تشحن المواد بنوعين من الشحنة الكهربائية:
- شحنة موجبة وتكون بسبب فقدان الجسم للإلكترونات
- شحنة سالبة وتكون بسبب اكتساب الجسم للإلكترونات
الأجسام في الطبيعة لا تبدو مشحونة بالأغلب وانما متعادلة كهربائيا لإنها تحتوي على أعداد متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة.
قانون الشحنات الكهربائية
- ينص على أن الشحنات المتماثلة تتنافر والشحنات المختلفة تتجاذب.
تقاس الشحنة في النظام الدولي بوحدة الكولوم C حيث أن : ( 1C=1A.s )
واعلم أن شحنة مقدارها 1C كبيرة جداً لذلك في أغلب المسائل نتعامل مع كميات صغيرة للشحنة مثل :
- mC = 10−3 C ميللي كولوم
- 𝛍C = 10−6 C مايكرو كولوم
- nC = 10−9 C نانو كولوم
- pC = 10−12 C بيكو كولوم
- fC = 10−15 C فيمتو كولوم
الشحنة الأولية ( الشحنة الأساسية )
- هي أصغر شحنة يمكن أن يمتلكها جسم . أفضل قيمة مقيسة لها هي 𝑒 = 1.602 × 10−19𝐶
- شحنة الإلكترون 𝑞𝑒 =-e
- شحنة البروتون 𝑞p =+e
قانون حفظ الشحنة
الكمية الكلية للشحنة الكهربائية في نظام مغلق لا تتغير.( المجموع الكلي للشحنات يبقى ثابتاً )
الشحنة المكماة
وتعني أن شحنة الجسم تساوي دائما عدد صحيح من الشحنة الأولية ( الشحنة الأساسية ). ونعبر عن ذلك بالعلاقة :
q=±Ne ( يمثل N عدد الإلكترونات المفقودة أو المكتسبة , ( + ) للجسم الذي فقد إلكترونات , ( – ) للجسم الذي اكتسب إلكترونات )
أو نكتب : 𝑞 = 𝑒(𝑁𝑝 − 𝑁𝑒) ( 𝑁p عدد البروتونات الكلية 𝑁e عدد الإلكترونات الكلية )
تصنف المواد من حيث التوصيل الكهربائي في أربعة أنواع .
تنشأ هذه الأنواع من الميل النسبي لذرات المادة لفقد الإلكترونات أو اكتسابها أو حركتها
الموصلات
- مواد لها تركيب إلكتروني يسمح بحرية الحركة لبعض الإلكترونات خلالها لإن ارتباط هذه الإلكترونات بالنواة ضعيف .
- من الأمثلة على الموصلات الصلبة الفلزات مثل النحاس
- تعتبر الفلزات موصلات جيدة
- يتم التوصيل من خلال الإلكترونات حرة الحركة , أما الشحنات الموجبة فلا تتحرك لأنها تتركز في النواة .
- الماء المقطر النقي لا يعتبر موصلا جيدا .
- لكن إذابة ملح فيه يحسن من قدرة الماء على التوصيل .
- في الموصلات السائلة تكون التوصيلية بسبب حركة الشحنات الموجبة والسالبة .
- الأنسجة العضوية لا تعتبر موصلات جيدة لكن توصيليتها تكفي لجعل التيارات الكهربائية خطر علينا .
العوازل
- مواد لها تركيب إلكتروني يسبب ارتباط قوي للإلكترونات بنواة الذرة .
- لذلك لا تسمح هذه المواد بحرية الحركة للإلكترونات خلالها .
- حتى عند إضافة شحنة خارجية لهذه المواد فإن الشحنة لا تتحرك.
- من الأمثلة عليها الزجاج والمطاط والصوف .
- يمكن أن تصنف المواد العزلة إلى عوازل جيدة وعوازل رديئة .
- تعتمد جودة العزل على عوامل عدة منها نوع المادة والشوائب ودرجة الحرارة والرطوبة والجهد الكهربائي .
أشباه الموصلات
- مواد تتغير من عازلة إلى موصلة ثم إلى عازلة مرة أخرى.
- يوجد نوعان منها :
- نقية مثل البلورات النقية من الجرمانيوم والسيلكون
- غير نقية وهي البلورات النقية التي تم تطعيمها. ولها نوعان :
- النوع n أشباه موصلات مطعمة بمواد مانحة للإلكترونات مثل الفوسفور أو الزرنيخ . يتم التوصيل بواسطة الإلكترونات الزائدة .
- النوع p أشباه مواد تم توصيلها بمواد مستقبلة للإلكترونات مثل البورون . يتم التوصيل بواسطة الفجوات التي تتركها الإلكترونات عند ارتباطها بالمستقبل.
- (وهذا هو الفرق بين الموصلات الصلبة وأشباه الموصلات الصلبة .
- في الموصلات الصلبة يكون التوصيل بالشحنات السالبة (الإلكترونات ) الحرة الحركة .
- في أشباه الموصلات يكون التوصيل بالشحنات السالبة ( الإلكترونات ) والشحنات الموجبة ( الفجوات )
الموصلات فائقة التوصيل
- هي مواد مقاومتها لتوصيل الكهرباء صفر .
- لا يحدث فيها فقد للطاقة .
- لا تكون إلا عند درجات حرارة منخفضة جداً .
- مثل سبيكة النيوبيوم والتيتانيوم ( تتم المحافظة عليها عند درجة حرارة الهيليوم السائل ( 4.2 K )
- في الفترة الأخيرة تم تطوير مواد تسمى high – Tc superconductors ( الموصلات فائقة التوصيل عالية الحرارة )
- تشير Tc تشير درجة الحرارة الحرجة ( وهي أعلى درجة حرارة تسمح بالموصلية الفائقة ) وهي درجة حرارة النيتروجين السائل ( 77.3 K )
الشحن الكهروستاتيكي
- هي عملية شحن الجسم بشحنة ساكنة .
- مصدر الطاقة يعتبر مصدر موفر للشحنات الموجبة والسالبة .
- مثل البطارية التي تستخدم التفاعلات الكيميائية للفصل بين الشحنات الموجبة والشحنات السالبة .
- أما للتخلص من هذه الشحنات فنقوم بعملية التأريض .
- التأريض : هو وصل الجسم المشحون بالأرض للتخلص من الشحنات الزائدة .
- في تجارب الشحن سنستخدم الكشاف الكهربائي وهو جهاز يظهر استجابة ملحوظة عند شحنه .
الشحن بالدلك
- عندما يحدث تلامس بين سطحي جسمين خلال الاحتكاك تتكون روابط كيميائية بين ذرات السطحين .
- عند انفصال السطحين تتمزق هذه الروابط تاركة كمية وفيرة من الإلكترونات المشتركة على المادة التي لها دالة شغل أكبر .
- يحدث الشحن عندما تكون المادتين مختلفتين . لكن التجارب الحديثة بالفحص المجهري أثبتت أن الشحن يحدث حتى عند دلك مادة بنفسها .
- والذي ينتقل خلال الشحن بالدلك هي الإلكترونات فقط .
- أي المادتين تشحن بالموجب وأيها تشحن بالسالب ؟
- يتوقف هذا على الجدول الموضح جانباً
- المواد التي في الأعلى تشحن بالموجب .
- المواد في الأسفل تشحن بالسالب .
الشحن بالتوصيل
- يتم عن طريق ملامسة جسم مشحون من جسم موصل متعادل .
- لا تشحن بهذه الطريقة إلا الموصلات .
- يكون للجسم شحنة تماثل نوع شحنة الجسم المشحون .
- يتم توزيع الشحنة على الجسمين .
- إذا كان الجسمين متماثلين يتم توزيع الشحنة بالتساوي
- اذا كان الجسم المشحون سالب الشحنة ستنتقل الإلكترونات من الجسم المشحون للجسم المتعادل .
- إذا كان الجسم المشحون موجب الشحنة ستنتقل الإلكترونات من الجسم المتعادل إلى الجسم المشحون حتى يتساوى جهد الجسمين .
الشحن بالحث
- يتم عن طريق تقريب جسم مشحون ( مؤثر ) من جسم متعادل دون ملامسته .
- يكون للجسم المتعادل شحنة تعاكس شحنة المؤثر ( الجسم المشحون )
- يتم في البداية فصل الشحنات على الجسم المتعادل .
- الشحنات المعاكسة لشحنة المؤثر تكون مقيدة أما الشحنات المماثلة تكون حرة .
- للتخلص من أي نوع من الشحنات يجب تأريض الجسم المتعادل .
- يحدث عندها انتقال الإلكترونات للأرض أو من الأرض ( يتوقف ذلك على نوع شحنة المؤثر )
- الخطوة التالية تتمثل بقطع التأريض ( قبل إزالة المؤثر )
- الخطوة الأخيرة تكون بإزالة المؤثر .
ينص قانون كولوم على أنه بالنسبة لأي شحنتين فإنهما تؤثران ببعضهما بقوتين متساويتين بالمقدار ومتعاكستين بالاتجاه تتناسبان طردياً مع مقدار كل من الشحنتين وعكسيا مع مربع المسافة بين الشحنتين.
نعبر عن هذا القانون رياضياً بالعلاقة : 
حيث تمثل q1 ,q2 شحنة كل من الجسمين وتقاس بالكولوم C
وتمثل r المسافة بين الشحنتين وتقاس بالمتر m
أما F فهي القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنتين وتقاس بالنيوتن N
k هو ثابت كولوم ويساوي 𝑘 = 8.99 × 109𝑁. 𝑚2/𝐶2
يكتب قانون كولوم أحيانا بالصيغة 
حيث تمثل: 𝜀𝜊 = 8.85 × 10−12𝐶2/𝑁. 𝑚2 معامل السماحية الكهربائية للفراغ أو الهواء
تمارين:
————————————————————————————————————————————————————————————
————————————————————————————————————————————————————————————
