الفيزياء التجريبية - الذرة والشحنات

الكهرباء

• يمكننا استبدال كلمتي "مملوء" و"فارغ" بالمشحون وغير المشحون فيما يتعلق بالشحنات الكهربائية.
• الذرة هي أصغر الجزئ وهي في غاية الصغر وتتكون من ثلاثة أجزاء: البروتونات التي هي أجزاء ذات شحنة موجبة، النيوترونات التي هي أجزاء من الذرة التي لا تمتلك شحنة، والالكترونات وهي أجزاء صغيرة جداً ووزنها أقل بكثير من البروتونات والنيوترونات.

أنواع الكهرباء

• الكهرباء نوعان هما: الساكنة وهي التي تنشأ من تجميع أو غياب الالكترونات على أي سطح، والمتحركة وهي ما نسميها بالتيار الكهربائي وفيها تتدفق الشحنات.
• التيار الكهربائي ينقسم إلى نوعين هما: الثابت أو المستمر (DC) والمتردد (AC).

مفهوم الشحنة

• الشحنة هي صورة من صور الطاقة تعرف بأنها الخاصية التي يمتلكها جسم ما للتأثير على غيره من الأجسام التي تحمل نفس الخاصية (المشحونة) وينتج عن ذلك قوة كهربائية تعمل على تحريك الجسم الآخر قرباً أو بعداً.
• الشحنة هي الخاصة التي تناظر الكتلة في قانون الجذب العام.

صور الشحنات

• يمكن أن تنتقل الشحنات بواسطة الإلكترونات أو البروتونات أو الفجوات الموجبة الناشئة من غياب الإلكترونات في النسق البلوري لمادة، وأيضاً بواسطة الأيونات بنوعيها الموجبة والسالبة.
• الأيونات الموجبة هي الذرة عندما تفقد شحنة سالبة أو أكثر، أما الأيونات السالبة فهي الذرات المتعادلة عندما تكتسب إليكترونًا أو أكثر.

مفهوم الجسم المتعادل

• الجسم المتعادل هو ذلك الجسم الذي لا يحتوي شحنات على الإطلاق، أو أن عدد الشحنات الموجبة يساوي عدد الشحنات السالبة فيه.
• المادة المحايدة المتعادلة تحتوي على العديد من الشحنات الموجبة (البروتونات داخل نوى الذرة) مساوية للشحنات السالبة (الإلكترونات).

خصائص الشحنات

• الشحنات تتميز بثلاث خصائص هي:
  • الشحنات المتشابهة تتنافر والشحنات غير المتشابهة تتجاذب.
  • الشحنات تخضع لقانون بقاء الطاقة؛ فقد نشأ من المالحظات التجريبية هو أن الشحنة الكهربائية محفوظة دائماً ما دامت في نظام معزول.
  • الشحنات يمكن أن تنتقل من مادة إلى أخرى.

تصنيف المواد من ناحية التوصيل الكهربي

• المواد تصنف إلى ثلاثة مجموعات حسب قدرة المادة على التوصيل الكهربي هي:
  • الموصالت الكهربائية هي مواد تكون فيها بعض الإلكترونات حرة أي غير مرتبطة بالذرات ويمكن أن تتحرك بحرية نسبياً عبر المادة.
  • العوازل الكهربائية هي مواد ترتبط فيها جميع الإلكترونات بالذرات ولا يمكنها التحرك بحرية عبر المادة.
  • أشباه الموصالت هي فئة ثالثة من المواد وخصائصها الكهربائية تقع بين العوازل والموصالت.

طرق شحن جسم متعادل

• يتم شحن جسم متعادل بواسطة ثلاث طرق هي:
  • التوصيل
  • الدلك
  • الحث (التأثير)

قانون كولوم

• قانون كولوم ينص على أن القوى المتبادلة بين أي شحنتين كهربائيتين نقطيتين تتناسب تناسباً طردياً مع مقدار كل منهما، وعكسياً مع مربع المسافة بينهما.
• الشحنة q: الثابت الكهربي أو ثابت كولوم k
• المسافة الفاصلة بين مركزي الشحنتين r: F = k * (q1 * q2) / r^2

إيجاد القوة المحصلة

• القوة المتجهة الناتجة من قانون كولوم هي: F = F1 + F2 + F3
• قاعدة التراكب هي: F1 + F2 + F3 = F

المجال الكهربي

• المجال الكهربي هو قوة كهربائية تقع على أي نقطة في الفضاء surroundiing charges
• الشحنة qplaced في نقطة معينة في الفضاء experiences a force, F=qE
• المجال الكهربي هو نتيجة لتأثير الشحنات المحيطة على أي نقطة في الفضاء
• وحدات تقدير المجال هي نيوتن لكل كولوم: E = F/q

إيجاد المجال الكهربي

• المجال الكهربي يمكن إيجاد من قاعدة التراكب: E = E1 + E2 + E3
• الوحدة التي يقاس بها المجال تعطي من: E = F/q
• المجال الكهربي يمكن أن يتم التعبير عنه بدلالة الثابت الكهربي k: E = k * (q1 + q2 + ...) / r^2