Tالطبيعة الكهربائية للمادة متأصلة في التركيب الذري. تتكون الذرة من نواة صغيرة ضخمة نسبيًا تحتوي على جسيمات تسمى البروتونات والنيوترونات. البروتون لديه كتلة $1.673 \times 10^{-21}$ كجم، والنيوترون لديه كتلة أكبر قليلاً من $1.675 \times 10^{-21}$ كجم. تحيط بالنواة سحابة منتشرة من الجسيمات التي تدور حولها تسمى الإلكترونات. كتلة الإلكترون تساوي $9.11 \times 10^{-31}$ كجم.

 

مثل الكتلة، الشحنة الكهربائية هي خاصية جوهرية للبروتونات والإلكترونات، وتم اكتشاف نوعين فقط من الشحنات، الإيجابية والسلبية. البروتون له شحنة موجبة، والإلكترون له شحنة سالبة. لا يحتوي النيوترون على شحنة كهربائية صافية. وتكشف التجربة أن حجم الشحنة على البروتون يساوي بالضبط حجم الشحنة على الإلكترون؛ يحمل البروتون شحنة $+e$، والإلكترون يحمل شحنة $-e$. وحدة قياس مقدار الشحنة الكهربائية في النظام الدولي هي الكولوم (C) [the definition of the coulomb depends on electric currents and magnetic fields]، و $e$ تم تحديدها تجريبيا لتكون لها القيمة $e = 1.60 \times 10^{-19}$ C.

الرمز $e$ يمثل فقط حجم الشحنة على البروتون أو الإلكترون ولا يتضمن الإشارة الجبرية التي تشير إلى ما إذا كانت الشحنة موجبة أم سالبة.

في الطبيعة، توجد الذرات عادةً بأعداد متساوية من البروتونات والإلكترونات. عادة، لا تحمل الذرة أي شحنة صافية لأن المجموع الجبري للشحنة الموجبة للنواة والشحنة السالبة للإلكترونات يساوي صفرًا. عندما لا تحمل ذرة أو أي جسم أي شحنة صافية، يقال إن الجسم متعادل كهربائيًا. النيوترونات الموجودة في النواة هي جسيمات متعادلة كهربائيا.

 

تتراكم الشحنات ذات الحجم الأكبر من شحنة الإلكترون أو البروتون على جسم ما عن طريق إضافة أو إزالة الإلكترونات. وبالتالي، أي تهمة من حيث الحجم $q$ هو عدد صحيح مضاعف $e$; إنه، $$q = Ne$$، حيث N عدد صحيح. لأن أي شحنة كهربائية $q$ يحدث في مضاعفات عددية من الشحنات الأولية غير القابلة للتجزئة ذات الحجم $e$يقال أن الشحنة الكهربائية مكممة.

 

ما هو عدد الإلكترونات التي تشكِّل كولوم واحد من الشحنة السالبة؟

لا يمكن للشحنة الكهربائية أن توجد على جسم ما فحسب، بل يمكنها أيضًا أن تتحرك خلال الجسم. ومع ذلك، تختلف المواد بشكل كبير في قدرتها على السماح للشحنات الكهربائية بالتحرك أو النقل من خلالها. وللمساعدة في توضيح هذه الاختلافات في الموصلية، يشير الشكل إلى توصيل الحرارة عبر شريط من المادة يتم الحفاظ على نهاياته عند درجات حرارة مختلفة. توصل المعادن الحرارة بسهولة، ولذلك تُعرف بالموصلات الحرارية. ومن ناحية أخرى، تسمى المواد التي توصل الحرارة بشكل سيء بالعوازل الحرارية. تنشأ حالة مشابهة لتوصيل الحرارة عندما يتم وضع قضيب معدني بين جسمين مشحونين، كما في الشكل. يتم توصيل الإلكترونات عبر الشريط من الجسم المشحون بشحنة سالبة نحو الجسم المشحون بشحنة موجبة. تسمى المواد التي توصل الشحنات الكهربائية بسهولة بالموصلات الكهربائية. على الرغم من وجود استثناءات، إلا أن الموصلات الحرارية الجيدة هي موصلات كهربائية جيدة بشكل عام. تعتبر المعادن مثل النحاس والألومنيوم والفضة والذهب موصلات كهربائية ممتازة، وبالتالي تستخدم في الأسلاك الكهربائية. تُعرف المواد التي لا تقوم بتوصيل الشحنة الكهربائية بشكل جيد بالعوازل الكهربائية. في كثير من الحالات، تكون العوازل الحرارية أيضًا عوازل كهربائية. العوازل الكهربائية الشائعة هي المطاط والعديد من البلاستيك والخشب. تمنع العوازل، مثل المطاط أو البلاستيك الذي يغطي الأسلاك الكهربائية، الشحنة الكهربائية من الانتقال إلى مكان غير مرغوب فيه.

يرتبط الفرق بين الموصلات الكهربائية والعوازل بالتركيب الذري. عندما تدور الإلكترونات حول النواة، تتعرض الإلكترونات الموجودة في المدارات الخارجية لقوة جذب أضعف للنواة مقارنة بالإلكترونات الموجودة في المدارات الداخلية. وبالتالي، يمكن إزاحة الإلكترونات الخارجية (وتسمى أيضًا إلكترونات التكافؤ) بسهولة أكبر من إزاحة الإلكترونات الداخلية. في الموصل الجيد، تنفصل بعض إلكترونات التكافؤ عن الذرة الأم وتتجول بحرية أكثر أو أقل في جميع أنحاء المادة، ولا تنتمي إلى ذرة واحدة على وجه الخصوص. ويعتمد العدد الدقيق للإلكترونات المنفصلة عن كل ذرة على طبيعة المادة، ولكنه عادة ما يتراوح بين واحد وثلاثة. عندما يتم وضع أحد طرفي قضيب التوصيل في اتصال مع جسم مشحون بشحنة سالبة والطرف الآخر في اتصال مع جسم مشحون بشحنة موجبة، كما هو موضح في الشكل، تكون الإلكترونات "الحرة" قادرة على التحرك بسهولة بعيدًا عن الطرف السالب ونحو الطرف الموجب. إن الحركة الجاهزة للإلكترونات هي السمة المميزة للموصل الجيد. يختلف الوضع في العازل، حيث يوجد عدد قليل جدًا من الإلكترونات حرة الحركة في جميع أنحاء المادة. في الواقع، يظل كل إلكترون مرتبطًا بذرته الأم. بدون الإلكترونات "الحرة"، يكون تدفق الشحنة قليلًا جدًا عند وضع المادة بين جسمين مشحونين بشكل متعاكس، وبالتالي تكون المادة عازلًا كهربائيًا.

للكهرباء العديد من التطبيقات المفيدة التي ظهرت بسبب إمكانية نقل الشحنة الكهربائية من جسم إلى آخر. عادة يتم نقل الإلكترونات، والجسم الذي يكتسب الإلكترونات يكتسب فائضا من الشحنة السالبة. الجسم الذي يفقد الإلكترونات لديه فائض من الشحنة الموجبة. يحدث هذا الانفصال للشحنات غالبًا عندما يتم فرك مادتين مختلفتين معًا.

على سبيل المثال، عند فرك قضيب الإيبونيت (المطاط الأسود الصلب) على فراء الحيوانات، يتم نقل بعض الإلكترونات من ذرات الفراء إلى القضيب. ويصبح الإيبونيت مشحونًا بشحنة سالبة، ويصبح الفراء مشحونًا بشحنة موجبة، كما يوضح الشكل.

وبالمثل، إذا تم فرك قضيب زجاجي بقطعة قماش حريرية، يتم إزالة بعض الإلكترونات من ذرات الزجاج وتترسب على الحرير، ويترك الحرير مشحونًا بشحنة سالبة والزجاج مشحونًا بشحنة موجبة. هناك العديد من الأمثلة المألوفة لفصل الشحنات، كما هو الحال عند المشي عبر سجادة من النايلون أو تمرير المشط خلال الشعر الجاف. في كل حالة، تصبح الأجسام "مكهربة" عندما تحتك الأسطح ببعضها البعض.

QUERY LENGTH LIMIT EXCEEDED. MAX ALLOWED QUERY : 500 CHARS

تلعب الشحنات الكهربائية دورًا في العديد من المواقف بخلاف فرك سطحين معًا. فهي تشارك، على سبيل المثال، في التفاعلات الكيميائية، والدوائر الكهربائية، والتحلل الإشعاعي. لقد أثبت عدد كبير من التجارب أنه في أي حالة، يتم الالتزام بقانون حفظ الشحنة الكهربائية.

قانون الحفاظ على الشحنة الكهربائية:

أثناء أي عملية، يظل صافي الشحنة الكهربائية لنظام معزول ثابتًا (محفوظًا).

 

 

عند فرك قضيب إيبونيت مشحون بشحنة سالبة على جسم معدني، مثل الكرة الموضحة في الشكل، فإن بعض الإلكترونات الزائدة من القضيب تنتقل إلى الجسم. بمجرد أن تكون الإلكترونات على الكرة المعدنية (حيث يمكنها التحرك بسهولة) ويتم إزالة القضيب، فإنها تتنافر وتنتشر على سطح الكرة. يمنعها الحامل المعزول من التدفق إلى الأرض، حيث يمكن أن تنتشر بشكل أكبر. كما هو موضح في الجزء الثاني من الشكل، تُركت الكرة بشحنة سالبة موزعة على سطحها. وبطريقة مماثلة، ستُترك الكرة بشحنة موجبة بعد فركها بقضيب مشحون بشحنة موجبة. في هذه الحالة، سيتم نقل الإلكترونات من الكرة إلى القضيب. تُعرف عملية إعطاء شحنة كهربائية صافية لجسم ما عن طريق ملامسته لجسم آخر مشحون بالفعل بالشحن عن طريق التلامس.

[see Electric Force to understand this method to Charge Objects]

من الممكن أيضًا شحن الموصل بطريقة لا تتضمن الاتصال. في الشكل، يتم تقريب قضيب مشحون بشحنة سالبة من كرة معدنية، لكنه لا يلمسها. في الكرة، تتحرك الإلكترونات الحرة الأقرب إلى القضيب إلى الجانب الآخر، كما يشير الجزء الأول من الرسم. ونتيجة لذلك، فإن الجزء الأقرب من القضيب من الكرة يصبح مشحونًا بشحنة موجبة والجزء الأبعد يصبح سالبًا. تم "تحريض" أو "إقناع" هذه المناطق المشحونة إيجابيا وسلبيا بالتشكل بسبب القوة التنافرية بين القضيب السالب والإلكترونات الحرة في الكرة. فإذا أزيل القضيب، تعود الإلكترونات الحرة إلى أماكنها الأصلية، وتختفي المناطق المشحونة.

في معظم الظروف، تكون الأرض موصلة جيدة للكهرباء. لذلك عندما يتم توصيل سلك معدني بين الكرة والأرض، كما في الجزء الثاني من الشكل، فإن بعض الإلكترونات الحرة تترك الكرة وتتوزع على الأرض الأكبر بكثير. إذا تمت إزالة سلك التأريض، متبوعًا بقضيب الإيبونيت، فسيتم ترك الكرة بشحنة موجبة، كما يظهر في الجزء الثالث من الصورة. تسمى عملية إعطاء جسم واحد شحنة كهربائية صافية دون ملامسة الجسم لجسم آخر مشحون بالشحن بالحث. يمكن أيضًا استخدام هذه العملية لإعطاء الكرة صافي شحنة سالبة، إذا تم استخدام قضيب مشحون بشحنة موجبة. بعد ذلك، سيتم سحب الإلكترونات من الأرض عبر سلك التأريض إلى الكرة.

إذا كانت الكرة في الشكل مصنوعة من مادة عازلة مثل البلاستيك، بدلاً من المعدن، فإن طريقة إنتاج شحنة صافية عن طريق الحث لن تنجح، لأن كمية قليلة جداً من الشحنة سوف تتدفق عبر المادة العازلة وأسفل سلك التأريض. ومع ذلك، فإن القوة الكهربائية للقضيب المشحون سيكون لها بعض التأثير على المادة العازلة.

تتسبب القوة الكهربائية في انفصال الشحنات الموجبة والسالبة في جزيئات المادة قليلًا، مع "دفع" الشحنات السالبة بعيدًا عن القضيب السالب، كما يوضح الشكل. على الرغم من عدم إنشاء أي شحنة صافية، إلا أن سطح البلاستيك يكتسب شحنة موجبة مستحثة طفيفة وينجذب إلى القضيب السالب. وينجذب على الرغم من قوة التنافر بين القضيب السالب والشحنات السالبة في البلاستيك. وذلك لأن الشحنات السالبة الموجودة في البلاستيك تكون أبعد عن القضيب من الشحنات الموجبة.

ولسبب مماثل، يمكن أن تلتصق قطعة من القماش بقطعة أخرى في الظاهرة المعروفة باسم "التشبث الساكن"، والتي تحدث عندما تكتسب قطعة من الملابس شحنة كهربائية أثناء سقوطها في مجفف الملابس.