ما الجهاز الذي يستخدم في الكشف وتحديد نوع الشحنة الكهربائية

جهاز يستخدم في الكشف وتحديد نوع الشحنة الكهربائية

جهاز يستخدم في الكشف وتحديد نوع الشحنة الكهربائية

هو جهاز المكشاف الكهربائي

.

قد يتسائل البعض ما الجهاز الذي يستخدم في الكشف وتحديد نوع الشحنة الكهربائية ألا وهو المكشاف الكهربي، ومن الممكن إعطاء تعريف للشحنة الكهربائية على أنها مقدار الشحنة المقدمة، والشحنة الكهربائية هي مجموع أي شحنة في النظام، وتنقسم الشحنات إلى شحنة سالبة وموجبة، بحيث تتنافر الشحنات المتشابهة وتنجذب الشحنات مختلفة، وجهاز المكشاف الكهربي من الاختراعات التي سهلت عملية القياس والكشف عن أنواعه، وهو جهاز يستخدم لكشف وتحديد نوع الشحنة الكهربائية.

ما هو المكشاف الكهربائي

المكشاف الكهربائي هو

جهاز عملي يساعد في الكشف عن وجود شحنة كهربائية على الجسم وتحديد نوعها إذا كانت موجبة أو سالبة، وكان أول مكشاف كهربائي عبارة عن مكشاف كهربائي بإبرة محورية اخترعه الفيزيائي البريطاني “ويليام جيلبرت” في عام 1600، والمعروف باسم

(vesorium)

، ويقيس المكشاف الكهربائي الشحنة التي تعتمد على القوة الكهروستاتيكية كولوم التي تطلق حركة الشحنة، وغالبًا ما تُعتبر المجاهر الكهربائية بمثابة مقياس الفولتميتر الأساسي لأن الشحنة الكهروستاتيكية لجسم ما كافية لسعتها، ويتطلب تركيز الشحنة الكافية ليتم الكشف عنها بواسطة المكشاف الكهربائي كمية هائلة من الفولتات.

تعتمد النظرية الأساسية الكامنة وراء المكشاف الكهربائي على الترتيبات الذرية للعناصر، وحركة الشحنة الكهربية، والبنية الداخلية للعناصر المعدنية في المادة، والفكرة الأساسية المتمثلة في عدم تشابه الشحنات التي تجذب بعضها البعض بينما تتنافر الشحنات المتشابهة، ويتكون المكشاف الكهربائي من مقبض للكشف عن المعادن في الجزء العلوي، وهو متصل بزوج من الأوراق المعدنية المتدلية من أسفل قضيب التوصيل؛ عندما لا يكون هناك شحنة، فإن الأوراق المعدنية تتساقط بشكل غير محكم، عندما يكون جسم مشحون بالقرب من المكشاف الكهربائي، فلن تتساقط الأوراق المعدنية.

عندما تكون هناك شحنة موجبة؛ يتم سحب الإلكترونات الموجودة في معدن المكشاف إليها وتدفع للأعلى من الأوراق، مما يؤدي إلى حصول الأوراق على حالة موجبة مؤقتة، وبما أن الشحنات تتنافر تصبح الأوراق منفصلة، وعندما ينسحب الجسم الموجب الشحنة من المقبض، تعود الإلكترونات إلى موقعها الأصلي، وتستقر الأوراق.

وعندما تكون الشحنة سالبة؛ تتنافر الإلكترونات الموجودة في معدن المكشاف الكهربائي وتتحرك باتجاه الأوراق الموجودة في الأسفل، وبالتالي ينتج عن ذلك الحصول على حالة سالبة عابرة للأوراق، وبما أن الشحنات المتشابهة تتنافر، تنقسم الأوراق مرة أخرى، وعندما ينسحب الجسم السالب الشحنة، تعود الإلكترونات إلى حالتها الأصلية، وفي كلتا الحالتين السالبة والموجبة، تعود الإلكترونات إلى حالتها الأصلية بمجرد انسحاب الجسم المشحون.

وتتمثل استخدامات المكشاف الكهربائي في التالي:

• تحليل الشحنات الكهروستاتيكية وأي إشعاع مؤين موجود في الجسم.
• يمكن قياس طبيعة الشحنة الكهربائية باستخدام المكشاف الكهربائي.
• أيضًا يمكننا بسهولة مقارنة مقادير شحنتين مختلفتين.
• تحديد نوع الشحنة الكهربائية.[1]

أنواع المكشاف الكهربائي

• المكشاف الكهربائي ذو الكرة اللبية.
• المكشاف الكهربائي ذو الأوراق الذهبية.

المكشاف الكهربائي ذو الكرة اللبية:

اخترعها الفيزيائي البريطاني ومدير المدرسة جون كانتون في 1754، وتتكون من كرة أو اثنتين من الكرات الصغيرة خفيفة الوزن من مادة غير موصلة، معلقة من خطاف من حامل مغلق بمساعدة خيوط الحرير أو الكتان، ومن أجل قياس وجود شحنة على مادة ما، أمسك المادة بالقرب من كرة اللب غير المشحونة، وإذا كانت شحنة مادة الاختبار موجبة، فسيتم جذب الإلكترونات -الشحنات السالبة في الجزيئات- إليها، بينما الجزيء موجب الشحنة -أي النواة- يتنافر ويحول بعيدًا عن المادة.

المكشاف الكهربائي ذو الأوراق الذهبية:

اخترعه الفيزيائي البريطاني أبراهام بينيت، في عام 1787 كأداة أكثر حساسية قليلاً مقارنة بالمكشاف الكهربائي ذو الكرة اللبية، يعمل المكشاف الكهربائي ذو الأوراق الذهبية على اكتشاف الشحنة الكهربائية الموجودة في الجسم وتصنيف قطبيتها، يعمل على نظرية الحث والتنافر الكهروستاتيكي، وهو يتكون من قضيب نحاسي واحد متصل به ورقتان رفيعتان من الذهب في أحد طرفيه وقرص معدني في طرف آخر.

يتم تعليق الورقتين الرفيعتين والمادة الموصلة للكهرباء بالتوازي مع بعضهما البعض وعمليًا على اتصال مع بعضهما البعض، ويتم وضع القضيب داخل جرة زجاجية أسطوانية بحيث تبقى الأوراق الذهبية بالداخل ويوضع القرص في الخارج، ويتكون الجزء السفلي من ورق قصدير، ويتم وضع كمية صغيرة من CaCl2 داخل المكشاف الكهربائي ذو الأوراق الذهبية للحفاظ على جفاف الهواء داخل الجرة.[2]

تعريف الشحنة الكهربائية

الشحنة الكهربائية هي



عبارة عن كمية الطاقة أو الإلكترونات التي تنتقل من جسم إلى آخر من خلال أوضاع مختلفة مثل التوصيل أو الحث أو طرق أخرى محددة


، وهناك نوعان من الشحنات الكهربائية؛ شحنات موجبة وشحنات سالبة، توجد الشحنات في كل نوع من أنواع الجسم تقريبًا، ووحدتها القياسية هي كولوم، رياضيًا يمكننا القول أن الشحنة هي عدد الإلكترونات مضروبًا في الشحنة على إلكترون واحد، كما في العلاقة التالية:

Q = ne

حيث q الشحنة الكهربية، n عدد من الإلكترونات و e شحنة على 1 إلكترون (1.6 × 10-19C).

والشحنة الكهربية هي كمية محفوظة؛ هذا يعني أن الشحنة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ولكن يمكن نقلها من جسم إلى آخر بطرق معينة مثل التوصيل والحث، فهو في الواقع نقل للإلكترونات من جسم إلى آخر.[3]

أنواع الشحنة الكهربائية

• الشحنة الموجبة.
• الشحنة السالبة.

وترجع التسميات الإيجابية والسلبية للشحنات الكهربائية إلى بنجامين فرانكلين (1706-1790) الذي كان عالمًا ذا سمعة دولية، حيث قسم الشحنات الكهربائية إلى شحنات سالبة وموجبة، وعند سؤالك ما الجهاز الذي يستخدم في الكشف وتحديد نوع الشحنة الكهربائية تكون الإجابة هو جهاز المكشاف الكهربي.

الشحنة الموجبة:

عندما تفقد المادة الإلكترونات يتخذ الجسم الشحنة الموجبة، فإن عدد البروتونات يزداد في المادة، فيكون هناك صافي شحنة كهربائية موجبة، القوى الكهربائية بين الأجسام المشحونة لها العديد من التطبيقات الصناعية، من بينها رش الطلاء الكهروستاتيكي والطلاء بالمسحوق، وتساقط الرماد المتطاير، والطباعة بالحبر بدون تأثير.

الشحنة السالبة:

عندما تكتسب مادة إلكترونات يتخذ الجسم الشحنة السالبة، حيث يزداد عدد الإلكترونات في المادة، فيكون هناك صافي شحنة كهربائية سالبة، والإلكترون له شحنة سالبة بينما البروتون له شحنة موجبة، وفي عدد مادي من البروتونات تكون الإلكترونات متساوية في العدد، والشحنة الكهربائية هي خاصية أساسية للإلكترونات والبروتونات يرمز لها بـ Q.

ويجدر بنا ذكر أن الجسم يكون في حالة تعادل أو توازن عندما تكون قيمة الشحنات السالبة مساوية للشحنات الموجبة الموجودة فيه، بحيث تلغي بعضها البعض، مثل تساوي عدد الإلكترونات مع عدد البروتونات؛ فيكون الجسم متعادل الشحنة الكهربية في هذه الحالة –مثل النواة-.[4]

تقاس الشحنة الكهربائية بوحدة

وتقاس الشحنة الكهربائية

بوحدة الكولوم


في نظامي المتر ونظام SI، ويتم تعريفها على أنها مقدار الشحنة الكهربائية التي تتدفق عبر مقطع عرضي لموصل في دائرة كهربائية خلال كل ثانية عندما يكون للتيار قيمة امبير واحد، ويتكون الكولوم الواحد من 6.24 × 1018 وحدة طبيعية من الشحنة الكهربائية، مثل الإلكترونات الفردية أو البروتونات، ووحدة الشحنة الكهروكيميائية “فاراداي” مفيدة في وصف تفاعلات التحليل الكهربائي، مثل الطلاء الكهربائي المعدني، وواحد فارادي يساوي 96485.332123 كولوم، شحنة مول من الإلكترونات (أي رقم أفوجادرو 6.02 × 1023، من الإلكترونات).[5]