ربّما قد صادف الكثيرون أو اختبروا الشحنات الكهربائية الساكنة، خصوصًا عند ارتداء الملابس الصوفية.
يستعرض هذا المقال تعريف الشحنات الكهربائية بشكل عام وتعريف الشحنات الكهربائية الساكنة على وجه الخصوص، كما يوضّح أنواع الشحنات الكهربائية الساكنة وكيفية توليدها. بالإضافة إلى ذلك، يستعرض جهاز كشف الشحنات الكهربائية وجهاز قياس الشحنة الكهربائية.
الشحنات الكهربائية
يُمكن تعريف الشحنات الكهربائية بأنها الخاصية الأساسية للمادة التي تحملها بعض الجُسيمات الأولية، والتي بدورها تتحكم في كيفية تأثّر الجُسيمات بالمجال الكهربائي أو المجال المغناطيسي. وتحدث الشحنات الكهربائية التي يُمكن أن تكون موجبة أو سالبة الشحنة في وحداتٍ طبيعيةٍ منفصلة، ولا يتم إنشاؤها أو إتلافها. وللتوضيح أكثر؛ يتنافر جسمان يحملان نوع الشحنة الكهربائية نفسها سواء أكانا موجبين أو سالبين عندما يقتربان نسبيًا من بعضهما البعض، بينما يتجاذب جسمان أحدهما موجب الشحنة والآخر سالب الشحنة عندما يكونا قريبين نسبيًا من بعضهما البعض.
تعريف الشحنات الكهربائية الساكنة
يُشار إلى الشحنات الكهربائية الساكنة باسم الشحنات الكهربائية الثابتة، مثل تلك التي تتولد ما بين قضيب من البلاستيك بعد فركه بالصوف، أو قضيب من الزجاج بعد فركه بالحرير؛ بحيث يبدأ كلٍ منهما بجذب قطعٍ صغيرةٍ من الورق دلالةً على أنهما أصبحا مشحونين كهربائيًا. وتُعرَّف الشحنة الكهربائية على قضيب البلاستيك المدعوك بالصوف بأنها سالبة، بينما تُعرَّف الشحنة الكهربائية على قضيب الزجاج المدعوك بالحرير بأنها موجبة. وللشحنات الكهربائية الساكنة خصائص تُميّزها فيما يلي توضيحها:
-
- كما هو الحال في الشحنات الكهربائية، تتنافر الجُسيمات التي تحمل نوع الشحنة الكهربائية ذاتها سواء أكانا موجبين أو سالبين بعيدًا عن بعضهما البعض، بينما تتجاذب مع بعضها البعض في حال كان لكلٍ منهما نوع شحنة كهربائية مختلف عن الآخر.
- الشحنة الكهربائية محفوظة، والجسم المحايد ليس له شحنة صافية، وللتوضيح أكثر؛ إذا كان القضيب البلاستيكي والصوف محايدين في البداية، فعندما يتم شحن قضيب البلاستيك بواسطة الصوف ستنتقل شحنة سالبة من الصوف للقضيب، ومن الجدير بالذكر أنّ صافي الشحنة السالبة على القضيب البلاستيكي يساوي صافي الشحنة الموجبة على الصوف.
أنواع الشحنات الكهربائية الساكنة
كما أُسلف الذكر، يتم تصنيف أنواع الشحنات الكهربائية الساكنة إلى نوعين، وفيما يأتي توضيحهما:
-
- الشحنة الموجبة: الشحنة التي تتولد عندما يفقد الجسم إلكترونات بعد حثه أو دعكه.
- الشحنة السالبة: الشحنة التي تتولد عندما يكتسب الجسم إلكترونات بعد حثه أو دعكه.
كيفية توليد الشحنات الكهربائية الساكنة
تتولد الشحنات الكهربائية الساكنة باستخدام المولد الكهروستاتيكي "Electrostatic Generator"، ويحدث ذلك عن طريق تحويل الاحتكاك إلى طاقة كهربائية، وفيما يأتي توضيحًا للطرق الشائعة في إنتاج الشحنات الساكنة:
- تأثير الاحتكاك الكهربائي: يحدث ذلك عندما يقترب جسمان من بعضهما البعض وتبدأ الشحنة بالانتقال بينهما بسبب الاحتكاك.
- الحث الكهروستاتيكي: عملية يحدث خلالها إعادة توزيع الشحنات على سطح الجسم بسبب الشحنات القريبة أو المجال الكهربائي الساكن.
- تأثير الكهرضغطية: يحدث ذلك نتيجةً لتراكم الشحنات الكهربائية في بعض الجسيمات بما في ذلك البلورات والمواد البيولوجية كالعظام عند الضغط عليها، مما يتسبب في تجمّع الإلكترونات على جانب واحد من هذه المواد عند الضغط عليها، والذي بدوره يُنتج شحنة سالبة على هذا الجانب من المادة، بينما يُصبح الجانب الآخر مشحونًا بشحنةٍ إيجابيةٍ نتيجةً لفقدان الإلكترونات، ومن الجدير بالذكر أنّ هذا التأثير يتميّز بكونه مرتبطًا بالضغط، بمعنى أن الشحنات الكهربائية ستختفي وتعود المادة إلى حالتها غير المشحونة عند تحرير الضغط عنها.
- التأثير الكهربائي الحراري: تتعرّض المواد للشحن الكهربائي عند تسخينها أو إزالتها منها، بمعنى أنه عندما تُسخّن هذه المواد أو تُبرّد فإن الشحنات الكهربائية السالبة والموجبة ستتراكم على جوانبها المتقابلة.
جهاز كشف الشحنات الكهربائية
يُستخدم الكشاف الكهربائي "Electroscope" كجهاز كشف الشحنات الكهربائية أو أو كشف الإشعاع الأيوني. ويتكون الجهاز من زوج من أوراق الذهب الرقيقة المعلقة من موصل كهربائي يتصل بعلبةٍ أو حاويةٍ معزولةٍ في الجزء الخارجي منه، ويقوم مبدأ عمل جهاز كشف الشحنات الكهربائية على أساس التجاذب والتنافر وفقًا لقانون كولوم. وللتوضيح أكثر؛ فإن الشحنة الكهربائية المماثلة التي يتم تحفيزها أو نقلها إلى كل ورقة تجعلها تتنافر، ويؤيّن الإشعاع من المواد المشعة التي يتم إدخالها في الكشاف الكهربائي المشحون الغاز بداخله، مما يسمح للشحنة الموجودة على الأوراق بالتسرب تدريجيًا، ويتناسب المعدل الذي تتلاقى به أوراق جهاز كشف الشحنات الكهربائية المشحون مع وضعها الموازي غير المشحون مع شدة الإشعاع الموجودة فيه.
جهاز قياس الشحنة الكهربائية
مقياس التيار الكهربائي "Ammeter" هو الجهاز أو الأداة المستخدمة لقياس التيار الكهربائي بوحدة الأمبير، وتتمثل المقاومة الداخلية لهذا الجهاز بـ "0"، إلا أنه من الناحية العملية لديه القليل من المقاومة الداخلية، ويعتمد مبدأ عمل مقياس التيار بشكلٍ أساسيٍ على المقاومة بالإضافة إلى التفاعل الاستقرائي.
استخدامات الشحنات الكهربائية الساكنة
تُستخدم الكهرباء الساكنة في العديد من المجالات، وفيما يأتي توضيحًا لأكثرها شيوعًا:
- معطرات الجو: تستخدم معطرات الجو وأجهزة تنقية الهواء الكهرباء الساكنة لغايات لتنظيف الهواء وتنقيته من الغبار.
- تشغيل الهواتف المحمولة: تحتوي معظم الهواتف المحمولة على شاشة تعمل باللمس مصنوعة من مواد كالنحاس، والذي يُخزّن الشحنات الكهربائية في شبكة كهروستاتيكية من الأسلاك الدقيقة.
- الطابعات النافثة للحبر: تستخدم الطابعات النافثة للحبر الكهرباء الساكنة للمساعدة على نفث كمية صغيرة من الحبر إلى المكان الصحيح على الصفحة، كما تعمل طابعات الليزر بطريقةٍ مماثلة.
- دهان السيارات: يستخدم بعض مصنعي السيارات الكهرباء الساكنة للمساعدة على الحصول على طلاء ناعم لسطح السيارة.
- المرسبات الكهروستاتيكية: أجهزة خاصة تُستخدم لغايات إزالة الدخان من الغازات العادمة قبل خروجها من المداخن في محطات الطاقة؛ إذ تحرق العديد من محطات الطاقة الوقود الأحفوري بما في ذلك الفحم والنفط، مما ينتج عن ذلك الدخان الضار المكون من جزيئات صلبة صغيرة كالكربون غير المتفاعل، والتي يمكن أن تلحق الضرر بالمباني، إلى جانب كونها مضرة للصحة بحيث تُسبب صعوبات في التنفس.
مخاطر الشحنات الكهربائية الساكنة
على الرغم من الفوائد والاستخدامات الشائعة للكهرباء السكانة في مجالات الحياة المختلفة، إلا أنها يُمكن أن تُسبب مخاطر وأضرار تتفاوت في شدتها. ويُذكر من مخاطر الشحنات الكهربائية الساكنة ما يلي:
-
- يُمكن أن تتراكم الكهرباء الساكنة في السُّحُب، والذي قد يتسبب في حدوث شرارة ضخمة بين الأرض والسحابة، والذي يُعرف علميًا بالبرق أو تدفق الشحنة عبر الغلاف الجوي.
- خطر الاشتغال في حال وجود غازات قابلة للاشتعال أو تركيز عالٍ من الأكسجين؛ يُمكن أن تتسبب شرارة واحدة في إشعال الغازات وحدوث انفجارٍ أو حريق.
- خطر الإصابة بصدمة كهربائية في حال تدفق الشحنة عبر الجسم، مما يُمكن أن يتسبب في حدوث حروق أو حتى توقف القلب؛ إذ إنه من المحتمل أن يموت شخص نتيجةً لإصابته بصدمة كهربائية.
خطر حدوث الحرائق والانفجارات في طائرات التزوّد بالوقود والصهاريج؛ إذ يُمكن أن يؤدي السماح للوقود الذي يمر عبر الخرطوم إلى السيارة بتكوين شحنة ثابتة، مما يتسبب في حدوث شرارة قد تقود إلى اشتعال الوقود.
