الشحنة الكهربائية

الفصل الكهرباء الساكنة 2 Static Electricity ما الذي ستتعلمه في هذا الفصل؟ . ملاحظة سلوك الشحنات الكهربائية وتحليل طريقة تفاعلها مع المادة. . اختبار القوى التي تؤثر بين الشحنات الكهربائية. الأهمية تتحكم الكهرباء الساكنة في عمل بعض الأجهزة، ومنها آلة الطباعة وآلة تصوير الأوراق، إلا أن لها آثارًا سلبية على بعض المكونات الإلكترونية للأجهزة، كما أن لها دورًا في تشكل البرق. البرق مثالاً على تفريغ الكهرباء الساكنة، ومن ذلك أيضًا الشرارة الكهربائية الصغيرة التي تشعر بها عندما تلمس مقبض الباب الفلزي في يوم جاف. وتختلف عمليتا الشحن والتفريغ - في حالتي الشرارة الكهربائية الصغيرة والبرق - إلى حد كبير من حيث المقدار، إلا أنهما متماثلتان في طبيعتيهما الأساسية. فكر ما أسباب تراكم الشحنات على السحب الرعدية؟ وكيف يحدث تفريغها على شکل برق؟ 252 وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

ملاحظة سلوك الشحنات الكهربائية وتحليل طريقة تفاعلها مع المادة

ما أسباب تراكم الشحنات على السحب الرعدية

تجربة استهلالية ) أي القوى تؤثر عن بعد؟ سؤال التجربة ماذا يحدث عند دلك مسطرة بلاستيكية بقطعة صوف ثم تقريبها إلى قصاصات ورقية ؟ الخطوات 17 www.ien edu.sa التفكير الناقد ما القوى المؤثرة في قصاصات الورق قبل تقريب المسطرة إليها؟ وماذا يمكنك أن تستنتج عن القوى المؤثرة في هذه القصاصات بعد تقريب المسطرة البلاستيكية إليها ؟ ضع فرضيات توضح التأثير الذي أحدثته المسطرة في 1. ضع 100-150 قصاصة ورق مما ينتج عن استعمال القصاصات الورقية، مستعيناً بإجاباتك عن السؤالين السابقين. الخرامة) على الطاولة. 2. خذ مسطرة بلاستيكية، وادلكها بقطعة صوف. 3. قرب المسطرة إلى القصاصات، ولاحظ تأثيرها فيها. التحليل ماذا حدث لقصاصات الورق عندما قربت المسطرة البلاستيكية إليها؟ وماذا حدث للقصاصات التي التصقت بالمسطرة ؟ هل لاحظت نتائج غير متوقعة عندما قربت المسطرة إلى قصاصات الورق؟ إذا كان هناك نتائج غير متوقعة فصفها. 2-1 الشحنة الكهربائية Electric Charger لعلك مشيت يوما على سجادة، وقد احتك حذاؤك بنسيجها، مما ولد شرارة كهربائية الأهداف ظهرت عندما لمست شخصا آخر. هل هناك تشابه بين هذه الشرارة والبرق ؟ لاختبار . توضح أن الأجسام المشحونة تؤثر يقوى تجاذب ذلك، أجرى بنيامين فرانكلين عام 1752م تجربة على طائرة ورقية؛ حيث طير وتنافر. الكهربائية، وليس إنتاجها. الطائرة، وربط مفتاحًا في نهاية الخيط المتصل بها، وعندما اقتربت عاصفة رعدية من . تثبت أن عملية الشحن هي فصل للشحنات الطائرة لاحظ أن ألياف الخيط الرخوة قد انتصبت وتنافر بعضها عن بعض. وعندما قرب فرانكلين إصبعه من المفتاح لاحظ حدوث شرارة كهربائية. وكانت هذه تجربة . تصف الاختلافات بين الموصلات والعوازل رائعة ولكنها مجازفة خطيرة، ومن حسن حظه أنه نجا، فقد حاول أحد العلماء إعادة المفردات الكهرباء الساكنة (الكهروسكونية) التجربة نفسها إلا أنه مات مصعوقا. وقد انطلقت بعد ذلك سلسلة من البحوث الذرة المتعادلة في مجال الكهرباء، بعدما أظهرت تجربة فرانكلين أن البرق يشبه الشرر الناجم عن مادة عازلة الاحتكاك. وتسمى التأثيرات الكهربائية التي تتولّد بهذه الطريقة الكهرباء الساكنة. مادة موصلة و في هذا الفصل ستستقصي الكهرباء الساكنة الكهروسكونية)؛ وهي دراسة الشحنات الكهربائية التي تتجمع وتحتجز في مكان ما. ويمكن ملاحظة آثار الكهرباء الساكنة على نطاق واسع ؛ بدءًا بالبرق، ووصولاً إلى المستوى المجهري للذرات والجزيئات. أما الكهرباء التيارية (المتحركة) المتولدة عن البطاريات والمولّدات فستدرسها في الفصول اللاحقة. وزارة التعليم Minist 253 2023-1445 fucation

ماذا يحدث عند دلك مسطرة بلاستيكية بقطعة صوف ثم تقريبها إلى قصاصات ورقية

تجربة عملية | كيف تشحن الأجسام؟ ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية الأجسام المشحونة Charged Objects هل لاحظت انجذاب شعرك نحو المشط عند تمشيطه في يوم جاف؟ لعلك لاحظت أيضًا التصاق الجوارب أحيانًا بعضها ببعض عند إخراجها من مجفّفة الملابس. ولعلك لاحظت كذلك انجذاب قصاصات الورق إلى المسطرة البلاستيكية الموضحة في التجربة الاستهلالية و في الشكل 21 من المؤكد وجود قوة ناتجة كبيرة نسبيا سببت تسارع القصاصات إلى أعلى بمقدار أكبر من تسارعها إلى أسفل الناتج عن قوة الجاذبية الأرضية. وهناك اختلافات أخرى بين القوة الناتجة وقوة الجاذبية الأرضية؛ فقصاصات الورق لا تنجذب إلى المسطرة إلا بعد ذلك المسطرة، كما أن المسطرة تفقد خاصية الجذب هذه بعد فترة قصيرة. أما قوة الجاذبية الأرضية فلا تحتاج إلى دلك حتى تتولد، كما أنها لا تفقد خاصية الجذب. لقد لاحظ قدماء الإغريق آثارًا مماثلة للمسطرة المدلوكة عندما دلكوا العنبر (الكهرمان). ( وترجمة كلمة عنبر إلى اللغة اليونانية هي "إلكترون")، وتُسمّى خاصية الجذب هذه الآن الكهرباء. وتسمّى الأجسام التي تبدي تفاعلاً كهربائيا بعد الدلك الأجسام المشحونة. الشحنات المتماثلة يمكنك استكشاف التفاعلات الكهربائية باستخدام أجسام بسيطة، مثل شريط لاصق. اطو 5cm تقريبا من الشريط حتى يُتَّخذ ذلك الجزء مقبضًا، ثم ثبت الجزء المتبقي من الشريط cm 12 على سطح جاف و أملس كسطح الطاولة. بالطريقة نفسها، ثبت شريطًا آخر مماثلا للشريط الأول بالقرب منه، ثم اسحب الشريطين بسرعة عن سطح الطاولة، وقرّب أحدهما إلى الآخر. ستلاحظ أن هناك خاصية جديدة تجعلهما يتنافران؛ فلقد أصبحا مشحونين كهربائيا. ولأنهما أُعِدًا بالطريقة نفسها، فيجب أن يكون لهما النوع نفسه من الشحنات. وهكذا تتوصل إلى أن الجسمين اللذين لهما النوع نفسه من الشكل 1-2 يولد ذلك مسطرة بلاستيكية بقطعة صوف قوة تجاذب بين المسطرة وقصاصات الورق، وعند تقريب المسطرة أكثر إلى قصاصات الورق تعمل قوة الجذب الكهربائية على تسارع هذه القصاصات رأسيًا إلى أعلى في اتجاه معاكس لتسارع قوة الجاذبية الأرضية. 254 الشحنة يتنافران . وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

الأجسام المشحونة

الشحنات المتماثلة

تجربة علمية كيف تشحن

والمختلفة .(b). يمكنك معرفة المزيد عن هذه الشحنة بإجراء تجارب بسيطة، فلعلك لاحظت أن الشريط الشكل 2-2 يمكن شحن ينجذب إلى يدك، هل ينجذب كلا الجانبين أم أحدهما فقط ؟ وإذا انتظرت فترة من الزمن، الأشرطة بشحنات مختلفة (a). وخصوصا في الطقس الرطب، فستلاحظ اختفاء الشحنة الكهربائية. ويمكنك إعادة شحن ويمكن استعمالها بعد ذلك لتوضيح الشريط مرة أخرى بإلصاقه بسطح الطاولة وسحبه عنها. كما يمكنك إزالة الشحنة عن التفاعلات بين الشحنات المتماثلة الشريط بدلك جانبيه بأصابعك بلطف الشحنات المختلفة ألصق الآن شريطًا على سطح الطاولة، ثم ضع الشريط الثاني فوق الأول. وكما هو موضح في الشكل 22، استخدم مقبض الطرف السفلي لكلا الشريطين لسحبها معا عن سطح الطاولة، ثم ادلكهما بأصابعك حتى تختفي قوة التجاذب بينهما وبين يدك. لقد أزلت كل الشحنات الكهربائية عنهما . أمسك مقبض كل شريط بيد، وبسرعة اسحب الشريطين أحدهما بعيدًا عن الآخر، ستجد أنها قد شُحِنا، وانجذبا ثانية إلى يديك، فهل سيتنافران؟ لا، سيتجاذبان الآن؛ لأن لهما شحنتين مختلفتين، إلا أنهما لن يبقيا مشحونين فترة طويلة؛ لأنهما سيلتصقان معا. هل الشريط هو الجسم الوحيد الذي يمكنك شحنه ؟ للإجابة عن هذا السؤال ألصق مرة أخرى شريطا لاصقا على سطح الطاولة، وضع شريطا آخر فوقه. علم الشريط السفلي بالرمز B، والشريط العلوي بالرمز T ثم اسحب الشريطين معًا. فرغها من الشحنات، ثم اسحب أحدهما بعيدا عن الآخر، وألصق طرف مقبض كل منهما في طرف طاولة أو أسفل غطاء مصباح أو أي جسم مماثل. ينبغي أن يعلقا بحيث يتدليان إلى أسفل، على أن تكون بينهما مسافة قصيرة. أخيرًا ادلك مشطاً بلاستيكيًّا أو قلم حبر بقطعة صوف، وقربه إلى أحد الشريطين، ثم قربه إلى الشريط الآخر. ستلاحظ أن أحد الشريطين ينجذب إلى المشط، بينما يتنافر الآخر معه كما هو موضح في الشكل 2-2. يمكنك الآن استكشاف تفاعلات الأجسام ا مع الأشرطة اللاصقة. حاول شـ الصوف زجاجية، وأكياس بلاستيكية. ادلكها بمواد مختلفة مثل الحرير والصوف. وإذا كان الجو جافًا فحك حذاءَك بالسجاد وأنت تم وقرب إصبعك إلى قطعتي الشريط اللاصق. ولاختبار الحرير أو يدك في كيس بلاستيكي، وادلك الكيس بقطعة الصوف أو الحرير من الكيس، وقرّبه هو والقطعة التي دلكتها إلى الشريطين اللاصقين. ستجذب معظم الأجسام المشحونة أحد الشريطين، وتتنافر مع الآخر، ولن تجد أبدًا جسما يتنافر مع كلا الشريطين ، إلا أنه يمكن أن تجد بعض الأجسام تجذب الشريطين؛ فمثلاً ستجد أن إصبعك يجذب كلا الشريطين، وستكتشف هذا التأثير لاحقا في هذا الفصل. وزارة التعليم 255 Ministducation 2023-1445

معرفة المزيد عن هذه الشحنة بإجراء تجارب بسيطة

الشحنات المختلفة

يد الانسان (موجب جدا) زجاج شعر الانسان نايلون صوف قراء الحيوانات المنيوم ورق قطن خشب عتبر مطاط البالونات مطاف صلب ( ابو ثابت ) نيكل، نحاس فضة، ذهب بولستر بولي ايثلين تيفلون (سالب) أنواع الشحنات يمكنك من خلال تجاربك إعداد قائمة بالأجسام المعلمة بـ B، التي لها نفس شحنة الشريط الملصق على سطح الطاولة. كما يمكنك إعداد قائمة أخرى للأجسام المعلمة بـ T التي لها شحنة مماثلة لشحنة الشريط العلوي. ستلاحظ أن هناك قائمتين فقط؛ لأنه لا يوجد إلا نوعان من الشحنات، أطلق عليهما بنيامين فرانكلين الشحنة الموجبة والشحنة السالبة. ووفق تسمية فرانكلين فإن المطاط والبلاستيك يشحنان عادة بشحنات سالبة عند دلكهما، أما الزجاج والصوف فيشحنان عادة بشحنات موجبة. وكما لاحظت أن الشريطين غير المشحونين أصبحا مشحونين بشحنتين مختلفتين بعد سحب أحدهما بعيدًا عن الآخر ، لذا يمكنك توضيح أنه عند ذلك البلاستيك بالصوف يصبح البلاستيك سالب الشحنة والصوف موجب الشحنة، ولا يتكون نوعًا الشحنات بشكل منفصل، وإنما يتكونان على شكل أزواج. وتشير كل هذه التجارب إلى أن المادة بطبيعتها تحتوي على نوعين من الشحنة موجبة وسالبة. وبطريقة معينة يمكن فصل نوعي الشحنة ولاستكشاف ذلك أكثر يتعين عليك تعرف الصورة المجهرية للمادة. النظرة المجهرية للشحنة A Microscopic View of Charge توجد الشحنات الكهربائية في الذرات. وقد اكتشف ج. ج . طومسون عام 1897م أن المواد جميعها تحتوي على جسيمات صغيرة جدا سالبة الشحنة تسمى الإلكترونات. وبين عامي 1909 و 1911م اكتشف أرنست را ذرفورد - تلميذ طومسون من نيوزلندا - أن هناك جسما مركزيا ذا شحنة موجبة تتركز فيه كتلة الذرة تسمى النواة وتكون الذرة متعادلة عندما الشكل 3- ترتب سلسلة الدلك تكون الشحنة الموجبة في النواة مساوية للشحنة السالبة للإلكترونات التي تدور حول النواة. الكهربائي قائمة المواد من حيث الأكثر السهم. يمكن إزالة إلكترونات المدارات الخارجية للذرات المتعادلة بإضافة طاقة إليها، وعندها فقدا للإلكترونات عند أعلى السهم تصبح هذه الذرات التي تفقد إلكترونات موجبة الشحنة وأي مادة تتكوّن من هذه إلى الأكثر اكتسابا للإلكترونات في ذيل الذرات الفاقدة للإلكترونات تكون موجبة الشحنة ويمكن أن تبقى الإلكترونات المفقودة حرة غير مرتبطة، أو ترتبط مع ذرات أخرى فتصبح جسيمات سالبة الشحنة. واكتساب الشحنة - من وجهة النظر المجهرية - ما هي إلا عملية انتقال للإلكترونات. وضحت الشحنات الموجبة فصل الشحنة إذا ذلك جسمان متعادلان معا فقد يصبح كل منهما مشحونا حسب ترتيب باللون الأحمر. المواد في سلسلة الدلك الكهربائي . كما هو موضح في الشكل 3-2. ففي حالة دلك المطاط بالصوف - كما هو موضح في الشكل 24 - تنتقل الإلكترونات من ذرات الصوف وضحت الشحنات السالبة إلى ذرات المطاط. وتعمل الإلكترونات الإضافية التي اكتسبها المطاط على جعل شحنته . دلالة الألوان باللون الأزرق. الشكل 24 عند استعمال قطعة صوف لشحن قضيب مطاط تنتقل الإلكترونات من ذرات الصوف إلى ذرات المطاط. وبهذه الطريقة يشحن الجسمان. 256 قضيب مطاط صلب وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

أنواع الشحنات

النظرة المجهرية للشحنة

ترتيب سلسلة الدلك

فصل الشحنة

الكلية سالبة، في حين تجعل الإلكترونات التي فقدها الصوف شحنته الكلية موجبة. أما المجموع الكلي للشحنة على الجسمين فيبقى هو نفسه؛ أي أن الشحنة محفوظة؛ وهذا يعني أن الشحنات المفردة لا يمكن أن تفنى أو تستحدث، وكل ما يحدث هو أن الشحنات الموجبة والشحنات السالبة تنفصلان من خلال عملية انتقال الإلكترونات. العمليات المعقدة التي تؤثر في إطارات سيارة أو شاحنة متحركة يمكن أن تؤدي إلى أن تصبح الإطارات مشحونة. كما أن العمليات التي تحدث داخل السحب الرعدية تجعل أسفل السحابة سالب الشحنة، وأعلاها موجب الشحنة. وفي كلتا الحالتين السابقتين لا تستحدث الشحنة، بل تنفصل. الموصلات والعوازل Conductors and Insulators أمسك قضيبا بلاستيكياً أو مشطا من منتصفه وادلك أحد طرفيه، ستجد أن الطرف المدلوك فقط أصبح مشحونا؛ أي أن الشحنات التي انتقلت إلى البلاستيك بقيت في تطبيق الفيزياء المكان الذي وضعت فيه ولم تتحرك وتسمّى المادة التي لا تنتقل خلالها الشحنة بسهولة موصل أم عازل؟ مادة عازلة. فالزجاج والخشب الجاف ومعظم المواد البلاستيكية والملابس والجو الجاف من المفيد تصنيف عنصر على أنه موصل جميعها عوازل جيدة. فقط أو عازل فقط، إلا أن التصنيف قد يختلف اعتمادا على الشكل الذي يتخذه افترض أنك وضعت قضيبًا فلزيًا فوق قضيب بلاستيكي معزول. فإذا لمست بعد ذلك أحد العنصر. فالكربون مثلاً يكون عازلاً فـ لا في طرفي القضيب الفلزي بمشط مشحون فستجد أن الشحنة تنتشر بسرعة داخل القضيب حالة الألماس، أما في الجرافيت فيوصل الفلزي. وتسمى المادة التي تسمح بانتقال الشحنات خلالها بسهولة مادة موصلة. وتعمل الشحنة؛ لأن ذرات الكربون في الألماس الإلكترونات على نقل الشحنة الكهربائية أو توصيلها خلال الفلز، لذا تعد الفلزات ترتبط بقوة مع أربع ذرات كربون أخرى موصلات جيدة؛ لأنه يوجد في كل ذرة إلكترون واحد على الأقل يمكن أن ينفصل عنها أما في حالة الجرافيت فتكون ذرات الكربون بسهولة. وتؤثر هذه الإلكترونات وكأنها تابعة لذرات الفلز جميعها وليس لذرة معينة؛ ثلاث روابط قوية ورابطة رابعة ضعيفة أي تتحرك هذه الإلكترونات بحرية خلال قطعة الفلز والشكل 25 يقارن بين سلوك تسمح للإلكترونات بحركة محدودة، لذا . يكون الجرافيت أكثر موصلية من الألماس الشحنات عندما توضع على موصل، وسلوكها عندما توضع على عازل. فالنحاس رغم أن كليهما يتركب من ذرات الكربون. والألومنيوم موصلان ممتازان لذا فهما يستخدمان لنقل الكهرباء. وتعد البلازما وهي غاز متأين بدرجة كبيرة- والجرافيت موصلين جيدين للشحنة الكهربائية. + عازل + موصل الشكل 25 تتوزع الشحنات التي توضع على موصل على كامل سطحه الخارجي (1) بينما تبقى الشحنات على العازل في المكان الذي توضع فيه (b). وزارة | سليم Minist257ducation 2023-1445

الشحنات المفردة لا يمكن أن تفنى أو تستحدث

الموصلات والعوازل

موصل أم عازل

تتوزع الشحنات التي توضع على موصل على كامل سطحه الخارجي

عندما يصبح الهواء موصلاً يعد الهواء عازلا، إلا أنه تحت ظروف معينة تتحرك الشحنات خلاله كما لو كان موصلا. فالشرارة الكهربائية التي تحدث بين إصبعك ومقبض الباب الفلزي بعد ذلك قدميك بالسجاد تُفرّغ الشحنات من جسمك كما هو موضح في الشكل 26؛ فيصبح متعادلا؛ لأن الشحنات الزائدة الموجودة عليه قد انفصلت عنه. وبالمثل يفرغ البرق شحنات السحب الرعدية. وفي كلتا الحالتين يصبح الهواء موصلا للحظات فقط. ولكنك تعرف أنه يجب أن يحتوي الموصل على شحنات حرة الحركة، فمن أين تأتي هذه الشحنات الشكل 26 تتفرغ الشحنات في حالة الهواء العازل؟ لكي تحدث الشرارة أو البرق يجب أن تتكوّن جسيمات مشحونة حرة الكهربائية من جسمك عند اقتراب يدك الحركة في الهواء المتعادل، وفي حالة البرق تكون الشحنات الزائدة في الغيمة وعلى الأرض من مقبض الباب كبيرة بشكل كافٍ لفصل الإلكترونات من جزيئات الهواء. وتتكون نتيجة ذلك البلازما؛ التي تتكوّن من الإلكترونات والذرات الموجبة الشحنة والذرات السالبة الشحنة، والتي تعد موصلا، ويولّد تفريغ الشحنات الذي يحدث بين الأرض والسحب الرعدية - من خلال هذه الموصلات شررًا لامعا يسمى البرق. أما في حالة إصبعك ومقبض الباب الفلزي فيسمى تفريغ الشحنات شرارة كهربائية. 2-1 مراجعة 1. الأجسام المشحونة بعد ذلك مشط بسترة مصنوعة 5. شحن الموصلات افترض أنك علقت قضيبا فلزيا من الصوف يمكنه جذب قصاصات ورق صغيرة. لماذا يفقد المشط هذه القدرة بعد عدة دقائق؟ 2. أنواع الشحنات من خلال التجارب التي مرت في هذا الجزء كيف يمكنك أن تعرف أي الشريطين B أو T موجب الشحنة ؟ 3 أنواع الشحنات كرة البيلسان كرة صغيرة مصنوعة من مادة خفيفة، مثل البوليسترين، وتكون عادة طويلا بخيوط حرير بحيث أصبح القضيب معزولاً، ثم لامست أحد طرفي القضيب الفلزي بقضيب زجاجي مشحون. صف كيف يشحن القضيب الفلزي، وحدد نوع الشحنات عليه. 6. الشحن بالدلك يمكنك شحن قضيب مطاط بشحنة سالبة بدلكه بالصوف. ماذا يحدث عند ذلك قضيب نحاس بالصوف؟ مطلية بطبقة من الجرافيت أو الألومنيوم كيف 7. التفكير الناقد يمكن أن يفترض أحدهم أن يمكنك أن تحدد ما إذا كانت كرة البيلسان المعلقة بخيط عازل متعادلة كهربائيا، أو ذات شحنة ،موجبة، أو ذات شحنة سالبة؟ 4. فصل الشحنات يُشحن قضيب مطاط بشحنة سالبة عند دلكه بالصوف. ماذا يحدث لشحنة الصوف؟ الشحنة الكهربائية تشبه الموائع تتدفق من أجسام لديها فائض في المائع إلى أجسام لديها نقص فيه. لماذا يكون نموذج التيار الثنائي الشحنة أفضل من نموذج المائع الأحادي؟ 258 ولماذا ؟ وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445