الشحنة الكهربائية هي خاصية فيزيائية من الأمر الذي يتسبب لتجربة قوة عند وضعها في المجال الكهرومغناطيسي، هناك نوعان من الشحنات الكهربائية؛ إيجابية و سلبية (التي تقوم عادة من قبل البروتونات والإلكترونات على التوالي)، مثل رسوم صد وعلى عكس جذب، يشار إلى كائن مع عدم وجود تهمة صافي باسم محايد، تسمى المعرفة المبكرة لكيفية تفاعل المواد المشحونة الآن الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، ولا تزال دقيقة للمشاكل التي لا تتطلب النظر في الآثار الكمية.
خواص الشحنات الكهربائية
– الشحنة الكهربائية هي خاصية محفوظة؛ لا يمكن تغيير الشحنة الصافية للنظام المعزول، ومقدار الشحنة الموجبة ناقص مقدار الشحنة السلبية، يتم شحن الشحنة الكهربائية بواسطة جزيئات دون ذرية، في المادة العادية، إذا كان هناك إلكترونات أكثر من البروتونات الموجودة في مادة ما، فستكون لها شحنة سالبة، وإذا كان هناك عدد أقل، فسيكون لها شحنة موجبة، وإذا كان هناك أرقام متساوية فلن يكون لها أي شحنة.
– تحتوي الشحنة الكهربائية على حقل كهربائي، وإذا كانت الشحنة تتحرك فإنها تولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا، يُسمى الجمع بين المجال الكهربائي والمغناطيسي الحقل الكهرومغناطيسي، وتفاعله مع الشحنات هو مصدر القوة الكهرومغناطيسية، التي تعد واحدة من القوى الأساسية الأربعة في الفيزياء، تسمى دراسة التفاعلات الفوتونية بين الجزيئات المشحونة الديناميكا الكهربائية الكمية.
– وحدة SI المستمدة من الشحنة الكهربائية هي كولوم (C) نسبة إلى الفيزيائي الفرنسي شارل أوغستان دي كولوم، في الهندسة الكهربائية من الشائع أيضًا استخدام ساعة الأمبير (Ah)؛ في الفيزياء والكيمياء، فمن الشائع استخدام تهمة الابتدائية (ه كوحدة)، تستخدم الكيمياء أيضًا ثابت فاراداي باعتباره شحنة على جزيء من الإلكترونات، غالباً ما يشير الرمز Q إلى الشحن.
التحكم في الشحنات الكهربائية
– يمكن أن يساعد تعلم كيفية التحكم في حركة الإلكترونات على المقاييس الجزيئية ونانومتر العلماء على ابتكار دوائر صغيرة الحجم للعديد من التطبيقات، بما في ذلك طرق أكثر فعالية لتخزين واستخدام الطاقة الشمسية، يقدم مارشال نيوتن، الكيميائي النظري في مختبر بروكهافن، حديثًا يسلط الضوء على التقنيات النظرية المستخدمة لفهم العوامل التي تؤثر على حركة الإلكترون.
– يقول نيوتن: “يلعب نقل الإلكترون دورًا حيويًا في العديد من العمليات البيولوجية، بما في ذلك الاتصال بالخلايا العصبية وتحويل الطاقة من الطعام إلى أشكال مفيدة، إنها الخطوة الأولى في عملية التمثيل الضوئي، حيث يتم فصل الشحنات أولاً ويتم تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا، وهو أحد المفاهيم الكامنة وراء إنتاج الطاقة باستخدام الخلايا الشمسية”.
– وصف نيوتن كيف أدى الجمع بين النظرية الميكانيكية الكم الإلكترونية مع التقنيات الحسابية إلى طريقة موحدة مدمجة لفهم طبيعة نقل الشحنة في المجاميع الجزيئية المعقدة.
– ويوضح أن البحث أدى إلى فهم النقل الإلكتروني من حيث الإجابات الكمية على بعض الأسئلة الميكانيكية الأساسية: أي إلى أي مدى، وكم هي الكفاءة، وبأي طريق (أو “المسار الجزيئي”) الشحنة ينتقل من “مانح” إلى “متقبل” في التجمع الجزيئي.
– تأتي الإجابات من حسابات كمية جزيئية مفصلة لفجوات الطاقة التي تفصل بين الحالات الإلكترونية ذات الصلة، وقوة الاقتران بين الوحدات الجزيئية المجاورة على طول “الممرات”.
– وقال نيوتن: “قد ينتج عن هذا النهج الجديد طرق للتنبؤ بسلوك النقل الإلكتروني والتحكم فيه من خلال”ضبط” المكونات الجزيئية، مما ينتج عنه إمكانات يمكن استخدامها لتصميم خطط جديدة للطاقة الشمسية”.
دور المسؤول في الكهرباء الساكنة
– تشير الكهرباء الساكنة إلى الشحن الكهربائي لجسم ما والتفريغ الكهربائي ذي الصلة عندما يتم جمع كائنين معًا غير متوازنين، يؤدي التفريغ الكهروستاتيكي إلى حدوث تغيير في شحن كل من الكائنين.
– عندما يتم فرك قطعة من الزجاج وقطعة من الراتنج، لا يظهر أي منهما أي خواص كهربائية معًا وتترك مع الأسطح المفروشة على اتصال، فإنها لا تزال لا تظهر أي خصائص كهربائية، عند الانفصال، فإنها تجذب بعضها البعض.
– قطعة ثانية من الزجاج يفرك بقطعة ثانية من الراتنج، ثم يتم فصلها وتعليقها بالقرب من القطع السابقة من الزجاج والراتنج تسبب هذه الظواهر ، قطعتين من الزجاج صد بعضهما البعض ، و كل قطعة من الزجاج تجذب كل قطعة من الراتنج ، و قطعتين من الراتنج صد بعضها البعض.
– هذا الجاذبية والتنافر هو ظاهرة كهربائية ، ويقال إن الهيئات التي تظهر عليها مكهربة، أو مشحونة كهربائيا، يمكن كهربة الأجسام بطرق أخرى كثيرة، وكذلك عن طريق الاحتكاك، تشبه الخواص الكهربائية للقطعتين من الزجاج بعضها البعض ولكن عكس الخواص الخاصة بقطعتين من الراتنج: يجذب الزجاج ما يصده الراتنج ويصد ما يجذبه الراتنج.
– إذا تصرف جسم مكهرب بأي طريقة كانت كما يتصرف الزجاج، أي أنه إذا صد الزجاج وجذب الراتنج، يقال إن الجسم مكهرب، وإذا كان يجذب الزجاج ويصد الراتنج فإنه يقال أن كهربائيا الراتنج، جميع الهيئات المكهربة إما زجاجية أو راتنجية كهربة.
– تعرف الاتفاقية الراسخة في المجتمع العلمي كهربة الجسم الزجاجي بأنها كهربة إيجابية وراتنجية سلبية، إن الخصائص المعاكسة تمامًا لكلا النوعين من الكهرباء تبرر إشارتنا إليهما بعلامات معاكسة، لكن تطبيق العلامة الإيجابية على واحد بدلاً من النوع الآخر يجب اعتباره مسألة اصطلاحية تعسفية تمامًا كما هي مسألة اتفاقية في الرسم البياني الرياضي لحساب المسافات الإيجابية نحو اليد اليمنى.
– لا يمكن ملاحظة أي قوة، سواء من حيث الجاذبية أو الطرد، بين جسم مكهرب وجسم غير مكهرب.
خواص الشحنات الكهربائية
– الشحنة الكهربائية هي خاصية محفوظة؛ لا يمكن تغيير الشحنة الصافية للنظام المعزول، ومقدار الشحنة الموجبة ناقص مقدار الشحنة السلبية، يتم شحن الشحنة الكهربائية بواسطة جزيئات دون ذرية، في المادة العادية، إذا كان هناك إلكترونات أكثر من البروتونات الموجودة في مادة ما، فستكون لها شحنة سالبة، وإذا كان هناك عدد أقل، فسيكون لها شحنة موجبة، وإذا كان هناك أرقام متساوية فلن يكون لها أي شحنة.
– تحتوي الشحنة الكهربائية على حقل كهربائي، وإذا كانت الشحنة تتحرك فإنها تولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا، يُسمى الجمع بين المجال الكهربائي والمغناطيسي الحقل الكهرومغناطيسي، وتفاعله مع الشحنات هو مصدر القوة الكهرومغناطيسية، التي تعد واحدة من القوى الأساسية الأربعة في الفيزياء، تسمى دراسة التفاعلات الفوتونية بين الجزيئات المشحونة الديناميكا الكهربائية الكمية.
– وحدة SI المستمدة من الشحنة الكهربائية هي كولوم (C) نسبة إلى الفيزيائي الفرنسي شارل أوغستان دي كولوم، في الهندسة الكهربائية من الشائع أيضًا استخدام ساعة الأمبير (Ah)؛ في الفيزياء والكيمياء، فمن الشائع استخدام تهمة الابتدائية (ه كوحدة)، تستخدم الكيمياء أيضًا ثابت فاراداي باعتباره شحنة على جزيء من الإلكترونات، غالباً ما يشير الرمز Q إلى الشحن.
التحكم في الشحنات الكهربائية
– يمكن أن يساعد تعلم كيفية التحكم في حركة الإلكترونات على المقاييس الجزيئية ونانومتر العلماء على ابتكار دوائر صغيرة الحجم للعديد من التطبيقات، بما في ذلك طرق أكثر فعالية لتخزين واستخدام الطاقة الشمسية، يقدم مارشال نيوتن، الكيميائي النظري في مختبر بروكهافن، حديثًا يسلط الضوء على التقنيات النظرية المستخدمة لفهم العوامل التي تؤثر على حركة الإلكترون.
– يقول نيوتن: “يلعب نقل الإلكترون دورًا حيويًا في العديد من العمليات البيولوجية، بما في ذلك الاتصال بالخلايا العصبية وتحويل الطاقة من الطعام إلى أشكال مفيدة، إنها الخطوة الأولى في عملية التمثيل الضوئي، حيث يتم فصل الشحنات أولاً ويتم تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا، وهو أحد المفاهيم الكامنة وراء إنتاج الطاقة باستخدام الخلايا الشمسية”.
– وصف نيوتن كيف أدى الجمع بين النظرية الميكانيكية الكم الإلكترونية مع التقنيات الحسابية إلى طريقة موحدة مدمجة لفهم طبيعة نقل الشحنة في المجاميع الجزيئية المعقدة.
– ويوضح أن البحث أدى إلى فهم النقل الإلكتروني من حيث الإجابات الكمية على بعض الأسئلة الميكانيكية الأساسية: أي إلى أي مدى، وكم هي الكفاءة، وبأي طريق (أو “المسار الجزيئي”) الشحنة ينتقل من “مانح” إلى “متقبل” في التجمع الجزيئي.
– تأتي الإجابات من حسابات كمية جزيئية مفصلة لفجوات الطاقة التي تفصل بين الحالات الإلكترونية ذات الصلة، وقوة الاقتران بين الوحدات الجزيئية المجاورة على طول “الممرات”.
– وقال نيوتن: “قد ينتج عن هذا النهج الجديد طرق للتنبؤ بسلوك النقل الإلكتروني والتحكم فيه من خلال”ضبط” المكونات الجزيئية، مما ينتج عنه إمكانات يمكن استخدامها لتصميم خطط جديدة للطاقة الشمسية”.
دور المسؤول في الكهرباء الساكنة
– تشير الكهرباء الساكنة إلى الشحن الكهربائي لجسم ما والتفريغ الكهربائي ذي الصلة عندما يتم جمع كائنين معًا غير متوازنين، يؤدي التفريغ الكهروستاتيكي إلى حدوث تغيير في شحن كل من الكائنين.
– عندما يتم فرك قطعة من الزجاج وقطعة من الراتنج، لا يظهر أي منهما أي خواص كهربائية معًا وتترك مع الأسطح المفروشة على اتصال، فإنها لا تزال لا تظهر أي خصائص كهربائية، عند الانفصال، فإنها تجذب بعضها البعض.
– قطعة ثانية من الزجاج يفرك بقطعة ثانية من الراتنج، ثم يتم فصلها وتعليقها بالقرب من القطع السابقة من الزجاج والراتنج تسبب هذه الظواهر ، قطعتين من الزجاج صد بعضهما البعض ، و كل قطعة من الزجاج تجذب كل قطعة من الراتنج ، و قطعتين من الراتنج صد بعضها البعض.
– هذا الجاذبية والتنافر هو ظاهرة كهربائية ، ويقال إن الهيئات التي تظهر عليها مكهربة، أو مشحونة كهربائيا، يمكن كهربة الأجسام بطرق أخرى كثيرة، وكذلك عن طريق الاحتكاك، تشبه الخواص الكهربائية للقطعتين من الزجاج بعضها البعض ولكن عكس الخواص الخاصة بقطعتين من الراتنج: يجذب الزجاج ما يصده الراتنج ويصد ما يجذبه الراتنج.
– إذا تصرف جسم مكهرب بأي طريقة كانت كما يتصرف الزجاج، أي أنه إذا صد الزجاج وجذب الراتنج، يقال إن الجسم مكهرب، وإذا كان يجذب الزجاج ويصد الراتنج فإنه يقال أن كهربائيا الراتنج، جميع الهيئات المكهربة إما زجاجية أو راتنجية كهربة.
– تعرف الاتفاقية الراسخة في المجتمع العلمي كهربة الجسم الزجاجي بأنها كهربة إيجابية وراتنجية سلبية، إن الخصائص المعاكسة تمامًا لكلا النوعين من الكهرباء تبرر إشارتنا إليهما بعلامات معاكسة، لكن تطبيق العلامة الإيجابية على واحد بدلاً من النوع الآخر يجب اعتباره مسألة اصطلاحية تعسفية تمامًا كما هي مسألة اتفاقية في الرسم البياني الرياضي لحساب المسافات الإيجابية نحو اليد اليمنى.
– لا يمكن ملاحظة أي قوة، سواء من حيث الجاذبية أو الطرد، بين جسم مكهرب وجسم غير مكهرب.
