أهداف التعلم

• أن يعرّف الطالب الشحنة الكهربية ونوعيها الموجب والسالب.
• أن يستنتج الطالب قانون التجاذب والتنافر بين الشحنات الكهربية.
• أن يوضّح الطالب كيفية شحن الأجسام بالدلك.
• أن يميّز الطالب بين المواد الموصلة والمواد العازلة للكهرباء.
• أن يذكر الطالب تطبيقات وأضرارًا للقوى الكهربية الساكنة في الحياة.

شرح الدرس

الشحنة الكهربية

تحدثنا في درس تركيب الذرة عن أن الذرة تحتوي على بروتونات موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة. والشحنة الكهربية خاصية أساسية في هذه الجسيمات تسبب نشوء قوى كهربية بينها. وفي الحالة الطبيعية تكون الأجسام متعادلة كهربيًا (عدد الشحنات الموجبة = عدد الشحنات السالبة)، لكن يمكن أن يختل هذا التوازن فيصبح الجسم مشحونًا بشحنة موجبة صافية (نقص إلكترونات) أو شحنة سالبة صافية (زيادة إلكترونات).

قانون التجاذب والتنافر بين الشحنات

تخضع الشحنات الكهربية لقانون أساسي بسيط يمكن تلخيصه في: الشحنات المتشابهة تتنافر، والشحنات المختلفة تتجاذب. فإذا اقترب جسمان مشحونان بنفس النوع (موجب مع موجب، أو سالب مع سالب)، تنشأ بينهما قوة تنافر تدفعهما بعيدًا عن بعض. أما إذا اقترب جسمان مشحونان بنوعين مختلفين (موجب مع سالب)، تنشأ بينهما قوة تجاذب تسحبهما نحو بعضهما.

شحن الأجسام بالدلك

من أبسط طرق شحن الأجسام هي الدلك (الحك)، حيث يؤدي فرك جسمين عازلين (لا يوصلان الكهرباء) ببعضهما إلى انتقال بعض الإلكترونات من سطح أحدهما إلى سطح الآخر عن طريق الاحتكاك، فيصبح الجسم الذي فقد إلكترونات مشحونًا بشحنة موجبة، والجسم الذي اكتسبها مشحونًا بشحنة سالبة. فمثلًا عند دلك قضيب من البلاستيك بقطعة من الصوف، تنتقل إلكترونات من الصوف إلى البلاستيك، فيصبح البلاستيك مشحونًا سالبًا والصوف مشحونًا موجبًا.

طرق أخرى لشحن الأجسام (إثرائي)

بالإضافة إلى الدلك، توجد طرق أخرى لشحن الأجسام:

• الشحن بالتوصيل (التلامس): يتلامس جسم مشحون مع جسم متعادل، فتنتقل بعض الشحنات من الجسم المشحون إلى المتعادل، فيصبح كلاهما مشحونًا بنفس نوع الشحنة.
• الشحن بالحث (الاستحثاث): يُقرَّب جسم مشحون من جسم متعادل دون ملامسته، فيعيد الجسم المتعادل ترتيب شحناته الداخلية (تنجذب الشحنات المخالفة نحو الجسم المشحون وتتنافر الشحنات المشابهة بعيدًا عنه)، دون أن ينتقل أي شحنة فعليًا بين الجسمين.

الموصلات والعوازل الكهربية

تختلف المواد في قدرتها على السماح بحركة الشحنات الكهربية (الإلكترونات) خلالها:

• الموصلات: مواد تسمح للإلكترونات بالحركة بحرية نسبية خلالها، مثل معظم الفلزات (النحاس والألومنيوم) والماء المحتوي على أملاح.
• العوازل: مواد لا تسمح للإلكترونات بالحركة بحرية خلالها، مثل البلاستيك والزجاج والمطاط والهواء الجاف؛ ولهذا تُغلَّف الأسلاك الكهربية بطبقة من مادة عازلة لحماية الإنسان من الصدمات الكهربية.

مقارنة بين الموصلات والعوازل

تطبيقات وأضرار القوى الكهربية الساكنة

تظهر آثار القوى الكهربية الساكنة في مواقف حياتية عديدة، منها الشرارة الصغيرة التي قد يشعر بها الإنسان عند لمس مقبض معدني بعد المشي على سجادة صوفية في جو جاف، نتيجة تراكم شحنات ساكنة على جسمه ثم تفريغها فجأة. كما تُستخدم مبادئ الشحن بالحث في بعض أجهزة ترسيب الأتربة الصناعية (المرسبات الكهروستاتيكية) للتخلص من الجسيمات الملوثة في مداخن المصانع قبل خروج الدخان إلى الهواء.

أسئلة للتدريب

• اذكر القانون العام للتجاذب والتنافر بين الشحنات الكهربية.
• وضّح كيف يمكن شحن قضيب بلاستيكي بطريقة الدلك.
• ما الفرق بين الشحن بالتوصيل والشحن بالحث؟
• ميّز بين المواد الموصلة والمواد العازلة للكهرباء بأمثلة.
• لماذا تُغلَّف الأسلاك الكهربية المنزلية بطبقة من البلاستيك أو المطاط؟