فلتجمع كل المواد التي لديك، واستعد لكي تشهد بعض عجائب الكهرباء. قم أولًا بشحن مشطك عن طريق فركه بشعرك فركا شديدا بعد أن تتأكد من أنه جاف تماما، أو عن طريق فركه بقطعة من الحرير. صرنا نعرف الآن من كهرباء الاحتكاك أن المشط سوف يكتسب شحنة سالبة. والآن توقف للحظة وفكر في ما سيجري عندما تقرب المشط من كومة قصاصات الورق ولماذا أعرف أنا بكل تأكيد أنك ستقول «لن يحدث شيء على الإطلاق».

ثم ضع المشط فوق تل قصاصات الورق الصغير ذلك ببوصات قليلة. ثم اخفض المشط ببطء وراقب ما يحدث إنه أمر مدهش أليس كذلك؟ جرب الأمر مرة أخرى لتعرف أن الأمر ليس محض مصادفة. ستجد بعض شذرات الورق تقفز نحو المشط، بعضها يلتصق به للحظات ثم يسقط مرة أخرى، والبعض الآخر يظل ملتصقًا. بل إنك إذا عبثت بالمشط والشذرات قليلا، فقد تتمكن من جعل الشذرات تقف على حافتها بل وترقص على سطح الطاولة. ما الذي يحدث بالله عليك؟ لماذا يلتصق بعض شذرات الورق بالمشط بينما يقفز بعضها ويلتصق به ثم يسقط مرة أخرى؟

تلك أسئلة ممتازة ذات إجابات ممتعة للغاية. إليك ما يحدث بالضبط. تصد الشحنة السالبة في المشط إلكترونات ذرات الورق ولذلك فهي، رغم أنها ليست حرة، لا تقبع إلا برهة قصيرة على الجانب الأقصى من ذراتها وهي عندما تفعل ذلك تكون جوانب الذرات الأقرب للمشط موجبة بشكل أكبر بقليل مما كانت عليه من قبل. لذا تنجذب الحافة أو ينجذب جانب الورقة ذو الشحنة الموجبة إلى الشحنة السالبة في المشط، وتقفز الورقة ذات الوزن الخفيف جدا ناحية المشط. لماذا تهزم القوة الجاذبة نظيرتها الصادة القائمة بين شحنة المشط السالبة والإلكترونات الموجودة في الورقة؟ لأن قوة الصد الكهربي – والجذب كذلك – تتناسب مع قوة الشحنات، لكنها تتناسب عكسيا كذلك مع مربع المسافة بينهما نسمي نحن ذلك قانون كولوم، الذي سمي على اسم شارل أوجستين دي كولوم Charles–Augustine de Coulomb الفيزيائي الفرنسي الذي اكتشف ذلك الاكتشاف الهام، ولسوف تلاحظ أنت تشابهه المذهل مع قانون نيوتن للجاذبية الكونية. لاحظ كذلك أننا نسمي الوحدة الأساسية للشحنة كولوم أيضًا ونسمي وحدة الشحنة الإيجابية + 1 كولوم (نحو 10¹⁸ × 6 بروتون)، بينما نسمي الشحنة السالبة – 1 كولوم (نحو 10¹⁸ × 6 إلكترون).

يقول قانون كولوم بأن أي تغيير مهما كان صغيرا في المسافة بين الشحنات الموجبة والأخرى السالبة قادر على إحداث تأثير كبير. ولنا أن نعبر بعبارات أخرى فنقول: إن القوة الجاذبة الكامنة في الشحنات القريبة تطغى على القوة الصادة في الشحنات الأبعد.

نسمي هذه العملية بأسرها باسم عملية الحث؛ لأن ما نفعله عند تقريب جسيم مشحون من جسيم محايد هو تخليق شحنات على الجانبين الأقرب والأقصى من الجسيم المحايد، خالقين نوعًا من استقطاب الشحنة في شذرات الورق تلك. يمكنك أن تشاهد أكثر من عرض لهذه التجربة في محاضرتي التي ألقيتها للأطفال وذويهم، والتي سميتها عجائب الكهرباء والمغناطيسية في جامعة إم آي تي ورلد، والتي تستطيع مشاهدتها على موقع: 319/http://mitworld.mit.edu/video.

أما بخصوص سبب سقوط بعض شذرات الورق عن المشط في حين يظل البعض الآخر ملتصقًا به فهو أمر لا يقل إثارة للاهتمام. فعندما تمس شذرة الورق المشط تنتقل بعض الإلكترونات الفائضة في المشط إلى الورقة. وعندما يحدث ذلك قد تتبقى قوة كهربية جاذبة بين المشط وشذرة الورق، لكنها قد لا تكون بالشدة الكافية لتغلب قوة الجاذبية الأرضية ومن ثم تسقط الشذرة. إذا كان انتقال الشحنة عاليا فقد تصير الشحنة الكهربية شحنة صادة، وفي كلتا الحالتين ستقوم قوة الجاذبية والقوة الكهربية بزيادة. سرعة شذرة الورق في الاتجاه الأسفل.

الآن قم بنفخ أحد البالونات واعقد طرفه حتى يظل منفوخا ثم اعقد وترا بطرفه. ثم جد في منزلك مكانا تستطيع أن تعلق البالون فيه بحرية. تستطيع تعليقه في مصباح ما. أو تستطيع أن تضع ثقلا ما على طرف الوتر وتترك البالون يتدلى من فوق منضدة مطبخك بمقدار ست بوصات إلى قدم اشحن المشط مرة أخرى عن طريق فركه بقوة بقطعة حرير أو في شعرك – تذكر أن المزيد من الفرك ينتج شحنة أقوى. والآن فلتقرب من البالون ببطء شديد. ماذا سيحدث في رأيك؟

جربها الآن أمر غريب جدًّا أليس كذلك؟ ستجد البالون يتحرك تجاه المشط. فكما الحال مع شذرات الورق، صار مشطك ينتج نوعا من أنواع فصل الشحنة تجاه البالون (الحث). إذن فماذا سيحدث عندما تحرك المشط لبعد أكبر – ولماذا؟ قد تخمن تخمينا بديهيا مفاده أن البالون سوف يرجع إلى وضعه العمودي. لكنك بت الآن تعرف السبب، أليس كذلك؟ فعندما يتلاشى التأثير الخارجي، لا يعود هناك سبب يجعل الإلكترونات موجودة على الجانب الأقصى من ذراتها انظر ماذا استطعنا أن نستنتج من مجرد فرك لمشط واللهو بشذرات من الورق وبالون.

والآن لتنفخ المزيد من البالونات ماذا يحدث عندما تفرك أحدها بشدة في شعرك؟ بالفعل، يشرع شعرك يفعل أمورًا غريبة. لماذا؟ لأنه في سلسلة الاحتكاك يكون الشعر الآدمي عند نهايتها الموجبة بينما يكون البالون المطاطي على النقيض منه في الجانب السالب. بعبارة أخرى نقول إن المطاط يلتقط الكثير من الإلكترونات من شعرك مما يجعل شعرك يصير مشحونا شحنا موجبًا. فلما كانت الشحنات المتماثلة تتنافر، فماذا بوسع شعرك أن يفعل عندما تكتسب كل خصلة منه شحنة موجبة وتريد أن تفر بعيدا عن بقية الخصلات ذات الشحنة نفسها؟ تتنافر جميع خصلات شعرك مما يجعلها تنتصب وهو بالضبط ما يحدث عندما تنزع قبعتك المحكمة عن رأسك في الشتاء. فعندما تحتك القبعة بشعرك وهي تنتزع عنه تتركه مشحونا شحنا موجبًا فينتصب.

والآن لنعد إلى البالونات؛ فإنك بعد أن فركتَ أحدها بشعرك فركا شديدا (وقد يكون فركه بقميصك المخيط من البوليستر ذا نتائج أفضل). أظنك تعلم ما سأقترحه عليك، أليس كذلك؟ فلتضع البالون ملاصقًا لحائط أو ملاصقا لقميص أحد أصدقائك. ستجده يلتصق به. لماذا؟ إليك السر في ذلك إنك عندما تفرك البالون تقوم بشحنه. عندما تقرّب البالون من الجدار الذي هو ليس بموصل إلى هذه الدرجة تتأثر الإلكترونات الحائمة حول ذرات الجدار بالقوة الصادة للشحنة السالبة للبالون فتقبع لوقت أطول قليلا في جانب الذرة الأبعد عن البالون وتقضي وقتا أقصر قليلا في الجانب الأقرب للبالون – وذلك هو الحث.

بعبارة أخرى نقول إن سطح الجدار عند النقطة التي يلامسها البالون والذي يصير مشحونا شحنا موجبًا يتجاذب مع البالون المشحون شحنا سالبا. تلك نتيجة مدهشة للغاية. لكن لماذا لا تقوم الشحنتان – الموجبة والسالبة – بتحييد إحداهما الأخرى أثناء انتقال الشحنات مما يجعل البالون يسقط على الفور؟ إنه سؤال ممتاز. من الأسباب أن البالون المطاطي يلتقط بعض الإلكترونات الإضافية، لكن هذه الإلكترونات لا تتحرك بكثير من السهولة في المواد غير الموصلة مثل المطاط، لذا تميل الشحنات لأن تظل مكانها ثابتة ولا يتوقف الأمر عند ذلك، ولكنك عندما تفرك البالون في الجدار فإنك تخلق المزيد والمزيد من الاتصال. تجده قابعا هناك يقوم بذلك الجذب الذي يفعله دومًا. لكنه كذلك مثبت بفعل الاحتكاك أتذكر ركوب لعبة الملاهي الدوارة؟ هنا تؤدي القوة الكهربية ذات الدور الذي تؤديه القوة المركزية في لعبة الملاهي الدوارة. ويظل البالون على الجدار لبعض الوقت إلى أن تتسرب الشحنة منه بالتدريج بفعل ما في الجو من رطوبة. (إذا لم يلتصق بالونك أبدا فمرة هذا إما إلى أن الجو مفرط في الرطوبة، أو أن بالونك ثقيل الوزن جدا – وقد اقترحت عليك استخدام البالونات الرقيقة لهذا السبب).

لكم أتمتع بإلصاق البالونات بالأطفال الذين يحضرون محاضراتي العامة. ولطالما فعلتُ هذا لأعوام عديدة في أعياد ميلاد أطفال، ولك أن تحظى بذات المرح بنفسك. والحث ينجح مع جميع أنواع الأجسام المواصلات منها والعوازل. تستطيع أنت أن تجري تجربة المشط تلك باستخدام واحدة من البالونات المصنوعة من ورق مايلار المكسو بالألومنيوم المليئة بالهيليوم والتي تستطيع شراءها من محال البقالة أو محال الحاجيات زهيدة الثمن. فما إن تقرب المشط حتى تنزع الإلكترونات الحرة إلى التباعد عن المشط ذي الشحنة السالبة، تاركة الأيونات المشحونة شحنا موجبًا قرب المشط، وهو الأمر الذي يجذب البالون تجاهه.

رغم أننا نستطيع شحن البالونات المطاطية عن طريق فركها بشعرنا أو قمصاننا، فإن المطاط في الواقع يكاد يكون عازلاً مثاليا – ولذلك فهو يستخدم في لتغليف الأسلاك الموصلة. يحول المطاط دون تسرب الشحنة من الأسلاك إلى الهواء الرطب أو أن تقفز تجاه أي جسم مجاور محدثةً شررًا. فإنك لا ترغب بكل تأكيد في أي شرر يتقافز حول موجودات قابلة للاشتعال، مثل جدران منزلك. المطاط قادر على حمايتنا من الكهرباء، ويفعل ذلك طوال الوقت. لكن ما لا يقدر على فعله. هو حمايتنا من أقوى مصدر نعرفه للكهرباء الاستاتيكية ألا وهو البرق لسبب ما لا يفتأ الناس يرددون تلك الخرافة التي تتحدث عن أن الأحذية الرياضية المطاطية والإطارات المطاطية قادرة على حمايتنا من البرق. لا أدري ما السبب في استمرارية تصديق هذه الأفكار، لكن يجدر بك أن تنساها على الفور. فضربة البرق من القوة أنها لا تعبأ أبدًا بقطعة المطاط الصغيرة تلك. صحيح أنك قد تكون في أمان من ضربة البرق لو كنت داخل سيارتك – ربما ليس ذلك واقعيا – لكن لا علاقة لذلك بالإطارات المطاطية.

مواضيع ذات صلة

Thermal conductivity

Molecular diffusion

Ionic conductivity

The drift speed

Electrical transients

الشرر المقدس

الحقول الكهربية والشرر

عجائب الكهرباء

مصادر الطاقة الكهربائية

التيارات الكهربائية التي تجري إلى الابد

النقل الكهربائي وقانون أوم

مبردات الهواء