الشحنة الكهربائية

مادة مشحونة كهربائيا

لاحظ أحد الأشياء من حولك. إذا حطمت شيئًا ما، كحجر مثلاً، فسوف ينقسم إلى عدة قطع أصغر. وإذا سُحق الحجر مرة أخرى، فسيتحول إلى قطع أصغر. ماذا لو سُحقت قطع الحجر مرة أخرى؟ بالطبع، ستُسحق وتتحول إلى قطع أصغر. هل يمكن تقسيم الصخور إلى قطع أصغر حتى تصبح لا نهائية؟ تُظهر الحقيقة أن أي جسم، إذا قُسّم إلى قطع أصغر، سيصل إلى نقطة لا يمكن عندها تقسيم أصغر جزء منه إلى قطع أصغر. يُسمى أصغر جزء من الجسم الذي لا يمكن تقسيمه أكثر من ذلك بالذرة. إذن، الذرة هي أصغر جزء من كل مادة في الكون.

الشحنة الكهربائية في الذرات

تتكون الذرات من إلكترونات وبروتونات ونيوترونات. تشكل البروتونات والنيوترونات نواة الذرة، التي يبلغ قطرها حوالي 10-15 ^مترًا . تقع الإلكترونات خارج النواة وتدور حولها كما تدور الكواكب حول الشمس. بافتراض أن قطر الذرة يبلغ عدة كيلومترات، فإن حجم النواة يُقارب حجم كرة البلياردو، وتقع الإلكترونات داخلها على مسافة تُقارب 10-10 ^أمتار . يوجد فراغ بين النواة والإلكترون.

تتمركز الإلكترونات سالبة الشحنة على أطراف الذرة، بينما تتمركز البروتونات موجبة الشحنة في النواة. وللحفاظ على دوران الإلكترونات حول النواة ومنعها من الهروب من الذرة، يجب أن تُمارس النواة موجبة الشحنة قوة جذب عليها. تُسمى هذه القوة، التي تُبقي الإلكترونات في مدارها حول النواة وتمنعها من الهروب، بالقوة الكهربائية.

على النقيض، تحتوي نواة الذرة على بروتونات موجبة الشحنة، لذا فهي تتنافر فيما بينها بشكل طبيعي لتشابه شحناتها. وللحفاظ على تماسك البروتونات داخل نواة الذرة ومنعها من الانفصال عنها، لا بد من وجود قوة تربطها ببعضها. تُسمى هذه القوة بالقوة النووية.

كتلة البروتون تكاد تساوي كتلة النيوترون. تتركز حوالي 99,9% من كتلة الذرة في النواة، بينما كتلة الإلكترونات ضئيلة جدًا. كتلة الإلكترون (m_{_e} ) = 9,1093897 × 10 ^{^-31} كجم، وكتلة النيوترون (m_{_n} ) = 1,6749286 × 10^{^-27} كجم، وكتلة البروتون (m _{_p} ) = 1,6726231 × 10^{^-27} كجم.

كمية الشحنة الكهربائية

الإلكترونات سالبة الشحنة، والبروتونات موجبة الشحنة، والنيوترونات متعادلة كهربائيًا. تتكون نواة الذرة من البروتونات والنيوترونات، التي تتألف بدورها من الكواركات، التي تبلغ شحنتها حوالي ثلث وثلثي شحنة الإلكترونات على التوالي. الكواركات هي أصغر الجسيمات المكونة للذرات، ولكن لم يُعثر حتى الآن على كواركات منفردة.

مقدار شحنة الإلكترون أو البروتون هو الوحدة الأساسية للشحنة. مقدار الشحنة الكهربائية لجسم ما هو مضاعف لشحنة الإلكترون أو البروتون. يُسمى هذا بالشحنة الكمية . على سبيل المثال، إذا كانت أصغر فئة نقدية نستخدمها هي 100 روبية، فإن المبلغ الذي يملكه الشخص يُعبّر عنه بمضاعفات أصغر فئة نقدية، وهي 100 روبية. على سبيل المثال، المبلغ الذي أملكه هو 100.000، ويمكن قسمة هذا المبلغ على 100. سيكون من الغريب أن يكون المبلغ الذي أملكه 100.002 روبية لأنه لا توجد فئة نقدية من فئة 2 روبية. وبالمثل، فإن مقدار شحنة الجسم هو مضاعف لشحنة الإلكترون (-e) ومقدار شحنة البروتون (+e). مقدار شحنة الجسم هو مضاعف لشحنة الإلكترون (e) أو 1,60 × 10⁻¹⁹ ^كولوم ، ويمكن التعبير عنه بالمعادلة Q = ±Ne. Q = مقدار الشحنة، ± يمثل نوع الشحنة، N = عدد صحيح، e = 1,60 × 10 ^-19 كولوم.

الشحنة الكهربائية في الأجسام

إذا احتوت الذرة على نفس عدد الإلكترونات والبروتونات، فإن الشحنة الكهربائية الكلية فيها تساوي صفرًا، وتكون الذرة متعادلة كهربائيًا. يُسمى عدد البروتونات أو الإلكترونات في الذرة المتعادلة بالعدد الذري (Z) . إذا كان عدد الإلكترونات أكبر من عدد البروتونات، تكون الذرة سالبة الشحنة. وعلى العكس، إذا كان عدد الإلكترونات أقل من عدد البروتونات، تكون الذرة موجبة الشحنة. تُسمى الذرات سالبة الشحنة بالأيونات السالبة ، بينما تُسمى الذرات موجبة الشحنة بالأيونات الموجبة . تُسمى عملية امتصاص أو إطلاق الإلكترونات من الذرة بالتأين . عندما نقول إن الذرة مشحونة، فإننا نعني الشحنة الكلية أو الشحنة الصافية. على سبيل المثال، ذرة تحتوي على 10 إلكترونات و7 بروتونات. هذه الذرة سالبة الشحنة لأن لديها 3 إلكترونات سالبة الشحنة زائدة. لذا فإن الشحنة الصافية لهذه الذرة هي 3، ونوع شحنتها سالب. الأرقام 3 و7 و10 هي مجرد أمثلة لتسهيل الفهم. في الواقع، مقدار الشحنة الكهربائية لجسم ما هو مضاعف لشحنة الإلكترون أو شحنة البروتون.

إذا كان عدد الإلكترونات في جسم ما مساويًا لعدد البروتونات، فإنه يكون متعادلًا كهربائيًا. أما إذا كان عدد الإلكترونات فيه أكبر من عدد البروتونات، فإنه يحمل شحنة سالبة، والعكس صحيح. ويمكن جعل جسم متعادل كهربائيًا في البداية سالب الشحنة بإضافة إلكترونات إليه، بينما يمكن جعله موجب الشحنة بتقليل عدد الإلكترونات فيه.