المكشاف الكهربائي

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة
معرض جيلبرت

الكاشف الكهربائي أداة علمية قديمة تُستخدم للكشف عن وجود شحنة كهربائية على جسم ما. ويكشف عن هذه الشحنة من خلال حركة شحنة اختبارية بفعل قوة كولوم الكهروستاتيكية المؤثرة عليها. تتناسب كمية الشحنة على الجسم طرديًا مع جهده الكهربائي . ويتطلب تراكم شحنة كافية للكشف عنها بواسطة الكاشف الكهربائي مئات أو آلاف الفولتات، لذا تُستخدم الكواشف الكهربائية مع مصادر جهد عالية مثل الكهرباء الساكنة والآلات الكهروستاتيكية . ولا يُعطي الكاشف الكهربائي سوى مؤشر تقريبي لكمية الشحنة؛ أما الأداة التي تقيس الشحنة الكهربائية كميًا فتُسمى مقياس الشحنة الكهربائية .

كان المِقْصَر الكهربائي أول أداة قياس كهربائية . وكان أول مِقْصَر كهربائي عبارة عن إبرة محورية (تُسمى الفيرسوريوم )، اخترعها الطبيب البريطاني ويليام جيلبرت حوالي عام 1600. [ 1 ] [ 2 ] يُعدّ كلٌّ من المِقْصَر الكهربائي ذو الكرة النخاعية والمِقْصَر الكهربائي ذو الورقة الذهبية نوعين كلاسيكيين من المِقْصَر الكهربائي [ 2 ] لا يزالان يُستخدمان في تعليم الفيزياء لشرح مبادئ الكهرباء الساكنة . كما يُستخدم نوع من المِقْصَر الكهربائي في مقياس جرعات الإشعاع المصنوع من ألياف الكوارتز . وقد استخدم العالم النمساوي فيكتور هيس المِقْصَر الكهربائي في اكتشاف الأشعة الكونية .

مكشاف كهربائي كروي

مكشاف كهربائي كروي من سبعينيات القرن التاسع عشر، يُظهر انجذابه للأجسام المشحونة
كيف يعمل؟

في عام 1731، استخدم ستيفن غراي خيطًا معلقًا بسيطًا، ينجذب إلى أي جسم مشحون قريب. وكان هذا أول تحسين على جهاز جيلبرت " فيرسوريوم" الذي يعود تاريخه إلى عام 1600. [ 3 ]

يتكون المِكشاف الكهربائي ذو الكرة اللبية، الذي اخترعه المعلم والفيزيائي البريطاني جون كانتون عام ١٧٥٤، من كرة أو كرتين صغيرتين من مادة خفيفة الوزن غير موصلة للكهرباء، كانت في الأصل مادة نباتية إسفنجية تُسمى اللبّ ، [ ٤ ] مُعلقتين بخيط من الحرير أو الكتان من خطاف حامل معزول . [ ٥ ] صنع تيبيريوس كافالو مِكشافًا كهربائيًا عام ١٧٧٠ بكرات لبية في نهايات أسلاك فضية. [ ٣ ] تستخدم المِكشافات الكهربائية الحديثة عادةً كرات مصنوعة من البلاستيك. لاختبار وجود شحنة على جسم ما، يُقرّب الجسم من كرة اللبّ غير المشحونة. إذا كان الجسم مشحونًا، ستنجذب إليه الكرة وتتحرك نحوه.

يحدث التجاذب نتيجة الاستقطاب المستحث [ 6 ] للذرات داخل كرة النخاع. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] تتكون جميع المواد من جسيمات مشحونة كهربائيًا متقاربة؛ تتكون كل ذرة من نواة موجبة الشحنة محاطة بسحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة . النخاع عازل ، لذا فإن الإلكترونات في الكرة مرتبطة بذرات النخاع ولا تستطيع مغادرة الذرات والتحرك بحرية داخل الكرة، ولكنها تستطيع التحرك قليلًا داخل الذرات. انظر الرسم التوضيحي. على سبيل المثال، إذا تم تقريب جسم موجب الشحنة (B) من كرة النخاع (A) ، فإن الإلكترونات السالبة (علامات السالب الزرقاء) في كل ذرة (الأشكال البيضاوية الصفراء) ستنجذب وتتحرك قليلًا نحو جانب الذرة الأقرب إلى الجسم. أما النوى موجبة الشحنة (علامات الموجب الحمراء) فستتنافر وتتحرك قليلًا بعيدًا. بما أن الشحنات السالبة في كرة النخاع أصبحت الآن أقرب إلى الجسم من الشحنات الموجبة (C) ، فإن تجاذبها أكبر من تنافر الشحنات الموجبة، مما ينتج عنه قوة تجاذب صافية. [ 7 ] هذا الفصل للشحنات مجهري، ولكن نظرًا لوجود عدد كبير جدًا من الذرات، فإن القوى الصغيرة تتراكم لتشكل قوة كافية لتحريك كرة نخاع خفيفة.

إذا كان الجسم الخارجي (ب) يحمل شحنة سالبة، فإن النوى الموجبة لكل ذرة ستنجذب نحوه بينما تتنافر الإلكترونات بعيدًا عنه. وهذا بدوره يجعل الشحنات المتعاكسة أقرب إلى الجسم الخارجي من الشحنات ذات القطبية نفسها، مما ينتج عنه قوة تجاذب صافية.

يمكن شحن كرة النخاع عن طريق ملامستها لجسم مشحون، فتنتقل بعض الشحنات الموجودة على سطح الجسم المشحون إلى سطح الكرة. بعد ذلك، يمكن استخدام الكرة لتمييز قطبية الشحنة على الأجسام الأخرى، لأنها تتنافر مع الأجسام المشحونة بنفس قطبيتها، بينما تنجذب إلى الشحنات ذات القطبية المعاكسة.

غالبًا ما يحتوي الكاشف الكهربائي على كرتين معلقتين من لب الخشب. يتيح هذا معرفة ما إذا كانت الكرتان مشحونتين بنظرة سريعة. عند ملامسة إحدى الكرتين لجسم مشحون، تنجذب إليها الكرة الأخرى وتلامسه، ناقلةً جزءًا من الشحنة إلى سطحها. الآن، تحمل الكرتان نفس قطبية الشحنة، لذا تتنافران. تتدلى الكرتان على شكل حرف "V" مقلوب، مع تباعدهما. تعطي المسافة بين الكرتين فكرة تقريبية عن مقدار الشحنة.

مكشاف كهربائي ذو ورق ذهبي

مسبار كهربائي ذو ورقة ذهبية يُظهر الحث الكهروستاتيكي
يُستخدم جهاز الكشف الكهروستاتيكي لتوضيح الحث الكهروستاتيكي. عند ملامسة قضيب راتنجي مشحون (-) للطرف الكروي العلوي، تنتقل الإلكترونات عبر العمود إلى الإبرة، مما يؤدي إلى تنافر العمود مع الإبرة ودورانها عكس اتجاه عقارب الساعة. تطارد القضبان المشحونة القريبة من الطرف الشحنات المتشابهة من الكرة إلى العمود والإبرة، أو عبر الجهاز إلى الأرض. عند إزالة القضيب المشحون، تنتشر الشحنات من الإبرة والعمود إلى الكرة، فتصبح الإبرة والعمود أقل شحنة من ذي قبل، وبالتالي ينحرف مسار الإبرة بشكل أقل مما كان عليه بعد الشحن بالتلامس.

طُوِّرَ المِكشافُ الكهربائيُّ ذو الورقة الذهبية عام 1787 على يد رجل الدين والفيزيائي البريطاني أبراهام بينيت ، [ 4 ] كأداةٍ أكثر حساسيةً من المِكشافات الكهربائية ذات الكرة اللبية أو شفرة القش المستخدمة آنذاك. [ 11 ] يتكون من قضيب معدني رأسي ، عادةً ما يكون من النحاس الأصفر ، تتدلى من طرفيه شريحتان متوازيتان من ورق الذهب الرقيق والمرن . يُثبَّت طرف قرصي أو كروي في أعلى القضيب، حيث تُطبَّق الشحنة المراد اختبارها. [ 11 ] لحماية رقائق الذهب من تيارات الهواء، تُغلَق في زجاجة، عادةً ما تكون مفتوحة من الأسفل ومثبتة على قاعدة موصلة . غالبًا ما توجد صفائح معدنية مؤرضة أو شرائح من رقائق معدنية داخل الزجاجة تُحيط برقائق الذهب من الجانبين. تُعد هذه الصفائح إجراءً وقائيًا؛ فإذا طُبِّقت شحنة زائدة على رقائق الذهب الرقيقة، فإنها ستلامس الصفائح المؤرضة وتُفرِّغ الشحنة قبل أن تتمزق. كما أنها تلتقط الشحنة المتسربة عبر الهواء والمتراكمة على الجدران الزجاجية، مما يزيد من حساسية الجهاز. في الأجهزة الدقيقة، كان يتم تفريغ الجزء الداخلي من الزجاجة من حين لآخر، لمنع تسرب الشحنة الموجودة على الطرفية من خلال تأين الهواء.

عند ملامسة الطرف المعدني لجسم مشحون، تتباعد رقائق الذهب على شكل حرف "V" مقلوب. ويعود ذلك إلى انتقال جزء من الشحنة من الجسم عبر الطرف والقضيب المعدني إلى الرقائق. [ 11 ] ولأن الرقائق تحمل نفس نوع الشحنة، فإنها تتنافر وتتباعد. أما إذا تم تأريض الطرف بلمسه بإصبع ، فإن الشحنة تنتقل عبر جسم الإنسان إلى الأرض، فتتقارب رقائق الذهب.

يمكن شحن أوراق الكاشف الكهربائي دون ملامسة جسم مشحون للطرف، وذلك عن طريق الحث الكهروستاتيكي . عند تقريب الجسم المشحون من طرف الكاشف، تتباعد الأوراق، لأن المجال الكهربائي الناتج عن الجسم يُحفز شحنة في قضيب الكاشف الموصل والأوراق، فتتنافر الأوراق المشحونة. تنجذب الشحنة ذات الإشارة المعاكسة إلى الجسم القريب وتتجمع على قرص الطرف، بينما تتنافر الشحنة ذات الإشارة المماثلة من الجسم وتتجمع على الأوراق (ولكن فقط بقدر ما غادر الطرف)، لذا تتنافر الأوراق. إذا تم تأريض الكاشف أثناء وجود الجسم المشحون بالقرب منه، بلمسه للحظة بإصبع، تنتقل الشحنات المتنافرة ذات الإشارة المماثلة عبر نقطة التلامس إلى الأرض، تاركةً الكاشف بشحنة صافية ذات إشارة معاكسة لشحنة الجسم. تتدلى الأوراق في البداية بحرية لأن الشحنة الصافية تتركز عند الطرف. عند إبعاد الجسم المشحون، تنتشر الشحنة عند الطرف إلى الأوراق، مما يؤدي إلى تباعدها مرة أخرى.

رسم تخطيطي لمكشاف كهربائي ذهبي. [ 12 ]

طُوِّرَ جهاز بوننبرغر الكهربائي في أوائل القرن التاسع عشر على يد الفيزيائي الألماني يوهان غوتليب فريدريش فون بوننبرغر، كتحسين لأجهزة القياس الكهربائية السابقة ذات الأوراق الذهبية. استخدم الجهاز ورقة ذهبية واحدة معلقة بين لوحين مشحونين بشحنتين متعاكستين، مما زاد من حساسيته وسمح باكتشاف أوضح لوجود الشحنة الكهربائية وعلامتها. [ 13 ]

استُخدمت أجهزة قياس الكهرباء من نوع بوننبرغر على نطاق واسع في الفيزياء التجريبية في القرن التاسع عشر، وتظهر في مختبرات الجامعات والمجموعات التعليمية والكتيبات العلمية في جميع أنحاء أوروبا. وقد أثر تصميمها على أجهزة قياس الكهرباء عالية الحساسية التي ظهرت لاحقًا. [ 14 ]

صُممت أجهزة المقياس الكهربائي من شركة إيبرباخ وأبنائه في المقام الأول للاستخدام التعليمي والمختبري، باتباع مبادئ المقياس الكهربائي الكلاسيكية مع التركيز على المتانة والبناء القياسي للبيئات التعليمية. [ 15 ]

على الرغم من أنهم لم يقدموا مبادئ جديدة في مجال الكهروستاتيكا، إلا أنهم لعبوا دورًا في توحيد تدريس الكهروستاتيكا في أمريكا الشمالية. [ 16 ]

انظر أيضاً

الحواشي

  1. ↑ جيلبرت، ويليام؛ إدوارد رايت (1893). حول حجر المغناطيس والأجسام المغناطيسية . جون وايلي وأولاده. ص 79 . ترجمة بقلم ب. فلوري موتليه عن كتاب ويليام جيلبرت (1600) Die Magnete ، لندن
  2. 1 2 فليمنج، جون أمبروز (1911). "المنظار الكهربائي" . في تشيشولم، هيو (محرر). الموسوعة البريطانية . المجلد 9 ( الطبعة الحادية عشرة). مطبعة جامعة كامبريدج. ص 239.    
  3. 1 2 بايغري، برايان (2007). الكهرباء والمغناطيسية: منظور تاريخي . ويستبورت، كونيتيكت: مطبعة غرينوود. ص 33. 
  4. 1 2 ديري، توماس ك.؛ ويليامز، تريفور (1993) [1961]. تاريخ موجز للتكنولوجيا: من أقدم العصور إلى عام 1900 ميلادي . دوفر. ص 609. ISBN  0-486-27472-1.ص 609
  5. ↑ إليوت، ب. (1999). "أبراهام بينيت، زميل الجمعية الملكية (1749-1799): كهربائي إقليمي في إنجلترا في القرن الثامن عشر" ( ملف PDF) . ملاحظات وسجلات الجمعية الملكية في لندن . 53 (1): 61. doi : 10.1098/rsnr.1999.0063 . JSTOR 531928. S2CID 144062032. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 27 مارس 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 سبتمبر 2007 .  
  6. ↑ شيروود، بروس أ.؛ روث و. تشاباي (2011). المادة والتفاعلات ( الطبعة الثالثة). الولايات المتحدة: جون وايلي وأولاده. الصفحات 594-596 . ISBN   978-0-470-50347-8.
  7. 1 2 كابلان MCAT فيزياء 2010-2011 . الولايات المتحدة الأمريكية: كابلان للنشر. 2009. ص 329. ISBN  978-1-4277-9875-6تمت أرشفة النسخة الأصلية بتاريخ 31 يناير 2014.
  8. ↑ بول إي. تيبنز، الشحنة الكهربائية والقوة الكهربائية ، عرض تقديمي باوربوينت، الصفحات 27-28، 2009، جامعة ولاية ساوث بوليتكنيك. مؤرشف في 19 أبريل 2012، على موقع DocStoc.com في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
  9. ↑ هندرسون، توم (2011). "الشحنة وتفاعلات الشحنة" . الكهرباء الساكنة، الدرس 1. فصل الفيزياء . تم الاسترجاع في 1 يناير 2012 .
  10. ↑ وين، ويل وين (2010). مقدمة في الفيزياء المفهومة، المجلد 3: الكهرباء والمغناطيسية والضوء . الولايات المتحدة: دار المؤلف. ص 20.4. ISBN  978-1-4520-1590-3.
  11. 1 2 3
  12. ↑ phi6guy (2025-07-03). قانون كولوم | الكهرباء الساكنة | الشحنات الكهربائية والمجالات | فيزياء الصف الثاني عشر من NCERT | . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2025-07-04 – عبر يوتيوب.{{cite AV media}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  13. ↑ هيلبرون، جيه إل (31 ديسمبر 1979). الكهرباء في القرنين السابع عشر والثامن عشر . مطبعة جامعة كاليفورنيا. ISBN 978-0-520-33460-1.
  14. ↑ «تاريخ نظريات الأثير والكهرباء. بقلم البروفيسور ويتاكر. 12 شلنًا و6 بنسات صافية. 1910. (لونغمانز) . » المجلة الرياضية . 7 (105): 116–116 . 1910. doi : 10.2307/3603314 . ISSN 0025-5572 . 
  15. ↑ " أدوات العلم: موسوعة تاريخية . روبرت باد، ديبورا جين وارنر" . مجلة إيزيس . 91 (2): 338-338 . 1998. doi : 10.1086/384751 . ISSN 0021-1753 . 
  16. ↑ سوت جانسن، باربرا (2010). "فهرس نماذج براءات الاختراع: دليل لمجموعات المتحف الوطني للتاريخ الأمريكي، مؤسسة سميثسونيان: قوائم حسب رقم براءة الاختراع واسم الاختراع، المجلد 1" . مساهمات سميثسونيان في التاريخ والتكنولوجيا (54): 1-357 . doi : 10.5479/si.19486006.54-1 . ISSN 1948-6006 . 
  • "مقياس كهربائي كروي" . مورد توضيحي في الفيزياء . جامعة سانت ماري . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28-05-2015 .
  • "محاكاة حاسوبية للمكشافات الكهربائية" . برنامج Molecular Workbench . اتحاد كونكورد. مؤرشف من الأصل بتاريخ 3 يوليو 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 فبراير 2008 .
  • فيديو "كرة النخاع والقضيب المشحون" . قناة سانت ماري للفيزياء على يوتيوب . موقع سانت ماري للفيزياء على الإنترنت. مؤرشف من الأصل بتاريخ ٢٢ ديسمبر ٢٠٢١.