شرح الشحن بالاحتكاك والتلامس والحث
تعرّف على كيفية شحن الأجسام بالاحتكاك والتلامس والحث من خلال تتبع انتقال الإلكترونات والاستقطاب. يتضمن أمثلة محلولة ومفاهيم خاطئة شائعة وأسئلة تدريبية بأسلوب HSC.
افرك قضيبًا بلاستيكيًا بقطعة قماش، وقد يصبح القضيب قادرًا على جذب قطع صغيرة من الورق. اجعل كرة معدنية مشحونة تلامس كرة متعادلة، وقد تصبح كلتاهما مشحونتين. قرّب قضيبًا مشحونًا من كرة معدنية من دون أن يلمسها، ومع ذلك تتحرك الشحنات داخل الكرة.
قد تبدو هذه كأنها ثلاث حيل مختلفة. لكنها في الحقيقة طرق مختلفة للتحكم في الشيء نفسه: أين توجد الإلكترونات.
قبل أن تتابع القراءة، توقّع ما يلي: إذا قُرِّب قضيب مشحون سالبًا من كرة معدنية متعادلة من دون أن يلمسها مطلقًا، فهل أصبحت الكرة مشحونة بشحنة موجبة؟
ليس بعد. لقد أُعيد توزيع شحناتها، لكن شحنتها الصافية ما زالت تساوي صفرًا. والتمييز بين تحريك الشحنة داخل الجسم ونقل الشحنة إلى الجسم أو منه هو مفتاح فهم الاحتكاك والتلامس والحث.
01ابدأ بالجسيمات التي يمكنها أن تتحرك فعليًا
يحتوي الجسم العادي على بروتونات موجبة وإلكترونات سالبة.
تكون البروتونات محصورة داخل النوى الذرية. وفي عمليات الشحن التي تُدرَس في فيزياء HSC، لا تنتقل البروتونات من جسم إلى آخر. الإلكترونات هي الجسيمات التي تتحرك.
وهذا يعطينا قاعدة مفيدة:
- الجسم الذي يكتسب إلكترونات يصبح مشحونًا بشحنة سالبة
- الجسم الذي يفقد إلكترونات يصبح مشحونًا بشحنة موجبة
- الجسم المتعادل تكون فيه الشحنة الموجبة الكلية مساوية للشحنة السالبة الكلية
في العمليات الكهروستاتيكية المعتادة، لا يكون الجسم الموجب قد «اكتسب شحنة موجبة». بل يكون قد فقد بعض الإلكترونات.
كما أن الشحنة محفوظة. يمكن للإلكترونات أن تنتقل بين الأجسام، أو بين جسم والأرض، لكن الشحنة لا تُخلق من العدم.
02تختلف سلوكيات الموصلات والعوازل
قبل مقارنة طرق الشحن، نحتاج إلى فهم فرق أساسي.
في الموصل، تستطيع بعض الإلكترونات التحرك بحرية عبر المادة. والمعادن هي المثال الأساسي في HSC. فإذا تعرض جزء من جسم معدني لقوة كهربائية، يمكن لإلكتروناته المتحركة أن تعيد توزيع نفسها.
أما في العازل، فتكون الإلكترونات أقل قدرة بكثير على الانتقال عبر الجسم. ولذلك يمكن للشحنة المنقولة أن تبقى متمركزة بالقرب من المكان الذي ترسّبت فيه.
تخيّل طلابًا في حفل مدرسي. في الموصل، يُسمح للجميع بالتحرك في أنحاء القاعة. فإذا حدث موقف محرج عند أحد طرفيها، يستطيع الحشد أن يتحرك ويتغير توزيعه.
أما في العازل، فقد خُصِّص لكل شخص مقعد. يمكنهم أن يميلوا قليلًا، لكنهم لا يستطيعون جميعًا الانتقال إلى الجهة الأخرى من القاعة.
لهذا التشبيه حدود. فالإلكترونات لا تتخذ قرارات اجتماعية، وحتى الشحنات المرتبطة في العازل يمكن أن تنزاح قليلًا داخل الذرات أو الجزيئات. والفكرة المهمة ببساطة هي أن الشحنة تتحرك بحرية أكبر بكثير عبر الموصل.
03الشحن بالاحتكاك
لنفترض أن مادتين عازلتين متعادلتين في البداية فُركتا معًا ثم فُصلتا. تصبح إحداهما سالبة والأخرى موجبة.
من أين جاءت الشحنة؟
قد يكون من المغري القول إن الاحتكاك يخلق الشحنة. لكنه لا يفعل ذلك.
عندما تتلامس مواد مختلفة تلامسًا وثيقًا، لا تكون إلكتروناتها بالضرورة متساوية في ميلها للبقاء مرتبطة بكل مادة. ويمكن لبعض الإلكترونات أن تنتقل عبر سطح التلامس. يزيد الفرك مقدار التلامس وتكراره، ولذلك قد يجعل هذا الانتقال أكثر وضوحًا.
بعد فصل المادتين:
- تكون للمادة التي اكتسبت إلكترونات شحنة سالبة صافية
- تكون للمادة التي فقدت إلكترونات كمية مساوية من الشحنة الموجبة، إذا كان الزوج معزولًا
إذن، نموذج HSC المبسط هو انتقال الإلكترونات بين مواد مختلفة.
وبصورة أكثر دقة، يمكن أن تكون التفاصيل المجهرية للشحن الكهروتلامسي أكثر تعقيدًا من مجرد ترتيب المواد وفقًا لأيهما «يميل إلى الإلكترونات أكثر». فحالة السطح، والتلوث، والرطوبة، وطبيعة المواد نفسها كلها عوامل مؤثرة. أما في كهروستاتيكا HSC، فالنموذج المهم هو أن الإلكترونات تنتقل مع بقاء الشحنة الكلية محفوظة.
مثال محلول: كم إلكترونًا انتقل؟
تصبح شريحة بلاستيكية مشحونة بشحنة مقدارها \(-3.2\ \text{nC}\) بعد فركها بقطعة قماش. بافتراض أن شحنتها ناتجة عن انتقال إلكترونات، كم عدد الإلكترونات الإضافية الموجودة على الشريحة؟
الخطوة 1
تعني الشحنة السالبة أن الشريحة اكتسبت إلكترونات.
الخطوة 2
مقدار شحنة الإلكترون هو
\[
e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}
\]
ويرتبط عدد الإلكترونات المنتقلة \(N\) بمقدار الشحنة الكلية \(Q\) بالعلاقة
\[
N = \frac{|Q|}{e}
\]
حيث تُقاس \(Q\) بالكولوم، و\(e\) هو مقدار شحنة إلكترون واحد.
الخطوة 3
\[
\begin{aligned}
|Q| &= 3.2 \times 10^{-9}\ \text{C} \\
N &= \frac{3.2 \times 10^{-9}}{1.60 \times 10^{-19}} \\
&= 2.0 \times 10^{10}
\end{aligned}
\]
الخطوة 4
اكتسبت الشريحة تقريبًا
\[
\boxed{2.0 \times 10^{10}\ \text{إلكترونًا}}
\]
قد يبدو هذا العدد هائلًا، لكنه يمثل جزءًا ضئيلًا جدًا من جميع الإلكترونات الموجودة أصلًا في جسم عياني.
04الشحن بالتلامس
استبدل الآن القضبان العازلة بكرات معدنية موصلة.
لنفترض أن الكرة A مشحونة بشحنة موجبة والكرة B متعادلة. وكلتاهما مثبتتان على حوامل عازلة بحيث لا تستطيع الشحنة التسرب إلى الأرض.
ماذا يحدث إذا تلامستا؟
لأن الكرتين موصلتان، يمكن للإلكترونات المتحركة أن تنتقل عبر نقطة التلامس. وتعاني الكرة الموجبة نقصًا في الإلكترونات، ولذلك تتحرك الإلكترونات من الكرة المتعادلة نحوها.
يستمر إعادة توزيع الشحنة حتى تصل الموصلات المتصلة إلى الاتزان الكهروستاتيكي.
وبعد فصلهما، يمكن أن تبقى كلتاهما مشحونتين بشحنة موجبة.
هل يؤدي التلامس دائمًا إلى تقسيم الشحنة بالتساوي؟
لا.
فهذه من أسهل القواعد المختصرة التي يمكن الإفراط في استخدامها.
تتقاسم كرتان موصلتان متماثلتان الشحنة الكلية بالتساوي عندما تكونان متباعدتين بما يكفي بعد التلامس، لأن لهما الهندسة نفسها.
أما في الموصلات غير المتماثلة، فلا يمكنك تلقائيًا قسمة الشحنة الكلية على اثنين. إذ يعتمد التوزيع النهائي على أحجام الموصلات وأشكالها لأن الاتزان الكهروستاتيكي يتطلب أن تكون الموصلات المتصلة عند الجهد الكهربائي نفسه.
مثال محلول: في أي اتجاه تحركت الإلكترونات؟
تحمل كرتان موصلتان متماثلتان ومعزولتان شحنتين ابتدائيتين مقدارهما \(+10\ \text{nC}\) و\(-2\ \text{nC}\). تتلامسان، وتصلان إلى الاتزان الكهروستاتيكي، ثم تُفصلان. أوجد الشحنة النهائية على كل كرة وعدد الإلكترونات التي انتقلت أثناء التلامس.
الخطوة 1
\[
Q_{\text{total}} = +10\ \text{nC} + (-2\ \text{nC}) = +8\ \text{nC}
\]
الشحنة محفوظة لأن نظام الكرتين معزول.
الخطوة 2
تتقاسم الكرتان المتماثلتان الشحنة الكلية بالتساوي بعد الوصول إلى الاتزان:
\[
Q_{\text{final}} = \frac{+8\ \text{nC}}{2} = +4\ \text{nC}
\]
إذن تنتهي كل كرة بشحنة مقدارها
\[
\boxed{+4\ \text{nC}}
\]
الخطوة 3
الكرة التي بدأت عند \(+10\ \text{nC}\) انتهت عند \(+4\ \text{nC}\).
كان التغير في شحنتها
\[
\Delta Q = +4\ \text{nC} – (+10\ \text{nC}) = -6\ \text{nC}
\]
يعني التغير نحو شحنة أقل إيجابية أن هذه الكرة اكتسبت إلكترونات.
إذن انتقلت إليها من الكرة الأخرى شحنة سالبة مقدارها \(6\ \text{nC}\).
الخطوة 4
\[
\begin{aligned}
N &= \frac{6.0 \times 10^{-9}}{1.60 \times 10^{-19}} \\
&= 3.75 \times 10^{10}
\end{aligned}
\]
لذلك،
\[
\boxed{3.75 \times 10^{10}\ \text{إلكترونًا}}
\]
انتقلت من الكرة التي كانت شحنتها في البداية \(-2\ \text{nC}\) إلى الكرة التي كانت شحنتها في البداية \(+10\ \text{nC}\).
لاحظ ما الذي تحرك: الإلكترونات. لا نصف حوامل شحنة موجبة بأنها تنتقل في الاتجاه المعاكس عبر المعدن.
05الاستقطاب: إعادة توزيع من دون تغيير الشحنة الصافية
يصبح الشحن بالحث أسهل بكثير في الفهم عندما تفهم الاستقطاب.
خذ كرة موصلة متعادلة. فهي تحتوي إجمالًا على مقادير متساوية من الشحنة الموجبة والسالبة.
الآن قرّب قضيبًا مشحونًا سالبًا من جانبها الأيسر من دون أن يلمسها.
توقّع إلى أين ستتحرك الإلكترونات المتحركة في الكرة.
تتنافر مع القضيب السالب، ولذلك تتحرك نحو الجانب البعيد من الكرة.
يُترك الجانب القريب وفيه نقص في الإلكترونات، ولذلك يتصرف كما لو كان موجبًا. أما الجانب البعيد فيحتوي على فائض من الإلكترونات ويتصرف كما لو كان سالبًا.
لكن لم تدخل أي إلكترونات إلى الكرة ولم تغادرها.
ولا تزال شحنتها الكلية
\[
Q_{\text{net}} = 0
\]
ويُسمى هذا الفصل بين الشحنة الموجبة والسالبة داخل الجسم الاستقطاب.
لماذا يمكن لجسم متعادل أن ينجذب إلى جسم مشحون؟
يفسر هذا التجاذب بين جسم مشحون وبعض الأجسام المتعادلة.
لنفترض أن القضيب الخارجي سالب. فهو يستقطب موصلًا متعادلًا قريبًا بحيث تتركز الشحنة الموجبة على الجانب الأقرب، بينما تتركز الشحنة السالبة على الجانب الأبعد.
القضيب السالب:
- يجذب المنطقة الموجبة الأقرب
- يتنافر مع المنطقة السالبة الأبعد
تضعف القوة الكهربائية مع ازدياد المسافة. ولذلك يكون التجاذب مع المنطقة الأقرب أقوى من التنافر مع المنطقة الأبعد.
وقد تكون النتيجة قوة تجاذب صافية، حتى مع بقاء الجسم الآخر متعادلًا إجمالًا.
ولهذا فإن الاستنتاج «لقد انجذب، إذن لا بد أن تكون له شحنة صافية معاكسة» ليس استنتاجًا آمنًا.
06الشحن بالحث
الاستقطاب وحده لا يشحن موصلًا معزولًا بصورة دائمة.
ولإعطائه شحنة صافية من دون لمسه بالجسم المشحون، نحتاج إلى عنصر إضافي واحد: مسار تستطيع الإلكترونات أن تدخل عبره أو تغادر من خلاله.
وعادةً ما يكون هذا المسار اتصالًا بالأرض.
لنفترض أننا نريد شحن كرة موصلة بشحنة موجبة باستخدام قضيب مشحون بشحنة سالبة.
الخطوة 1: قرّب القضيب المشحون
حرّك القضيب السالب ليصبح قريبًا من الكرة الموصلة المتعادلة من دون أن يلمسها.
تستقطب الكرة. وتتحرك إلكتروناتها المتحركة بعيدًا عن القضيب.
الخطوة 2: صِل الكرة بالأرض
بينما يبقى القضيب قريبًا، صِل الكرة بالأرض.
يدفع القضيب السالب بعض الإلكترونات خارج الكرة عبر المسار الموصل إلى الأرض.
تعمل الأرض بوصفها مستودعًا هائلًا للشحنة. ويمكنها استقبال عدد صغير نسبيًا من الإلكترونات أو تزويد جسم بها من دون أن يتغير جهدها الكهربائي بصورة ملحوظة.
الخطوة 3: افصل الاتصال بالأرض أولًا
هذا الترتيب مهم.
افصل مسار التأريض بينما لا يزال القضيب المشحون موجودًا.
عندها لا تستطيع الإلكترونات التي غادرت الكرة العودة إليها عبر الاتصال بالأرض.
أصبح لدى الكرة الآن نقص في الإلكترونات، ولذلك تكون لها شحنة موجبة صافية.
الخطوة 4: أبعد القضيب المشحون
عندما يُبعَد القضيب أخيرًا، تنتشر الشحنة المتبقية حول الموصل.
وتبقى الكرة مشحونة بشحنة موجبة.
لو كان القضيب المُحَرِّض موجبًا، لانعكست الاتجاهات. ستنجذب الإلكترونات من الأرض إلى الموصل، فيبقى مشحونًا بشحنة سالبة بعد إزالة اتصال التأريض.
07ترتيب الخطوات في الحث ليس تفصيلًا ثانويًا
لنفترض أن قضيبًا سالبًا موجود بجوار كرة معدنية مؤرضة. لقد دُفعت إلكترونات من الكرة إلى الأرض.
ماذا يحدث إذا أبعدت القضيب قبل فصل اتصال التأريض؟
عندما يختفي القضيب، يختفي معه التأثير الكهربائي التنافري. ولأن الكرة لا تزال متصلة بالأرض، يمكن للإلكترونات أن تتدفق عائدة حتى تتجه الكرة نحو التعادل مرة أخرى.
وبذلك تضيع الشحنة المستحثة المقصودة.
في إجراء الحث القياسي:
- قرّب الشحنة المُحَرِّضة
- صِل الجسم بالأرض
- افصل الاتصال بالأرض
- أبعد الشحنة المُحَرِّضة
يجب فصل اتصال التأريض قبل إبعاد الجسم المُحَرِّض.
08مقارنة بين الاحتكاك والتلامس والحث
| العملية | هل يلامس الجسم المشحون الجسمَ المراد شحنه؟ | هل تنتقل الإلكترونات؟ | هل الاستقطاب مهم؟ | الإشارة النهائية النموذجية |
|---|---|---|---|---|
| الاحتكاك | نعم، من خلال التلامس السطحي المتكرر | نعم، بين المادتين | ليس الفكرة الأساسية في النموذج المبسط | تصبح المادتان عادةً مشحونتين بشحنتين متعاكستين |
| التلامس | نعم | نعم، عبر التلامس الموصل | يحدث إعادة توزيع مع الوصول إلى الاتزان | يكتسب الموصل المتعادل عادةً الإشارة نفسها التي يحملها الموصل المشحون في البداية |
| الحث | لا يحدث تلامس مع الجسم المُحَرِّض | نعم، ولكن بين الموصل والأرض أثناء التأريض | نعم، فهو يبدأ العملية | تكون معاكسة لشحنة الجسم المُحَرِّض في إجراء التأريض القياسي |
| الاستقطاب فقط | لا | لا يحدث انتقال صافٍ إلى الجسم المعزول أو منه | نعم | تبقى الشحنة الصافية صفرًا |
أكثر سؤال مفيد يمكنك طرحه في أي مسألة شحن هو:
إلى أين يمكن للإلكترونات أن تذهب فعليًا؟
إذا استطعت الإجابة عن ذلك، فعادةً ما تتضح إشارة الشحنة النهائية.
09ثلاثة مفاهيم خاطئة من المفيد اكتشافها مبكرًا
«الاحتكاك يخلق الإلكترونات»
هذا غير صحيح. يساعد الاحتكاك على جعل الأسطح تتلامس بصورة متكررة، مما يسمح بانتقال الإلكترونات. وتبقى الشحنة الكلية محفوظة.
«إذا تحركت الشحنات داخل جسم، فلا بد أن الجسم أصبح مشحونًا»
ليس بالضرورة. يمكن لموصل متعادل أن يصبح مستقطبًا مع بقاء شحنته الصافية مساوية للصفر.
إن نقل الإلكترونات من جانب إلى آخر يغير توزيع الشحنة، لا مقدارها الكلي.
«الشحنة الموجبة تتحرك عبر المعدن»
في نموذج المعدن الصلب المعتاد المستخدم هنا، تبقى النوى الذرية الموجبة ثابتة في الشبكة البلورية. أما الإلكترونات المتحركة فهي التي تنتقل.
قد يكون من الملائم رياضيًا في سياقات أخرى وصف تيار اصطلاحي موجب، لكن هذا لا يعني أن البروتونات تتحرك عبر المعدن في تجربة شحن كهروستاتيكية.
10الأسئلة والحلول
السؤال 1
تُفرك شريحة بلاستيكية متعادلة بقطعة من القماش. وبعد فصلهما، تصبح شحنة الشريحة \(+4.8\ \text{nC}\).
اشرح ما حدث لإلكترونات الشريحة، واحسب عدد الإلكترونات التي انتقلت.
الحل 1
فقدت الشريحة \(3.0 \times 10^{10}\) إلكترونًا انتقلت إلى القماش، مما تركها بشحنة صافية موجبة.
تعني الشحنة الموجبة وجود نقص في الإلكترونات. وعدد الإلكترونات المنتقلة هو
\[
\begin{aligned}
N &= \frac{|Q|}{e} \\
&= \frac{4.8 \times 10^{-9}}{1.60 \times 10^{-19}} \\
&= 3.0 \times 10^{10}
\end{aligned}
\]
حيث \(Q = 4.8 \times 10^{-9}\ \text{C}\) هو مقدار شحنة الشريحة، و\(e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}\) هو مقدار شحنة إلكترون واحد.
إذن فقدت الشريحة
\[
\boxed{3.0 \times 10^{10}\ \text{إلكترونًا}}
\]
لم تنتج الشحنة الموجبة من إضافة بروتونات، بل نتجت من إزالة إلكترونات.
السؤال 2
تلامس كرة معدنية مشحونة بشحنة سالبة كرةً معدنية متعادلة ومماثلة لها. وكلتاهما مثبتتان على حوامل عازلة. وتُفصل الكرتان بعد وصولهما إلى الاتزان الكهروستاتيكي.
حدّد إشارة شحنة كل كرة بعد الفصل، واشرح اتجاه حركة الإلكترونات.
الحل 2
تكون كلتا الكرتين مشحونتين بشحنة سالبة بعد الفصل، وتتحرك الإلكترونات من الكرة التي كانت سالبة في البداية إلى الكرة التي كانت متعادلة في البداية.
تبدأ الكرة المشحونة سالبًا بفائض من الإلكترونات. وبمجرد تلامس الكرتين الموصلتين، يمكن لهذه الإلكترونات المتحركة أن تعيد توزيع نفسها عبر الموصل الموحّد.
ولأن الكرتين متماثلتان، فإنهما تصلان إلى الشحنة النهائية نفسها عندما تُقسَّم الشحنة الكلية بالتساوي.
والنقطة المهمة هي أن الكرة المتعادلة لا تصبح مشحونة لأن جسيمات موجبة انتقلت إليها. بل تصبح سالبة لأنها اكتسبت إلكترونات.
السؤال 3
يُقرَّب قضيب مشحون بشحنة سالبة من كرة معدنية متعادلة ومعزولة، لكنه لا يلمسها. يقول طالب: «يصبح الجانب الأقرب إلى القضيب موجبًا، لذلك لا بد أن الكرة أصبحت الآن ذات شحنة صافية موجبة.»
قيّم قول الطالب.
الحل 3
القول غير صحيح لأن الكرة مستقطبة، لكنها ما زالت ذات شحنة صافية تساوي صفرًا.
يتنافر القضيب السالب مع الإلكترونات المتحركة في الكرة ويدفعها نحو الجانب البعيد. وهذا يترك نقصًا في الإلكترونات على الجانب القريب، فيتصرف كموجب، بينما يوجد فائض من الإلكترونات على الجانب البعيد.
لكن لا يوجد مسار موصل يسمح للإلكترونات بالدخول إلى الكرة المعزولة أو الخروج منها. ولم يتغير العدد الكلي لإلكتروناتها.
لذلك،
\[
\boxed{Q_{\text{net}} = 0}
\]
مع أن توزيع شحنتها لم يعد منتظمًا.
الفخ هنا هو الخلط بين منطقة موجبة الشحنة وجسم ذي شحنة صافية موجبة.
السؤال 4
تحمل كرتان موصلتان متماثلتان ومعزولتان، A وB، شحنتين مقدارهما \(+14\ \text{nC}\) و\(-6\ \text{nC}\) على الترتيب. تُلامسان معًا ثم تُفصلان.
حدّد:
a. الشحنة النهائية على كل كرة
b. مقدار انتقال الإلكترونات واتجاهه
الحل 4
تنتهي كل كرة بشحنة مقدارها \(+4\ \text{nC}\)، وينتقل \(6.25 \times 10^{10}\) إلكترونًا من الكرة B إلى الكرة A.
أولًا، طبّق حفظ الشحنة الكلية:
\[
Q_{\text{total}} = +14\ \text{nC} – 6\ \text{nC} = +8\ \text{nC}
\]
ولأن الكرتين متماثلتان، تتوزع الشحنة بالتساوي:
\[
Q_A = Q_B = \frac{+8\ \text{nC}}{2} = \boxed{+4\ \text{nC}}
\]
والآن انظر إلى الكرة A. تتغير شحنتها من \(+14\ \text{nC}\) إلى \(+4\ \text{nC}\). وقد أصبحت أقل إيجابية بمقدار \(10\ \text{nC}\)، ولذلك لا بد أنها اكتسبت إلكترونات.
عدد الإلكترونات المنتقلة هو
\[
\begin{aligned}
N &= \frac{10 \times 10^{-9}}{1.60 \times 10^{-19}} \\
&= 6.25 \times 10^{10}
\end{aligned}
\]
لذلك،
\[
\boxed{6.25 \times 10^{10}\ \text{إلكترونًا}}
\]
تنتقل من B إلى A.
من الأخطاء الشائعة النظر فقط إلى الشحنات الموجبة النهائية واستنتاج أن شحنة موجبة انتقلت من A إلى B. أما على مستوى الجسيمات، فالإلكترونات هي التي تحركت في الاتجاه المعاكس.
السؤال 5
يحاول طالب شحن كرة معدنية متعادلة بالحث باستخدام قضيب مشحون بشحنة سالبة.
ينفذ الخطوات الآتية:
- يقرّب القضيب السالب من الكرة
- يصل الكرة بالأرض
- يبعد القضيب السالب
- يفصل اتصال الأرض
ويتوقع أن تبقى الكرة مشحونة بشحنة موجبة.
اشرح لماذا تفشل هذه الطريقة، واذكر الترتيب الصحيح.
الحل 5
تفشل الطريقة لأن القضيب يُبعَد بينما لا تزال الكرة مؤرضة، مما يسمح للإلكترونات بالعودة من الأرض وإعادة الكرة إلى حالة قريبة من التعادل.
عندما يكون القضيب السالب قريبًا في البداية، فإنه يتنافر مع إلكترونات الكرة. ومع تأريض الكرة، يمكن لبعض هذه الإلكترونات أن تتدفق إلى الأرض.
في تلك اللحظة، قد يكون لدى الكرة نقص في الإلكترونات.
لكن الطالب يبعد بعد ذلك القضيب السالب بينما يظل اتصال الأرض قائمًا. وقد اختفت القوة التي كانت تدفع الإلكترونات بعيدًا، لكن المسار الموصل إلى مستودع الإلكترونات في الأرض ما زال متاحًا. لذلك يمكن للإلكترونات أن تتدفق عائدة نحو الكرة.
الترتيب الصحيح هو:
- قرّب القضيب السالب من الموصل المتعادل
- صِل الموصل بالأرض
- افصل اتصال الأرض بينما يظل القضيب قريبًا
- أبعد القضيب
وهذا يترك الكرة بنقص في الإلكترونات، وبالتالي بشحنة صافية موجبة.
المسألة الخفية ليست مجرد حدوث التأريض من عدمه. فالترتيب الذي يُفصل به اتصال الأرض وتُبعَد به الشحنة المُحَرِّضة هو الذي يحدد ما إذا كانت الشحنة المنتقلة ستبقى محبوسة على الموصل.
السؤال 6
تُعلّق كرة موصلة صغيرة ومتعادلة بخيط عازل. ويُقرَّب منها قضيب مشحون بشحنة سالبة، فتتحرك الكرة نحو القضيب.
يستنتج طالب أنه لا بد أن الإلكترونات غادرت الكرة، فأصبحت موجبة الشحنة.
هل هذا الاستنتاج مبرر؟ اشرح ما الملاحظة الإضافية اللازمة للتمييز بين الاستقطاب والشحن الدائم.
الحل 6
لا. التجاذب وحده لا يثبت أن الكرة اكتسبت شحنة صافية موجبة.
يمكن لكرة موصلة متعادلة أن تنجذب إلى القضيب السالب بسبب الاستقطاب. إذ يتنافر القضيب مع الإلكترونات المتحركة ويدفعها نحو الجانب البعيد من الكرة، مما يترك الجانب الأقرب موجبًا نسبيًا.
ولأن الشحنة المخالفة أقرب إلى القضيب من الشحنة المماثلة الموجودة على الجانب البعيد، فقد يكون التجاذب أقوى من التنافر، مما ينتج قوة صافية باتجاه القضيب.
ولاختبار ما إذا كانت الكرة قد شُحنت بصورة دائمة، ينبغي إزالة القضيب الخارجي واختبار الشحنة الصافية للكرة بصورة مستقلة، مثلًا بدراسة تفاعلها مع شحنة معلومة في ظروف تؤخذ فيها آثار الاستقطاب المستحث في الحسبان.
إذا عادت الكرة إلى حالة متعادلة وغير مستقطبة بعد إزالة القضيب، فلم يكن التجاذب الأصلي يتطلب أي انتقال صافٍ للإلكترونات.
الفخ الأساسي هو افتراض أن التجاذب يثبت وجود شحنتين صافيتين متعاكستين. يمكن أن ينتج التجاذب إما من شحنتين صافيتين متعاكستين أو من الاستقطاب المستحث.
11ما الذي تتيح لك هذه الفكرة فهمه لاحقًا؟
يسهل التمييز بين الاحتكاك والتلامس والحث عندما تتتبع أمرين: انتقال الإلكترونات والاستقطاب.
ويصبح المنطق نفسه مفيدًا عندما تنتقل إلى دراسة المجالات الكهربائية والجهد الكهربائي. فالمجال الكهربائي الخارجي هو ما يدفع الإلكترونات المتحركة إلى إعادة توزيع نفسها داخل الموصل، بينما يساعد الجهد الكهربائي على تفسير سبب إعادة توزيع الشحنة حتى يصل الموصل إلى الاتزان الكهروستاتيكي.
عندما تتوقف عن التعامل مع «موجب» و«سالب» بوصفهما مجرد تسميتين، وتبدأ بدلًا من ذلك بتتبع الأماكن التي تستطيع الإلكترونات الانتقال إليها، تصبح الكهروستاتيكا أقل غموضًا بكثير.