محاضرة 1 فيزياء عامة (2) كهربية ساكنة

اكتشفت الكهربية الساكنة منذ 600 سنة قبل الميلاد عندما لاحظ عالم يوناني انجذاب قصاصات من الورق إلى ساق دُلك بالصوف. ومن ثم توالت التجارب إلى يومنا هذا لتكشف المزيد من خصائص الكهربية الساكنة ولتصبح الكهرباء عنصراً أساسياً في حياتنا العملية. في هذه المحاضرة سندرس باختصار بعض خصائص الكهربية الساكنة.

الكهربية الساكنة من علوم الفيزياء الاساسية ولها العديد من التطبيقات في حياتنا العملية مثل ماكنات التصوير وطابعات الليزر والمعجلات اللنووية، ولدراسة هذا العلم سوف نقوم بشرح مفاهيمه الاساسية التي يعتمد عليها هذا العلم، وتتلخص تلك المفاهيم في مفهوم الشحنة الكهربية والمجال الكهربي والفيض الكهربي والجهد الكهربي، سنقوم أيضا بدراسة بعد التطبيقات الاساسية مثل المكثف الكهربي والتيار الكهربي المستمر وتحليل الدوائر الكهربية باستخدام قاعدة كيرشوف.

يوضح المخطط التالي الجزئين الاساسيين للمقرر والمواضيع الرئيسية التي سيتم شرحها خلال هذه السلسلة من المحاضرات…………

1.2 Properties of electrostatic

1.2.1 Electric charge

If a rod of ebonite is rubbed with fur, or a fountain pen with a coat-sleeve, it gains the power to attract light bodies, such as pieces of paper or tin foil.  The discovery that a body could be made attractive by rubbing is attributed to Thales (640-548 B.C).  He seems to have been led to it through the Greeks’ practice of spinning silk with an amber spindle; the rubbing of the spindle cause the silk to be attracted to it.  The Greek world of amber is electron, and a body made attractive by rubbing is said to be electrified or charged. The branch of electricity is called Electrostatics.

1.2.2 Conductor and insulator

قليل من التقدم الملحوظ في مجال الكهربية الساكنة بعد Thales حتى القرن 16 حين قام العالمGilbert بشحن ساق من الزجاج بواسطة الحرير، ولكنه لم يتمكن من شحن أي نوع من المعادن مثل النحاس أو الحديد، وبذلك أستنتج أن شحن هذا النوع من الأجسام مستحيل.  ولكن بعد حوالي 100 عام (1700) ثبت أن استنتاجه خاطئ وأن الحديد يمكن شحنه بواسطة الصوف أو الحرير ولكن بشرط أن يكون ممسوكا بقطعة من البلاستيك.

وبعد عدة تجارب وجد أن الشحنة المكتسبة يمكن أن تنتقل من الحديد إلى يد الإنسان ثم إلى الأرض وبالتالي تأثيرها سوف يختفي تماما إلا إذا عزل الحديد عن يد الإنسان بواسطة البلاستيك أثناء الدلك.  وبالتالي فإن المواد قسمت حسب خواصها الكهربية إلى ثلاثة أقسام هي الموصلاتConductors والعوازل Insulators وأشباه الموصلات Semiconductors.

Figure 1.1

بصفة عامة تكون الشحنة الكهربية في الموصلات حرة الحركة لوجود شاغر بينما في العوازل فإن الشحنة مقيدة.

يتضح في الشكل 1.1 أنه في المواد الصلبة solid الإلكترونات لها طاقات موزعة على مستويات طاقة محددة Energy level.  هذه المستويات مقسمة إلى حزم طاقة تسمى Energy Bandsالمسافات بين حزم الطاقة لا يمكن أن يوجد فيها أي إلكترونات. وهناك نوعان من حزم الطاقة أحدهما يعرف بحزمة التكافؤ Valence Band والأخرى حزمة التوصيل Conduction Band ويسمى الفراغ بين الحزمتين بـ E_g .Energy Gap وتعتمد خاصية التوصيل الكهربائي على الشواغر في حزمة التوصيل حتى تتمكن الشحنة من الحركة، وبالتالي فإن المادة التي تكون بهذه الخاصية تكون موصلة للكهرباء بينما في المواد العوازل كالبلاستيك أو الخشب فإنه تكون حزمة التوصيل مملوءة تماما، ولكي ينتقل أي إلكترون من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل يحتاج إلى طاقة كبيرة حتى يتغلب على E_g Energy Gap وبالتالي سيكون عازلاً لعدم توفر هذه الطاقة له.

توجد حالة وسط بين الموصلات والعوازل تسمى semiconductor وفيها تكون حزمة التوصيل قريبة نوعا ما من حزمة التكافؤ المملوءة تماما وبالتالي يستطيع إلكترون من القفز بواسطة اكتساب طاقة حرارية Absorbing thermal energy ليقفز إلى حزمة التوصيل.

     1.2.3 Positive and negative charge

بواسطة التجارب يمكن إثبات أن هناك نوعين مختلفين من الشحنة.  فمثلاً عن طريق دلك ساق من الزجاج بواسطة قطعة من الحرير وتعليقها بخيط عازل.  فإذا قربنا ساقاً آخر مشابها تم دلكه بالحرير أيضا من الساق المعلق فإنه سوف يتحرك في اتجاه معاكس، أي أن الساقين يتنافرانRepel.  وبتقريب ساق من البلاستيك تم دلكه بواسطة الصوف فإن الساق المعلق سوف يتحرك باتجاه الساق البلاستيك أي أنهما يتجاذبان Attract.

Figure 1.2

Unlike charges attract one another and like charge repel one another

Like charge repel one another and unlike charges attract one another as shown in figure 1.1 where a suspended rubber rod is negatively charged is attracted to the glass rod.  But another negatively charged rubber rod will repel the suspended rubber rod.

 وقد سمى العالم الأمريكي Franklin الشحنة التي تتكون على البلاستيك Negative سالبة واستنتج أن الشحنات المتشابهة تتنافر والشحنات المختلفة تتجاذب.

    1.2.4 Charge is conserved

النظرة الحديثة للمواد هي أنها في الحالة العادية متعادلة Normal.  هذه المواد تحتوي على كميات متساوية من الشحنة تنتقل من واحد إلى الأخر أثناء عملية الدلك (الشحن)، كما هو الحالة في دلك الزجاج بالحرير، فإن الزجاج يكتسب شحنة موجبة من الحرير بينما يصبح الحرير مشحوناً بشحنة سالبة، ولكن كلاً من الزجاج والحرير معاً متعادل كهربياً. وهذا ما يعرف بالحفاظ على الشحنة Conservation of electric charge.

1.2.5 Charge and Matter

القوى المتبادلة المسؤولة عن التركيب الذرى أو الجزئي أو بصفة عامة للمواد هي مبدئيا قوى كهربائية بين الجسيمات المشحونة كهربياً، وهذه الجسيمات هي البروتونات والنيوترونات  والإلكترونات.

وكما نعلم فإن الإلكترون شحنته سالبة, وبالتالي فإنه يتجاذب مع مكونات النواة الموجبة، وهذه القوى هي المسؤولة عن تكوين الذرة Atom.  وكما أن القوى التي تربط الذرات مع بعضها البعض مكونة الجزيئات هي أيضا قوى تجاذب كهربية بالإضافة إلى القوى التي تربط بين الجزيئات لتكون المواد الصلبة والسائلة.

الجدول (1) التالي يوضح خصائص المكونات الأساسية للذرة من حيث قيمة الشحنة والكتلة:

 Table 1.1

ويجب أن ننوه هنا أن هناك نوعاً آخر من القوى التي تربط مكونات النواة مع بعضها البعض وهى القوى النووية، ولولاها لتفتت النواة بواسطة قوى التجاذب بين الإلكترون والبروتون. وتدرس هذه القوى في مقرر الفيزياء النووية.

1.2.6 Charge is Quantized

في عهد العالم Franklin’s  كان الاعتقاد السائد بأن الشحنة الكهربية شيء متصل كالسوائل مثلا. ولكن بعد اكتشاف النظرية الذرية للمواد غيرت هذه النظرة تماماً حيث تبين أن الشحنة الكهربية عبارة عن عدد صحيح من الإلكترونات السالبة أو البروتونات الموجبة، وبالتالي فإن أصغر شحنة يمكن الحصول عليها هي شحنة إلكترون مفرد وقيمتها 1.6×10^-19c.  وعملية الدلك لشحن ساق من الزجاج هي عبارة عن انتقال لعدد صحيح من الشحنة السالبة إلى الساق. وتجربة ميليكان تثبت هذه الخاصية.