« الفيزياء - الصف العاشر"
أولاً، دعونا نفكر في أبسط حالة، عندما تكون الأجسام المشحونة كهربائيًا في حالة سكون.
يسمى فرع الديناميكا الكهربائية المخصص لدراسة ظروف توازن الأجسام المشحونة كهربائيا الكهرباء الساكنة.
ما هي الشحنة الكهربائية؟
ما هي الرسوم هناك؟
بالكلمات الكهرباء، الشحنة الكهربائية، التيار الكهربائيلقد التقيت عدة مرات وتمكنت من التعود عليها. لكن حاول الإجابة على السؤال: "ما هي الشحنة الكهربائية؟" المفهوم نفسه تكلفة- هذا مفهوم أساسي أساسي لا يمكن اختزاله في المستوى الحالي لتطور معرفتنا إلى أي مفاهيم أولية أبسط.
دعونا نحاول أولًا معرفة المقصود بالعبارة: "هذا الجسم أو الجسيم له شحنة كهربائية".
جميع الأجسام مبنية من أصغر الجزيئات التي لا يمكن تجزئتها إلى جزيئات أبسط ولذلك تسمى ابتدائي.
الجسيمات الأولية لها كتلة، ونتيجة لذلك تنجذب إلى بعضها البعض وفقًا لقانون الجذب العام. كلما زادت المسافة بين الجزيئات، تقل قوة الجاذبية بشكل عكسي مع مربع هذه المسافة. كما أن معظم الجسيمات الأولية، وإن لم تكن كلها، لديها القدرة على التفاعل مع بعضها البعض بقوة تتناقص أيضًا عكسيًا مع مربع المسافة، لكن هذه القوة أكبر بعدة مرات من قوة الجاذبية.
لذلك في ذرة الهيدروجين، الموضحة تخطيطيًا في الشكل 14.1، ينجذب الإلكترون إلى النواة (البروتون) بقوة أكبر بمقدار 10 39 مرة من قوة الجذب الثقالي.
إذا تفاعلت الجسيمات مع بعضها البعض بقوى تتناقص مع زيادة المسافة بنفس طريقة قوى الجاذبية العالمية، ولكنها تتجاوز قوى الجاذبية عدة مرات، فيقال إن هذه الجسيمات لها شحنة كهربائية. تسمى الجسيمات نفسها مشحونة.
هناك جسيمات بدون شحنة كهربائية، لكن لا توجد شحنة كهربائية بدون جسيم.
يسمى تفاعل الجزيئات المشحونة الكهرومغناطيسي.
تحدد الشحنة الكهربائية شدة التفاعلات الكهرومغناطيسية، تمامًا كما تحدد الكتلة شدة التفاعلات الجاذبية.
إن الشحنة الكهربائية للجسيم الأولي ليست آلية خاصة في الجسيم يمكن إزالتها منه وتحللها إلى الأجزاء المكونة له وإعادة تجميعها. فوجود شحنة كهربائية على الإلكترون والجسيمات الأخرى لا يعني إلا وجود تفاعلات قوى معينة بينها.
نحن، في جوهر الأمر، لا نعرف شيئًا عن الشحنة إذا كنا لا نعرف قوانين هذه التفاعلات. ينبغي تضمين معرفة قوانين التفاعلات في أفكارنا حول الشحنة. هذه القوانين ليست بسيطة، ومن المستحيل تلخيصها في بضع كلمات. ولذلك، فإنه من المستحيل إعطاء تعريف مختصر ومرضي بما فيه الكفاية لهذا المفهوم شحنة كهربائية.
علامتان للشحنات الكهربائية.
جميع الأجسام لها كتلة وبالتالي تجذب بعضها البعض. يمكن للأجسام المشحونة أن تجتذب وتتنافر مع بعضها البعض. هذه الحقيقة الأكثر أهمية، والمألوفة لك، تعني أنه يوجد في الطبيعة جسيمات ذات شحنات كهربائية ذات إشارات متعاكسة؛ في حالة الشحنات التي لها نفس الإشارة، تتنافر الجسيمات، وفي حالة وجود علامات مختلفة، تتجاذب.
شحنة الجسيمات الأولية - البروتونات، والتي هي جزء من جميع النوى الذرية، تسمى إيجابية، والشحنة الإلكترونات- سلبي. لا توجد فروق داخلية بين الشحنات الإيجابية والسلبية. ولو انعكست إشارات شحنات الجسيمات، فلن تتغير طبيعة التفاعلات الكهرومغناطيسية على الإطلاق.
تهمة الابتدائية.
بالإضافة إلى الإلكترونات والبروتونات، هناك عدة أنواع أخرى من الجسيمات الأولية المشحونة. لكن الإلكترونات والبروتونات فقط هي التي يمكن أن توجد في حالة حرة إلى أجل غير مسمى. وتعيش بقية الجسيمات المشحونة أقل من جزء من المليون من الثانية. لقد ولدوا أثناء اصطدام الجزيئات الأولية السريعة، وبعد أن كانت موجودة لفترة قصيرة جدًا، تتحلل وتتحول إلى جزيئات أخرى. سوف تتعرف على هذه الجسيمات في الصف الحادي عشر.
تشمل الجسيمات التي لا تحتوي على شحنة كهربائية نيوترون. وكتلته أكبر بقليل من كتلة البروتون. تشكل النيوترونات، مع البروتونات، جزءًا من النواة الذرية. إذا كان للجسيم الأولي شحنة، فإن قيمته محددة بدقة.
أجسام مشحونةتلعب القوى الكهرومغناطيسية في الطبيعة دورًا كبيرًا نظرًا لأن جميع الأجسام تحتوي على جزيئات مشحونة كهربائيًا. الأجزاء المكونة للذرات - النوى والإلكترونات - لها شحنة كهربائية.
لم يتم اكتشاف التأثير المباشر للقوى الكهرومغناطيسية بين الأجسام، لأن الأجسام في حالتها الطبيعية تكون محايدة كهربائيًا.
تعتبر ذرة أي مادة متعادلة لأن عدد الإلكترونات فيها يساوي عدد البروتونات الموجودة في النواة. ترتبط الجسيمات المشحونة إيجابيا وسلبيا ببعضها البعض عن طريق القوى الكهربائية وتشكل أنظمة محايدة.
يكون الجسم العياني مشحونًا كهربائيًا إذا كان يحتوي على كمية زائدة من الجسيمات الأولية مع أي علامة شحن واحدة. وبالتالي فإن الشحنة السالبة للجسم ترجع إلى زيادة عدد الإلكترونات مقارنة بعدد البروتونات، والشحنة الموجبة ترجع إلى نقص الإلكترونات.
من أجل الحصول على جسم مجهري مشحون كهربائياً، أي كهربته، من الضروري فصل جزء من الشحنة السالبة عن الشحنة الموجبة المرتبطة به أو نقل شحنة سالبة إلى جسم محايد.
ويمكن القيام بذلك باستخدام الاحتكاك. إذا قمت بتشغيل مشط من خلال الشعر الجاف، فإن جزءا صغيرا من الجزيئات المشحونة الأكثر متنقلة - الإلكترونات - سوف ينتقل من الشعر إلى المشط ويشحنه سلبا، وسوف يشحن الشعر بشكل إيجابي.
المساواة في الرسوم أثناء الكهرباء
بمساعدة التجربة، يمكن إثبات أنه عند كهربة الاحتكاك، يكتسب كلا الجسمين شحنات ذات إشارة متعاكسة، ولكنها متساوية في الحجم.
لنأخذ مقياسًا كهربائيًا، يوجد على قضيبه كرة معدنية بها ثقب، ولوحتين على مقابض طويلة: واحدة مصنوعة من المطاط الصلب والأخرى مصنوعة من زجاج شبكي. عندما تحتك الصفائح ببعضها البعض، تصبح مكهربة.
لنقوم بإحضار أحد الألواح داخل الكرة دون لمس جدرانها. إذا كانت اللوحة مشحونة بشكل إيجابي، فسوف تنجذب بعض الإلكترونات من الإبرة وقضيب مقياس الكهربية إلى اللوحة وتتجمع على السطح الداخلي للكرة. في الوقت نفسه، سيتم شحن السهم بشكل إيجابي وسيتم دفعه بعيدًا عن قضيب مقياس الكهربية (الشكل 14.2، أ).
إذا قمت بإحضار لوحة أخرى داخل المجال، فقم بإزالة الأول أولا، فسيتم طرد إلكترونات المجال والقضيب من اللوحة وسوف تتراكم بشكل زائد على السهم. سيؤدي ذلك إلى انحراف السهم عن القضيب وبنفس الزاوية التي في التجربة الأولى.
بعد أن قمنا بإنزال كلتا اللوحتين داخل الكرة، لن نكتشف أي انحراف للسهم على الإطلاق (الشكل 14.2، ب). وهذا يثبت أن شحنات اللوحين متساوية في المقدار ومتعاكسة في الإشارة.
كهربة الأجسام ومظاهرها.تحدث كهربة كبيرة أثناء احتكاك الأقمشة الاصطناعية. عند خلع قميص مصنوع من مادة صناعية في الهواء الجاف، يمكنك سماع صوت طقطقة مميز. تقفز شرارات صغيرة بين المناطق المشحونة من أسطح الاحتكاك.
في دور الطباعة، يتم كهربة الورق أثناء الطباعة وتلتصق الأوراق ببعضها البعض. ولمنع حدوث ذلك، يتم استخدام أجهزة خاصة لتصريف الشحنة. ومع ذلك، يتم استخدام كهربة الأجسام على اتصال وثيق في بعض الأحيان، على سبيل المثال، في مختلف منشآت النسخ الكهربائي، وما إلى ذلك.
قانون حفظ الشحنة الكهربائية.
تثبت تجربة كهربة اللوحات أنه أثناء كهربة الاحتكاك، تحدث إعادة توزيع الشحنات الموجودة بين الأجسام التي كانت محايدة سابقًا. ينتقل جزء صغير من الإلكترونات من جسم إلى آخر. وفي هذه الحالة، لا تظهر جسيمات جديدة، ولا تختفي الجسيمات الموجودة مسبقًا.
عندما تصبح الأجسام مكهربة، قانون حفظ الشحنة الكهربائية. هذا القانون صالح لنظام لا تدخل إليه الجسيمات المشحونة من الخارج ولا تخرج منه، أي نظام معزول.
في النظام المعزول، يتم الحفاظ على المجموع الجبري لشحنات جميع الأجسام.
ف 1 + ف 2 + ف 3 + ... + ف ن = ثابت. (14.1)
حيث q 1 و q 2 وما إلى ذلك هي شحنات الأجسام المشحونة الفردية.
قانون حفظ الشحنة له معنى عميق. إذا لم يتغير عدد الجسيمات الأولية المشحونة، فإن تحقيق قانون الحفاظ على الشحنة يكون واضحًا. لكن الجسيمات الأولية يمكن أن تتحول إلى بعضها البعض، وتولد وتختفي، مما يعطي الحياة لجسيمات جديدة.
ومع ذلك، في جميع الحالات، تولد الجسيمات المشحونة فقط في أزواج بشحنات من نفس الحجم ومعاكسة في الإشارة؛ تختفي الجزيئات المشحونة أيضًا في أزواج فقط، وتتحول إلى جزيئات محايدة. وفي جميع هذه الحالات، يظل المجموع الجبري للشحنات كما هو.
يتم تأكيد صحة قانون حفظ الشحنة من خلال ملاحظات عدد كبير من تحولات الجسيمات الأولية. يعبر هذا القانون عن إحدى الخصائص الأساسية للشحنة الكهربائية. ولا يزال سبب احتجاز الرسوم غير معروف.
لقد صادفتك كلمات "كهرباء"، "شحنة كهربائية"، "تيار كهربائي" عدة مرات وتمكنت من التعود عليها. لكن حاول الإجابة على السؤال: "ما هي الشحنة الكهربائية؟" - وسترى أن الأمر ليس بهذه البساطة. والحقيقة هي أن مفهوم الشحنة هو مفهوم أساسي أساسي لا يمكن اختزاله في المستوى الحالي لتطور معرفتنا إلى أي مفاهيم أولية أبسط
دعونا نحاول أولًا معرفة المقصود بالعبارة: جسم أو جسيم معين له شحنة كهربائية.
أنت تعلم أن جميع الأجسام مبنية من جزيئات صغيرة، غير قابلة للتجزئة إلى جزيئات أبسط (بقدر ما يعرفه العلم الآن)، والتي تسمى بالتالي أولية. جميع الجسيمات الأولية لها كتلة، ونتيجة لذلك، تنجذب إلى بعضها البعض وفقًا لقانون الجذب العام بقوة تتناقص ببطء نسبيًا مع زيادة المسافة بينها، بما يتناسب عكسيًا مع مربع المسافة. كما أن معظم الجسيمات الأولية، وإن لم تكن كلها، لديها القدرة على التفاعل مع بعضها البعض بقوة تتناقص أيضًا عكسيًا مع مربع المسافة، لكن هذه القوة أكبر بعدد هائل من المرات من قوة الجاذبية. لذا. في ذرة الهيدروجين، كما هو موضح تخطيطيًا في الشكل 91، ينجذب الإلكترون إلى النواة (البروتون) بقوة أكبر بـ 101" مرة من قوة الجذب الثقالي.
إذا تفاعلت الجسيمات مع بعضها البعض بقوى تتناقص ببطء مع زيادة المسافة وتكون أكبر بعدة مرات من قوى الجاذبية، فيقال إن هذه الجسيمات لها شحنة كهربائية. تسمى الجسيمات نفسها مشحونة. هناك جسيمات بدون شحنة كهربائية، لكن لا توجد شحنة كهربائية بدون جسيم.
التفاعلات بين الجسيمات المشحونة تسمى الكهرومغناطيسية. الشحنة الكهربائية هي كمية فيزيائية تحدد شدة التفاعلات الكهرومغناطيسية، مثلما تحدد الكتلة شدة التفاعلات الجاذبية.
إن الشحنة الكهربائية لجسيم أولي ليست "آلية" خاصة في الجسيم يمكن إزالتها منه وتحللها إلى الأجزاء المكونة له وإعادة تجميعها. فوجود شحنة كهربائية على الإلكترون والجسيمات الأخرى لا يعني إلا وجودها
تفاعلات قوى معينة بينهما. لكننا في الأساس لا نعرف شيئًا عن الشحنة إذا كنا لا نعرف قوانين هذه التفاعلات. ينبغي تضمين معرفة قوانين التفاعلات في أفكارنا حول الشحنة. هذه القوانين ليست بسيطة ومن المستحيل ذكرها في بضع كلمات. ولهذا السبب فإنه من المستحيل إعطاء تعريف مختصر ومرضي بما فيه الكفاية لماهية الشحنة الكهربائية.
علامتان للشحنات الكهربائية.جميع الأجسام لها كتلة وبالتالي تجذب بعضها البعض. يمكن للأجسام المشحونة أن تجتذب وتتنافر مع بعضها البعض. هذه الحقيقة الأكثر أهمية، المألوفة لك من دورة الفيزياء للصف السابع، تعني أنه في الطبيعة توجد جزيئات ذات شحنات كهربائية ذات علامات معاكسة. إذا كانت إشارات الشحنة واحدة، تتنافر الجزيئات، وإذا كانت ذات إشارات مختلفة، تتجاذب.
تسمى شحنة الجسيمات الأولية - البروتونات، التي تشكل جزءًا من جميع النوى الذرية، إيجابية، وشحنة الإلكترونات - سلبية. لا توجد فروق داخلية بين الشحنات الإيجابية والسلبية. ولو انعكست إشارات شحنات الجسيمات، فلن تتغير طبيعة التفاعلات الكهرومغناطيسية على الإطلاق.
تهمة الابتدائية.بالإضافة إلى الإلكترونات والبروتونات، هناك عدة أنواع أخرى من الجسيمات الأولية المشحونة. لكن الإلكترونات والبروتونات فقط هي التي يمكن أن توجد في حالة حرة إلى أجل غير مسمى. وتعيش بقية الجسيمات المشحونة أقل من جزء من المليون من الثانية. لقد ولدوا أثناء اصطدام الجزيئات الأولية السريعة، وبعد أن كانت موجودة لفترة قصيرة جدًا، تتحلل وتتحول إلى جزيئات أخرى. سوف تتعرف على هذه الجسيمات في الصف X.
النيوترونات هي جسيمات ليس لها شحنة كهربائية. وكتلته أكبر بقليل من كتلة البروتون. تشكل النيوترونات، مع البروتونات، جزءًا من النواة الذرية.
إذا كان للجسيم الأولي شحنة، فإن قيمته، كما أظهرت العديد من التجارب، محددة بدقة (تم وصف إحدى هذه التجارب - تجربة ميليكان وإيوفي - في كتاب مدرسي للصف السابع)
هناك حد أدنى من الشحنة، يُسمى بالشحنة الأولية، تمتلكه جميع الجسيمات الأولية المشحونة. تختلف شحنات الجسيمات الأولية فقط في العلامات. من المستحيل فصل جزء من الشحنة، على سبيل المثال، عن الإلكترون.
الشحنة الكهربائية هي خاصية للجسيمات والأجسام المادية التي تميز تفاعلها مع المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية والجوهرية. الإلكترونات هي أبسط الجسيمات المشحونة. كما هو معروف من فيزياء المدرسة الابتدائية، فإن أي جسم مادي يتكون من جزيئات، وهذه بدورها من ذرات. تتكون أي ذرة من نواة موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة تدور حول النواة في مدارات تشبه دوران الكواكب حول الشمس.
تنجذب الأجسام المشحونة إلى جزيئات أو أشياء مشحونة أخرى. من نفس مدرسة الفيزياء نتذكر أبسط التجارب العملية بالشحنات الكهربائية. على سبيل المثال، إذا أخذت بالونًا وفركته بسرعة على سترة، ثم وضعت الجانب البالي على الحائط، فسوف يلتصق البالون به. حدث ذلك لأننا قمنا بشحن البالون، فظهرت قوة جذب كهربائية بينه وبين الجدار. (على الرغم من أن الجدار لم يكن مشحونًا في البداية، إلا أنه تم تحفيز شحنة عندما اقترب البالون منه).
الأجسام والجسيمات المشحونة كهربائيًا تأتي في نوعين: سالبة وإيجابية. الشحنات المتشابهة تتجاذب، والشحنات المتشابهة تتنافر. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك المغناطيسات العادية، التي تنجذب لبعضها البعض بواسطة أقطاب متقابلة وتتنافر مع الأقطاب المتشابهة. وكما قلنا سابقًا، فإن الإلكترونات لها شحنة سالبة، والنواة الذرية لها شحنة موجبة (تحتوي النواة على بروتونات موجبة الشحنة، وكذلك نيوترونات ليس لها شحنة كهربائية). في الفيزياء النووية، يتم أخذ الجسيمات في الاعتبار أيضًا - البوزيترونات، التي تشبه في خصائصها الإلكترونات، ولكن لها شحنة موجبة. على الرغم من أن البوزيترون هو مجرد تجريد فيزيائي ورياضي، إلا أنه لم يتم العثور على البوزيترونات في الطبيعة.
إذا لم يكن لدينا بوزيترونات، فكيف يمكننا شحن جسم ما بشكل إيجابي؟ لنفترض أن هناك جسمًا مشحونًا بشحنة سالبة نظرًا لوجود 2000 إلكترون حر (أي غير مرتبط بنواة ذرات معينة) على سطحه.
وبالنظر إلى جسم آخر مشابه يحتوي على 1000 إلكترون حر فقط على سطحه، يمكننا القول إن الجسم الأول يحمل شحنة سالبة أكثر من الجسم الثاني. لكن يمكننا أيضًا القول إن الجسم الثاني مشحون بشحنة موجبة أكبر من الأول. إنها ببساطة مسألة ما هو مقبول رياضيا كأصل ومن أي وجهة نظر ينظر المرء إلى الشحنات.
لشحن بالوننا، نحتاج إلى القيام ببعض الأعمال واستهلاك الطاقة. أنت بحاجة للتغلب على احتكاك البالون بالبلوزة الصوفية. أثناء الاحتكاك، تنتقل الإلكترونات من سطح إلى آخر. ونتيجة لذلك، اكتسب جسم واحد (البالون) فائضًا من الإلكترونات الحرة وأصبح مشحونًا بشحنة سالبة، في حين فقد الطائر الصوفي نفس العدد من الإلكترونات الحرة وأصبح مشحونًا بشحنة موجبة.
التيار الكهربائي. القوة الدافعة الكهربائية. عمل التيار الكهربائي
ولذلك، يجب أن يلتصق البالون بالعبور. أم لا؟ بالطبع، سوف ينجذب إلى القافز، لأن هاتين الجثتين لهما شحنات كهربائية ذات إشارات متعاكسة. ولكن ماذا يحدث عندما يلمسون؟ البالون لن يلتصق! ويحدث ذلك لأن ألياف القافز ذات الشحنة الموجبة ستلامس المناطق سالبة الشحنة في البالون، وسوف تنجذب الإلكترونات الحرة من سطح البالون إلى القافز وتعود إليه، وبالتالي تحييد الشحنة.
عندما تلامس الكرة لاعب القفز، يظهر بينهما تدفق من الإلكترونات الحرة، والذي يصاحب دائمًا الظواهر الكهربائية. من الآن فصاعدا، يمكنك التوقف عن المحادثات المجردة حول الكرات والقافزات، والانتقال مباشرة إلى الهندسة الكهربائية.
الإلكترون هو جسيم صغير جدًا (سواء كان جسيمًا على الإطلاق، أو مجموعة من الطاقة - لم يتوصل الفيزيائيون بعد إلى إجماع حول هذه المسألة) وله شحنة صغيرة، لذا فإن وحدة قياس الكهرباء أكثر ملاءمة فالشحنة المطلوبة أكبر من عدد الإلكترونات الحرة الموجودة على سطح الجسم المشحون. وحدة قياس الشحنة الكهربائية هذه هي الكولوم (C). والآن يمكننا القول أنه إذا كان الفرق في الشحنات الكهربائية بين جسمين هو 1 كولوم، فإنه سيتم نقل ما يقرب من 6,180,000,000,000,000,000 إلكترون أثناء تفاعلهما. بالطبع، القياس في المعلقات أكثر ملاءمة بكثير!
مورجان جونز
مكبرات الصوت الأنبوبية
الترجمة من اللغة الإنجليزية تحت التحرير العلمي العام للدكتوراه. مساعد. إيفانيوشكينا آر يو.