المكشاف الكهربائي: التاريخ ، كيف يعمل ، ما يخدم
المكشاف الكهربائي هو جهاز يستخدم للكشف عن وجود شحنات كهربائية على الأشياء القريبة. كما يشير إلى علامة الشحنة الكهربائية ؛ وهذا هو ، إذا كانت تهمة سلبية أو إيجابية. تتكون هذه الأداة من قضيب معدني محصور داخل زجاجة.
يحتوي هذا القضيب على صفائح معدنية رفيعة جدًا (ذهبية أو ألمنيوم) متصلة في الجزء السفلي منه. في المقابل ، يتم ختم هذا الهيكل بغطاء من المواد العازلة ، وفي النهاية توجد كرة صغيرة تسمى "جامع".
عند الاقتراب من جسم مشحون كهربائيًا إلى مكشاف كهربائي ، يمكن أن يشهد نوعان من التفاعلات بواسطة الصفائح المعدنية الموجودة في الطرف السفلي من التكوين: إذا تم فصل الصفائح عن بعضها البعض فهذا يعني أن الكائن له نفس الشحنة الكهربائية من المكشاف الكهربائي.
من ناحية أخرى ، إذا اجتمعت الصفائح ، فهذا يدل على أن الجسم له شحنة كهربائية مقابل شحنة المجهر. المفتاح هو شحن المكشاف الكهربائي بشحنة كهربائية ذات علامة معروفة ؛ وبالتالي ، من خلال التخلص من ذلك سيكون من الممكن استنتاج علامة الشحن الكهربائي للكائن الذي نقترب من الجهاز.
تعد المجهرات مفيدة للغاية لتحديد ما إذا كان الجسم مشحونًا كهربائيًا ، بالإضافة إلى إعطاء مؤشرات حول علامة الحمل وكثافته.
تاريخ
اخترع المكشاف الكهربائي الطبيب والفيزيائي الإنجليزي وليام جيلبرت ، الذي عمل كفيزيائي في النظام الملكي الإنجليزي في عهد الملكة إليزابيث الأولى.
يُعرف جيلبرت أيضًا باسم "أبو الكهرومغناطيسية والكهرباء" بفضل مساهماته العظيمة في العلوم خلال القرن السابع عشر. بنى أول مكشاف كهربائي معروف في عام 1600 ، بهدف تعميق تجاربه على الشحنات الإلكتروستاتيكية.
وكان أول مكشاف كهربائي ، يسمى فيوريوريوم ، جهازًا يتكون من إبرة معدنية تدور بحرية على قاعدة التمثال.
كان تكوين البوريوريوم مشابهًا جدًا لتكوين إبرة البوصلة ، ولكن في هذه الحالة لم تكن الإبرة ممغنطة. تم التمييز بين نهايات الإبرة بصريا عن بعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك ، كانت إحدى نهايتي الإبرة شحنة موجبة والآخر شحنة سالبة.
استندت آلية عمل البوريوريوم إلى الشحنات المستحثة في نهايات الإبرة ، عن طريق الحث الكهروستاتيكي. وبالتالي ، بناءً على نهاية الإبرة الأقرب إلى الكائن المحيط ، سيكون رد فعل هذه الغاية هو توجيه أو إبعاد الكائن بالإبرة.
إذا كان للجسم شحنة موجبة ، فسوف تنجذب الشحنة المتحركة السالبة في المعدن إلى الكائن ، وسوف تشير النهاية المشحونة سالبًا إلى الجسم الذي يحفز التفاعل في الصفيحة.
خلاف ذلك ، إذا كان الكائن يحتوي على شحنة سالبة ، فإن القطب الذي ينجذب إلى الكائن سيكون النهاية الإيجابية للإبرة.
تطور
في منتصف عام 1782 قام الفيزيائي الإيطالي البارز أليساندرو فولتا (1745-1827) ببناء مجهر التكثيف ، والذي كان له حساسية مهمة لاكتشاف الشحنات الكهربائية التي لم تكتشفها المجهرات الطبية.
ومع ذلك ، فإن أعظم تقدم من المكشاف الكهربائي جاء من يد عالم الرياضيات الألماني والفلكي يوهان جوتليب فريدريش فون بوننبرغر (1765-1831) ، الذي اخترع المكشاف الكهربائي للصفائح الذهبية.
يشبه تكوين هذا المجهر الكهربائي إلى حد كبير الهيكل المعروف اليوم: يتكون الجهاز من جرس زجاجي به كرة معدنية في الطرف العلوي.
بدوره ، تم توصيل هذا المجال من خلال موصل إلى ورقتين من الذهب رقيقة جدا. تم فصل "الأرغفة الذهبية" أو ضمها مع اقتراب جسم مشحون بالكهرباء.
كيف يعمل؟
المكشاف الكهربائي هو جهاز يستخدم للكشف عن الكهرباء الساكنة في الأجسام القريبة ، مع الاستفادة من ظاهرة فصل الصفائح الداخلية بسبب التنافر الإلكتروستاتيكي.
يمكن أن تتراكم الكهرباء الساكنة على السطح الخارجي لأي جسم ، إما عن طريق الحمل الطبيعي أو عن طريق فرك.
تم تصميم المكشاف الكهربائي للكشف عن وجود هذا النوع من الشحنات ، وذلك بسبب نقل الإلكترونات من الأسطح عالية الشحن إلى الأسطح ذات الشحن الكهربائي. علاوة على ذلك ، اعتمادا على رد فعل الصفائح ، يمكن أن توفر أيضا فكرة عن حجم الشحنة الكهربائية للكائن المحيط.
يعمل المجال الموجود في الجزء العلوي من المكشاف الكهربائي ككيان استقبال للشحن الكهربائي لجسم الدراسة.
عن طريق جعل الجسم المشحون كهربائياً أقرب من المكشاف الكهربائي ، فإنه يكتسب نفس الشحنة الكهربائية من الجسم ؛ أي إذا أحضرنا جسمًا مشحونًا كهربائيًا بعلامة إيجابية ، فسيحصل المكشاف الكهربائي على نفس الشحنة.
إذا تم شحن المكشاف الكهربائي مسبقًا بشحنة كهربائية معروفة ، فسيحدث ما يلي:
- إذا كان للجسم نفس الحمل ، فسيتم فصل الصفائح المعدنية الموجودة داخل المجهر الكهربائي عن بعضها البعض ، حيث إن كلاهما سوف يصد.
- في المقابل ، إذا كان للجسم شحنة معاكسة ، فستظل الرقائق المعدنية الموجودة في الجزء السفلي من الزجاجة متصلة ببعضها البعض.
يجب أن تكون الصفائح الموجودة داخل المجهر الضوئي خفيفة جدًا ، بحيث يتم موازنة وزنها بعمل قوى التنافر الكهروستاتيكي. وهكذا ، عن طريق تحريك موضوع الدراسة بعيدًا عن المكشاف الكهربائي ، ستفقد الصفائح الاستقطاب وتعود إلى حالتها الطبيعية (مغلقة).
كيف يتم شحنه كهربائيا؟
إن حقيقة شحن المكشاف الكهربائي كهربائياً ضرورية لتتمكن من تحديد طبيعة الشحن الكهربائي للكائن الذي سنقترب من الجهاز. إذا كانت شحنة المكشاف الكهربائي غير معروفة مقدماً ، فسيكون من المستحيل تحديد ما إذا كان حمل الجسم مساوياً أو معاكسًا لهذا الحمل.
قبل شحن المكشاف الكهربائي ، يجب أن يكون في حالة محايدة ؛ وهذا هو ، مع عدد متساو من البروتونات والإلكترونات في المناطق الداخلية. لهذا السبب ، يُقترح توصيل المجهر الكهربائي بالأرض قبل إجراء عملية الشحن ، لضمان حيادية تحميل الجهاز.
يمكن إجراء تفريغ المكشاف الكهربائي عن طريق لمسه بجسم معدني ، بحيث يستنزف الأخير الشحنة الكهربائية الموجودة داخل المجهر الكهربائي إلى الأرض.
هناك طريقتان لشحن المكشاف الكهربائي قبل اختباره. فيما يلي الجوانب الأكثر صلة بكل من هذه.
بواسطة الحث
أنه ينطوي على شحن المكشاف الكهربائي دون اتصال مباشر به ؛ وهذا هو ، يقترب فقط من الكائن الذي يعرف تهمة إلى المجال المتلقي.
عن طريق الاتصال
عن طريق لمس الكرة المستقبلة من المجهر الكهربائي مباشرة مع كائن بشحنة معروفة.
ما هذا؟
تستخدم المجهرات الكهربائية لتحديد ما إذا كان الجسم مشحونًا كهربائيًا ، ويميز ما إذا كان لديه شحنة سالبة أم شحنة موجبة. تستخدم المجهرات في الوقت الحالي في المجال التجريبي ، على سبيل المثال مع استخدامها ، اكتشاف الشحنات الإلكتروستاتيكية في الأجسام المشحونة كهربائيًا.
فيما يلي بعض أهم وظائف المكشاف الكهربائي:
- الكشف عن الشحنات الكهربائية في الأجسام القريبة. إذا كان المجهر الكهربائي يتفاعل مع مقاربة الجسم ، فذلك لأن الأخير مشحون كهربائيًا.
- التمييز من نوع الشحنة الكهربائية التي تملكها الأجسام المشحونة كهربائياً ، عند تقييم فتح أو غلق الصفائح المعدنية في المجهر ، اعتمادًا على الشحنة الكهربائية الأولية للمجهر الكهربائي.
- يستخدم المجهر أيضًا لقياس إشعاع البيئة في حالة وجود مادة مشعة حوله ، وذلك بسبب نفس مبدأ الحث الكهروستاتيكي.
- يمكن أيضًا استخدام هذا الجهاز لقياس كمية الأيونات الموجودة في الهواء ، من خلال تقييم سرعة الشحن والتفريغ للمجهر الكهربائي داخل مجال كهربائي يتم التحكم فيه.
اليوم ، تستخدم المجاهر الإلكترونية على نطاق واسع في الممارسات المختبرية في المدارس والجامعات ، لتوضيح للطلاب من مختلف المستويات التعليمية استخدام هذا الجهاز ككاشف شحنة إلكتروستاتيكية.
كيفية جعل المكشاف الكهربائي المنزل؟
من السهل جدًا صنع مجهر كهربائي محلي الصنع. من السهل الحصول على العناصر الضرورية وتجميع المجهر الكهربائي سريع للغاية.
المدرجة أدناه هي الأواني والمواد اللازمة لبناء المكشاف الكهربائي محلية الصنع في 7 خطوات سهلة:
- قنينة زجاجية. يجب أن تكون نظيفة وجافة جدا.
- فلين لإغلاق الزجاجة بإحكام.
- سلك نحاسى مقاس 14
- كماشة.
- مقص.
- رقائق الألومنيوم.
- قاعدة.
- بالون.
- قطعة قماش صوف.
عملية
الخطوة 1
اقطع السلك النحاسي حتى تحصل على قسم يتجاوز طوله حوالي 20 سم.
الخطوة 2
حليقة واحدة من نهاية الأسلاك النحاسية ، مما يجعل نوعا من دوامة. هذا الجزء سوف يؤدي وظائف مجال الاستشعار عن الشحنة الكهربائية.
هذه الخطوة مهمة للغاية ، لأن الحلزوني سيسهل انتقال الإلكترونات من جسم الدراسة إلى المكشاف الكهربائي ، بسبب وجود مساحة سطح أكبر.
الخطوة 3
يعبر الفلين بخيوط النحاس. تأكد من أن الجزء المجعد باتجاه الجزء العلوي من المكشاف الكهربائي.
الخطوة 4
قم بعمل انحناء بسيط في الطرف السفلي من السلك النحاسي ، على شكل L.
الخطوة 5
قطع اثنين من صفائح الألومنيوم في شكل مثلثات حوالي 3 سنتيمترات في القاعدة. من المهم أن يكون كلا المثلثين متطابقين.
تأكد من أن الصفائح صغيرة بما يكفي لعدم ملامسة الجدران الداخلية للزجاجة.
الخطوة 6
يتضمن فتحة صغيرة في الركن العلوي من كل ورقة ، وتدرج كلتا قطعتي الألومنيوم في الطرف السفلي من الأسلاك النحاسية.
حاول الحفاظ على شرائح رقائق الألومنيوم ناعمة قدر الإمكان. إذا كانت مثلثات الألمنيوم مكسورة أو مجعدة أكثر من اللازم ، فمن الأفضل تكرار العينات حتى يتم الحصول على التأثير المطلوب.
الخطوة 7
ضع الفلين على الحافة العلوية للزجاجة ، بعناية فائقة حتى لا تتدهور صفائح الألمنيوم أو تفقد التجميع المصنوع.
من المهم للغاية أن يكون كلا اللاميلين على اتصال عند إغلاق الحاوية. إذا لم تكن هذه هي الحالة ، فيجب عليك تعديل منحنى السلك النحاسي حتى تلمس الأوراق بعضها البعض.
اختبار المكشاف الكهربائي الخاص بك
لإثبات ذلك ، يمكنك تطبيق المفاهيم النظرية الموصوفة سابقًا في المقالة بأكملها ، على النحو المفصل أدناه:
- تأكد من عدم شحن المكشاف الكهربائي: للقيام بذلك ، المسه بقضيب معدني للقضاء على أي شحنة متبقية في الجهاز.
- يحمّل كائنًا كهربائيًا: فرك بالونًا بقطعة قماش من الصوف لتحميل سطح بالون الشحن الكهربائي.
- اقترب من الجسم المشحون إلى دوامة النحاس: من خلال هذه الممارسة ، سيتم شحن المكشاف الكهربائي عن طريق الاستقراء ، وسيتم نقل إلكترونات الكرة الأرضية إلى المجهر الكهربائي.
- لاحظ رد فعل رقائق معدنية: مثلثات رقائق الألومنيوم سوف تبتعد عن بعضها البعض ، لأن كلا رقائق تشترك حمولة من نفس علامة (سلبية في هذه الحالة).
حاول إجراء هذا النوع من الاختبارات في الأيام الجافة ، حيث تؤثر الرطوبة عادة على هذا النوع من التجارب المنزلية لأنه يجعل من الصعب على الإلكترونات أن تنتقل من سطح إلى آخر.
