الحث الكهروستاتيكي

الحث الكهروستاتيكي ، المعروف أيضًا باسم "التأثير الكهروستاتيكي" أو ببساطة "التأثير" في أوروبا وأمريكا اللاتينية، هو إعادة توزيع الشحنة الكهربائية في جسم ما نتيجة لتأثير الشحنات المجاورة. ^{[ 1 ]} في وجود جسم مشحون، يتولد على موصل معزول شحنة موجبة عند أحد طرفيه وشحنة سالبة عند الطرف الآخر. ^{[ 1 ]} دُرست طبيعة الحث الكهروستاتيكي في منتصف القرن الثامن عشر. وتستخدم المولدات الكهروستاتيكية ، مثل آلة ويمشورست ومولد فان دي غراف وجهاز الإلكتروفوروس ، هذا المبدأ. وبسبب الحث، يكون الجهد الكهروستاتيكي ( الفولتية ) ثابتًا عند أي نقطة في الموصل. ^{[ 2 ]} كما أن الحث الكهروستاتيكي مسؤول عن انجذاب الأجسام الخفيفة غير الموصلة، مثل البالونات أو قصاصات الورق أو الستايروفوم، إلى الشحنات الكهربائية الساكنة. وتُطبق قوانين الحث الكهروستاتيكي في الحالات الديناميكية طالما كان تقريب شبه السكون صالحًا.

كانت ظاهرة الحث معروفة جيدًا قبل فهمها. قدّم العالم البريطاني إسحاق نيوتن تقريرًا عنها إلى الجمعية الملكية عام 1675. ^{[ 3 ]} أدت دراسة تفصيلية أجراها العالم البريطاني جون كانتون عام 1753 والأستاذ السويدي يوهان كارل ويلكه عام 1762 إلى قيام كانتون وبنجامين فرانكلين وفرانز إيبينوس بتطوير تفسيرات لها استنادًا إلى النظريات السائدة آنذاك في مجال الكهرباء. ^{[ 4 ] : ​​52 [ 5 ]}

عرض توضيحي للحث الكهروستاتيكي، في سبعينيات القرن التاسع عشر. وُضِعَ القطب الموجب لجهاز كهروستاتيكي (على اليمين) بالقرب من أسطوانة نحاسية غير مشحونة (على اليسار) ، مما أدى إلى اكتساب الطرف القريب من الأسطوانة شحنة سالبة والطرف البعيد شحنة موجبة. تُظهر المكشافات الكهربائية الصغيرة المعلقة من أسفل الأسطوانة أن الشحنة تتركز عند الطرفين.

حبات من الفوم عالقة بفرو قطة. تتراكم شحنة كهربائية ساكنة على فرو القطة نتيجة الاحتكاك الناتج عن حركاتها. يتسبب المجال الكهربائي لهذه الشحنة في استقطاب جزيئات الفوم بفعل الحث الكهروستاتيكي، مما يؤدي إلى انجذاب طفيف للفوم نحو الفرو المشحون.

تحتوي قطعة المادة غير المشحونة عادةً على أعداد متساوية من الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة في كل جزء منها، وتكون هذه الشحنات متقاربة، لذا لا يوجد جزء منها يحمل شحنة كهربائية صافية. ^{[ 6 ] : ص 711-712.} الشحنات الموجبة هي أنوية الذرات المرتبطة ببنية المادة وغير قادرة على الحركة بحرية. أما الشحنات السالبة فهي إلكترونات الذرات . في الأجسام الموصلة للكهرباء ، مثل المعادن، تستطيع بعض الإلكترونات الحركة بحرية داخل الجسم.

عند تقريب جسم مشحون من جسم غير مشحون موصل للكهرباء ، كقطعة معدنية مثلاً، فإن قوة الشحنة المجاورة، وفقاً لقانون كولوم، تُسبب فصل الشحنات الداخلية. ^{[ 6 ] : ص 712.} على سبيل المثال، إذا قُربت شحنة موجبة من الجسم (انظر صورة قطب أسطواني بالقرب من جهاز كهرساكن)، فإن الإلكترونات في المعدن ستنجذب نحوه وتتحرك إلى جانب الجسم المواجه له. وعندما تخرج الإلكترونات من منطقة ما، فإنها تترك شحنة موجبة غير متوازنة ناتجة عن النوى. ينتج عن ذلك منطقة ذات شحنة سالبة على الجسم الأقرب إلى الشحنة الخارجية، ومنطقة ذات شحنة موجبة على الجزء الأبعد عنها. تُسمى هذه الشحنات بالشحنات المستحثة . إذا كانت الشحنة الخارجية سالبة، فإن قطبية المناطق المشحونة ستنعكس.

بما أن هذه العملية مجرد إعادة توزيع للشحنات الموجودة مسبقًا في الجسم، فإنها لا تُغير الشحنة الكلية عليه؛ إذ يبقى الجسم خاليًا من الشحنة الصافية. هذا التأثير الحثي قابل للانعكاس؛ فإذا أُزيلت الشحنة المجاورة، فإن التجاذب بين الشحنات الداخلية الموجبة والسالبة يؤدي إلى اختلاطها مجددًا.

مع ذلك، يمكن استخدام تأثير الحث أيضًا لشحن جسم ما بشحنة صافية. ^{[ 6 ] : ص 711-713.} إذا تم توصيل الجسم المذكور أعلاه، وهو قريب من شحنة موجبة، مؤقتًا عبر مسار موصل بالأرض الكهربائية ، التي تُعد خزانًا كبيرًا للشحنات الموجبة والسالبة، فإن بعض الشحنات السالبة الموجودة في الأرض ستتدفق إلى الجسم بفعل جاذبية الشحنة الموجبة المجاورة. وعند انقطاع الاتصال بالأرض، يتبقى على الجسم شحنة سالبة صافية.

يمكن توضيح هذه الطريقة باستخدام مكشاف كهربائي ذي ورقتين ذهبيتين ، وهو جهاز يُستخدم للكشف عن الشحنة الكهربائية. يُفرغ المكشاف أولًا من شحنته، ثم يُقرّب جسم مشحون من طرفه العلوي. يُحدث الحث فصلًا للشحنات داخل قضيب المكشاف المعدني، بحيث يكتسب الطرف العلوي شحنة صافية ذات قطبية معاكسة لقطبية الجسم، بينما تكتسب الورقتان الذهبيتان شحنة من نفس القطبية. ولأن الورقتين تحملان نفس الشحنة، فإنهما تتنافران وتتباعدان. لم يكتسب المكشاف شحنة صافية، بل أُعيد توزيع الشحنة داخله فقط، لذا إذا أُبعد الجسم المشحون عن المكشاف، ستعود الورقتان إلى بعضهما.

لكن إذا حدث تلامس كهربائي قصير بين طرف جهاز الكشف الكهربائي والأرض ، مثلاً بلمس الطرف بإصبع، فإن ذلك يتسبب في تدفق الشحنة من الأرض إلى الطرف، منجذبةً بشحنة الجسم القريب من الطرف. تُعادل هذه الشحنة الشحنة الموجودة في رقائق الذهب، فتتقارب الرقائق مرة أخرى. يحتوي جهاز الكشف الكهربائي الآن على شحنة صافية معاكسة في قطبيتها لشحنة الجسم المشحون. عند قطع التلامس الكهربائي مع الأرض، مثلاً برفع الإصبع، لا تستطيع الشحنة الزائدة التي تدفقت للتو إلى جهاز الكشف الكهربائي أن تتسرب، ويحتفظ الجهاز بشحنة صافية. تُحفظ الشحنة في الجزء العلوي من طرف جهاز الكشف الكهربائي بفعل جاذبية الشحنة المُستحثة. ولكن عند إبعاد الشحنة المُستحثة، تتحرر الشحنة وتنتشر في جميع أنحاء طرف جهاز الكشف الكهربائي وصولاً إلى الرقائق، فتتباعد رقائق الذهب مرة أخرى.

تكون إشارة الشحنة المتبقية على الكاشف الكهربائي بعد التأريض معاكسة دائمًا لإشارة الشحنة الخارجية المحفزة. ^{[ 7 ]} قاعدتا الحث هما: ^{[ 7 ] [ 8 ]}

• إذا لم يكن الجسم مؤرضًا، فإن الشحنة القريبة ستحث شحنات متساوية ومتعاكسة في الجسم.
• إذا تم تأريض أي جزء من الجسم مؤقتًا أثناء وجود الشحنة المحفزة بالقرب منه، فسيتم جذب شحنة معاكسة في القطبية للشحنة المحفزة من الأرض إلى الجسم، وسيبقى الجسم بشحنة معاكسة للشحنة المحفزة.

يبقى السؤال المطروح هو حجم الشحنات المستحثة. ينشأ تحرك الشحنات بفعل القوة التي يؤثر بها المجال الكهربائي للجسم الخارجي المشحون، وفقًا لقانون كولوم . ومع استمرار تباعد الشحنات داخل الجسم المعدني، تُنشئ المناطق الموجبة والسالبة الناتجة مجالًا كهربائيًا خاصًا بها، يُعاكس مجال الشحنة الخارجية. ^{[ 2 ]} تستمر هذه العملية حتى يتحقق التوازن بسرعة فائقة (في جزء من الثانية)، حيث تكون الشحنات المستحثة بالحجم والشكل المناسبين تمامًا لإلغاء المجال الكهربائي الخارجي في جميع أنحاء الجسم المعدني. ^{[ 2 ] [ 9 ]} عندئذٍ، لا تشعر الشحنات المتحركة المتبقية (الإلكترونات) داخل المعدن بأي قوة، ويتوقف صافي حركة الشحنات. ^{[ 2 ]}

بما أن الشحنات المتحركة (الإلكترونات) داخل جسم معدني حرة الحركة في أي اتجاه، فلا يمكن أن يوجد تركيز ثابت للشحنة داخل المعدن؛ فلو وُجد، لتشتتت بسبب التنافر المتبادل. ^{[ 2 ]} لذلك، في الحث الكهرومغناطيسي، تتحرك الشحنات المتحركة عبر المعدن تحت تأثير الشحنة الخارجية بطريقة تحافظ على التعادل الكهربائي الموضعي؛ ففي أي منطقة داخلية، يكون عدد الإلكترونات لكل وحدة حجم مساويًا للقيمة الصحيحة بحيث تُعادل الشحنة السالبة للإلكترونات الشحنة الموجبة للنوى. تتحرك الإلكترونات حتى تصل إلى سطح المعدن وتتجمع هناك، حيث يُقيدها السطح من الحركة. ^{[ 2 ]} السطح هو الموقع الوحيد الذي يمكن أن توجد فيه شحنة كهربائية صافية. ^{[ 6 ] : ص 754}

يُرسّخ هذا المبدأ القائل بأن الشحنات الكهروستاتيكية على الأجسام الموصلة تتمركز على سطحها. ^{[ 2 ] [ 9 ]} تُحدث المجالات الكهربائية الخارجية شحنات سطحية على الأجسام المعدنية تُلغي المجال الموجود داخلها تمامًا. ^{[ 2 ]}

يُعرَّف الجهد الكهروستاتيكي أو الفولتية بين نقطتين بأنه الطاقة (الشغل) اللازمة لتحريك شحنة موجبة صغيرة عبر مجال كهربائي بين النقطتين، مقسومة على حجم الشحنة. إذا كان هناك مجال كهربائي موجه من النقطة${\displaystyle \mathbf {b} }$للإشارة${\displaystyle \mathbf {a} }$ثم سيؤثر بقوة على شحنة متحركة من${\displaystyle \mathbf {a} }$ ل${\displaystyle \mathbf {b} }$سيتعين بذل شغل على الشحنة بواسطة قوة لتحريكها إلى${\displaystyle \mathbf {b} }$في مواجهة قوة المجال الكهربائي المعاكسة، ستزداد طاقة الوضع الكهروستاتيكية للشحنة. وبالتالي، سيزداد الجهد عند النقطة. ${\displaystyle \mathbf {b} }$أعلى من النقطة${\displaystyle \mathbf {a} }$المجال الكهربائي${\displaystyle \mathbf {E} (\mathbf {x} )}$في أي وقت${\displaystyle \mathbf {x} }$هو تدرج (معدل التغير) الجهد الكهروستاتيكي${\displaystyle V(\mathbf {x} )}$ :

${\displaystyle \nabla V=\mathbf {E} \,}$

بما أنه لا يمكن أن يكون هناك مجال كهربائي داخل جسم موصل يؤثر بقوة على الشحنات${\displaystyle (\mathbf {E} =0)\,}$، داخل جسم موصل يكون تدرج الجهد صفراً ^{[ 2 ]}

${\displaystyle \nabla V=\mathbf {0} \,}$

بمعنى آخر، في علم الكهرباء الساكنة، يضمن الحث الكهروستاتيكي أن يكون الجهد (الفولتية) ثابتًا في جميع أنحاء الجسم الموصل.

يحدث تأثير حثي مماثل في الأجسام غير الموصلة ( العازلة )، وهو المسؤول عن انجذاب الأجسام الصغيرة الخفيفة غير الموصلة، مثل البالونات أو قصاصات الورق أو الستايروفوم ، إلى الشحنات الكهربائية الساكنة ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} (انظر صورة القطة أعلاه) ، بالإضافة إلى الالتصاق الساكن في الملابس.

في المواد غير الموصلة، ترتبط الإلكترونات بالذرات أو الجزيئات ولا تتحرك بحرية داخل الجسم كما في المواد الموصلة؛ ومع ذلك، يمكنها التحرك قليلاً داخل الجزيئات. عند تقريب شحنة موجبة من جسم غير موصل، تنجذب الإلكترونات في كل جزيء نحوها، وتتحرك إلى جانب الجزيء المواجه للشحنة، بينما تتنافر النوى الموجبة وتتحرك قليلاً إلى الجانب المقابل من الجزيء. ولأن الشحنات السالبة أقرب الآن إلى الشحنة الخارجية من الشحنات الموجبة، فإن انجذابها يكون أكبر من تنافر الشحنات الموجبة، مما ينتج عنه انجذاب صافٍ طفيف للجزيء نحو الشحنة. هذا التأثير مجهري، ولكن نظرًا لوجود عدد كبير من الجزيئات، فإنه يتراكم ليُشكّل قوة كافية لتحريك جسم خفيف مثل الستايروفوم.

يُطلق على هذا التغير في توزيع الشحنة في الجزيء نتيجةً لمجال كهربائي خارجي اسم الاستقطاب العازل ، ^{[ 10 ]} وتُسمى الجزيئات المستقطبة ثنائيات الأقطاب . يجب عدم الخلط بين هذا وبين الجزيء القطبي ، الذي يمتلك طرفًا موجبًا وآخر سالبًا بسبب بنيته، حتى في غياب الشحنة الخارجية. هذا هو مبدأ عمل المكشاف الكهربائي ذي الكرة النخاعية . ^{[ 13 ]}

ستيفن غراي

• الوسائط المتعلقة بالحث الكهروستاتيكي على ويكيميديا ​​كومنز
• "الشحن بالحث الكهروستاتيكي" . مركز التحضير لامتحانات ريجنتس . منطقة مدارس مدينة أوسويغو. 1999. مؤرشف من الأصل بتاريخ 28 أغسطس 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 يونيو 2008 .