الشحنة الكهربائية هي خاصية فيزيائية مرتبطة بالمادة، والتي تجعلها تحت قوة عند وضعها في مجال كهرومغناطيسي. هناك نوعان من الشحنات الكهربائية وهي: الشحنة موجبة والشحنة السالبة (غالباً ما تكون محمولة على البروتونات والإلكترونات على الترتيب). الشحنات المتشابهة تتنافر، والشحنات المتنوعة تتجاذب. ويُشار إلى الجسيم الذي يفتقر إلى الشحنات بأنه متعادل. وحدة الشحنة الكهربائية طبقا لنظام الوحدات الدولي هي الكولوم. في الكهرباء الهندسية عادة ما يتم استخدام أمبير-ساعة. غالبا ما تشير العلامة Q إلى الشحنة. تُعهد الفهم الأولية بكيفة تفاعل المواد المشحونة حالياً بالكهرومغناطيسية التقليدية وهي ما زالت دقيقة للمشاكل التي لا تتطلب اعتبار تأثير ميكانيكا الكم.

الشحنة الكهربائية هي كمية محفوظة حيث حتى محصلة الشحنة في نظام معزول أوكمية الشحنة الموجبة ناقص كمية الشحنة السالبة لا تتغير. تقوم الجسيمات دون الذرية بحمل الشحنة الكهربائية. في المواد العادية تقوم الإلكترونات بحمل الشحنة السالبة بينما تقوم البروتونات بحمل الشحنة الموجبة داخل أنوية الذرات. إذا كان يوجد إلكترونات أكثر من البروتونات في بترة من مادة ما فإنها ستحمل شحنة سالبة وإن كان هناك أقل فإنها ستحمل شحنة موجبة وإن كانا متساويين فإنها تكون مادة متعادلة. الشحنة كمية أي أنها مضاعفات لوحدات صغيرة تُسمى الشحنة الأولية والتي تساوي 1.602×10⁻¹⁹ كولوم وهي أقل شحنة ممكن حتى توجد حرة (هناك جسيمات تسمى كواركات تمتلك شحنة أقل إلا أنها توجد في تجمعات فقط). للإلكترون شحنة –الشحنة الأولية بينما للبروتون شحنة +الشحنة الأولية.

الشحنات الكهربائية تكوّن مجال كهربائي وإن كانت متحركة تكون مجالا مغناطيسيا. الجمع بين المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي يسمى المجال الكهرومغناطيسي وتفاعله مع الشحنات هومصدر القوة الكهرومغناطيسية وهي واحدة من القوى الأساسية الأربعة في الفيزياء. دراسة الجسيمات المشحونة وكيفية تنظيم تفاعلاتهم بواسطة الفوتونات يُطلق عليه الكهروديناميكية الكمية.

نظرة عامة

الشحنة هي الخاصية الأساسية لأنواع المواد التي تمتلك جذب أوطرد كهروستاتيكي في وجود مواد أخرى. الشحنة الكهربية هي خاصية مميزة للعديد من الجسيمات دون الذرية. شحنات الجسيمات الحرة هي مضاعفات كمية للشحنة الأساسية ولذا نقول حتى الشحنة الكهربائية هي كمية. مايكل فاراداي وتحليله الكهربائي كان أول من لاحظ الطبيعة المتجزأة للشحنة الكهربائية. تجربة قطرة الزيت لروبيرت ميليكان أكدت هذه الحقيقة بشكل مباشر كما قامت بقياس الشحنة الأساسية. لاحقا تم اكتشاف حتى نوعا واحدا من الجسيمات وهي الكواركات تمتلك شحنات أجزاء إما سالب ثلث أوموجب ثلثي الشحنة الأساسية إلا أنه يُعتقد أنها تتواجد دائماً في مضاعفات وأنه لم يتم ملاحظة وجود كوارك منفرد أبداً.

بالعهد شحنة الإلكترون سالبة بينما شحنة البروتون موجبة. الجسيمات المشحونة التي تمتلك نفس العلامة تتنافر مع بعضها البعض بينما الجسيمات التي تمتلك علامة مختلفة تتجاذب. يحدد قانون كولوم القوة الكهروستاتيكية بين جسيمين بافتراض حتى القوة متناسبة طرديا مع ناتج شحناتهم. شحنة الجسيم المضاد تساوي شحنة الجسيم ولكن بعلامة معاكسة.

الشحنة الكهربائية لجسم عياني هي مجموع الشحنات الكهربائية للجسيمات المكونة له. غالبا ما تكون هذه الشحنة صغيرة لأن المادة مكونة من الذرات والذرات في الحالة الطبيعية تمتلك نفس العدد من البروتونات والإلكترونات والذين في هذه الحالة تلغي شحناتهم المتعاكسة بعضهم بعضا مكونة محصلة شحنة تساوي الصفر وبالتالي تكون الذرة متعادلة.

الأيون هوذرة (أومجموعة من الذرات) فقدت إلكتروناً أوأكثر مكونا محصلة شحنة موجبة (كاتيون)، أواكتسبت الكترونا أوأكثر مكونا محصلة شحنة سالبة (أنيون). تتكون الأيونات أحادية الذرة من ذرة واحدة بينما تتكون الأيونات متعددة الذرات من ذرتين أوأكثر مرتبطين معا، وفي الحالتين ينتج أيون بمحصلة شحنة موجبة أوسالبة.

أثناء تكوين الأجسام العيانية عادة ما ترتبط الذرات المتناظرة والأيونات لتكوين أجسام متعادلة أيونيا مرتبطة كهربيا مع ذرات متعادلة. ولذا فإن الأجسام العيانية تميل غالبا إلى حتى تكون متعادلة إلا أنها نادرا ما تكون متعادلة تماما عمليا.

أحيانا تحتوي الأجسام العيانية على أيونات موزعة على المادة ومرتبطة بأماكنها بقوة مما يعطي المادة محصلة شحنة موجبة أوسالبة. كما حتى الأجسام العيانية التي تتكون من مواد موصلة كهربائيا تستطيع بدرجة ما (على حسب نوع المادة) حتى تأخذ أوتطرد الكترونا لتتحصل على محصلة شحنة موجبة أوسالبة. عندما تكون محصلة الشحنة الكهربائية لجسيم غير مساوية للصفر وغير متحركة فإنها تعهد باسم كهرباء استاتيكية. هذا النوع من الكهرباء يمكن انتاجه بسهولة عن طريق حك مادتين غير متشابهتين معا مثل حك الكهرمان بالفروأوالزجاج بالحرير. بهذه الطريقة يمكن شحن المواد الغير موصلة كهربيا بدرجة كبيرة سواء سالبا أوموجبا. الشحنة المأخوذة من مادة تنتقل إلى المادة الأخرى لتهجر شحنة مخالفة وبنفس القيمة. قانون حفظ الشحنة يعمل دائما حيث يعطي المادة التي تم أخذ شحنة سالبة منها شحنة موجبة بنفس القيمة والعكس سليم.

حتى عندما تكون محصلة الشحنة لجسيم مساوية للصفر فإن الشحنة يمكن حتى تكون غير موزعة بانتظام على الجسيم (مثال: بسبب مجال كهرومغناطيسي خارجي أوجزيئات قطبية). في هذه الحالة نقول حتى هذا الجسيم قطبي. الشحنة الناتجة عن القطبية تسمى شحنة مقيدة بينما تسمى الشحنة الناتجة عن اكتساب أوفقد الإلكترونات شحنة حرة. حركة الإلكترونات في المعادن الموصلة للكهرباء في اتجاه معين يسمى التيار الكهربائي.

الوحدات

وحدة نظام الوحدات الدولي لكمية الشحنة الكهربائية هوالكولوم والذي يساوي تقريبا 6.242×10¹⁸ شحنة البروتون (الشحنة الأولية). ومن هنا فإن شحنة الإلكترون تساوي تقريبا −1.602×10⁻¹⁹ كولوم. يمكن تعريف الكولوم بأنه كمية الشحنة التي تمر خلال مبتر عرضي من موصل كهربائي حاملة واحد أمبير خلال ثانية واحدة. العلامة Q عادة ما تستخدم للإشارة إلى كمية الكهربية أوكمية الشحنة. يمكن قياس كمية الشحنة الكهربائية مباشرة عن طريق الإلكتروميتر أوبشكل غير مباشر عن طريق الجالفانوميتر البالستي.

بعد اكتشاف الطبيعة الكمية للشحنة اقترح جورج ستوني في عام 1891 وحدة "إلكترون" كوحدة أساسية للشحنة الكهربائية. كان هذا قبل اكتشاف الجسيم بواسطة طومسون في عام 1897. اليوم تعامل الوحدة على أنها بدون اسم ويُشار إليها بالشحنة الأولية أوالوحدة الأساسية للشحنة أوببساطة e. قياس الشحنة يجب حتىقد يكون من مضاعفات الشحنة الأولية حتى وإن بدت الشحنة عند كمية كبيرة بأنها تتصرف ككمية عملية.

تستخدم أحيانا وحدة فاراداي في الكيمياء الكهربية. واحد فاراداي من الشحنة تساوي مقدار شحنة واحد مول من الإلكترونات وهو96485.33289(59) كولوم.

في أنظمة الوحدات الأخرى غير نظام الوحدات الدولي مثل نظام وحدات سنتيميتر جرام ثانية يتم التعبير عن الشحنة الكهربية بأنها مجموع الكميات الأساسية (الطول والكتلة والوقت) وليس أربعة مثل نظام الوحدات الدولي حيث الشحنة الكهربائية هي مجموع الكتلة والطول والوقت والتيار الكهربي.

تاريخياً

في حوالي سنة 600 قبل الميلاد نطق عالم الرياضيات اليوناني طاليس حتى الشحنة (أوالكهرباء) يمكن تجميعها عن طريق حك الفروعلى هدة مواد مثل الكهرمان. كما لاحظ اليونانيون حتى أزرار الكهرمان المشحونة يمكن حتى تجذب الأجسام الخفيفة مثل الشعر. كما وجدوا أنهم إذا قاموا بحك الكهرمان لمدة طويلة كافية فإنهم قد يحصلون على شرارة كهربائية.

في سنة 1600 عاد العالم الإنجليزي وليام جيلبرت إلى موضوع De Magnete وكون الحدثة اللاتينية الجديد elecricus (تُنطق إليكتريكوس) من الحدثة الإغريقية ἤλεκτρον (تُنطق إلكترون) والتي تعني كهرمان والتي أتى منها الحدثة الإنجليزية electricity والتي تعني الكهرباء. أتبعه في عام 1660 العالم أوتوفون غيريكه والذي اخترع أول مولد كهرباء ساكنة. من أوائل الروّاد الأوروبيين الآخرين كان روبيرت بويل والذي أعرب في عام 1675 حتى التنافر والتجاذب يعملان في الفراغ. ستيفن جراي صنف في عام 1729 المواد إلى مواد موصلة ومواد عازلة. وفي عام 1733 أعرب شارل دوفاي حتى الكهرباء توجد في نوعين يلغيان بعضهما البعض وأعرب عن ذلك في نظرية السائلين. فعند حك الزجاج بالحرير يقول دوفاي حتى الزجاج اكتسب كهرباء زجاجية. وعند حك الكهرمان بالفرويقول حتى الكهرمان اكتسب كهرباء كهرمانية. في عام 1839 أظهر مايكل فاراداي حتى التفريق الظاهري بين الكهرباء الساكنة والكهرباء التيارية والكهرباء الحيوية كان تقسيما خاطئا وأنهم جميعهم أشكال مختلفة لنفس النوع من الكهرباء والتي تظهر في أقطاب مختلفة. كما أنه عشوائي أي النوعين موجب وأيهما سالب. كما نطق أنا الشحنة الموجبة هي الشحنة التي نهجرها على قضيب من الزجاج بعد حكه بالحرير.

واحد من أبرز الخبراء في الكهرباء في القرن الثامن عشر هوبنجامين فرانكلين والذي جادل لحساب نظرية السائل الواحد للكهرباء. تخيل فرانكلين حتى الكهرباء هي نوع من السوائل الخفية والموجودة في جميع المواد. كما انه أعرب حتى حك أسطح عازلة معا يسبب تغير مكان هذا السائل وأن حركة هذا السائل تؤدي إلى اكوين تيار كهربائي. كما نطق أنه إذا كان المادة تحتوي على كمية قليلة من هذا السائل فإنها تصبح مشحونة سالبا وعندما تحتوي على كمية زائدة تصبح مشحونة موجبا. ويليام واطسون توصل إلى نفس النتيجة بشكل منفصل وفي نفس الوقت تقريبا (1746).

الكهرباء الساكنة والتيار الكهربائي

الكهرباء الساكنة والتيار الكهربائي هما ظاهرتان منفصلتان. يحتوي كلاهما على شحنة كهربائية وقد يحصلان في نفس الوقت في في نفس الجسيم. تشير الكهرباء الساكنة إلى الشحنة الكهربائية لجسيم وإلى التفريغ الكهربائي المرتبط عند تقريب جسمين ليسا في حالة توازن معا.قد يكون التفريغ الكهربائي تغير في شحنة جميع من الجسيمين. على العكس فإن التيار الكهربائي هوسيل الشحنة الكهربائية خلال جسيم بدون حتى ينتج فقد أواكتساب للشحنة الكهربائية.

التكهرب عن طريق الاحتكاك

عند حك بترة من الزجاج مع بترة من الراتنج (ليس لأي منهما خواص كهربية) وهجر السطحين المعرضين للحك متقابلين فإنهما لا يزالان بدون أي خواص كهربية. إلا أنه عند إبعادهما يجذبان بعضهما البعض. عند حك بترة ثانية من الزجاج مع بترة ثانية من الراتنج ثم إبعادهما وتعليقهما قرب البترتين الأولتينمن الزجاج والراتنج تنتج الظواهر التالية:

• بترتا الزجاج تتنافران
• تتجاذب جميع بترة زجاج مع جميع بترة راتنج
• بترتا الراتنج تتنافران

هذا التجاذب والتنافر هوخاصية كهربية والأجسام التي تمتلك هذه الخاصية الكهربية يُطلق عليها أجسام مكهربة أومشحونة كهربيا. يمكن شحن الأجسام بعدة طرق أخرى غير الاحتكاك. الخواص الكهربية لبترتي الزجاج متشابهة مع بعضهما ولكنها متعاكسة مع خواص بترتي الراتنج ولذا فإن الزجاج يجذب ما ينفره الراتنج والراتنج ينفر ما يجذبه الزجاج.

عند كهربة الجسيم بأي طريقة فإنه يتصرف مثل الزجاج ولذا فإن كان يتنافر مع الزجاج ويتجاذب مع الراتنج فإنه يُطلق عليه مشحون زجاجيا وإن كان يتنافر مع الراتنج ويتجاذب مع الزجاج فإنه يُطلق عليه مشحون راتنجيا. ولذا فإن جميع الأجسام المشحونة تكون إما مشحونة زجاجيا أوراتنجيا.

من المتفق عليه في المجتمع الفهمي حتى الشحن الزجاجي يُطلق عليه موجب بينما الشحن الراتنجي يُطلق عليه سالب. الخواص المتعاكسة تماما للنوعين من الكهربة يبرر تعبيرنا عنهما بعلامتين متعاكستين إلا حتى تطبيق العلامة الموجبة لجسيم بدلا من الآخر يجب اعتباره بأنه اتفاق عشوائي تماما مثل الاعتبار الرياضي بكون الأمور على اليمين موجبة.

لا يوجد أي قوة نلاحظها سواء تجاذب أوتنافر بين جسيم مكهرب وجسيم آخر غير مكهرب. في الواقع فإن جميع الأجسام مكهربة إلا أنها تبدوغير ذلك بسبب الشحنة المتشابهة نسبيا بين الأجسام المتقاربة في البيئة. إلا حتى جسيما مشحونا بشحنة موجبة أوسالبة زائدة يخلق شحنة مساوية أومعاكسة للأجسام المتقاربة حتى يمكن توزان هذه الشحنات. يمكن ملاحظة آثار التجاذب في تجارب الفولت العالي حيث حتى تجارب الفولت المنخفض تكون ضعيفة ولا يمكن ملاحظة آثارها. يحكم التجاذب أوالتنافر قانون كولوم والذي ينص على حتى التجاذب يقل مع مربع المسافة.

من المعروف الآن حتى نموذج فرانكلن-واطسون كان سليما. هناك نوع واحد فقط من الشحنة الكهربائية وهناك متغير واحد لمتابعة كمية الشحنة. إلا أنه على الجانب الآخر فإن مجرد فهم الشحنة ليس وصفا كاملا للموقف. فالمادة مكونة من أنواع مختلفة من الجسيمات المشحونة كهربيا ولهذه الجسيمات خواص متعددة وليس فقط الشحنة الكهربائية.

من أكثر حاملات الشحنة الكهربائية شيوعا هوالبروتون المشحون بشحنة موجبة والإلكترون المشحون بشحنة سالبة. وحركة أي منهما تؤدي إلى تكوين تيار كهربائي. في معظم الأحيان فإنه من الكافي الحديث عن وجود تيار كهربائي بدون اعتبار كونه محمول على شحنة موجبة تتجه نحوالتيار التقليدي أوشحنة سالبة تتحرك في الاتجاه المعاكس. حيث حتى النظرة العيانية هي تقريب يبسط المنظور الكهرومغناطيسي والحسابات.

على العكس تماما فإنه عند النظر في الموقف الميكروسكوبي فإننا نرى أنه يوجد عدة طرق لحمل التيار الكهربائي بما في ذلك: سيل من الإلكترونات أوسيل من ثغرات الإلكترونات والتي تعمل كجسيمات موجبة أوكلا من الجسيمات الموجبة والسالبة (الأيونات) والتي تسيل في الاتجاه المضاد في محلول كهرل أوبلازما.

لاحظ أنه في الغالب وفي الحالات الهامة للسلوك المعدنية فإن اتجاه التيار التقليديقد يكون معاكسا للسرعة الانجرافية لحاملي الشحنة العمليين (الإلكترونات). وهذا مصدر التباس للعديد من المبتدئين.

بقاء الشحنة الكهربائية

الشحنة الكهربائية الكلية لنظام معزول تظل ثابتة بغض النظر عن التغيرات داخل النظام نفسه. هذا القانون ثابت لكل النظم المعروفة فيزيائيا كما يمكن اشتقاقه في صورة محلية من ثبات نظرية القياس في دالة موجية. الحفاظ على الشحنة يؤدي إلى معادلة استمرارية الشحنة والتيار. بشكل أعم فإن محصلة الشحنة في كثافة الشحنة ρ داخل حجم من التكامل V يساوي المساحة الكلية لكثافة التيار J داخل السطح المغلق S = ∂V والذي بدوره يساوي محصلة التيار I. ولذا فإنه يمكن التعبير عن الشحنة الكهربائية بمعادلة الاستمرارية كالتالي:

${\displaystyle I=-{\frac {\mathrm {d Q {\mathrm {d t .$

الشحنة المتحولة بين الوقتين ${\displaystyle t_{\mathrm {i$ و${\displaystyle t_{\mathrm {f$ يمكن الحصول عليها عن طريق تكامل الطرفين:

${\displaystyle Q=\int _{t_{\mathrm {i ^{t_{\mathrm {f I\,\mathrm {d t$

حيث I هي محصلة التيار الخارجي خلال مساحة مغلقة وQ هي الشحنة الكهربائية الموجودة داخل حجم معين داخل مساحة معينة.

الثبات النسبوي

بعيدا عن الخواص الموصوفة في الموضوعات عن الكهرومغناطيسية فإن الشحنة هي ثابت نسبوي. هذا يعني حتى أي جسيم يمتلك شحنة Q وبغض النظر عن سرعته فإنه يظل يمتلك شحنة Q. هذه الخاصية تم التحقق منها عن طريق توضيح حتى شحنة ذرة هيليوم واحدة ( والتي بها 2 بروتون و2 نيوترون مرتبطين بقوة بالذرة ويتحركان بسرعات عالية) هي نفس شحنة ذرتي ديوتيروم (تحتوي علي 1 بروتون و1 نيوترون مرتبطان معا ولكنهما يتحركان بسرعات أقل بكثير).

انظر أيضا

• كهرباء
• كواركات
• ضديدات الجسيمات
• وحدة كهرومغناطيسية

مراجع

روابط خارجية

• سرعة انحلال الشحنة الكهربائية
• Science Aid: Electrostatic charge صفحة سهلة الفهم عن الشحنة الكهروستاتيكية-.
• تاريخ الوحدات الكهربائية.