على 19/06/2024 287

كهرباء ثابتة

الكهرباء الثابتة ، وهي ظاهرة معروفة منذ العصور القديمة لتأثيراتها الرائعة للجاذبية والركيب بعد أن يتم فرك الأشياء معًا.ساعدت التجارب المبكرة مع مواد مثل الزجاج والحرير والشمع البارافين والصوف في بناء فهم الكهربات.ساعدت مساهمات كبيرة من شخصيات تاريخية مثل تشارلز دوفاي وبنيامين فرانكلين في تطوير نظريات حول القوى غير المرئية في اللعب ، في نهاية المطاف في تحديد الشحنة الكهربائية على أنها حركة الإلكترونات.مكّن اكتشاف جرة Leyden في عام 1745 والتقدم الذي قدمه المخترعون مثل Otto Von Guericke من توليد رسوم ثابتة أكبر ، مما زاد من تقدم دراسة الإلكتروستاتية.قدم عمل تشارلز كولوم على القوى بين الجزيئات المشحونة فهمًا أعمق لهذه الظواهر.تتحول هذه المقالة إلى التاريخ والنظريات والتطبيقات العملية للكهرباء الثابتة ، مما يبرز تأثيره على الفكر العلمي والابتكار التكنولوجي.

كتالوج

الشكل 1: الكهرباء الثابتة

الاكتشافات التاريخية

قبل قرون ، لوحظ أن بعض المواد ، مثل الزجاج والحرير ، ستجذب بعضها البعض بعد أن تم فركها معًا.هذا الحدث المثير للاهتمام لم يقتصر على الزجاج والحرير.أظهرت مجموعات أخرى ، مثل شمع البارافين والصوف ، سلوكًا مشابهًا.رأى المجربون أنه في حين أن المواد الفركية من أنواع مختلفة جذبت بعضها البعض ، دفعت نفس المواد إلى بعضها البعض.

أظهرت مزيد من التحقيقات أن أي مادة تُظهر جاذبية أو تنافر بعد فرك يمكن وضعها في واحدة من مجموعتين: تنجذب إلى الزجاج ويبدها الشمع ، أو صيدها بالزجاج وجذبها إلى الشمع.اقترحت هذه المجموعة أن المواد سقطت في فئتين واضحتين بناءً على خصائصها الكهربائية.

الشكل 2: جذب القماش الشمع والصوف

النظريات والتجارب المبكرة

أدت التغييرات غير المرئية التي تسببت في جاذبية أو تنافر المجربين الأوائل إلى التفكير في نقل "السوائل" غير المرئية أثناء فرك.أظهر تشارلز دوفاي أن فرك بعض أزواج من الكائنات خلق نوعين متميزين من التغييرات ، مما يؤدي إلى إما جاذبية أو تنافر بين المواد.أظهرت نتائج دوفاي أنه يمكن تجميع المواد بناءً على سلوكها بعد فركها: اجتذبت بعض المواد بعضها البعض ، بينما قام آخرون بتصدش بعضهم البعض.

بناءً على هذه الملاحظات ، اقترح بنيامين فرانكلين نظرية تنطوي على نوع واحد من السوائل.وفقًا لفرانكلين ، لم يتضمن فرك الأشياء معًا سائقين مختلفين ، بل تسبب في خلل في سائل واحد ، أطلق عليه شحنة كهربائية.يمكن أن يكون للكائنات إما أكثر من اللازم (+) أو قليلة جدًا (-) من هذا السائل.كانت شروط فرانكلين لهذا "شحنة إيجابية" (+) لوجود الكثير من الشحنة السلبية (-) (-) على وجود القليل جدًا.

وفرت فرضية فرانكلين طريقة أبسط لفهم الكهرباء الثابتة.اقترح أن جاذبية ورفع الملاحظة بين المواد كانت ناتجة عن خلل هذه الشحنة الكهربائية الواحدة.وضعت هذه الفكرة الأساس لمزيد من الدراسة وتحديد الشحنة الكهربائية في نهاية المطاف باعتبارها حركة الإلكترونات.

مساهمات فرانكلين

أجرى بنيامين فرانكلين تجارب مع مواد مثل الشمع والصوف لفهم الكهرباء الساكنة.لقد ظن أن فرك هذه المواد معًا تحرك سائل غير مرئي بينهما.لقد اعتقد أن الصوف أخذ بعضًا من هذا السائل من الشمع ، مما خلق خللًا يجعل المادتين تجذب بعضهما البعض.

أطلق فرانكلين على التهمة على الشمع "سلبي" لأنه اعتقد أنه كان أقل من هذا السائل.دعا التهمة على الصوف "إيجابي" لأنه اعتقد أنه كان لديه المزيد من السائل.على الرغم من أننا نعلم الآن أن هذا "السائل" هو في الواقع حركة الإلكترونات ، إلا أن مصطلحات فرانكلين "إيجابية" و "سلبية" لا تزال تستخدم.تبقى هذه المصطلحات لأنها تصف بدقة اتجاه تدفق الإلكترون: من مادة ذات المزيد من الإلكترونات (-) إلى واحد مع إلكترونات أقل (+).

كمية الشحنة الكهربائية

في الثمانينيات من القرن الماضي ، قام الفيزيائي الفرنسي تشارلز كولوم بقياس الشحنة الكهربائية باستخدام توازن الالتواء.أدت تجاربه إلى تعريف Coulomb ، وهي وحدة من الشحنة الكهربائية.أظهر عمل كولوم أن القوة بين تهم نقطتين كانت تتناسب مع نتاج رسومها وتتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما.واحد coulomb يساوي رسوم حوالي 6.25 × 10^18 الإلكترونات ، ويبلغ إلكترون واحد حوالي 0.0000000000000000000016 coulombs.

تكوين الذرة

الشكل 3: تكوين الذرة

أظهرت التجارب الإضافية أن كل المادة مصنوعة من الذرات ، والتي تتكون من ثلاث جزيئات رئيسية: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.يتمتع البروتونات بشحن إيجابي (+) ، والإلكترونات لها شحن سلبي (-) ، ولا يتمتع النيوترونات بأي رسوم.

تشمل هيكل الذرة نواة وقذائف الإلكترون.تحتوي النواة ، الواقعة في وسط الذرة ، على بروتونات ونيوترونات ، والتي ترتبط بإحكام معًا.هذا الارتباط الضيق يعطي النواة استقرارها ويحدد الهوية الأولية للذرة.يؤدي تغيير عدد البروتونات إلى تحويل الذرة إلى عنصر مختلف.

تدور الإلكترونات النواة في المناطق التي تسمى قذائف الإلكترون.على عكس البروتونات والنيوترونات ، لا ترتبط الإلكترونات بإحكام بالنواة.يمكن نقلها بسهولة من قبل مختلف القوى ، مما يؤدي إلى اختلال التوازن الكهربائي.عندما تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى ، فإن هذا يخلق شحنة كهربائية.

إن قدرة الإلكترونات على التحرك بحرية أكبر مقارنة بالبروتونات والنيوترونات هي مفتاح ظاهرة الكهرباء الثابتة.عندما يتم فرك مواد معينة معًا ، يتم نقل الإلكترونات من مادة إلى أخرى ، مما يتسبب في أن يتم شحن كائن إيجابي (تفتقر إلى الإلكترونات) والآخر ليصبح مشحونة سلبًا (وجود إلكترونات إضافية).حركة الإلكترونات هذه هي أساس الكهرباء الثابتة.

شرح الكهرباء الثابتة

تحدث الكهرباء الثابتة لأن هناك خلل في الإلكترونات بين الأشياء.عندما يتم فرك مواد معينة معًا ، فإن الإلكترونات - الجزيئات المشحونة بشكل نيوجرام - من مواد إلى أخرى.يؤدي هذا النقل إلى الحصول على كائن واحد لكسب الإلكترونات ، ويصبح مشحونة سلبًا ، والآخر يفقد الإلكترونات ، وتصبح مشحونة إيجابية.تخلق حركة الإلكترونات هذه اختلالًا توازنًا في الشحنة الكهربائية ، حيث تحتوي مادة واحدة على مزيد من الإلكترونات (الشحنة السالبة) والآخر له إلكترونات أقل (الشحنة الإيجابية).

تجذب الكائنات ذات الشحنات المعاكسة بعضها البعض ، في حين أن الكائنات ذات نفس الشحن صد بعضها البعض.هذا هو السبب في أن البالون يفرك على عصي الشعر على الحائط.ينجذب البالون ، الذي يتم شحنه سلبًا من الحصول على الإلكترونات من الشعر ، إلى الجدار المحايد أو المشحون بشكل إيجابي.

تشمل الأمثلة اليومية للكهرباء الثابتة سيناريو البالون والشعر والملابس في مجفف.في حالة البالون ، فركه على إلكترونات نقل الشعر ، مما يجعل البالون مشحونة سلبًا وتسبب في التمسك بجدار محايد.وبالمثل ، في مجفف ملابس ، يحتضن الاحتكاك بين إلكترونات الملابس ، مما تسبب في التشبث الساكن بينما تلتصق الملابس ببعضها البعض بسبب الاتهامات المعاكسة.

تأثير الكهروضوئية

الشكل 4: تأثير الكهروضوئية

يحدث تأثير الكهروضوئية عندما يتم فرك مادتين مختلفتين معًا ، مما يتسبب في انتقال الإلكترونات من مادة إلى أخرى.تجعل هذه الحركة مادة واحدة مشحونة بشكل إيجابي (لأنها تفقد الإلكترونات) والآخر مشحونة سلبًا (لأنها تكتسب الإلكترونات).

هذا التأثير يفسر العديد من التجارب اليومية للكهرباء الثابتة.على سبيل المثال ، عندما تفرك بالون على شعرك ، تنتقل الإلكترونات من شعرك إلى البالون.نتيجة لذلك ، يصبح شعرك مشحونة بشكل إيجابي ، ويصبح البالون مشحونة سلبًا.تجذب الشحنات المعاكسة بعضها البعض ، مما تسبب في التمسك شعرك بالون.

يعتمد التأثير الكهروضوئي على خصائص المواد المعنية.بعض المواد تتخلى بسهولة عن الإلكترونات ، بينما تجذبها البعض الآخر ويتمسك بها.يتم وصف هذا الاتجاه من خلال سلسلة Triboelectric ، التي تصنف المواد بناءً على مدى احتمال كسب أو فقدان الإلكترونات.

عندما يتم فرك مادتين من الأطراف المقابلة لسلسلة الكهروضوئية معًا ، يكون نقل الإلكترونات أكثر أهمية ، مما يؤدي إلى شحنة ثابتة أقوى.على سبيل المثال ، يؤدي فرك الزجاج (الذي يميل إلى فقدان الإلكترونات) مع الحرير (الذي يميل إلى الحصول على الإلكترونات) إلى شحنة ثابتة ملحوظة.

التطبيقات العملية

على الرغم من أنه يُنظر إليه غالبًا على أنه مزعج ، إلا أن الكهرباء الثابتة لها العديد من الاستخدامات المفيدة:

الطباعة xerographic

الشكل 5: طباعة الوكدروغرافية

تعتمد طباعة Xerographic على الكهرباء الثابتة للعمل.يتم استخدام هذه التكنولوجيا في الصور والطابعات الليزر.إليك نظرة مفصلة على كيفية عملها:

يتم إعطاء طبل ضوئي داخل النسخ أو الطابعة أولاً شحنة ثابتة.يمكن أن يحمل هذا الأسطول شحنة كهربائية ويتفاعل مع الضوء.عندما يتم عرض صورة للوثيقة المراد نسخها على الأسطوانة ، فإن الضوء يجعل الشحنة الثابتة تختفي في المناطق المعرضة لها ، بينما تبقى الشحنة في المناطق المظلمة حيث لا يوجد ضوء.

بعد ذلك ، يتم رش الحبر ، وهو مسحوق ناعم مع شحنة إيجابية ، على الأسطوانة.يلتصق الحبر المشحونة بشكل إيجابي بالمناطق المشحونة سلبًا من الأسطوانة حيث لم يتم تحييد الشحنة بواسطة الضوء.هذا يخلق صورة مسحوق للوثيقة على الأسطوانة.

ثم يتدحرج الأسطوانة فوق قطعة من الورق ، ونقل صورة الحبر إلى الورق.أخيرًا ، تمر الورق عبر زوج من بكرات ساخنة تسمى الصهر.الحرارة والضغط من الصهر يذوب جزيئات الحبر ، مما يجعلها تلتصق بالورقة بشكل دائم.

تحدث هذه العملية برمتها بسرعة كبيرة وكفاءة ، مما يسمح بإنتاج سريع للنسخ والمطبوعات عالية الجودة.يعد استخدام الكهرباء الثابتة في طباعة الوكتروغرافية تطبيقًا رائعًا للمبادئ العلمية الأساسية ، مما يحولها إلى تقنية عملية نستخدمها كل يوم.

مرشحات الهواء الإلكتروستاتيكي

الشكل 6: مرشحات الهواء الإلكتروستاتيكي

تستخدم مرشحات الهواء الكهروستاتيكي الكهرباء الثابتة لتنظيف الهواء عن طريق إزالة الجسيمات مثل الغبار وحبوب اللقاح وغيرها من الملوثات.إليك كيفية عملهم بمزيد من التفصيل:

أولاً ، يصبح المرشح مشحونًا بالكهرباء الثابتة.يمكن أن يحدث هذا بطريقتين.تتمثل إحدى الطرق الشائعة في استخدام مجال كهربائي لشحن مادة المرشح.هناك طريقة أخرى تتمثل في تمرير الهواء عبر شبكة من الأسلاك التي تتقاضى الجزيئات الموجودة في الهواء أثناء مرورها.

بمجرد أن يتم شحن المرشح ، فإنه يجذب ويلتقط الجزيئات من الهواء.يعمل المرشح المشحون مثل المغناطيس للغبار والجزيئات الصغيرة الأخرى.عندما تقترب هذه الجسيمات من المرشح ، تسحبها الشحنة الإلكتروستاتيكية ، مما تسبب لها في التمسك بالمرشح.هذا يجعل الهواء يمر عبر الكثير من الأنظف.

تعتبر مرشحات الهواء الإلكتروستاتيكي فعالة للغاية لأنها يمكن أن تلتقط جزيئات صغيرة جدًا قد تفوتها أنواع أخرى من المرشحات.لا يشمل ذلك الغبار وحبوب اللقاح فحسب ، بل يشمل أيضًا الدخان والبكتيريا وحتى بعض الفيروسات.بسبب هذه الكفاءة العالية ، غالبًا ما يتم استخدامها في الأماكن التي تهم جودة الهواء كثيرًا ، كما هو الحال في المنازل التي يعاني من مرضى الحساسية أو في البيئات الصناعية حيث تكون هناك حاجة إلى الهواء النظيف لكل من الصحة وجودة المنتج.

واحدة من الفوائد الرئيسية لمرشحات الهواء الإلكتروستاتيكي هي أنه يمكن إعادة استخدامها.بدلاً من استبدال المرشح في كل مرة يتسخ فيها ، يمكنك تنظيفه وإعادته.هذا يجعلهم أكثر ملاءمة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة مع مرور الوقت.ومع ذلك ، من الضروري تنظيف المرشح بانتظام لإبقائه يعمل بشكل جيد.إذا أصبح المرشح متسخًا جدًا ، فهو لا يمكنه الاحتفاظ بأي جزيئات أخرى ، وستعاني جودة الهواء.

مولد فان دي جراف

الشكل 7: مولد فان دي جراف

مولد Van de Graaff ، الذي أنشأه الفيزيائي روبرت ج.يعمل هذا الجهاز عن طريق تحريك الشحنة الكهربائية إلى كرة معدنية من خلال حزام.مع تحرك الحزام ، يحمل الشحنة إلى الكرة ، حيث يتراكم.يمكن أن تولد هذه العملية الفولتية التي تصل إلى ملايين فولت ، مما يجعل مولد Van de Graaff مفيدًا جدًا للتجارب العلمية ، وخاصة في فيزياء الجسيمات ، حيث يتم استخدامه لتسريع الجسيمات.

أظهرت تجارب مايكل فاراداي في عام 1832 أن الكهرباء الثابتة هي نفس الكهرباء التي تصنعها البطاريات والمولدات.أثبت فاراداي أن كلا النوعين من الكهرباء يمكن أن يسبب نفس الآثار الكيميائية والفيزيائية ، مثل تحطيم المركبات الكيميائية وإنشاء حقول مغناطيسية.أظهر عمله أن جميع أنواع الكهرباء تأتي من نفس الظاهرة الأساسية: حركة الشحنة الكهربائية.

أثرت مولد فان دي جراف واكتشافات فاراداي بشكل كبير على فهمنا للكهرباء.كان مولد Van de Graaff ، مع قدرته على إنتاج الفولتية العالية ، مفيدًا للغاية في تقدم الأبحاث في فيزياء الجسيمات.يسمح للعلماء بتسريع الجسيمات إلى سرعات عالية ، مما يجعل من الممكن دراسة الأجزاء الأساسية من المادة والقوى.

من ناحية أخرى ، وضع عمل فاراداي الأساس لفهمنا للكهرباء كظاهرة واحدة.من خلال إثبات أن الكهرباء الثابتة والحالية هي نفسها في الأساس ، قام بتوصيل أنواع مختلفة من الظواهر الكهربائية.لقد كان هذا الفهم مفيدًا للغاية في تطوير العديد من التقنيات والتطبيقات الكهربائية.

معا ، توضح هذه التطورات كيف ترتبط الاكتشافات العلمية باستخدامها العملي.لم تعمِّع تجارب Van de Graaff وتجارب فاراداي معرفتنا النظرية بالكهرباء فحسب ، بل أدت أيضًا إلى تطورات تكنولوجية كبيرة.

الإلكتروستاتيك على نطاق واسع

في منتصف القرن التاسع عشر ، بدأ المخترعون في صنع آلات إلكتروستاتيكية يمكن أن تخلق رسومًا أكبر بكثير من تلك التي صنعتها فرك بسيط.عملت هذه الآلات باستخدام عجلات دوارة أو أسطوانات مصنوعة من مواد عازلة مثل الزجاج أو الكبريت.احتكاك مستمر مع مواد مثل القماش أو الفراء مكهرب هذه المواد ، مما يسمح بإنتاج الشرارات الكهربائية الهامة والشحنات الثابتة.

تم بناء واحدة من أوائل الآلات الإلكتروستاتيكية المعروفة في عام 1660 من قبل Otto Von Guericke في Magdeburg ، ألمانيا.استخدمت آلة Guericke كرة كبريت دوارة ، عند فركها ، يمكن أن تنتج شحنات ثابتة قوية.يمثل هذا الاختراع تقدمًا كبيرًا في دراسة الإلكتروستاتية.

إن اختراع جرة Leyden في عام 1745 من قبل Pieter Van Musschenbroch في Leyden ، Holland ، حول الحقل.جرة Leyden هي في الأساس جرة زجاجية مغلفة جزئيًا من الداخل والخارج برقائق معدنية ، مما يسمح لها بتخزين شحنة ثابتة كبيرة.من خلال توصيل اثنين من الجرارين لايدن بآلة إلكتروستاتيكية - واحدة تحمل شحنة سالبة والآخر شحنة إيجابية - أصبح من الممكن تجميع كميات كبيرة من الكهرباء الثابتة.

سمحت هذه التطورات لتوليد الشرر الأكبر والأكثر خطورة.على سبيل المثال ، في تجربة الفيزياء في المدارس الثانوية ، يمكن أن تنتج آلة الإلكتروستاتيكية ذات الجرار Leyden شرارة طولها 15 سم ، مما يسبب شللًا مؤقتًا إذا تم تفريغه عن طريق الخطأ من خلال يد بشرية.

أصبح السعي لتوليد شحنات كهربائية أكثر فاعلية إلى حد ما اتجاهًا علميًا في منتصف القرن الثامن عشر.في أمريكا ، استخدم بنيامين فرانكلين آلات الإلكتروستاتيكية للديك الرومي الكهربائي لمطاولة عشاءه.في عام 1750 ، أجرى الفيزيائي الفرنسي آبي نوليت مظاهرة دراماتيكية من خلال وجود أكثر من ألف رهبان قرثوسي في دائرة أثناء تصريفه في جرة لايدن الضخمة.أظهرت القفزة المتزامنة لجميع الرهبان السرعة الفورية للتفريغ الكهربائي.

التشابه بين الشرر الناتج عن الآلات الإلكتروستاتيكية ومسامير البرق لم يمر دون أن يلاحظها أحد.في يونيو 1752 ، أجرى بنيامين فرانكلين تجربته الطائرات الورقية الشهيرة لاختبار ما إذا كان البرق كان بالفعل شرارة كهربائية عملاقة.خلال عاصفة رعدية ، استخدم فرانكلين وابنه طائرة ورقية لنقل الشحنة الكهربائية من السحب العاصفة إلى جرة ليدن ، مما أثبت بشكل قاطع أن البرق كان ظاهرة كهربائية.أدت هذه التجربة إلى اختراع قضيب البرق ، وهو جهاز يحمي المباني عن طريق إجراء ضربات البرق بأمان على الأرض.

كانت المساهمات النظرية لفرانكلين ذات مغزى للغاية.قدم المصطلحات "إيجابية" و "سلبية" للشحنات الكهربائية وأظهر من خلال التجارب أن كمية الشحن السلبي على كائن فرك تساوي تمامًا الشحنة الإيجابية على الكائن الذي يقوم بالفرك.كانت هذه خطوة كبيرة نحو فكرة الحفاظ على الشحن ، والتي تقول إن الشحنة الكهربائية الكلية في نظام معزول يبقى كما هو.

البرق والكهربائي

الشكل 8: البرق والكهربائي

في عام 1752 ، قام بنيامين فرانكلين بتجربته الطائرات الورقية المعروفة لإظهار أن البرق هو تصريف كهربائي.خلال عاصفة رعدية ، طار فرانكلين طائرة ورقية مع مفتاح معدني متصل بالسلسلة.عندما ضرب Lightning الطائرة الورقية ، أصبح المفتاح مكهرًا ، مما يثبت أن فكرته كانت صحيحة.أظهرت هذه التجربة أن البرق هو شكل من أشكال التفريغ الكهربائي ، مثل الشرر المصنوع من الكهرباء الثابتة.

بعد هذا الاكتشاف الكبير ، اخترع فرانكلين قضيب البرق.قضيب البرق هو أداة بسيطة ولكنها فعالة مصنوعة لحماية المباني من ضربات البرق.يحتوي على قضيب معدني مدبب موضوعة في أعلى نقطة في المبنى ، متصل بالأرض مع سلك موصل.عندما يضرب البرق ، يوجه القضيب بأمان الشحنة الكهربائية أسفل السلك وفي الأرض ، مما يوقف الأضرار التي لحقت بالمبنى.

يعمل قضيب Lightning Franklin لأن النقطة الحادة للقضيب تجعل الهواء من حوله مؤينًا ، مما يخلق مسارًا سهلاً للتفريغ الكهربائي.يوجه هذا المسار طاقة البرق بعيدًا عن المبنى ، مما يقلل من خطر الحريق والأضرار الهيكلية.كان اختراع فرانكلين خطوة كبيرة إلى الأمام في فهمنا ومعالجة الأحداث الكهربائية الطبيعية ، مما يوفر حلاً مفيدًا لمشكلة ضارة للغاية.

قانون كولوم

الشكل 9: قانون كولوم

كانت تجارب تشارلز كولوم مفيدة للغاية لفهم القوة الإلكتروستاتيكية.اكتشف أن القوة بين شحنتين كهربائيتين تتناقص بسرعة مع زيادة المسافة بينهما.في الأساس ، أثناء تحريك الرسوم بشكل أكبر ، تصبح القوة بينهما أضعف بكثير.تشبه هذه الفكرة قانون جاذبية نيوتن ، الذي يقول إن قوة الجاذبية بين كتلتين تتناقص مع زيادة المسافة بينهما.

في قانون كولوم ، فإن الفكرة الرئيسية هي أن القوة بين الرسوم تصبح أضعف إذا قمت بزيادة المسافة وأقوى إذا قمت بتقليل المسافة.هذا السلوك يشبه كيفية عمل قوة الجاذبية ، ولكن بدلاً من التعامل مع الجماهير والجاذبية ، يتعامل قانون Coulomb مع الرسوم الكهربائية.

هذه المعرفة مفيدة للغاية لشرح العديد من الأشياء الكهربائية.على سبيل المثال ، إذا كنت تضاعف المسافة بين كائنين مشحونة ، فإن القوة التي تسحبها أو دفعها معًا تصبح أضعف بكثير.من ناحية أخرى ، فإن جعل الأشياء أقرب معًا يجعل القوة أقوى بكثير.

قانون كولوم لديه العديد من الاستخدامات في العلوم والهندسة.إنه يساعد في تصميم الأجزاء الإلكترونية مثل المكثفات ، وفهم كيفية تجمع الذرات معًا ، والتنبؤ كيف تتصرف الكهرباء الثابتة في مواقف مختلفة.وضع عمل Coulomb أساس الأفكار الحديثة من الكهرومغناطيسية ولا يزال مهمًا جدًا لدراسة الفيزياء والهندسة الكهربائية.

الجهد و amperage

التيار الكهربائي هو في الأساس تدفق الإلكترونات من خلال موصل.يحتوي هذا التدفق على خصائصين رئيسيين: الجهد والموبرج.الجهد ، الذي يسمى أيضًا الإمكانات الكهربائية ، هو القوة التي تدفع الإلكترونات عبر دائرة ، على غرار ضغط الماء في أنبوب.Amperage ، أو التدفق الحالي ، هو عدد الإلكترونات التي تتحرك عبر الدائرة ، مثل كمية المياه التي تتدفق عبر الأنبوب.

في النظم الكهربائية المنزلية اليومية ، عادة ما يكون الجهد القياسي حوالي 120 فولت.تستخدم الأجهزة المختلفة كميات متفاوتة من amperage بناءً على احتياجات الطاقة الخاصة بهم.على سبيل المثال ، يستخدم المصباح الكهربائي كمية صغيرة من التيار ، بينما يستخدم جهاز كبير مثل الفرن أو الغسالة أكثر من ذلك بكثير.

يتم حساب الطاقة الكهربائية ، التي هي المعدل الذي يتم فيه استخدام الطاقة الكهربائية أو إنتاجه ، عن طريق ضرب الجهد والموبرج (P = V × I).هذا يعني أن جهازًا يعمل عند 120 فولت واستخدام 10 أمبير من التيار يستخدم 1200 واط من الطاقة.

الكهرباء الثابتة ، من ناحية أخرى ، يمكن أن تخلق فولتية عالية جدًا ولكنها تتضمن عادةً انخفاضًا كبيرًا.هذا هو السبب في أن الصدمات التي نحصل عليها من الكهرباء الساكنة يمكن أن تكون مفاجئة ولكنها غير ضارة بشكل عام.يمكن للجهد العالي دفع الإلكترونات بسهولة عبر الهواء ، مما يسبب شرارة ، ولكن المنخفضة يعني أن إجمالي الطاقة المعنية صغيرة جدًا.

الإلكتروستاتيك في الحياة اليومية

الكهرباء الثابتة هي شيء نواجهه في كثير من الأحيان في الحياة اليومية.عندما تمشي عبر سجادة أو خلع قبعة ، قد تحصل على صدمة عندما تلمس كائن معدني.يحدث هذا لأن جسمك يجمع شحنة كهربائية.

تتراكم هذه الشحنة عندما تنتقل الإلكترونات من شيء إلى آخر.على سبيل المثال ، أثناء المشي على السجادة ، تنتقل الإلكترونات من السجادة إلى حذائك ، مما يجعل جسمك مشحونة سلبًا.عندما تلمس كائن معدني ، والذي يسمح بسهولة للتدفق الكهربائي ، فإن الإلكترونات الإلكترونية الإضافية في جسمك تتحرك بسرعة إلى المعدن ، مما تسبب في صدمة كهربائية صغيرة.

يكون هذا التأثير أقوى عندما يتم فصلك عن الأرض بواسطة مواد لا تسمح بالتدفق الكهربائي بسهولة ، مثل الأحذية ذات الرطبات المطاطية.تمنع هذه المواد الإلكترونات من الهرب بسهولة إلى الأرض ، مما تسبب في تراكم الشحنة على جسمك.لذا ، فإن الصدمة التي تشعر بها هي الحركة السريعة للإلكترونات من جسمك إلى شيء يمكن أن يتصرف بالكهرباء.

خاتمة

يوضح استكشاف الكهرباء الثابتة ، من الملاحظات المبكرة إلى الاكتشافات العلمية المهمة ، كيف تطور فهمنا للظواهر الكهربائية.أدى الفضول حول سبب جذب المواد وصد بعضها البعض إلى نظريات رائدة من قبل رواد مثل تشارلز دوفاي وبنيامين فرانكلين.اكتشفوا أن حركة الإلكترونات هي أساس الشحنة الكهربائية.سمح إنشاء آلات إلكتروستاتيكية وجرة ليدن للعلماء بتوليد ودراسة الشحنات الثابتة الكبيرة.توج هذا العمل بإظهار فرانكلين أن البرق هو تصريف كهربائي.أنشأ تشارلز كولوم مبادئ الكهرباء الثابتة من خلال صياغة قوانين القوة الكهربائية.لم تقدم هذه الاكتشافات المعرفة النظرية فحسب ، بل أدت أيضًا إلى تطبيقات عملية مثل الطباعة الحجم ، ومرشحات الهواء الكهروستاتيكي ، ومولد Van de Graaff.يلعب فهم الكهرباء الثابتة دورًا رئيسيًا في التجارب اليومية والمساعي العلمية ، مما يبرز دورها في الفيزياء والتكنولوجيا.

الأسئلة المتداولة [الأسئلة الشائعة]

1. كيف أتوقف عن الصدمة من كل ما أتطرق إليه؟

للتوقف عن الصدمة من كل ما تلمسه ، قم بزيادة الرطوبة في بيئتك باستخدام مرطب.يمكن أن يساعد ارتداء أحذية مع باطن جلدية بدلاً من المطاط ، لأن الجلد لا يخلق الكثير من الكهرباء الثابتة.أيضًا ، قبل لمس أي شيء آخر ، حاول لمس جسم معدني لتفريغ أي تراكم ثابت من جسمك.

2. كيف تضع نفسك لتجنب الصدمة الثابتة؟

لمنع صدمة ثابتة ، تلمس في كثير من الأحيان جسم معدني مؤرض.يمكن أن يساعد استخدام أسوار المعصم المضادة للثبات أو الحصير التأريض على إزالة الكهرباء الساكنة من جسمك ، مما يقلل من فرصة التعرض للصدمة.

3. ما الذي يحفز ثابت؟

تحدث الكهرباء الثابتة عندما تفرك المواد ضد بعضها البعض.إن الإجراءات البسيطة مثل المشي على السجاد مع الجوارب ، أو خلع ملابس النسيج الاصطناعية ، أو حتى الجلوس على أنواع معينة من الأثاث يمكن أن يؤدي إلى انتقال الإلكترونات من مادة إلى أخرى.هذه الحركة تخلق خللًا ، مما يؤدي إلى كهرباء ثابتة.

4. لماذا أحصل على صدمات كهربائية عندما أتطرق إلى شيء ما؟

تحصل على صدمات كهربائية عندما تلمس شيئًا لأن جسمك قد قام ببناء شحنة ثابتة.عندما تلمس كائن موصل ، مثل المعدن أو شخص آخر ، فإن الشحنة المبنية تتدفق بسرعة من جسمك ، مما يؤدي إلى صدمة.

5. كيف تتجنب الكهرباء الثابتة على الكمبيوتر؟

لتجنب الكهرباء الساكنة على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، استخدم حزامًا معصمًا مضادًا للمعصم أثناء العمل داخل الكمبيوتر.تأكد من وضع جهاز الكمبيوتر الخاص بك على سطح مؤرض ، وتجنب العمل في البيئات الجافة.يمكنك أيضًا استخدام الحصير المضاد للثبات أو البخاخات لتقليل تراكم ثابت حول منطقة عملك.