما يُنتج الكهرباء الساكنة من خلال ظاهرة تعرف باسم كهرباء الاحتكاك (أو تأثير كهرباء الاحتكاك)، كل المواد مبنيّة من ذرات لها قلب مركزي موجب (النواة) محاط بنوع من “سحابة” غير واضحة من الإلكترونات. الآن تمتلك بعض الذرات قوة سحب للإلكترونات أكثر من غيرها، ينبع قدر كبير من الكيمياء من هذه الحقيقة، إذا وضعنا مادتين مختلفتين على اتصال مع بعضهما البعض، وجذبت إحداهما إلكترونات أكثر من الأخرى، فمن الممكن أن يتم سحب الإلكترونات من إحدى المواد إلى الأخرى، عندما نفصل بين هذه المواد، تقفز الإلكترونات بشكل فعّال إلى المادة التي تجذبها بشدة.
ونتيجة لذلك، اكتسبت إحدى هذه المواد بعض الإلكترونات الإضافية (وأصبحت مشحونة بشحنة سالبة) بينما فقدت المادة الأخرى بعض الإلكترونات (وأصبحت مشحونة إيجابياً). عندما نفرك الأشياء معًا مراراً وتكراراً، فإنّنا نزيد من فرص مشاركة المزيد من الذرات في تبادل الإلكترون، وهذا هو سبب تراكم الشحنة الساكنة.
إذا جربت مواد مختلفة، ستجد أنّ بعضها يكتسب شحنة موجبة عند فركها وبعضها يكتسب شحنات سالبة، واتضح أنّه يمكننا ترتيب المواد بالترتيب وفقاً للشحنة التي تكتسبها، ممّا يمنحنا نوعاً من جدول تصنيف المواد التي تتدرج من الإيجابية إلى السلبية. ولكنّها جميعًا تتدرج من المعادن (الإيجابية) عبر أشياء مثل الخشب والورق (محايد) إلى البلاستيك (سلبي).
ما فائدة الكهرباء الساكنة؟
الكهرباء الساكنة مثيرة جداً للإهتمام، ولكن ما هو الإستخدام المحتمل لها؟ لا يمكنك صنع الخبز المحمص من صاعقة البرق ولا يمكنك شحن هاتفك المحمول ببساطة عن طريق فرك الهاتف على كنزتك الصوفية، قد تعتقد أنّ الكهرباء الساكنة هي واحدة من تلك الأجزاء العلمية الرائعة ولكنها عديمة الفائدة تماماً وليس لها تطبيقات عملية ولكنّك مخطئ: يتم إستخدام الكهرباء الساكنة في جميع أنواع التكنولوجيا في الحياة اليومية.
مثلاً، تستخدم طابعات الليزر وآلات التصوير الكهرباء الساكنة لتكوين الحبر على الأسطوانة ونقله إلى الورق، يعتمد رش المحاصيل أيضاً على الكهرباء الساكنة لمساعدة مبيدات الأعشاب على الالتصاق بأوراق النباتات وتوزيع نفسها بالتساوي على الأوراق، تستخدم روبوتات رش الطلاء في المصنع حيلة مماثلة لضمان انجذاب قطرات الطلاء إلى أجسام السيارات المعدنية وليس الآلات المحيطة بها. في العديد من محطات توليد الطّاقة والمصانع الكيميائية، تُستخدم الكهرباء الساكنة في المداخن لإزالة التلوث.
بالطبع، للكهرباء الساكنة عيوبها أيضاً، يمكن أن يتسبب ذلك في شرر وإنفجارات في مستودعات الوقود، كما أنّ الشحنات الساكنة الشاردة مصدر إزعاج حقيقي إذا كنت تعمل مع المكونات الإلكترونية، هذا هو السبب في أنّ المهندسين والكيميائيين طوّروا جميع أنواع التقنيات المضادة للكهرباء الساكنة (من الأسلاك البسيطة إلى الدهانات والطلاء المبتكرة والقليلة التوصيل) التي تمنع التراكم الثابت للشحنات في الأماكن الحساسة. ومن هذا يمكنك التأكد من أنّ شخصاً ما في مكان ما يحاول العثور على طريقة جديدة لتسخير الكهرباء الساكنة أو طريقة أفضل لإيقافها عن التسبب في المشاكل، قد تكون الكهرباء الساكنة ثابتة ولكنّها لا تقف أبداً.
