الكهرباء :
الكهرباء هي جريان الشحنات السالبةالتي تسمى بالإلكترونات. تقاس هذه الشحنات الكهربائية بوحدات تسمى بالكولوم. إنالكهرباء هي صورة من الطاقة ذات الأشكال المتعددة جدا. لأن هناك نوعين من الكهرباء: التيار المستمر (Dc ) و الذي يجري باتجاه واحد فقط و التيار المتناوب و الذي يتغيراتجاهه 60 مرة كل ثانية. الشحنة الكهربائية: هنالك نوعان من الشحنةالكهربائية: الشحنة السالبة و الشحنة الموجبة. و في الأجسام غير المشحونة تكون كميةالشحنات الموجبة و السالبة متعادلة. يصبح الجسم مشحونا عندما تكون هناك زيادةأما في الشحنات الموجبة أو في الشحنات السالبة. و هذه الزيادة ناتجة عن فقدان أواكتساب الإلكترونات. الموصلات و العوازل: الموصل هو أي مادة تسمح بجريانالشحنات خلالها بسهولة و المعادن خاصة الذهب أو الفضة هي من الموصلات و ذلك لأنذراتها تحتوي على إلكترونات حرة الحركة و التي تقوم بنقل الطاقة بسهولة بين هذهالذرات. المادة العازلة هي المادة التي لا تسمح بجريان الشحنات خلالها بسهولة. إنالبلاستيك و المطاط هما من المواد العازلة الجيدة و ذلك بسبب أن الإلكترونات التيفي ذراتها مقيدة و هذا يعني أنه لا يمكن نقل الطاقة بسهولة بينالذرات.
الكهرباءالساكنة:
الكهرباء الساكنة هي عكس الكهرباءالمتدفقة. فهي تحدث عندما تفقد أو تكتسب مادة كهربائية متعادلة الشحنات ، إلكترونات ( جزيئات سالبة الشحنة ) و تتحول الى مادة ذات شحنات موجبة أو سالبة. يمكنك أن تولدكهرباء ساكنة و ذلك بحك كيس مطاطي بملابسك. ففي هذه الحالة تنتقل الإلكترونات منالملبس الى الكيس المطاطي شاحنة إياه بالشحنات السالبة و الملبس بالشحنات الموجبة. أن الكهرباء الساكنة الناتجة قادرة على جذب أجسام صغيرة خفيفة الوزن كقطعةالورق. البرق: تؤدي التيارات الهوائية التي تكون على صورة عواصف سحابية الىتصادم ذرات الماء و الجليد. تنشأ جراء ذلك شحنات موجبة في قمة السحابة و شحناتسالبة في باطنها. و في الوقت ذاته تؤدي جاذبية القوى المضادة للشحنات الى مرورهاعبر الغيمة و باتجاه بعضها حتى تتعادل الشحنات السالبة في بعض الأحيان داخل الغيمةبواسطة قفزها نحو الأرض مما يؤدي الى حدوث برق متشعب. توليد الكهرباء: أغلبأنواع الطاقة يمكن تحويلها الى كهرباء وأن أغلب طاقة الكهرباء المنتج يتم خلالالبطاريات و المولدات. أن الكهرباء المنتج في البطاريات يتولد بتحويل الطاقةالكيمياوية الى طاقة كهربائية. و أغلب المولدات تعتمد على مبدأ تحويل الطاقةالحرارية ( الناتجة من احتراق الوقود ) الى طاقة كهربائية. بعض المولدات الكهربائيةتستفيد من طاقة المصادر الطبيعية مثل أشعة الشمس و الرياح و تحولها الى طاقةكهربائية.
مصادر توليدالكهرباء:
1- المولداتالكهربائية:
يمكن توليد التيار الكهربائي بواسطة قطعخطوط القوى الموجودة حول المغناطيس. هذه الخطوط يجب أن تقطع بواسطة سلك ملفوف تتحركعلى أثره الإلكترونات و تكون نتيجة الحركة تيارا كهربائيا خلال هذا السلك. و يمكنزيادة التيار بزيادة قطع الخطوط و بشكل أكبر أو بزيادة عدد اللفات أو بزيادة أوبزيادة الحث المغناطيسي. أن محطات الطاقة في العالم التي تولد بمقدار كبير إنماتعتمد في عملها على هذه الطريقة. 2- البطاريات:
يمكن اعتبار البطاريات كمخازن مليئة بالطاقة و تحتوي البطاريةعادة على أقطاب سالبة و موجبة و على سائل حمضي أو عجينه جافة تدعى بالمحلولالألكتروليتي. تذوب هذه الأقطاب في المحلول فتنتج عنها الأيونات مما يسبب إيجاد عددكبير من الشحنات عند القطبين الموجب و السالب و ينتج عن هذه الشحنات تيار كهربائيعندما يتم وصلها بدائرة. نماذجالبطاريات:
تحتوي بطاريات الخلية الجافة على عجينهالكتروليتية ( قابلة للتحلل ) مصنوعة من كلوريد الألمنيوم. و الأقطاب مصنوعة منالخارصين ( الزنك ) السالب و من الكربون الموجب. و يشكل قطب الخارصين قاعدةالبطارية. البطاريات القلوية:
يحتوي هذا النوع من البطاريات على أقطاب من الخارصين و الكربون و كذلكيحتوي على عجينه قابله للتحلل مصنوعة من هيدروكسيد البوتاسيوم. بطاريات السيارة:
تحتوي بطاريات السياراتالحديثة على خلايا ثانوية قابلة للشحن. و المحلول في هذه البطارية هو حمض الكبريتيكأما الأقطاب فهي مصنوعة من الرصاص. وأن بإعادة شحن بطارية الرصاص الحمضية تتحولالطاقة الكهربائية الى طاقة كيمياوية. بطاريات الكاديميوم و النيكل: هذهالبطاريات قابلة للشحن أيضا غير أن وزنها أقل من وزن بطاريات الرصاص الحمضية. وتحتوي على أقطاب مصنوعة من الخارصين و يستعمل فيها محلول هيدروكسيد البوتاسيومكألكتروليت
الكهرباء هي جريان الشحنات السالبةالتي تسمى بالإلكترونات. تقاس هذه الشحنات الكهربائية بوحدات تسمى بالكولوم. إنالكهرباء هي صورة من الطاقة ذات الأشكال المتعددة جدا. لأن هناك نوعين من الكهرباء: التيار المستمر (Dc ) و الذي يجري باتجاه واحد فقط و التيار المتناوب و الذي يتغيراتجاهه 60 مرة كل ثانية. الشحنة الكهربائية: هنالك نوعان من الشحنةالكهربائية: الشحنة السالبة و الشحنة الموجبة. و في الأجسام غير المشحونة تكون كميةالشحنات الموجبة و السالبة متعادلة. يصبح الجسم مشحونا عندما تكون هناك زيادةأما في الشحنات الموجبة أو في الشحنات السالبة. و هذه الزيادة ناتجة عن فقدان أواكتساب الإلكترونات. الموصلات و العوازل: الموصل هو أي مادة تسمح بجريانالشحنات خلالها بسهولة و المعادن خاصة الذهب أو الفضة هي من الموصلات و ذلك لأنذراتها تحتوي على إلكترونات حرة الحركة و التي تقوم بنقل الطاقة بسهولة بين هذهالذرات. المادة العازلة هي المادة التي لا تسمح بجريان الشحنات خلالها بسهولة. إنالبلاستيك و المطاط هما من المواد العازلة الجيدة و ذلك بسبب أن الإلكترونات التيفي ذراتها مقيدة و هذا يعني أنه لا يمكن نقل الطاقة بسهولة بينالذرات.
الكهرباءالساكنة:
الكهرباء الساكنة هي عكس الكهرباءالمتدفقة. فهي تحدث عندما تفقد أو تكتسب مادة كهربائية متعادلة الشحنات ، إلكترونات ( جزيئات سالبة الشحنة ) و تتحول الى مادة ذات شحنات موجبة أو سالبة. يمكنك أن تولدكهرباء ساكنة و ذلك بحك كيس مطاطي بملابسك. ففي هذه الحالة تنتقل الإلكترونات منالملبس الى الكيس المطاطي شاحنة إياه بالشحنات السالبة و الملبس بالشحنات الموجبة. أن الكهرباء الساكنة الناتجة قادرة على جذب أجسام صغيرة خفيفة الوزن كقطعةالورق. البرق: تؤدي التيارات الهوائية التي تكون على صورة عواصف سحابية الىتصادم ذرات الماء و الجليد. تنشأ جراء ذلك شحنات موجبة في قمة السحابة و شحناتسالبة في باطنها. و في الوقت ذاته تؤدي جاذبية القوى المضادة للشحنات الى مرورهاعبر الغيمة و باتجاه بعضها حتى تتعادل الشحنات السالبة في بعض الأحيان داخل الغيمةبواسطة قفزها نحو الأرض مما يؤدي الى حدوث برق متشعب. توليد الكهرباء: أغلبأنواع الطاقة يمكن تحويلها الى كهرباء وأن أغلب طاقة الكهرباء المنتج يتم خلالالبطاريات و المولدات. أن الكهرباء المنتج في البطاريات يتولد بتحويل الطاقةالكيمياوية الى طاقة كهربائية. و أغلب المولدات تعتمد على مبدأ تحويل الطاقةالحرارية ( الناتجة من احتراق الوقود ) الى طاقة كهربائية. بعض المولدات الكهربائيةتستفيد من طاقة المصادر الطبيعية مثل أشعة الشمس و الرياح و تحولها الى طاقةكهربائية.
مصادر توليدالكهرباء:
1- المولداتالكهربائية:
يمكن توليد التيار الكهربائي بواسطة قطعخطوط القوى الموجودة حول المغناطيس. هذه الخطوط يجب أن تقطع بواسطة سلك ملفوف تتحركعلى أثره الإلكترونات و تكون نتيجة الحركة تيارا كهربائيا خلال هذا السلك. و يمكنزيادة التيار بزيادة قطع الخطوط و بشكل أكبر أو بزيادة عدد اللفات أو بزيادة أوبزيادة الحث المغناطيسي. أن محطات الطاقة في العالم التي تولد بمقدار كبير إنماتعتمد في عملها على هذه الطريقة. 2- البطاريات:
يمكن اعتبار البطاريات كمخازن مليئة بالطاقة و تحتوي البطاريةعادة على أقطاب سالبة و موجبة و على سائل حمضي أو عجينه جافة تدعى بالمحلولالألكتروليتي. تذوب هذه الأقطاب في المحلول فتنتج عنها الأيونات مما يسبب إيجاد عددكبير من الشحنات عند القطبين الموجب و السالب و ينتج عن هذه الشحنات تيار كهربائيعندما يتم وصلها بدائرة. نماذجالبطاريات:
تحتوي بطاريات الخلية الجافة على عجينهالكتروليتية ( قابلة للتحلل ) مصنوعة من كلوريد الألمنيوم. و الأقطاب مصنوعة منالخارصين ( الزنك ) السالب و من الكربون الموجب. و يشكل قطب الخارصين قاعدةالبطارية. البطاريات القلوية:
يحتوي هذا النوع من البطاريات على أقطاب من الخارصين و الكربون و كذلكيحتوي على عجينه قابله للتحلل مصنوعة من هيدروكسيد البوتاسيوم. بطاريات السيارة:
تحتوي بطاريات السياراتالحديثة على خلايا ثانوية قابلة للشحن. و المحلول في هذه البطارية هو حمض الكبريتيكأما الأقطاب فهي مصنوعة من الرصاص. وأن بإعادة شحن بطارية الرصاص الحمضية تتحولالطاقة الكهربائية الى طاقة كيمياوية. بطاريات الكاديميوم و النيكل: هذهالبطاريات قابلة للشحن أيضا غير أن وزنها أقل من وزن بطاريات الرصاص الحمضية. وتحتوي على أقطاب مصنوعة من الخارصين و يستعمل فيها محلول هيدروكسيد البوتاسيومكألكتروليت
ثقافة عامة في الفيزياء
الكــــهرباء
الكهرباء قوة غيرمرئية، يمكنها إنتاج حرارة، وضوء، وحركة، تجاذب أو تنافر، إضافة إلى العديد منالتأثيرات الطبيعية الأخرى، ويمكنتفسير معظم الظواهرالمرتبطة بالكهرباء، باستخدام مدلولات الشحنة الكهربية، والتيار والجهد، والوحداتالكهربية المرتبطة بها، وهي على الترتيب الكولوم، والأمبير، والفولت.
القطبيةالموجبة والقطبية السالبة
تشاهد التأثيرات الكهربية في كل من البرق، والبطارية،واللاسلكي، والتليفزيون، وفي العديد من التطبيقات الأخرى، والقاسم المشترك بين هذهالتطبيقات، وأي تطبيقات كهربية أخرى، هو الجسيمات ذات الشحنات المتخالفة، حيث إنجميع المواد التي نعرفها، سواء أكانت جوامد، أم سوائل، أم غازات، تحتوي علىالجسيمات المشحونة، (الإلكترون ذو الشحنة السالبة، والبروتون ذو الشحنة الموجبة).
يمتلك الإلكترون أصغر شحنة كهربية سالبة، ويمتلك البروتون الشحنة نفسها، ولكنهاموجبة؛ وترتيب هذه الجسيمات في ذرات العناصر والمواد، هو الذي يحدد خواصهاالكهربية، فالمواد التي لا تظهر عليها خواص كهربية واضحة، تتساوى فيها أعدادالجسيمات ذات الشحنات الموجبة، وتلك ذات الشحنات السالبة، مما يؤدي إلى تساوي القوىالمتضادة وتلاشي تأثيرها.
وللحصول على تأثير كهربي، يجب بذل شغل لفصلالإلكترونات والبروتونات عن موضعها، وترتيبها الطبيعي، في ذرة المادة، لتغيير توازنالقوى الموجودة، ويظهر التأثير الكهربي للمادة عند توصيل بطارية بين طرفي دائرةكهربية، حيث تقوم الطاقة الكيميائية المختزنة في البطارية، ببذل شغل لفصل الشحناتالكهربية، وإنتاج زيادة في عدد الإلكترونات عند طرفها السالب، وزيادة في عددالبروتونات عند طرفها الموجب، وبذلك يمكن دفع تيار كهربي في الدائرة.
الإلكترون والبروتون في تركيبالذرة
تحدد الإلكترونات والبروتونات الخواصالمميزة للمادة؛ الشكل الرقم 1 يوضح مكونات ذرة الهيدروجين، التي تتكون من كتلةمركزية، يطلق عليها "نواة الذرة"، وإلكترون وحيد يدور حولها في مدار خارجي. يوجدالبروتون والشحنة الموجبة في مركز الذرة، ليكونا مركز الاستقرار لها، حيث إن كتلتهتساوي 1840 مرة كتلة الإلكترون.
يمكن تخيل حركة الإلكترون حول النواة فيذرة الهيدروجين، مثل حركة أي كوكب حول الشمس، حيث تتعادل قوة الجذب بين الإلكترونالسالب، والبروتون الموجب، مع القوة الميكانيكية الطاردة، الناتجة من دورانالإلكترون - القوة الطاردة المركزية؛ نتيجة لهذا التعادل يحتفظ الإلكترون بمدارثابت حول النواة؛ في الذرات التي تحتوي على أكثر من إلكترون مثل ذرة الكربون الشكلالرقم 2 وذرة النحاس، الشكل الرقم 3. تتوزع الإلكترونات على أكثر من مدار، بينماتتجمع كل البروتونات في النواة، وفي الذرات المتعادلة، المستقرة، يجب أن يتساوى عددالإلكترونات الدائرة في مدارات حول النواة، وعدد البروتونات المجتمعةفيها.
توزيع عدد الإلكترونات على مدارات حول النواة، خاصة تلكالإلكترونات الموجودة في المدار الأبعد عنها، (المدار الخارجي)، يحدد إلى حد بعيدالخواص الكهربية لهذه الذرة. وأي مدار خارجي، عدا المدار الأول، يتشبع بعدد 8إلكترونات، بينما يتشبع المدار الأول بإلكترونين فقط، ففي ذرة الكربون، تقع أربعةإلكترونات في المدار الخارجي، وفي ذرة النحاس يوجد إلكترون وحيد في المدار الخارجي،وبمقارنة الذرتين، يتضح أن ذرة الكربون أكثر استقراراً من ذرة النحاس. وعندمايتجاور العديد من ذرات النحاس في سلك من النحاس، فإن الإلكترون الخارجي في كل ذرة،يمكنه الانتقال من ذرة إلى أخرى، ويطلقعلى هذا الإلكترون في هذه الحالة، "الإلكترونالحر". وهذه الإلكترونات الحرة هي المسؤولة عن جودة توصيل النحاس للتيار الكهربي.
المواد الموصلة والعازلة وشبهالموصلة
المواد الموصلة،هي تلك المواد التي تسمح بسهولة بانتقال إلكترون من ذرة إلى أخرى، وبصفة عامة، تُعدمعظم المعادن، مثل النحاس والفضة، مواد جيدة التوصيل؛ أما المواد التي تميل ذراتها،إلى الاحتفاظ بالإلكترونات مستقرة في مداراتها، فيطلق عليها المواد العازلة، وهيمواد لا تسمح بتوصيل التيار الكهربي بسهولة؛ من مثل هذه المواد، الزجاج والبلاستيكوالمطاط والمايكا. ولبعض المواد خواص توصيل متوسطة، فهي ليست موصل كامل، أو عازلكامل، وهي تجمع إلى حد ما، بين خواص الفئتين؛ هذه المواد يطلق عليها المواد شبهالموصلة Semi Conductor، مثل عناصر الجرمانيوم والسليكون؛ وقد أصبح لهذه الموادالآن قدر كبير من الأهمية في عملية إنتاج الترانزيستور، والدوائر الإلكترونيةالمتكاملةIntegrated circuits .
الشحنات الكهربية
لا يمكن تعريف الشحنة الكهربية، ولكنيمكن وصف خواصها، وتوضيح سلوكها، ومما لا شك فيه أن الشحنات الكهربية، هي منالمواصفات الأساسية للجزيئات، التي تتكون منها جميع العناصر والمواد، وأن التفاعلاتالمتبادلة، بين ذرات atoms وجزيئاتmoleculesالمواد، هيبصفة أساسية تفاعلات كهربية بين جسيمات مشحونة كهربياً.
يمكن شرح البناءالتركيبي، لأي مادة طبيعية، باستخدام ثلاثة أنواع من الجسيمات:
1. الإلكترون ذوالشحنة السالبة.
2. البروتون ذو الشحنة الموجبة.
3. النيوترون ذو الشحنةالمتعادلة.
تكوّن البروتونات والنيوترونات الموجودة في أي ذرة، قلباً ذا كثافةعالية، وحجماً صغيراً جداً، لا تزيد أبعاده على جزء من ألف مليون مليون جزء منالمتر 10-15 متر، بينما تدور الإلكترونات حول تلك النواة، وعلى مسافة تبعد عنها،بجزء من ألف مليون جزء من المتر 10 -9 متر، وهذا يعني أن المسافة التي تفصل بينالإلكترون والنواة تساوي مليون مرة قطر النواة، إذا كان قطر النواة 1سم، حجم قطعةالنقود المعدنية الصغيرة، فإن الإلكترون يبعد عنها مسافة 10كم.
مقدار شحنةالإلكترون السالبة، يساوي تماماً، مقدار الشحنة الموجبة للبروتون، وفي الحالةالطبيعية، يكون عدد الإلكترونات حول الذرة، مساوياً تماماً عدد البروتونات الموجودةفي النواة، وصافي الشحنة الكهربية للذرة يساوي صفراً؛ يطلق على عدد البروتوناتوالإلكترونات الموجودة في الذرة، مصطلح الرقم الذرىATOMIC NUMBERلهذا العنصر، وإذا تم فصل إلكترون أو أكثر من الذرة المتعادلة، تظهرعلى الجزء الباقي شحنة موجبة، تساوى شحنة الإلكترونات السالبة التي تم فصلها، ويطلقعلى الذرة في هذه الحالة لفظ أيون موجبPOSITIVE ION؛أماالأيون السالب، فهو ذرة متعادلة، اكتسبت عدداً من الإلكترونات الإضافية، فظهرتعليها شحنة صافية سالبة. وكتلة البروتون وكتلة النيوترون متساويتان، وكل منهماتساوي تقريباً ألفي مرة كتلة الإلكترون، أي أن نسبة 99% من كتلة الذرة توجد فينواتها.
تجدر الإشارة هنا إلى مبدأين طبيعيين حاكمين هما:
1. مبدأ بقاء الشحنة الكهربيةCONSERVATION of CHARGE : هذاالمبدأ ينص على أن المجموع الجبري للشحنات الكهربية، في أي نظام مغلق CLOSED ****** ، رقم ثابت؛ هذا المبدأ يعنى أن الشحنات الكهربية يمكن نقلها من جسم إلى آخر، ولكنلا يمكن خلقها، كما لا يمكن تدميرها، ولا يوجد علمياً، حتى الآن أية شواهد تفيد خطأهذا المبدأ.
2. إن أي شحنة كهربية، أمكن ملاحظتها أو قياسها حتى الآن، تساويقيمتها عدداً صحيحاً من مضاعفات شحنة الإلكترون أو البروتون. وفي قول آخر، إنه لميكتشف حتى الآن أي جسيم، له شحنة تقل عن شحنة الإلكترون أو البروتون. ويتم التعبيرعن الشحنات الكهربية، بوحدة كهربية خاصة يطلق عليها "الكولوم" (شحنة الإلكترونتساوي =1.602 10 -19 كولوم ) ، نسبة إلى العالم الشهير شارلز أوجستين كولوم C. O. Coulomb 1736-1806، الذي درس، طبيعة القوة المتبادلة، بين الجسيمات المشحونة، كماأن اسمه، يطلق على أحد أهم القوانين الطبيعية، التي مهدت الطريق، للعديد من العلماءاللاحقين، لوضع أساس الحضارة الكهربية، والتقدم التكنولوجي، الذي يعيشه العالمالآن.
الكهرباء قوة غيرمرئية، يمكنها إنتاج حرارة، وضوء، وحركة، تجاذب أو تنافر، إضافة إلى العديد منالتأثيرات الطبيعية الأخرى، ويمكنتفسير معظم الظواهرالمرتبطة بالكهرباء، باستخدام مدلولات الشحنة الكهربية، والتيار والجهد، والوحداتالكهربية المرتبطة بها، وهي على الترتيب الكولوم، والأمبير، والفولت.
القطبيةالموجبة والقطبية السالبة
تشاهد التأثيرات الكهربية في كل من البرق، والبطارية،واللاسلكي، والتليفزيون، وفي العديد من التطبيقات الأخرى، والقاسم المشترك بين هذهالتطبيقات، وأي تطبيقات كهربية أخرى، هو الجسيمات ذات الشحنات المتخالفة، حيث إنجميع المواد التي نعرفها، سواء أكانت جوامد، أم سوائل، أم غازات، تحتوي علىالجسيمات المشحونة، (الإلكترون ذو الشحنة السالبة، والبروتون ذو الشحنة الموجبة).
يمتلك الإلكترون أصغر شحنة كهربية سالبة، ويمتلك البروتون الشحنة نفسها، ولكنهاموجبة؛ وترتيب هذه الجسيمات في ذرات العناصر والمواد، هو الذي يحدد خواصهاالكهربية، فالمواد التي لا تظهر عليها خواص كهربية واضحة، تتساوى فيها أعدادالجسيمات ذات الشحنات الموجبة، وتلك ذات الشحنات السالبة، مما يؤدي إلى تساوي القوىالمتضادة وتلاشي تأثيرها.
وللحصول على تأثير كهربي، يجب بذل شغل لفصلالإلكترونات والبروتونات عن موضعها، وترتيبها الطبيعي، في ذرة المادة، لتغيير توازنالقوى الموجودة، ويظهر التأثير الكهربي للمادة عند توصيل بطارية بين طرفي دائرةكهربية، حيث تقوم الطاقة الكيميائية المختزنة في البطارية، ببذل شغل لفصل الشحناتالكهربية، وإنتاج زيادة في عدد الإلكترونات عند طرفها السالب، وزيادة في عددالبروتونات عند طرفها الموجب، وبذلك يمكن دفع تيار كهربي في الدائرة.
الإلكترون والبروتون في تركيبالذرة
تحدد الإلكترونات والبروتونات الخواصالمميزة للمادة؛ الشكل الرقم 1 يوضح مكونات ذرة الهيدروجين، التي تتكون من كتلةمركزية، يطلق عليها "نواة الذرة"، وإلكترون وحيد يدور حولها في مدار خارجي. يوجدالبروتون والشحنة الموجبة في مركز الذرة، ليكونا مركز الاستقرار لها، حيث إن كتلتهتساوي 1840 مرة كتلة الإلكترون.
يمكن تخيل حركة الإلكترون حول النواة فيذرة الهيدروجين، مثل حركة أي كوكب حول الشمس، حيث تتعادل قوة الجذب بين الإلكترونالسالب، والبروتون الموجب، مع القوة الميكانيكية الطاردة، الناتجة من دورانالإلكترون - القوة الطاردة المركزية؛ نتيجة لهذا التعادل يحتفظ الإلكترون بمدارثابت حول النواة؛ في الذرات التي تحتوي على أكثر من إلكترون مثل ذرة الكربون الشكلالرقم 2 وذرة النحاس، الشكل الرقم 3. تتوزع الإلكترونات على أكثر من مدار، بينماتتجمع كل البروتونات في النواة، وفي الذرات المتعادلة، المستقرة، يجب أن يتساوى عددالإلكترونات الدائرة في مدارات حول النواة، وعدد البروتونات المجتمعةفيها.
توزيع عدد الإلكترونات على مدارات حول النواة، خاصة تلكالإلكترونات الموجودة في المدار الأبعد عنها، (المدار الخارجي)، يحدد إلى حد بعيدالخواص الكهربية لهذه الذرة. وأي مدار خارجي، عدا المدار الأول، يتشبع بعدد 8إلكترونات، بينما يتشبع المدار الأول بإلكترونين فقط، ففي ذرة الكربون، تقع أربعةإلكترونات في المدار الخارجي، وفي ذرة النحاس يوجد إلكترون وحيد في المدار الخارجي،وبمقارنة الذرتين، يتضح أن ذرة الكربون أكثر استقراراً من ذرة النحاس. وعندمايتجاور العديد من ذرات النحاس في سلك من النحاس، فإن الإلكترون الخارجي في كل ذرة،يمكنه الانتقال من ذرة إلى أخرى، ويطلقعلى هذا الإلكترون في هذه الحالة، "الإلكترونالحر". وهذه الإلكترونات الحرة هي المسؤولة عن جودة توصيل النحاس للتيار الكهربي.
المواد الموصلة والعازلة وشبهالموصلة
المواد الموصلة،هي تلك المواد التي تسمح بسهولة بانتقال إلكترون من ذرة إلى أخرى، وبصفة عامة، تُعدمعظم المعادن، مثل النحاس والفضة، مواد جيدة التوصيل؛ أما المواد التي تميل ذراتها،إلى الاحتفاظ بالإلكترونات مستقرة في مداراتها، فيطلق عليها المواد العازلة، وهيمواد لا تسمح بتوصيل التيار الكهربي بسهولة؛ من مثل هذه المواد، الزجاج والبلاستيكوالمطاط والمايكا. ولبعض المواد خواص توصيل متوسطة، فهي ليست موصل كامل، أو عازلكامل، وهي تجمع إلى حد ما، بين خواص الفئتين؛ هذه المواد يطلق عليها المواد شبهالموصلة Semi Conductor، مثل عناصر الجرمانيوم والسليكون؛ وقد أصبح لهذه الموادالآن قدر كبير من الأهمية في عملية إنتاج الترانزيستور، والدوائر الإلكترونيةالمتكاملةIntegrated circuits .
الشحنات الكهربية
لا يمكن تعريف الشحنة الكهربية، ولكنيمكن وصف خواصها، وتوضيح سلوكها، ومما لا شك فيه أن الشحنات الكهربية، هي منالمواصفات الأساسية للجزيئات، التي تتكون منها جميع العناصر والمواد، وأن التفاعلاتالمتبادلة، بين ذرات atoms وجزيئاتmoleculesالمواد، هيبصفة أساسية تفاعلات كهربية بين جسيمات مشحونة كهربياً.
يمكن شرح البناءالتركيبي، لأي مادة طبيعية، باستخدام ثلاثة أنواع من الجسيمات:
1. الإلكترون ذوالشحنة السالبة.
2. البروتون ذو الشحنة الموجبة.
3. النيوترون ذو الشحنةالمتعادلة.
تكوّن البروتونات والنيوترونات الموجودة في أي ذرة، قلباً ذا كثافةعالية، وحجماً صغيراً جداً، لا تزيد أبعاده على جزء من ألف مليون مليون جزء منالمتر 10-15 متر، بينما تدور الإلكترونات حول تلك النواة، وعلى مسافة تبعد عنها،بجزء من ألف مليون جزء من المتر 10 -9 متر، وهذا يعني أن المسافة التي تفصل بينالإلكترون والنواة تساوي مليون مرة قطر النواة، إذا كان قطر النواة 1سم، حجم قطعةالنقود المعدنية الصغيرة، فإن الإلكترون يبعد عنها مسافة 10كم.
مقدار شحنةالإلكترون السالبة، يساوي تماماً، مقدار الشحنة الموجبة للبروتون، وفي الحالةالطبيعية، يكون عدد الإلكترونات حول الذرة، مساوياً تماماً عدد البروتونات الموجودةفي النواة، وصافي الشحنة الكهربية للذرة يساوي صفراً؛ يطلق على عدد البروتوناتوالإلكترونات الموجودة في الذرة، مصطلح الرقم الذرىATOMIC NUMBERلهذا العنصر، وإذا تم فصل إلكترون أو أكثر من الذرة المتعادلة، تظهرعلى الجزء الباقي شحنة موجبة، تساوى شحنة الإلكترونات السالبة التي تم فصلها، ويطلقعلى الذرة في هذه الحالة لفظ أيون موجبPOSITIVE ION؛أماالأيون السالب، فهو ذرة متعادلة، اكتسبت عدداً من الإلكترونات الإضافية، فظهرتعليها شحنة صافية سالبة. وكتلة البروتون وكتلة النيوترون متساويتان، وكل منهماتساوي تقريباً ألفي مرة كتلة الإلكترون، أي أن نسبة 99% من كتلة الذرة توجد فينواتها.
تجدر الإشارة هنا إلى مبدأين طبيعيين حاكمين هما:
1. مبدأ بقاء الشحنة الكهربيةCONSERVATION of CHARGE : هذاالمبدأ ينص على أن المجموع الجبري للشحنات الكهربية، في أي نظام مغلق CLOSED ****** ، رقم ثابت؛ هذا المبدأ يعنى أن الشحنات الكهربية يمكن نقلها من جسم إلى آخر، ولكنلا يمكن خلقها، كما لا يمكن تدميرها، ولا يوجد علمياً، حتى الآن أية شواهد تفيد خطأهذا المبدأ.
2. إن أي شحنة كهربية، أمكن ملاحظتها أو قياسها حتى الآن، تساويقيمتها عدداً صحيحاً من مضاعفات شحنة الإلكترون أو البروتون. وفي قول آخر، إنه لميكتشف حتى الآن أي جسيم، له شحنة تقل عن شحنة الإلكترون أو البروتون. ويتم التعبيرعن الشحنات الكهربية، بوحدة كهربية خاصة يطلق عليها "الكولوم" (شحنة الإلكترونتساوي =1.602 10 -19 كولوم ) ، نسبة إلى العالم الشهير شارلز أوجستين كولوم C. O. Coulomb 1736-1806، الذي درس، طبيعة القوة المتبادلة، بين الجسيمات المشحونة، كماأن اسمه، يطلق على أحد أهم القوانين الطبيعية، التي مهدت الطريق، للعديد من العلماءاللاحقين، لوضع أساس الحضارة الكهربية، والتقدم التكنولوجي، الذي يعيشه العالمالآن.
ثقافة عامة في الفيزياء
