كتاب الفيزياء الصف الثاني عشر متقدم الفصل الأول

كتاب الفيزياء الصف الثاني عشر متقدم الفصل الأول

الكهرومغناطيسية 

ربما لم يكن هناك لغز حير الإنسان في الحضارات القديمة أكثر من الكهرباء التي كان يلاحظها آنذاك في شكل صواعق برقية (الشكل 1.2) فالقوة التدميرية المصاحبة للبرق كانت تتسبب أحيانا في الحرائق وموت الأشخاص والحيوانات. وقد احتار الإسان في هذه القوة لأنه لم يكن يعرف سببا أو مصدر هذا البرق. 

لاحظ اليونانيون القدماء، أن قطعة الكهرمان المدلوكة بقطعة قماش جذب الأجسام الصغيرة والخفيفة. لكننا أصبحنا نعرف الآن أن تدليك الكهرمان بقطعة قماش تنقل جسيمات سالبة الشحنة. تسمى الإلكترونات. من قطعة القماش إلى الكهرمان. (والكلمتان الكترون وكهرباء مشتقتان من الكلمة اليونانية كهرمان المكافئة لهما). يتكون البرق أيضا من الإلكترونات المندمجة. كما لاحظ اليونانيون الأوائل وغيرهم أجساما مغناطيسية تتكون بشكل طبيعي تسمى أحجار المغناطيس. حيث وجدوا هذه الأجسام في ترسبات الماجني. وهو معدن يتكون من أكسيد الحديد. وقد استخدمت هذه الأجسام في صناعة البوصلات في أوائل عام 300 قبل الميلاد 

لم تكن العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية مفهومة حتى منتصف القرن التاسع عشر الوحدات التالية ستكشف كيف يمكن توحيد الكهرباء والمغناطيسية في إطار عمل مشترك يسمى الكهرومغناطيسية. لكن لا يتوقف احاد النوى عند هذا الحد ففي أوائل القرن العشرين. اكتشفت قوتان أساسيتان أخريان وهما: القوة الضعيفة التي تعمل أثناء انحلال بيتا (الذي ينبعث فيه إلكترون ونيوترينو تلقائيا من أنواع معينة من النوى). والقوة الشديدة الموجودة داخل نواه الذرة. حاليا. ينظر إلى القوة المغناطيسية والقوة الضعيفة كشكلين مكونين للقوة الكهروضعيةة أالشكل 1.3). بالنسبة إلى الظواهر التي ستتم مناقشتها هذه الوحدة وفي الوحدات التالية. لن يكون لاتحاد القوة الكهروضعيفة هذا أي تأثير؛ لكن تظهر أهميته في التصادمات التي غدت بين الجسيمات ذات الطاقة الأعلى. ولأن مقياس الطاقة لاحاد القوة الكهروضعيفة عال جدا. لا زالت معظم الكتب الدراسية تشير إلى القوى الأساسية الأربع، قوة الجاذبية والقوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة والقوة الشديدة. 

في الوقت الحالي. يعتقد عدد كبير من علماء الفيزياء أنه يمكن أيضا أن تتحد القوة الكهروضعيفة مع القوة الشديدة فيما يصفونه بإطار العمل المشترك. وتوجد نظريات كثيرة تقترح طرفا لتحقيق ذلك. لكنها لا زالت تفتقر إلى الأدلة التجريبية حتى الأن. المثير للدهشة أن دفع قوة الجاذبية. التي عرفت قبل أي من القوى الأساسية بفترة طويلة. في إطار مشترك مع القوى الأساسية الأخرى هو أكبر معضلة تواجه علماء الفيزياء وتعد الجاذبية الكمية والتماثل الفائق والنظرية الخيطية هي بؤر الارتكاز الحالية لأبحاث الفيزياء، الحديثة التي يحاول فيها واضعو النظريات وضع صياغة واحدة لهذا الاتحاد التام واكتشاف (ما غالوا في تسميتها) بنظرية كل شي، حيث يعتمد عملهم في الأساس على مبادئ التماثل والاقتناع التام بأن الطبيعة عبارة عن نظام متناسق وبسيط. 

أما في هذه الوحدة. فسندرس الشحنة الكهربائية وكيفية نفاعل المواد معها. والكهرباء الساكنة. والقوى التي تنتج عن الشحنات الكهربائية وستشمل القوى الكهروستاتيكية حالات تكون فيها الشحنات ثابتة في مكانها ولا تتحرك. 

1.2 الشحنة الكهربائية 

لنمعن النظر قليلا في سبب الشرر الكهربائي الذي تتعرض له أحيانا في يوم جاف إذا لمست مقبض باب فلزيا بعد سيرك على سجادة. (أدى الشرر الناتج عن القوة الكهروستاتيكية إلى اشتعال الأبخرة الغازية أيضا أثناء قيام شخص بملء خزان السيارة في محطة للوقود هذه ليست قصة خيالية؛ فقد رصدت كاميرات المراقبة في إحدى محطات الوقود حالات نادرة لذلك) إن العملية التي تسببت في حدوث هذا الشحن. وتتمثل آلية الشحن في نقل جسيمات سالبة الشحنة. تسمى الإلكترونات، الشرر تسمى الشحن من ذرات مادة السجادة وجزيئاتها إلى نعل حذائك. يمكن أن تنتقل ماده الشحنة بسيولة عبر جسمك. بما في ذلك يديك. حيث تتفرغ الشحنة الكهربائية المتراكمة في مقبض الباب الفلزي، مسببة الشرر. 

يوجد نوعان من الشحنة الكهربائية في الطبيعة. هما الشحنة الموجبة والشحنة السالبة. وعادة لا تبدو الأشياء الموجودة حولنا مشحونة. بل تكون متعادلة كهربائيا تحتوي الأجسام المتعادلة على أعداد متساوية تقريبا من الشحنات السالبة والموجبة التي غالبا ما تلغي كل منهما الأخرى. ولا تلاحظ تأثيرات الشحنة الكهربائية إلا عندما تكون الشحنات الموجبة والسالبة غير متوازنة. 

إذا قمت بدلك قضيب زجاجي بقطعة قماش. فإن القضيب يصبح مشحون وتكتسب قطعة القماش شحنة مختلفة عن شحنة القضيب وإذا قمت بدلك قضيب بلاستيكي بقطعة من الفراء، فإنما يكتسبان شحنات مختلفة أيضا. وإذا قربت قضيبين زجاجيين مشحونين أحدحهما إلى الأخر. فإنهما سيتنافران. وبالمثل. إذا قربت قضيبين بلاستيكيين مشحونين أحدهما إلى الأخر. فسيتنافران أيضا. بينما مشحون. وسبب ذلك هو أن القضيبين سيحدث تجاذب بين قضيب زجاجي مشحون وفضيب بلاستيكي الزجاجي والبلاستيكي يختلفان في الشحنة أدت هذه الملاحظات إلى القانون التالي. 

قانون الشحنات الكهربائية 

الشحنات المتماثلة تتنافر والشحنات المختلفة تتجاذب. 
 

الطاقة كما يمكن التخلص من الشحنات عن طريق التوصيل بالأرض فالأرض مستودع شحنة لا يفنى تقريبا وتتميز بقدرة فاعلة على معادلة الأحسام المشحونة كهربائيا التي تكون متلامسة معها. يسمى تفريغ الشحنة هدا التأريض، ونسمي الوصلة الكهربائية بالأرض وصلة أرضية. 

الكشاف الكهربائي جهاز يظهر استجابة ملحوظة عند شحنه. يمكنك صناعة كشاف كهربائي بسيط باستخدام شريطين من رقائق معدنية رفيعة جدا بحيث يكونان متصلين عند طرف واحد ومتدليين من إطار عازل على أن يكونا متقاربين. لن تكون رقائق الألومنيوم التي تستخدم في الطابع مناسبة لأنها عريضة جدا. لكن يمكنك شراء رقاقات معدنية رفيعة من متاجر بيع مستلرمات الهوايات. وبالنسبة إلى الإطار العازل. يمكنك مثلا استخدام الحافة العلوية المستديرة لكوب من الفلين. 

يحتوي الكشاف الكهربائي الموضع في الشكل 18. وهو مصمم للعروض التوضيحية في الدروس. على موصلين يكونان متلامسين ومتدلين بشكل حر في وضع التعادل وأحد هدين الوصلين متصل متصلة عند منتصفه بحيث يبتعد عن الموصل الثابت عند شحن الكشاف الكهربائي يتصل هذان الموصلان بكرة موصلة أعلى الكشاف الكهربائي. وهي تسمح بدخول الشحنة أو خروجها بسهولة. 

يوضح الشكل 1.9a كشافا كهربائيا غير مشحون واستخدم مصدر الطاقة لشحن قضيب عازل بشحنة سالبة عند تقريب القضيب من الكرة الموجودة أعلى الكشاف الكهربائي. كما هو موضح في الشكل 1.9b, تتنافر الإلكترونات الموجودة في الكرة الموصلة للكشاف الكهربائي. فتنتج شحنة سالبة صافية في موصلي الكشاف الكهربائي تؤدي هذه الشحنة السالبة إلى دوران الموصل المتحرك لأن شحنة الموصل الثابت سالبة أيضا. بما يتسبب في تنافره ولأن القضيب لم يلمس الكرة. فإن شحنة الموصل وعند إبعاد القضيب كما هو موضح في الشكل 1.9C. تقل هذه الشحنة المتحرك تكون شحنة المستحثة إلى الصفر. وبعود الموصل المتحرك إلى وضعه الأصلي لأن إجمالي الشحنة الموجودة في الكشاف الكهربائي لا يتغير عند حدوث ذلك 

إذا تم تكرار هذه التجربة باستخدام قضيب يحمل شحنة موجبة. فستنجذب الإلكترونات الموجودة في الموصلين إلى القضيب وتتدفق إلى الكرة الموصلة وستنتح عن ذلك شحنة موجبة صافية في الموصلين تؤدي إلى دوران الموصل المتحرك مرة أحرى لاحظ أن الشحنة الكلية في الكشاف الكهربائي تكون صفرا في كلتا الحالتين. وأن حركة الموصل تتغير فقط إلى أن القضيب مشحون. وعند إبعاد القضيب موجب الشحنة. يعود الوصل المتحرك إلى وضعه الأصلي مرة أخرى. من المهم ملاحظة أنه لا يمكننا تحديد نوع هذه الشحنة. 

على الجانب الآخر. إذا لامس قضيب عازل سالب الشحنة كرة الكشاف الكهربائي. كما يوضح الشكل 1.1Ob. فستتدفق الإلكترونات من القضيب إلى الموصل ونتج شحنة سالبة صافية وعند إبعاد القضيب. تبقى الشحنة موجودة ويبقى الموصل المتحرك منفرجا كما هو موضح في الشكل