شارح الدرس: فرق الجهد الكهربي الذي تزوِّده بطاريات العلوم

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحسب فرق الجهد الذي تزوِّده بطارية وفقًا لكمية الشغل المبذول لفصل الشحنات.

لعلك تتذكَّر خصائص الشحنات. فقد يكون الجسم أو الجسيم موجب الشحنة، أو سالب الشحنة، أو متعادل الشحنة. تقاس الشحنات بوحدة الكولوم.

الشحنات المتماثلة تتنافر، أما الشحنات المتضادة فتجذب بعضها بعضًا. هذا يعني وجود قوة تجاذُب بين الشحنة الموجبة والشحنة السالبة. قوة التجاذب تجذب بعضهما لبعض.

إذا أردنا فصل شحنتين متضادتين، فعلينا التغلُّب على قوة التجاذب بينهما. هذا يعني أن علينا بذل شغل على الشحنتين. ولزيادة المسافة بين الشحنتين، علينا نقل الطاقة إليهما، ومن ثم تستطيعان التغلب على قوة التجاذب بينهما.

عند فصل شحنتين، فإننا نولِّد فرق جهد كهربي بينهما. يوضِّح لنا فرق الجهد الكهربي مقدار الشغل المبذول على الشحنتين لفصلهما.

مثال ١: التعرُّف على فرق الجهد الكهربي بين شحنتين منفصلتين

يوضِّح الشكل شحنة موجبة وشحنة سالبة كلٌّ منهما بالقرب من الأخرى. هاتان الشحنتان ثابتتان في مكانيهما ولا يمكنهما الحركة.

أكمل الجملة الآتية: يؤدي فصل الشحنتين الموجبة والسالبة إلى توليد بينهما.

1. فرق جهد كهربي
2. تيار كهربي

الحل

الإجابة هي الخيار (أ)، فرق جهد كهربي.

توضِّح الصورة شحنة موجبة وشحنة سالبة، مع وجود مسافة بينهما. ومن ثم، توضِّح الصورة اثنين من الشحنات المتضادة، تم فصلهما إحداهما عن الأخرى.

لفصل شحنتين متضادتين، لا بد من بذل شغل للتغلب على قوة التجاذب بين الشحنتين. عند بذل شغل لفصل شحنتين، يتولَّد فرق جهد كهربي بين الشحنتين.

التيار الكهربي هو سريان للشحنة. تخبرنا المعطيات أن الشحنتين ثابتتان ولا يمكنهما الحركة. ومن ثم لا يوجد تيار كهربي في هذه الصورة.

والآن بعد أن فَهِمنا كيف أن فصل الشحنات يولِّد فرق جهد، دعونا نلقِ نظرة على كيفية توليد فرق جهد بين نقطتين في مادة.

يمكننا توليد فرق جهد بين نقطتين في مادة، وذلك بواسطة فصل الشحنات في هذه المادة.

تتكوَّن المواد من ذرات. وتحتوي الذرات على نوعين من الجسيمات المشحونة. إذ تحتوي نواة الذرة على بروتونات موجبة الشحنة. وخارج النواة، توجد إلكترونات سالبة الشحنة.

البروتونات والإلكترونات لها نفس مقدار الشحنة، لكن البروتونات شحنتها موجبة، والإلكترونات شحنتها سالبة. عدد البروتونات يساوي عدد الإلكترونات في الذرة.

توضِّح الصورة بالأسفل الشحنات في قطعة من مادة. الدوائر الزرقاء تمثِّل الإلكترونات. والدوائر الحمراء تمثِّل نوى الذرات في المادة. في هذه المادة، تحتوي كل نواة على بروتون واحد. هذا يعني أن عدد الشحنات الموجبة في المادة يساوي عدد الشحنات السالبة.

لا يوجد فرق جهد كهربي بين طرفَي هذه المادة.

ونظرًا لأن المادة تحتوي على نفس العدد من الشحنات الموجبة والشحنات السالبة، فإن المادة متعادلة الشحنة إجمالًا. الشحنات الموجبة والشحنات السالبة موزَّعة بانتظام في المادة. هذا يعني أن المادة متعادلة في كل مكان.

وهذا موضَّح في الصورة الآتية للمادة نفسها.

إذا عددنا كل الشحنات في الطرف الأيمن من المادة، فسنجد أن عدد الإلكترونات السالبة فيه يساوي عدد النوى الموجبة. هذا يعني أن هذه المنطقة متعادلة الشحنة إجمالًا.

وبالمثل، فإن المنطقة في الطرف الأيسر متعادلة الشحنة أيضًا.

فكلا الطرفين الأيسر والأيمن لهذه المادة متعادل الشحنة. ومن ثم، لا يوجد فصل للشحنات في المادة. وعليه، لا يوجد فرق جهد كهربي بين الطرف الأيسر والطرف الأيمن للمادة.

لكن، يمكننا توليد فرق جهد في هذه المادة من خلال بذل شغل على الشحنات.

في المواد الصلبة، تكون النوى الذرية ثابتة في مكانها وذلك طبقًا لبِنْية المادة. توجد البروتونات في نوى الذرات. وهذا يعني أن البروتونات في المواد الصلبة ثابتة في مكانها. ومن ثم لا يمكن للشحنات الموجبة في مادة صلبة أن تتحرك.

أما الإلكترونات فلا توجد داخل النواة. وهذا يعني أنه يمكننا بذل شغل على الإلكترونات لتحريكها داخل المادة.

وببذل شغل على الإلكترونات، يمكننا تحريكها باتجاه أحد طرفَي المادة. وهذا موضَّح في الصورة الآتية.

في هذا الشكل، تَحرَّكَت الإلكترونات في اتجاه الجانب الأيمن من المادة. نسمي ذلك «تراكم الإلكترونات» في الجانب الأيمن.

ونظرًا لأن شحنات المادة لم تَعُد متباعدة على نحو متساوٍ، فإن لجانبَي المادة شحنة كلية مختلفة.

وهذا موضَّح في الصورة الآتية.

في الجانب الأيمن من المادة، يوجد تراكم للإلكترونات. وهذا يعني أن هذه المنطقة من المادة تحتوي على عدد إلكترونات أكبر من عدد البروتونات. ومن ثم، فإن الجانب الأيمن من المادة سالب الشحنة.

في الجانب الأيسر من المادة، يزيد عدد البروتونات عن عدد الإلكترونات. ومن ثم، فإن الجانب الأيسر من المادة موجب الشحنة.

في هذه المادة، تم بذل شغل لتحريك الإلكترونات. والآن أصبح الجانب الأيمن من المادة سالب الشحنة، والجانب الأيسر من المادة موجب الشحنة. وهذا يعني أن هناك فصلًا للشحنات في المادة. ومن ثم أصبح هناك فرق جهد كهربي بين جانبَي المادة.

مثال ٢: التعرُّف على فصل الشحنات في مادة

توضِّح الصورة الإلكترونات والنوى الذرية في قطعة من مادة. لا يمكن للإلكترونات السريان عبر هذه المادة. تمثِّل الدوائر الزرقاء الإلكترونات، وتمثِّل الدوائر الحمراء النوى الذرية.

1. في أيِّ طرفَي المادة يوجد تراكم للإلكترونات؟
2. أكمل الفراغ: يؤدي تراكم الإلكترونات في أحد طرفَي المادة إلى توليد في هذه القطعة من المادة.
   1. فرق جهد كهربي
   2. تيار كهربي

الحل

الجزء الأول

هناك تراكم للإلكترونات في الطرف الأيمن من المادة.

يحدُث تراكم للإلكترونات في أحد طرفَي المادة عندما تتحرك الإلكترونات في المادة نحو هذا الطرف. وهذا يعني أن عدد الإلكترونات الموجودة في هذا الطرف من المادة يكون أكبر من عدد الإلكترونات الموجودة في الطرف الآخر.

في هذه الصورة، يزيد عدد الإلكترونات الموجودة في الطرف الأيمن عن عدد الإلكترونات الموجودة في الطرف الأيسر. تَحرَّكَت الإلكترونات في اتجاه الطرف الأيمن من المادة، ومن ثم يوجد تراكم للإلكترونات في الطرف الأيمن.

الجزء الثاني

الإجابة هي الخيار (أ)، فرق جهد كهربي.

ونظرًا لتراكم الإلكترونات في الطرف الأيمن من المادة، يصبح لطرفَي المادة شحنتان متضادتان.

الطرف الأيمن يحتوي على عدد من الإلكترونات أكبر من عدد البروتونات، لذا فإن شحنته سالبة. أما الطرف الأيسر فيحتوي على عدد بروتونات أكبر من عدد الإلكترونات، لذا فإن شحنته موجبة.

والآن طرفا المادة لهما شحنتان متضادتان، إذن، يوجد فصل للشحنات في المادة. ومن ثم، يوجد فرق جهد كهربي بين طرفَي المادة.

الموصِّل هو نوع من المواد التي يمكن أن تسري فيها الشحنات بسهولة شديدة.

في الموصِّلات، يمكن بذل شغل لزيادة تراكم الإلكترونات في أحد طرفَي المادة، كما ذكرنا من قبل. وهذا يعني أن هناك فصل للشحنات، ومن ثم هناك فرق جهد عبر الموصِّل. ولكن عند توقُّف هذا الشغل، يمكن أن تسري الإلكترونات بسهولة عبر المادة.

عندما يحدث ذلك، تتحرك الإلكترونات لتتوزع مرة أخرى بانتظام في المادة. وهذا لأن الإلكترونات لها الشحنة نفسها. ومن ثم، توجد قوة تنافر بين الإلكترونات، تدفعها بعيدًا بعضها عن بعض.

عند توزيع الشحنات بانتظام في المادة، لا يكون هناك فصل للشحنات ومن ثم لا يوجد فرق جهد عبر المادة.

لذا عند السماح للجسيمات المشحونة بالسريان في الموصِّل، يمكن أن يقلَّ فصل الشحنات إلى صفر. عندما يحدث ذلك، لا يوجد فرق جهد بين أيِّ نقطتين في الموصِّل.

مثال ٣: التعرُّف على فرق الجهد الكهربي في مولِّدات فان دي جراف

توضِّح الصورة مولِّد فان دي جراف الكهربائي.

1. املأ الفراغ: عند تشغيل المولِّد، تتراكم شحنات على الكرة الكبيرة.
   1. موجبة
   2. سالبة
2. وُصِّلت الكرة الصغيرة بالأرضي بواسطة كبل نحاسي. قُرِّبت الكرة من الكرة الكبيرة، لكن من دون أيِّ شرارة بينهما.
   املأ الفراغ: ينشأ عن تراكم الشحنات السالبة على الكرة الكبيرة بين الكرة الكبيرة والكرة الصغيرة.
   1. تيار كهربي
   2. فرق جهد كهربي

الحل

الجزء الأول

الإجابة هي الخيار (ب)، سالبة.

مولِّد فان دي جراف هو جهاز يفصل الشحنات. داخل مولِّد فان دي جراف، تتحرك الإلكترونات من حزام مطاطي دوراني وتنتقل إلى الكرة الكبيرة. يؤدِّي هذا إلى تراكم شحنة سالبة على الكرة الكبيرة.

الجزء الثاني

الإجابة هي الخيار (ب)، فرق جهد كهربي.

يوجد تراكم للإلكترونات على الكرة الكبيرة، ومن ثم فإن الكرة الكبيرة سالبة الشحنة.

وُصلت الكرة الصغيرة بالأرضي بواسطة كبل نحاسي. والنحاس موصِّل، وهو ما يعني أن الشحنة يمكن أن تسري بسهولة عبر الكبل. هذا يعني أنه لا يوجد تراكم للشحنة على الكرة الصغيرة. ومن ثم فالكرة الصغيرة متعادلة الشحنة.

يوجد فرق جهد كهربي بين الكرة الكبيرة والكرة الصغيرة، ويرجع ذلك إلى تراكم الشحنات على الكرة الكبيرة. وهذا بسبب قوى التنافر بين الإلكترونات، التي لها جميعها الشحنة نفسها.

من الممكن أن يكون هناك تيار كهربي بين الكرة الكبيرة والكرة الصغيرة. ونتيجة لفرق الجهد الكهربي، يمكن أن تسري الإلكترونات من الكرة الكبيرة إلى الكرة الصغيرة. وعندما يحدث ذلك، تُنتج الشحنات التي تتحرك عبر الهواء ومضة ضوء وصوتًا متقطعًا يسميان «شرارة».

لكن في هذا السؤال، يخبرنا السؤال بأنه لا توجد شرارة بين الكرتين. ومن ثم، لا بد ألَّا يكون هناك تيار يسري بين الكرتين.

مثال ٤: التعرُّف على فصل الشحنات في سلك نحاسي

توضِّح الصورة الإلكترونات والنوى الذرية في مقطع من سلك نحاسي. تمثِّل الدوائر الزرقاء الإلكترونات، وتمثِّل الدوائر الحمراء النوى الذرية.

في البداية، تتراكم الإلكترونات عند الطرف الأيمن من السلك. ماذا يحدث في السلك بمرور الزمن؟

الحل

الإجابة هي: تتحرك الإلكترونات في اتجاه الطرف الأيسر من السلك حتى تصبح متباعدة بمسافات متساوية.

في هذه المادة، تم بذل شغل لتحريك الإلكترونات في اتجاه الطرف الأيمن من المادة، مما تَسبَّب في تراكم الشحنات. ينتُج عن ذلك فصل للشحنات بين طرفَي المادة. ومن ثم، يوجد فرق جهد كهربي بين طرفَي المادة.

النحاس مادة موصِّلة. وهذا يعني أنه من السهل جدًّا للشحنة أن تسري عبر النحاس.

عندما نتوقف عن بذل شغل لتحريك الإلكترونات، تتحرك الإلكترونات بحيث تتوزع مرة أخرى بالتساوي في جميع أنحاء المادة. وهذا لأن الإلكترونات لها الشحنة نفسها. ومن ثم، توجد قوى تنافر بين الإلكترونات، تدفعها بعيدًا بعضها عن بعض.

وهذا يقلل فصل الشحنات في المادة إلى صفر. عندما تصبح الشحنات متباعدة بمسافات متساوية، لا يوجد فرق جهد بين أيِّ نقطتين على السلك.

والآن لنتناول فرق الجهد الكهربي عبر بطارية في دائرة كهربية.

البطارية هي مصدر للطاقة في دائرة كهربية. تحتوي البطاريات على مواد كيمائية، تتكون من جسيمات مشحونة. تبذل البطارية شغلًا لفصل الجسيمات ذات الشحنات المتضادَّة. وهذا يولِّد فرق جهد كهربي عبر البطارية. يسمى فرق الجهد الكهربي عبر بطارية بالقوة الدافعة الكهربية.

تسمح القوة الدافعة الكهربية للبطارية بأن تسري الشحنات في الدائرة الكهربية.

تَذكَّرْ أن هناك قوة تجاذب بين الشحنات المتضادة التي تم فصلها وتجذب هذه القوة الشحنات السالبة إلى الشحنات الموجبة. عند توصيل بطارية بأسلاك موصِّلة، تسري الإلكترونات من طرف البطارية ذي الشحنة السالبة عبر الدائرة الكهربية حتى تصل إلى طرف البطارية ذي الشحنة الموجبة.

تسري الإلكترونات عبر الدائرة الكهربية، بدلًا من سريانها للخلف مرة أخرى عبر البطارية، لأن الدائرة الكهربية مصنوعة من مواد موصِّلة. وهذا يعني أنه من الأسهل للإلكترونات أن تسري عبر الدائرة الكهربية.

ومن ثم، يمكن أن تُنتج القوة الدافعة الكهربية للبطارية تيارًا في دائرة كهربية.

يمكننا حساب فرق الجهد الكهربي، ، عبر بطارية باستخدام الصيغة الآتية.

يقاس فرق الجهد الكهربي بوحدة الفولت.

توضِّح لنا الصيغة السابقة أن فرق الجهد عبر بطارية يساوي الشغل المبذول لفصل الشحنات، المَقيس بوحدة الجول، مقسومًا على كمية الشحنة التي يتم فصلها، المَقيسة بوحدة الكولوم. ومن ثم، . إذن، وحدة واحد فولت تساوي واحد جول لكل كولوم، جول/كولوم.

هيَّا نلخِّص الآن ما تعلمناه في هذا الشارح.