خصائص الشحنة الكهربائية والبنية الذرية
في هذه الدرس، سنستعرض مفهوم وأصل الشحنة الكهربائية كسبب أساسي للظواهر الكهربائية. سنبدأ بتحليل تاريخي حيث لاحظ الإغريق الخصائص الكهربائية عند فرك الكهرمان بالصوف، مما أدى إلى قانون الإشارات لوصف الجذب والتنافر الكهربائي. على المستوى المجهري، يتم استكشاف الجسيمات دون الذرية وكيف أن الشحنة الكهربائية جزء لا يتجزأ من بنية المادة، مع التركيز بشكل خاص على تكوين الذرات وكيف تحدد الخصائص الكهربائية للمادة. وأخيرًا، يتم التأكيد على أنه على الرغم من أن الذرة قد تكون محايدة، إلا أنها تظل مشاركة في الظواهر الكهربائية بسبب التفاعلات الذرية والجزيئية ونقل الإلكترونات.
أهداف التعلم:
عند انتهاء هذه الدرس، سيكون الطالب قادرًا على:
- تحديد الجسيمات دون الذرية وشحناتها وأوزانها.
- تفسير سبب اكتساب بعض المواد شحنة كهربائية عند فركها.
- وصف العلاقة بين السلوك الذي لاحظه الإغريق (الكهرمان المشحون) والمفهوم الحديث للكهرباء.
- التمييز بين الذرات المحايدة والأيونات الموجبة والسالبة.
جدول المحتويات
ما هي الشحنة الكهربائية؟
الظواهر الكهربائية في العصور القديمة
قانون الإشارات
الشحنة الكهربائية وبنية المادة
الخصائص الكهربائية للمادة
ما هي الشحنة الكهربائية؟
لفهم الظواهر الكهربائية، من الضروري التطرق إلى سببها الأساسي. تمامًا كما أن الكتلة هي السبب وراء الجاذبية، فإن الشحنة الكهربائية هي السبب وراء الظواهر الكهربائية.
عند بدء دراستنا للكهرومغناطيسية، من الصعب تحديد ماهية الشحنة الكهربائية بدقة. يتطلب هذا الفهم تحليلات أكثر تقدمًا مما سنناقشه مبدئيًا. ومع ذلك، يمكننا دراسة سلوكها وخصائصها لنبدأ في التعرف على الكهرباء.
الظواهر الكهربائية في العصور القديمة
في العصور القديمة، لاحظ الإغريق أن فرك الكهرمان بالصوف يمكن أن يجعله يجذب بعض الأجسام. أطلق على هذه الظاهرة أن الكهرمان “تم شحنه” أو “اكتسب شحنة كهربائية”. في الواقع، كلمة “كهرباء” مشتقة من الكلمة اليونانية “ήλεκτρον (élektron)” التي تعني “الكهرمان”. منذ العصور القديمة، لوحظ أن “الأجسام المشحونة كهربائيًا” تظهر الخصائص والسلوكيات التالية:
- إذا تم فرك مادتين A و B في البداية محايدتين (خالية من الشحنة) معًا، يمكن أن تكتسب شحنة كهربائية. تكون هذه الشحنات المكتسبة على A و B ذات نفس المقدار.
- إذا تم بعد شحنها وفقًا للوصف أعلاه وضع الأجسام A و B على اتصال، فإن الشحنات تلغي بعضها البعض.
استنادًا إلى ما ورد أعلاه، يُقال إن الأجسام تكتسب شحنات متساوية ولكنها متكاملة، ولهذا نحدد هذه الشحنات على أنها “موجبة” و”سالبة”. بالإضافة إلى ذلك، يمكن وصف سلوك الأجسام المشحونة باستخدام قانون الإشارات:
قانون الإشارات
تظهر الأجسام المشحونة السلوك التالي:
- موجب x موجب = موجب → تنافر
- موجب x سالب = سالب → تجاذب
- سالب x موجب = سالب → تجاذب
- سالب x سالب = موجب → تنافر
الشحنات ذات الإشارات المتعاكسة تتجاذب، والشحنات ذات الإشارات المتشابهة تتنافر.
الشحنة الكهربائية وبنية المادة
الشحنة الكهربائية، مثل الكتلة، هي خاصية أساسية للجسيمات التي تشكل المادة. وحدة قياس الشحنة الكهربائية هي كولوم وتُرمز بالحرف C. تتكون الذرات من كيانات دون ذرية تمتلك شحنات وكتل محددة، كما هو موضح في الجدول التالي:
| الجسيم | الكتلة [kg] | الشحنة الكهربائية [C] |
|---|---|---|
| البروتون | 1.6726219 \times 10^{-27} | +1.602176634 \times 10^{-19} |
| النيوترون | 1.6759271 \times 10^{-27} | 0 (محايد) |
| الإلكترون | 9.10938356 \times 10^{-31} | -1.602176634 \times 10^{-19} |
عادةً ما يتم استخدام الرموز p^+، e^- وn_0 للإشارة إلى البروتون، الإلكترون والنيوترون، على التوالي. توجد البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة، بينما تدور الإلكترونات حولها. يتمركز أكثر من 99.9٪ من كتلة الذرة في نواتها.
يحدد عدد البروتونات في النواة العنصر الذي تنتمي إليه الذرة. يحدد عدد النيوترونات نظير العنصر، ويشير عدد الإلكترونات إلى حالة تأينها. تقليديًا، تُعتبر الذرة محايدة، وفي حال وجود فائض أو نقص في الإلكترونات، تُسمى أيونًا. يمكن أن تكون الأيونات سالبة (أنيونات) أو موجبة (كاتيونات).
الخصائص الكهربائية للمادة
تعتمد الخصائص الكهربائية للمادة على بنيتها الداخلية وكيفية تفاعل الذرات أو الجزيئات مع بعضها البعض. على الرغم من أن الذرة المحايدة قد تبدو وكأنها لا تحتوي على شحنة، فإن هذا لا يعني أنها لا يمكن أن تشارك في الظواهر الكهربائية. من المهم أن نتذكر أن طبيعة الشحنة الكهربائية تعتمد على التفاعل بين الذرات والجزيئات، وقدرتها على نقل أو مشاركة الإلكترونات لتشكيل الروابط.