ما هي الكهرباء؟
تحدثنا في الدرس الأخير عن سريان الكهرباء في ملف سلكي متصل بالبطارية. في بعض الأحيان، يمكننا أن نرى الكهرباء في صاعقة البرق أو تفريغ الشرر من خط الكهرباء.
ولكن ما هي الكهرباء؟ هل هي مادة؟ هل هو شكل من أشكال الضوء؟ هل هناك أشياء معينة فقط قادرة على حمل الكهرباء؟ أم أنه يختبئ في كل مادة؟
وبعد قرون من الدراسة، أصبحت وجهة نظرنا الحديثة هي أن الكهرباء هي حركة جسيمات معينة، لكل منها خاصية تسمى الشحنة الكهربائية. تشكل هذه الجسيمات كل شيء حولنا، حتى الأشياء التي من الواضح أنها ليست "مكهربة".
الشحنة الكهربائية هي مفهوم مجرد لأنها غالبا ما تكون غير مرئية بالنسبة لنا. لكن في هذا الدرس، سنتناول الفكرة بتشبيه يمكنك رؤيته مباشرة - حبات الرمل التي تكون إما حمراء أو صفراء.
في تشبيهنا بحبيبات الرمل، تمثل الحبيبات الحمراء والصفراء جسيمات تحمل نوعين من الشحنات الكهربائية. مثل الكتلة أو الدوران، الشحنة الكهربائية هي خاصية ثابتة للجسيمات الأساسية.
اكتشف الفيزيائيون مجموعة كبيرة من الجسيمات على مر السنين، ولكن في هذه الدورة التدريبية حول الكهرباء والمغناطيسية، سنهتم في الغالب بالجسيمين الأكثر استقرارًا في المادة الحاملة للشحنة - البروتونات والإلكترونات. إلى جانب النيوترونات، هذه هي الجسيمات التي تشكل الذرات الموجودة بداخلك ومن حولك.
الشحنة الكهربائية موجودة في كل مكان، ومع ذلك نادرًا ما نلاحظ وجود قوى كهربائية بين الأشياء اليومية. لماذا قد يكون هذا؟
أظهرت قصة الرمل أن كتل الرمال البرتقالية، التي تحتوي على أعداد متساوية من الحبيبات الحمراء والصفراء، لن تشعر بالقوى الكهربائية، فقط الكتل التي لها لون واحد أكثر قليلًا هي التي ستشعر بها. إذا كانت جميع الأجسام تقريبًا تحتوي على أعداد متساوية من البروتونات والإلكترونات، فستكون القوى الكهربائية نادرة.
وهذا الانقسام الزوجي يصل مباشرة إلى الذرات الفردية. تحتوي كل ذرة على عدد من البروتونات يساوي عدد الإلكترونات، المرتبطة ببعضها بواسطة القوى الكهربائية والنووية. إذا كانت الذرة تعاني من عدم توازن البروتونات والإلكترونات، فإنها تسمى أيونًا، وسوف تتفاعل مع الأيونات الأخرى من خلال القوى الكهربائية.
معظم المواد محايدة، أي لا تحتوي على شحنة كهربائية زائدة، ولكن في بعض الظروف، حتى الأجسام المحايدة يمكن أن تنجذب إلى الأجسام المشحونة. هل يتعارض هذا مع نظريتنا القائلة بأن أكوام الرمال غير المتوازنة فقط هي التي تشعر بالقوى؟
على عكس حبيبات الرمل، في العديد من المواد، بعض الإلكترونات قادرة على التحرك - على الأقل قليلاً - داخل المادة. وينطبق هذا بشكل خاص على المعادن، حيث يمكن لبعض الإلكترونات أن تتحرك بحرية في جميع أنحاء المعدن.
تعتبر خصائص الكثافة والاتجاه وطول الموجة والتردد أساسية لفهم كيفية تحويل ضوء الشمس إلى أشكال أخرى من الطاقة.
سيقدم الدرس التالي فكرة الفوتون، الذي يجيب على الأسئلة المتبقية حول الضوء وهو مهم للغاية لفهم كيفية عمل الخلايا الكهروضوئية.