الكهرباء و المغناطيسية
الكهرباء و المغناطيسية يكونان معًا القوة الكهرومغناطيسية , و هي من القوى الأساسية في الكون . و في الحقيقة فإنها غيرت أسلوب الحياة بشكل كبير , فالمولدات الكهربية تولد التيار الكهربي نتيجة حركة ملفاتها في مجال مغناطيسي , فتوفر لنا الضوء و الحرارة بضغطة زر ! . و المحركات الكهربية تحول التأثيرات الكهربية في مجالات مغناطيسية إلى حركة تدير لنا الماكينات بجهد ضئيل منا . و الإلكترونيات بمقوماتها التحكمية تيسر لنا استخدام الكهرباء و المغناطيسية بأشكال متعددة في تقنيات الراديو و الرادار و الحاسب الآلي و غيرها , فعلى سبيل المثال : المرضى الذين يحتاجون إلى عناية و مراقبة مستمرة في المستشفيات نستخدم معدات إلكترونية لمراقبة أوضاعهم , فإذا حدث تغير خطير في حالتهم من التنفس أو ضربات القلب تطلق تلك المعدات صفير إنذار لاستدعاء الممرضات و الأطباء لمعالجة ذلك . حقًا من الصعب أن نتخيل الحياة بدون الطاقة الكهرومغناطيسية.
الإلكترون و الكوارك :
تتكون جميع المواد في الكون المنظور من نوعين من الجسيمات الدقيقة – الإلكترونات و الكواركات . و تكون الكواركات جسيمات أكبر هي البروتونات و النيوترونات . فالبروتون يتكون من كواركين يحمل كل منهما ثلثي وحدة شحنة موجبة و كوارك يحمل ثلث وحدة شحنة سالبة . أما النيوترون فيتكون من كواركين يحمل كل منهما ثلث وحدة شحنة سالبة و كوارك يحمل ثلثي وحدة شحنة موجبة . و تلغي الشحنات بعضها بعضًا ؛ فإجمالي الشحنة الموجبة على النيوترون يساوي إجمالي الشحنة السالبة بالتالي النيوترون متعادل كهربيًا – كما حفظنا ذلك في المدرسة بدون أن نفهم السبب - .
الكهربية الساكنة :
إذا دلكت مشطًا بثيابك سيكتسب المشط شحنة كهربية ساكنة و إذا قربت هذا المشط المشحون من ماء مسال من الصنبور ستلاحظ انحرافه نحو المشط . ماذا حدث ؟ إن الشحنات السالبة على المشط تشحن الماء المسال بالتأثير منافرة الشحنات السالبة في الجانب المقابل له , فيصبح موجب الشحنة و ينجذب نحو المشط – في حين يصبح الجانب الأبعد من الماء سالب الشحنة و يتنافر . و ندعو تلك الظاهرة بالحث الإلكتروستاتيكي .
و من المعلوم أن البرق ناتج الكهرباء الساكنة , حيث تكون أجزاء من السحابة حاملة لشحنات سالبة و أجزاء أخرى حاملة لشحنات موجبة . و قد تقفز الشحنات بين أجزاء السحابة المختلفة , أو من السحاب إلى الأرض – قانون الجذب و التنافر - , مما يؤدي إلى توليد الشرارة الكهربية الضخمة التي نسميها البرق . و تجربة بنجامين فرانكلين مع البرق معروفة جيدًا , و قد تمكن بعد نجاح هذه التجربة من اختراع مانعة الصواعق عام 1753 م .
و للكهرباء الساكنة استخدامات عديدة , فمثلًا الناسخات الضوئية – أو ماكينات التصوير الورقية – تصنع نسخًا من المادة المطبوعة أو المكتوبة بجذب جسيمات التونر – الحبر المسحوق – إلى الورقة موجبة الشحنة . و تستخدم الكهرباء الساكنة أيضًا في المنظفات الهوائية المعروفة بالمرسبات الإلكتروستاتيكية .
الموصلات و العوازل و المواد فائقة التوصيل :
ندعو الأسلاك النحاسية في الكابلات الكهربية موصلات ؛ لأنها توصل التيار الكهربي , أي تسمح له بالمرور عبرها , حيث يحتوي فلز النحاس على إلكترونات طليقة – حرة الحركة - تستطيع الانتقال من ذرة لأخرى . أما الطبقة البلاستيكية المغلفة لهذه الأسلاك فندعوها بالعوازل , حيث لا تحتوي إلكترونات طليقة – حرة الحركة – فتمنع سريان التيار الكهربي خلالها .
المواد فائقة التوصيل للكهرباء ضئيلة المقاومة لسريان التيار . و في فلزات معينة كالقصدير و الرصاص تقارب هذه المقاومة الصفر عند تبريد هذه المواد إلى درجة حرارة منخفضة جدًا ؛ فتصبح المواد فائقة التوصيل . لكن للأسف التكلفة عالية لأنها تتطلب تبريدًا دائمًا بالنيتروجين أو الهيليوم السائلين . و حاليًا يعمل العلماء على إيجاد موصلات فائقة التوصيل تعمل على درجة حرارة الغرفة .
سريان الإلكترونات :
ظل العلماء يعتقدون أن الكهرباء في البطارية تسري من طرفها – قطبها – الموجب إلى السالب , و هو ما نسميه الآن التيار الاصطلاحي . و لكن تبين بعد ذلك أن الإلكترونات تسري من الطرف السالب للبطارية إلى الموجب .
الكهرباء و الأيونات :
يسري التيار الكهربي في بعض المحاليل , ليس كإلكترونات , و لكن كجسيمات مشحونة تدعى أيونات . الأيون ذرة أو مجموعة ذرات اكتسبت إلكترونات أو فقدتها، واكتسبت بذلك شحنة كهربائية. و الطلاء الكهربي تطبيق عملي على ذلك : فالجسم المطلوب طلاؤه , كالملعقة أو مقبض الباب , يوصل بالقطب السالب للبطارية , و يسمى في هذه الحالة الإلكترود السالب , ليجذب إليه الأيونات الموجبة من المحلول – كمحلول كبريتات الفضة أو كبريتات النحاس - , كأيونات الفضة أو النحاس , و التي تترسب عليه و ينطلي بها .
الأنقليس الكهربي :
جميع الحيوانات تستخدم شحنات كهربية ضئيلة في أجهزتها العصبية و العضلية , و يستطيع بعضها , كالأنقليس الكهربائي Electrophorus electricus إحداث صدمة كهربائية تكفي لقتل فرائسه . و يشغل العضو الكهربائي قسمًا كبيرًا من جسم الأنقليس , و يتألف من عضلات خاصة تحشد فيها الكهرباء بحركة الأيونات , و تفرغ عند الحاجة دفعة واحدة مولدة حوالي 650 فولت ! و هي كمية كافية لصعق إنسان .
و من الجدير بالذكر أن في جسم الإنسان تنتقل الإشارات الكهربية عبر الأعصاب , حاملة المعلومات من الجهاز العصبي و إليه , و هذه الإشارات هي التي تسبب حركة العضلات و نبض القلب و تنظم معدل هذا النبض . فإذا تم صعق الإنسان بالتيار الكهربي يتم تعطل عمل هذه الإشارات , مما يؤدي إلى تقلص العضلات و فشل القلب و الرئتين , و أحيانًا الوفاة , كما من الممكن أن يتم حرق الجلد و الأنسجة حسب شدة التيار الصاعق للجسم .
علاقة الكهربية بالمغناطيسية :
حركة الشحنات الكهربية تنتج مجالًا مغناطيسيًا , فإذا تم إمرار تيار كهربي عبر سلك نحاسي ملفوف سيتحول الملف النحاسي إلى مغناطيس مؤقت يسمى المغناطيس الكهربي , و هذه هي فكرة عمل الجرس الكهربي . و يستمر الملف مغناطيسًا طالما استمر مرور التيار فيه . كما أن المجالات المغناطيسية المتغيرة تنتج تيارًا كهربيًا , عن طريق ما نسميه الحث الكهرومغناطيسي , حيث يتحرك ملف سلكي بالقرب من مغناطيس , أو بين قطبي مغناطيس على شكل حدوة الفرس , فيمر تيار كهربي عبر السلك , يستمر مروره طالما استمرت الحركة , و هذه هي فكرة عمل المولد الكهربي – الدينامو - .
و المجالات الكهربية و المغناطيسية المتغيرة تنتج الموجات الكهرومغناطيسية التي تنتقل في الفراغ بسرعة الضوء – 300000000 متر كل ثانية , و من أمثلة هذه الموجات : موجات الضوء و الأشعة تحت الحمراء و الأشعة فوق البنفسجية و موجات الميكرو ويف – الموجات الدقيقة – و أشعة إكس أو ما نسميها الأشعة السينية , أشعة جاما الصادرة عن بعض التفاعلات النووية .
و من الجدير بالذكر أن عالم الفيزياء جيمس كلارك ماكسويل James Clerk Maxwell , 13 June 1831 , و حتى 5 November 1879 أوضح في معادلاته أن الضوء و الكهربية و المغناطيسية جميعها مظاهر واحدة لنفس الظاهرة التي تسمى بالمجال الكهرومغناطيسي .
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق