كهروستاتيكية

لمعلومات عن مقدمة أقل تخصصاً، انظر الكهرباء الاستاتيكية.

كهرومغناطيسية

كهرباء • مغناطيسية كهروستاتيكية  · شحنة كهربائية · قانون كولوم · مجال كهربائي · تدفق كهربائي · قانون گاوس · كمون كهربائي · حث كهروستاتيكي · عزم ثنائي القطب كهربائي · استاتيكا مغناطيسية  · قانون أمبير · تيار كهربائي  · مجال مغناطيسي · تدفق مغناطيسي · قانون بيو-ساڤار · عزم مغناطيسي · قانون گاوس للمغناطيسية · ديناميكا كهربائية  · Free space · قانون قوة لورنتس · قوة محركة كهربائية · حث كهرومغناطيسي · قانون فاراداي · قانون لنز · تيار الإزاحة · معادلات ماكسويل · مجال كهرومغناطيسي · إشعاع كهرومغناطيسي · Liénard-Wiechert Potentials · Maxwell tensor · تيار دوامي · شبكة كهربائية  · توصيل كهربائي · مقاومة كهربائية · سعة كهربية · حث كهربي · معاوقة · فجوات رنانة · مرشد الموجة · Covariant formulation  · Electromagnetic tensor · EM Stress-energy tensor · Four-current · Four-potential · العلماء  · أمپير · كولوم · فاراداي · هيڤيسايد · هنري · هرتز · لورنتس · ماكسويل · تسلا · وبر · · غيرهم

قصاصات الورق يجذبها CD مشحون

الكهروستاتيكيةأو الكهرباء الساكنة Electrostatics هي فرع من العلوم يتعامل مع الظواهر الناتجة عن الشحنات الكهربائية الثابتة والمتحركة ببطء.

ومنذ القـِدم الكلاسيكي كان معروفاً أن بعض المواد مثل العنبر تجتذب الجسيمات الخفيفة بعد دعكها. الكلمة اليونانية للعنبر، ήλεκτρον (إلكترون)، كانت مصدر الكلمة'electricity أي كهرباء'. وتنشأ الظواهر الكهروستاتيكية من القوى التي تبذلها الشحنات الكهربائية على بعضها البعض. وهذه القوى يصفها قانون كولوم. وبالرغم من أن القوى المستحثة كهروستاتيكياً تبدو ضعيفة نوعاً ما، فإن القوة الكهروستاتيكية بين، على سبيل المثال، إلكترون و پروتون، اللذان يشكلان معاً ذرة هيدروجين، هي نحو 40 orders of magnitude أقوى من قوة الجاذبية العاملة بينهما.

تنشأ الكهرباء الساكنة بسبب تجمع الكترونات أو غيابها في منطقة ما.

البرق بسماء تورنتو.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 الفكرة العامة

يُقصد بالقوى الكهربائية الساكنة القوى التي تنشأ بين الجسيمات المشحونة كهربائياً. تُصنف قوى التأثير المتبادل في الطبيعة في أربعة أنواع من التأثير:

1ـ قوة الجاذبية التي تنشأ بين الكتل، وهي مسؤولة عن سقوط الأجسام على سطح الأرض مثلاً، وهي القوة التي تحكم حركة الكواكب والأجرام السماوية.

2ـ القوة الكهرطيسية التي تصف التأثير المتبادل بين الجسيمات المشحونة، وعندما تكون هذه الجسيمات ساكنة فلا يبقى من التأثير الكهرطيسي سوى القوة الكهربائية الساكنة.

3ـ القوى النووية الشديدة، وهي المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة.

4ـ القوة التي تحكم عملية تفكك الجسيمات الدقيقة وتدعى بالقوة النووية الضعيفة.

وقد وُضِع مؤخراً نموذج نظري لوصف هذه التأثيرات يوّحد بين القوى الكهرطيسية والقوة النووية الضعيفة (القوة الكهرضعيفة). لا يمتد تأثير القوى النووية إلا إلى مسافات صغيرة من رتبة أبعاد نوى الذرات. وليس للقوى الكهربائية الساكنة تأثير في حركة الأجرام السماوية، لأن طبيعة المادة المكوّنة للكون لا تسمح بتوليد حقول كهربائية كبيرة (أكبر من 610فولت/سم)، لأن مثل تلك الحقول، إذا وجدت، تؤدي إلى تأيّن الذرات المكونة للمادة وهذا يؤدي بدوره إلى إعادة توزيع الشحنات الكهربائية بما يضمن تخفيض شدة الحقل.

 بعض ظواهر الكهرباء الساكنة

تتمثل الكهرباء السكونية بتجمع الشحنات الكهربائية على أجسام المعدات المختلفة, وهي ظاهرة طبيعية. تكمن المشكلة في تجمع الشحنات على جسم ما للحد الذي يشكل انتقالها إلى جسم آخر حدوث شرارة كهربائية, في الطبيعة يتم تحرك وانتقال الشحنات من جسم إلى آخر بحرية لا يضبطها إلا قانون أو خاصية بسيطة وهي انتقالها من جسم إلى آخر بهدف التعادل والتوازن بين كمية الشحنات المتجمعة .

عند تحرك هذه الشحنات يحصل سريان لحظي للتيار الكهربائي, كما تحصل شرارة كهربائية عند تحرك الشحنات من موقع إلى آخر عبر الجو, أي عندما تقفز تلك الشحنات من جسم ذو كمية عالية من الشحنات إلى الجسم الآخر ذو شحنات اقل.

يمكن ملاحظة هذه الظاهرة يوميا عند خلع الملابس المصنعة من النايلون أو البوليستر في غرفة مظلمة ليلا فسنلاحظ ظهور شرر وصوت لفرقعات بسيطة وهذا نتيجة لانتقال الشحنات الكهربائية.

كذلك يمكن ملاحظة هذه الظاهرة عند تقريب ساعدنا المشعر من شاشة التلفاز فسنلاحظ وقوف الشعر وانجذابه إلى شاشة التلفاز.

تشكل هذه الظاهرة مشكلة كبيرة في الصناعة والمعامل وخصوصا في الصناعة النفطية والغازية مثلا, فأن انتقال الشحنات قد يسبب شارة قد تكون كافية لإيقاد الغازات والأبخرة المتواجدة بالموقع.

لتجاوز مشاكل هذه الظاهرة بسيط في ظاهره وهو جعل كافة الأجسام متعادلة من حيث تجمع الشحنات عليها, فلن يكون هناك تجمع للشحنات على جسم ما يفوق ما هو متجمع على الجسم الأخر.

لذا من العادة ربط جميع الأجسام المعدنية في المعمل مع بعضها وربطها مع الأرض من خلال نظام للتأريض بهدف تفريغ كل الشحنات الكهربائية المتجمعة إلى الأرض.

تبقى مشكلة الشحنات المتكونة في الغيوم وتفريعها في ما بينها وبين الأرض والتي كثيرا ما سببت في حرائق الغابات, أما لحماية المسقفات والأبنية المرتفعة فيكون بواسطة نظم لمانعات الصواعق والتي تقوم بتسريب الشحنات والجهد الكهربائي العالي المصاحب لها للأرض.

 التقريب الكهروستاتيكي

The validity of the electrostatic approximation rests on the assumption that the electric field is irrotational:

${\vec {\nabla }}\times {\vec {E}}=0.$

From Faraday's law, this assumption implies the absence or near-absence of time-varying magnetic fields:

${\partial {\vec {B}} \over \partial t}=0.$

 الاسقاط الكهروستاتيكي

الإسقاط الكهروستاتيكي هو تطبيق مادة مجزأة (مسحوق، ضباب) على جسم صلب بمساعدة حقل كهربائي.

يمت الإسقاط فيزيائياً بصلة إلى الترسيب، وهو مع ذلك يختلف كثيراً عنه من حيث صغر كميات المادة المستعملة وقلة شأن شدة ارتفاع المردود، إلا أن انتظام الرسوب أو التوضع هو بالمقابل أمر رئيس ويطرح مشكلات جدية.

يتحقق الإسقاط ـ حاله حال الترسيب ـ على طورين، يحصل في الطور الأول شحن الدقائق المراد ترسيبها، ويحصل في الطور الثاني نقل الدقائق وترسيبها بفعل الحقل الكهربائي أو بمساعدته.

ومن الضروري لشحن الدقائق الصلبة جعلُ الهواء المحيط يتشرد (يتأين)، ويتم ذلك بجهاز بسيط جداً، إذ يكفي وضع سلك أو بعض الرؤوس المؤنفة أو أنبوب ذي حرف حاد بقرب تيار من الهواء مُحمَّل بالمادة المراد ترسيبها، وجعل الأشياء المراد تلبيسها مقابلَ مسرى متصل بالأرض. ويراوح التوتر اللازم تطبيقه على الرؤوس المؤنفة بين 50 و90 كيلو فلطاً وذلك بحسب المسافة. أما شدة تيار التدفق فتساوي بضع عشرات المكروأمبيرات.

وإذا كانت المادة سائلاً (دهاناً) فيمكن ترذيذها وشحن القطيرات في الوقت نفسه برفع الصنبور الذي تنفلت منه القطيرات إلى توترٍ عال. وعندئذ يجب أن يكون السائل ناقلاً بما يكفي ليتيح إيصال الكهرباء إيصالاً مرضياً إلى القطيرات في زمن قصير جداً بعد تكوّنها، وعندئذ يجب أن تكون مقاوميتها resistivity، نتيجة لذلك، أدنى من 810 أوم سم. ويعد الشحن بالنقل أبسط من تشريد ionization الهواء وأجدى منه، وهو يفضل عموماً من أجل السوائل.

وفي كثير من الحالات يسهم التيار الغازي في نقل المادة المراد ترسيبها، ويكون الأمر دائماً كذلك مع المساحيق التي تُعَلَّقُ في الهواء لتسهيل بعثرتها ونقلها حتى مسرييْ الشحن، وكثيراً ما تستخدم مِرَذّات ذات هواء مضغوط مماثلة للأجهزة التقليدية لرذ السوائل (كالدهان والماء).

إن وجود تيار غازي يسهل جزئياً نقل الدقائق، إلا أنه يعوق توضعها على الجسم المراد تغطيته، لأنه سرعان ما يجرفها إلى خارج الحقل الكهربائي. ولا يصادف هذا المحذور في المرذات التي تعمل بالقوة النابذة (قرص، قدح) من بدون هواء، ويمكن أن يتجاوز مردودها في الترسيب 90% إلا أن صبيب السائل يكون أكثر محدودية.

لقد طبق الإسقاط الكهرساكن بنجاح كبير على مشكلات مختلفة جداً، إلا أن نجاحه التجاري لم يكن مهماً إلا في حالة وقاية الأشياء المعدنية وزخرفتها (الدهان ولاسيما الذرور). وبالفعل تتيح الشحنة الكهربائية التصاق طبقة من لدْن ذروري بالشيء المعالج إلى أن ينصهر ويتبلمر في فرن، وليس هناك أي تقنية أخرى تتيح الحصول على نتيجة مكافئة بأسلوب بسيط، وإنها طريقة ذات مستقبل كبير، وهي تتطور بسرعة.

أما إسقاط مبيدات الحشرات إسقاطاً كهرساكناً على المحاصيل، والذي برهن على نجاحه مرة بعد أخرى منذ خمسين عاماً تقريباً، فإنه لم يُطبَّق على الرغم من فوائده المؤكدة.

 قانون كولون

يُعبّر قانون كولون Coulomb عن قوة التأثير المتبادل بين شحنتين كهربائيتين نقطيتين ساكنتين q1 و q2، وتُكتب عبارة القوة (قوة كولون) التي تُؤثّر في الشحنة q1:

يُعرف الثابت باسم الثابتة الكهربائية، وr هي المسافة بين الشحنتين، و شعاع الواحدة المحمول على القطعة المستقيمة الواصلة بين الشحنتين (الشكل 1). تكون قوة كولون جاذبة في حال كانت للشحنتين إشارتان مختلفتان، أو تكون قوة تنافر في الحالة المعاكسة. انطلاقاً من عبارة قوة كولون، يمكن تعريف الحقل الكهربائي في نقطة ما الناجم عن توزع شحنات، بقسمة شعاع القوة المؤثرة في شحنة نقطية متوضعة في النقطة المعنية على قيمة الشحنة

أي إن الحقل الكهربائي في نقطة ما هو القوة التي تؤثر فيها الشحنات على شحنة قيمتها الواحد موضوعة في تلك النقطة.

 ثنائي القطب الكهربائي

يتكون ثنائي القطب الكهربائي من جملة شحنتين متساويتين بالقيمة المطلقة q، ومتعاكستين بالإشارة تبعدان عن بعضهما بمسافة قدرها a.

يعرّف شعاع عزم ثنائي القطب الكهربائي الشكل (2) بأنه الشعاعالموجّه وفق الاتجاه من موضع الشحنة السالبة إلى موضع الشحنة الموجبة وطويلته تساوي aq.

 تأثير حقل كهربائي في ثنائي القطب

يؤدي وجود ثنائي قطب كهربائي في حقل كهربائي منتظم إلى دوران ثنائي القطب حيث يتوجه شعاع العزم الكهربائي لثنائي القطب باتجاه الحقل، وذلك بسبب خضوع ثنائي القطب لمزدوجة قوى عزمها يساوي . أما إذا وجد ثنائي القطب في حقل كهربائي غير منتظم، فإنّ ذلك يؤدي إلى دوران هذا الثنائي، كما في الحالة السابقة وتحركه باتجاه المنطقة التي يشتد فيها الحقل وذلك بتأثير القوة التي تُعطى بالعلاقة (حيث grad تعني تدرّج).

 أمثلة وتطبيقات

تتكون بعض الأجسام البلورية من أيونات، حيث القوى الكهرساكنة بينها شديدة وذلك يُعطي للجسم البلوري صلابة ويرفع درجة انصهاره (ينصهر ملح الطعام مثلاً في درجة حرارة قدرها 800 ْس)

التأثيرات المتبادلة بين الجزيئات هي من النوع تأثير ثنائي قطب- ثنائي قطب كهربائيين، وهذه التأثيرات هي أضعف بكثير من القوى السائدة بين الأيونات، ففي السوائل تكون قوى التأثير الكهربائي الساكن من النوع المسمى بقوى فان دِر ڤالس Van der Waals وهي تتناسب مع s1/r7 فهي إذن قوى ضعيفة إذا ما قورنت مع قوى التأثير المتبادل بين الأيونات في الأجسام البلورية التي تتناسب مع s1/r2. ما سبق يُفسّر كون المركبات الجزيئية عموماً أسهل انصهاراً من المركبات الأيونية.

تسمح القوى الكهربائية الساكنة بفهم آلية ذوبان الأملاح في الماء: عند وضع بلورة ملح الطعام NaCl مثلاً في الماء تنشأ قوى جذب كهربائية بين الأيونات الموجودة على سطح البلورة وجزيئات الماء، لأن جزيء الماء ثنائي قطب كهربائي، بعد ذلك ينفصل الأيون عن البلورة ويُحاط بجزيئات الماء، تسمى هذه العملية بالإذابة، وبفضل هذه العملية تنحل البلورة في الماء.

يُمكن استخدام القوى الكهربائية في عمليات الطلاء، حيث يُطلق رذاذ الدهان مشحوناً، وتتم عملية توجيهه إلى السطح المراد طلاؤه بتطبيق حقل كهربائي ساكن.

تُستخدم القوى الكهربائية في عملية زرع الأوبار والألياف على سطح حامل؛ لتشكيل فرو صناعي بتحميل هذه الأوبار والألياف شحنات كهربائية ثمّ إخضاعها لحقل كهربائي ساكن يؤدي إلى تحرك الأوبار وانغراسها في السطح.

يُعتمد على القوى الكهربائية الساكنة في المضخات الأيونية التي تُستخدم للحصول على ضغوط منخفضة جداً (أقل من s10-6 torr)، انطلاقاً من ضغط صغير من رتبة s10-4 torrحيث تُؤين الجزيئات أولاً، وبتطبيق حقل كهربائي ساكن تُسحب هذه الأيونات من داخل الحجرة المراد تفريغها.

تُستخدم القوى الكهربائية الساكنة في عمليات تسريع الجسيمات المشحونة، كما هي الحال في المسرعات الخطية.

 انظر أيضاً

• كهرومغناطيسية
• قوة كهروستاتيكية
• رابطة أيونية
• سالبية كهربية
• تفريغ كهروستاتيكي
• حث كهروستاتيكي

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 المصادر

• Faraday, Michael (1839). Experimental Researches in Electricity. London: Royal Inst. e-book, available at Project Gutenberg.
• Halliday, David; Robert Resnick; Kenneth S. Krane (1992). Physics. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-80457-6.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• Griffiths, David J. (1999). Introduction to Electrodynamics. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X.
• Hermann A. Haus and James R. Melcher (1989). Electromagnetic Fields and Energy. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0-13-249020-X.

 وصلات خارجية وقراءات اضافية

عام

• "Man's static jacket sparks alert". BBC News, 16 September 2005.
• Static Electricity and Plastics
• "Can shocks from static electricity damage your health?". Wolfson Electrostatics News pages.
• Invisible wall of static:

مقالات

• William J. Beaty, "Humans and sparks; The Cause, Stopping the Pain, and 'Electric People". 1997.
• Harold Aspden, "Can Gravity be an Electrostatic Force? - A Quantum theory of Gravitation". 2005.

كتب

• William Cecil Dampier, "The theory of experimental electricity". Cambridge [Eng.] University press, 1905 (Cambridge physical series). xi, 334 p. illus., diagrs. 23 cm. LCCN 05040419 //r33
• William Thomson Kelvin, Reprint of Papers on Electrostatics and Magnetism By William Thomson Kelvin, Macmillan 1872
• Alexander McAulay Utility of Quaternions in Physics. Electrostatics—General Problem. Macmillan 1893
• Alexander Russell, A Treatise on the Theory of Alternating Currents. Electrostatics. University Press 1904