تعريف القوة الكهروستاتيكية وتطبيقاتها

هناك أنواع مختلفة من القوى المعروفة في العلم، وتتعامل الفيزياء بشكل أساسي مع أربعة أنواع من القوى الأساسية وهي: قوة الجاذبية والقوة النووية الضعيفة والقوة النووية القوة والقوى الكهرومغناطيسية، كما ترتبط القوة الكهروستاتيكية بالقوة الكهرومغناطيسية.

مفهوم القوة الكهروستاتيكية

القوى الكهروستاتيكية هي قوى جذب أو تنافر بين الجسيمات بسبب شحناتها الكهربائية، وتسمى هذه القوة أيضًا بقوة كولوم أو تفاعل كولوم وسميت بهذا الاسم نسبة إلى الفيزيائي الفرنسي تشارلز أوغستين دي كولوم ، الذي وصف تلك القوة في عام 1785.

كيف تعمل القوة الكهروستاتيكية

تعمل القوة الكهروستاتيكية في مسافة قدرة تقريبًا عشر قطر نواة الذرة، وفيها تتنافر الشحنات المتشابهة بينما تتجاذب الشحنات المختلفة، على سبيل المثال إذا تقابل بروتونان موجبان الشحنة أو إليكترونان سالبان الشحنة فإنهما يتنافران، أما البروتونات والإليكترونات فتنجذب لبعضها البعض.

لماذا لا تلتصق البروتونات بالإلكترونات في الذرة

بينما تنجذب البروتونات والإليكترونات لبعضهما البعض عن طريق القوة الكهروستاتيكية، فإن البروتونات لا تترك نواة الذرة لتلتصق بالإليكترونات، وذلك يحدث لأنها مرتبطة ببعضها البعض بقوة أخرى تسمى القوة النووية القوية، وهي أقوى بكثير من القوة الكهرومغناطيسية لكنها تعمل على مسافة أقصر بكثير منها.

حساب القوة الكهروستاتيكية باستخدام قانون كولوم

يمكن أن نقيس قوى التجاذب أو التنافر بين جسمين مشحونين باستخدام قانون كولوم:

F = kq1q2 / r2

• حيث f تعبر عن القوة، k يمثل ثابت كولوم، وq1  و q2 هما مقدار الشحنتان الكهربائيتان، وr  تمثل المسافة بين مركزي الشحنتين.
• وفي نظام الوحدات المتري (سنتيمتر-جرام-ثانية) فإن k=1 ، وفي نظام SI
• يعادل ثابت كولوم 8.98 × 109 نيوتن متر مربع لكل كولوم مربع.
• ومن المهم ملاحظة أن القوة بين الشحنتين تتناسب طرديًا مع مقدار كل شحنة منهما وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما.

تطبيقات على القوة الكهروستاتيكية

لقد أثبتت الكهرباء الساكنة أو القوى الكهروستاتيكية أن لها فوائد في العديد من المجالات.[2]

مولد فان دي جراف

مولد فان دي جراف ليس مجرد مولد يستخدم لإثبات وجود جهد عالي للكهرباء الساكنة لكنه مفيد في عالم البحث العلمي، هذا المولد تم تطويره عام 1931م بواسطة العالم ربرت فان دي جراف لاستخدامه في أبحاث الفيزياء النووية بناء على دراسات كلفن.

مكونات مولد فان دي جراف

• قبة (كرة من معني فلزي) كبيرة.
• حزام مطاطي يدور حول محورين يمكنه جمع الشحنات.
• مجموعتين من الأسنان مدببة مجموعة تتصل بالكرة ومجموعة تتصل بالمحرك
• محرك
• قاعدة

طريقة عمل الجهاز

• عند تشغيل المحرك تبدأ الكهرباء الساكنة في التولد، وعندما تصبح الشحنات كبيرة بدرجة كافية، فإنها تنتقل من أسفل إلى أعلى حتى تصل للقبة الفلزية عبر الأسنان والحزام المطاطي.
• مع استمرار الدوران يصل الجهد بالكرة لقيمة عالية جدًا قد تصعق أي شخص يلامسها وهو ملامس للأرض.
• ويمكن أن تكفي الطاقة الكهربائية المتولدة في الكرة لإنارة مصباح كهربي.
• إذا أردت لمس الكرة يجب أن تقف إما على لوح خشبي أو ترتدي حذاء غير مبلل.

التصوير الجاف Xerography

تستخدم معظم آلات النسخ عملية إلكتروستاتيكية تسمى xerography – وهي كلمة مشتقة من الكلمات اليونانية xeros للتعبير الجاف و Graphos والتي تعني الكتابة، وهي أحد التطبيقات المثيرة للاهتمام للقوة الكهروستاتيكية.

ألية عمل التصوير الجاف

يتم رش أسطوانة الألمنيوم المطلية بالسيلينيوم بشحنة موجبة من نقاط على جهاز يسمى كوروترون، والسيلينيوم مادة ذات خاصية مثيرة للاهتمام إنها “موصل ضوئي”، وهذا يعني أن السيلينيوم يكون عازل عندما يكون في الظلام وموصلًا عند تعرضه للضوء.

في المرحلة الأولى من عملية التصوير الجاف ، يتم توصيل أسطوانة الألمنيوم الموصلة بالأرض بحيث يتم إحداث شحنة سالبة تحت الطبقة الرقيقة من السيلينيوم ذي الشحنة الموجبة المنتظمة.

في المرحلة الثانية ، يتم تعريض سطح الأسطوانة لصورة كل ما سيتم نسخه، عندما تكون الصورة خفيفة ، يصبح السيلينيوم موصلًا ، ويتم تحييد الشحنة الموجبة، بينما في المناطق المظلمة ،تظل الشحنة الموجبة موجودة ، وبالتالي يتم نقل الصورة إلى الأسطوانة (في صورة مناطق مظلمة ومناطق مضيئة).

في المرحلة الثالثة تأخذ مسحوقًا أسود جافًا يسمى مسحوق الحبر ، ويتم رشه بشحنة سالبة بحيث ينجذب إلى المناطق الموجبة من الأسطوانة، بعد ذلك ، يتم وضع شحنات موجة على قطعة ورق فارغة (المراد الطباعة عليها) لكن بشحنة  أكبر من شحنة الأسطوانة بحيث ينتقل الحبر من الأسطوانة إليها.

وأخيرًا ، يتم تمرير الورق والحبر الكهروستاتيكي من خلال بكرات ضغط ساخنة ، والتي تذوب وتلصق الحبر بشكل دائم داخل ألياف الورق.

قد تكون الفكرة معقدة بعض الشيء، لكنها من أهم تطبيقات الكهرباء الساكنة المثيرة للاهتمام.

طابعات الليزر

تستخدم طابعات الليزر عملية التصوير الجاف لعمل صور عالية الجودة على الورق ، باستخدام الليزر لإنتاج صورة على الأسطوانة الناقلة للضوء، وهذه أحد أكثر تطبيقات الكهرباء الساكنة شيوعًا ، تتلقى طابعة الليزر إخراجًا من جهاز كمبيوتر ، ويمكنها تحقيق إخراج عالي الجودة بسبب الدقة التي يمكن بها التحكم في ضوء الليزر، وتقوم العديد من طابعات الليزر بمعالجة معلومات مهمة ، مثل إنشاء أحرف أو خطوط معقدة ، وقد تحتوي الطابعة على جهاز كمبيوتر أقوى من ذلك الذي يرسل إليها البيانات الأولية.

وفي طابعة الليزر ، يتم مسح شعاع الليزر ضوئيًا عبر أسطوانة ناقلة ضوئية ، تاركًا صورة موجبة الشحنة، ثم تتم الخطوات الأخرى لشحن الأسطوانة ونقل الصورة إلى الورق بنفس تقنية xerography، لكن في تلكالتقنية يمكن التحكم في ضوء الليزر بدقة شديدة ، مما يتيح لطابعات الليزر إنتاج صور عالية الجودة.

مرسبات الدخان وتنظيف الهواء الالكتروستاتيكي

هذا أحد التطبيقات الهامة الأخرى للقوى الكهربية الإليكتروستاتيكية، وهي مرشحات الهواء، حيث يعمل كل من مرشحات الدخان الكبيرة والصغيرة بنفس الطريقة.

ويتم ترشيح الدخان عن طريق رش شحنة زائدة (موجبة عادة) على الدخان والغبار وحبوب اللقاح والجزيئات الأخرى في الهواء ثم يمر الهواء عبر شبكة مشحونة بشكل معاكس (سالبة عادة) فتنجذب الجسيمات المشحونة (الملوثات) نحو الشبكة، ويخرج الهواء نقيًا، وقد يتم تمرير الهواء على عدة شبكات متتالية لإزالة أكبر قدر من الملوثات.

وتستخدم المرسبات الكهروستاتيكية الكبيرة صناعيًا لإزالة أكثر من 99٪ من الجسيمات الموجودة في انبعاثات غاز المداخن المرتبطة بحرق الفحم والنفط، كما تكون المرسبات المنزلية ، غالبًا مقترنة مع نظام التدفئة وتكييف الهواء بالمنزل ، وهي فعالة جدًا في إزالة الجسيمات الملوثة والمهيجات والمواد المسببة للحساسية من الهواء.

الطلاء الالكتروستاتيكي

يعتد الطلاء الاليكتروستاتيكي أحد أشهر تطبيقات القوة الكهروستاتيكية، وهو يستخدم لطلاء الأماكن التي يصعب طلائها بالطرق التقليدية، حيث تستخدم الشحنات الإليكتروستاتيكية المتنافرة لوضع طبقة من الطلاء أو من العوازل على المعادن، بهدف إما حمايتها أو طلائها.