طرق توليد الكهرباء الساكنة

كيف يتم توليد الكهرباء الساكنة؟

تعتبر الكهرباء الساكنة (Static Electricity) أحد أهم الاكتشافات البشريَّة على مر التاريخ،^[١] ويعود ذلك إلى العام 600 قبل الميلاد، حيث اكتشف الفيلسوف اليوناني طاليس Thales أن فرك مواد ببعضها البعض يولد طاقة موضعيَّة على شكل شرارات صغيرة سُميت في ما بعد بالشَّحنات الكهربائيَّة الساكنة، وصُنفت هذه الشحنات إلى نوعين، موجبة وسالبة.^[٢]

درس الفيزيائي الهولندي بيتر فان موشنبروك Pieter van Musschenbroek عام 1746م ظاهرة الكهرباء السكونيَّة وإمكانية تخزينها من خلال اختراعه وعاء ليدن Leyden Jar، وهو عبارة عن قارورة زجاجيَّة مُغلقة مملوءة جزئيًا بالماء، ويمر من خلالها مسمار عبر فتحة ضيقة ليصل إلى الماء، وآلية عمله تكمن في تعرَُّّض الطرف الخارجي للمسمار لشحنات كهربائية سكونيَّة من جسم آخر مشحون، ليتم تخزين هذه الشحنات، فإذا ما تم لمس الطرف الخارجي للمسمار تظهر شرارة كهربائيَّة نتيجة تفريغ الشحنات المُخزَّنة.^[٣]

وجد أنه من الممكن أن يتجمَّع على سطح أي مادة نوع وكميَّة مُعينة من الشحنات الكهربائية الساكنة، وذلك نتيجة تعرَُّّضها لعوامل خارجيَّة تعود بالأساس لإحدى طرق توليد الشحنات الكهربائيَّة وهي الدَّلك، التماس والحثّ.^[٤]

طريقة الدلك

تُعرف طريقة الدلك أو الاحتكاك[١](Friction) بأنها عملية انتقال الشحنات الكهربائية نتيجة فرك سطح مادتين ببعضهما البعض، مما يؤدي لتغيُّر شكل النتوءات الموجودة على سطح كلا المادتين، فينتج جهد موضعي يولد شحنات كهربائية سكونيَّة على سطح كلا المادتين،^[٥] وتُستخدم هذه الطريقة في المواد العازلة كهربائيًا كونها لا تسمح بحركة الشحنات بحُريَّة على السطح، ويمكن للشحنات أن تبقى على سطح المواد العازلة لفترة طويلة طالما لم يتم تعرُّضها لأي مؤثر خارجي،^[٦][٤] ومن الأمثلة على هذه الطريقة ما يأتي:

• فرك سطح أو مادة يتكونان من الزجاج بقطعة من الحرير يتسبب في انتقال الشحنات لقطعة الحرير لتُصبح قادرة على جذب الأشياء الخفيفة.^[٢]
• فرك قدميك عند ارتداء حذاء من الجلد بالسجاد يتسبب في نقل الشحنات السالبة إلى الحذاء.^[٢]
• فرك بالون مطاطي بملابسك الصوفيَّة يتسبب في اكتساب البالون لشحنات، ويؤدي ذلك لالتصاق البالون بالحائط عند تقريبه منه لفترة من الزمن.^[٧]

طريقة التماس

تعرف طريقة التماس أو التوصيل (Conduction) بأنها عملية انتقال الشحنات الكهربائية السالبة وهي الإلكترونات من جسم إلى جسم آخر نتيجة التوصيل أو التلامٌس المباشر بين بعضهما البعض، فتنتقل الشحنات الكهربائية من الجسم ذو الشَّحنة الأعلى إلى الجسم ذو الشحنة الأقل، حتى يصبح للجسمين نفس الشحنة الكهربائية،^[٤] ومن الأمثلة على هذه الطريقة ما يأتي:

• تلامس موصلين كلاهما مشحون، فتتوزَّع الشحنات عليهما ليصبح لهما نفس الشحنة.^[٨]
• تلامس قطعة من الألمنيوم مشحونة بشحنة موجبة مع قطعة حديدية غير مشحونة، فتَقل موجبيَّة الشحنة على قطعة الألمنيوم، وتصبح القطعة الحديدية مشحونة بشحنة موجبة أيضًا.^[٩]
• تلامس قطعة مشحونة من موصل مع سطح الأرض مما يؤدي لتخلُّصه من الشحنات الموجودة عليه، وتسمى هذه العملية بالتأريض Grounding.^[٨]

طريقة الحثّ

إن طريقة الحثّ[٢]أو التأثير (Induction) لا يتم فيها تلامس للجسمين أو انتقال للشحنات من جسم لآخر، وأنما يتم فيها إعادة توزُّع للشحنات الموجودة على الجسم نتيجة تأثُّره بالبيئة المحيطة دون انتقال الشحنات لمكانٍ آخر، ولكن يمكن للشحنات أن تغادر الجسم في حال تم استخدام طريقة التماس كمؤثر خارجي على الجسم وبالتالي تتغير شحنته،^[٦] ومن الأمثلة على هذه الطريقة ما يأتي:

• تقريب موصل مشحون بشحنة سالبة من جسم غير مشحون، فهذا يودي لابتعاد الشحنات السالبة الموجودة على الجسم من الموصل، واقتراب الشحنات الموجبة الموجودة على الجسم من الموصل فيتجاذبان.^[١٠]
• تقريب جسم مشحون بشحنة موجبة كمؤثر من موصل مُتعادل ثم تأريض الموصل يتسبب في شحنه بشحنة سالبة، وذلك عند إزالة التأريض ثم ابعاد الجسم موجب الشحنة.^[٦]
• تقريب جسم مشحون بشحنة سالبة من موصلين مُتلامسين، فتنتقل الشحنات الموجبة للموصل القريب من الجسم المشحون بشحنة سالبة، بينما تنتقل الشحنات السالبة للموصل البعيد من الجسم المشحون بشحنة سالبة، وعند ابعاد الموصلين عن بعضهما البعض يحتفظ كل جسم بشحنته.^[٤]

تتولَّد الكهرباء الساكنة على الأجسام بعدة طرق وهي الدَّلك وهذه هي الطريقة الشائعة في المواد العازلة كهربائيًا، أو التوصيل وتستخدم هذه الطريقة في المواد الموصلة كهربائيًا، أو الحثّ وهذه الطريقة تتم دون اتصال مباشر بين الأجسام.

ما أبرز تطبيقات الكهرباء الساكنة؟

توجد العديد من التطبيقات التي تساهم الكهرباء الساكنة في مبدأ عملها ونذكُر منها ما يأتي:^[١١]

• المكثف الكهربائي Capacitor: وهو جزء مهم من أجزاء الدارات الكهربائية والإلكترونية، وله القُدرة على تخزين شحنات كهربائيَّة ساكنة عند تعريض أقطابه لجهد كهربائي، ليتم تفريغها عند الحاجة لها في الدَّارة فيما بعد، فهو أشبه بالبطارية.

• حصد الطاقة Energy Harvesting: وهي عملية توليد طاقة كهربائيَّة بتعريض مواد ذات خصائص كهروضَغطيَّة Piezoelectric لجُهد ميكانيكي طبيعي، حيث يمكن تخزين هذه الطاقة واستخدامها لتشغيل بعض الأجهزة ذات الجهد المنخفض.
• أجهزة الصوتيَّات: كالمذياع Microphone، حيث أن الموجات الصوتيَّة تتسبب في اهتزاز الهواء، والذي بدوره ينقلها لمجسَّات كهروضغية موجودة في هذه الأجهزة تُحول الصوت لشحنات كهربائية.

• طابعات الليزر: يعتمد مبدأها على أن يتم شحن مُوَزِّعٌ الحبرفي الطابعة بشحنة موجبة، بينما يقوم المُعالج بتسليط ضوء الليزر على مناطق مُعينة من سطح الطباعة، وبوجود مادة حسَّاسة للضوء تلتصق جزيئات الحبر المشحونة بالمناطق التي لم تتعرض للضوء، وذلك لأنها مشحونة بشحنة سالبة، وهي المناطق المُراد وضع الحبر عليها.

• الدهان بالرَّش الالكتروستاتيكي Electrostatic Spray Painting: حيث يزيد من كمية الدهان الموجَّه نحو المنطقة المراد دهانها، بدلًا من فقدان بعضه في الهواء أو على الأرض.

من استخدامات الكهرباء الساكنة في حياتنا استخدامها في المكثف الكهربائي، حصد الطاقة، أجهزة الصوتيات، طابعات الليزر، الدهان بالرش الالكتروستاتيكي وغيرها من التطبيقات.

المراجع

1. ↑ "?What is static electricity", Explain That Stuff, 9/4/2020, Retrieved 14/1/2021.
2. ^ ^{أ ب ت} Corey Binns (17/4/2006), "The Shocking Truth Behind Static Electricity", Live Science, Retrieved 14/1/2021.
3. ↑ "Leyden jar", Britannica, Retrieved 14/1/2021.
4. ^ ^{أ ب ت ث} Alane Lim (29/10/2018), "How does static Electricity works", Thought Co, Retrieved 14/1/2021.
5. ↑ NORTHWESTERN U (11/9/2019), "WE FINALLY KNOW HOW FRICTION CAUSES STATIC ELECTRICITY", Futurity , Retrieved 14/1/2021.
6. ^ ^{أ ب ت} "Electrostatic induction", Brtannica, Retrieved 14/1/2021.
7. ↑ "How does static electricity work", Library of Congress, Retrieved 14/1/2021.
8. ^ ^{أ ب} Science By Caslick, Charging by Contact, Page 4.
9. ↑ "Charging by Conduction", The Physics Classroom, Retrieved 14/1/2021.
10. ↑ "Charging by Induction", Toppr, Retrieved 15/1/2021.
11. ↑ "What Is Static Electricity", Live Science, 14/7/2015, Retrieved 15/1/2021.