سباق العُلَب المسحورة التي تتدحرج دون تلامس

في هذه التجربة سنجعل علب المشروب العادية تتدحرج بدون تلامس - وذلك بواسطة التجاذب الكهربائي.

شرح

تتكوّن المواد التي نصادفها في حياتنا اليومية من جزيئات وذرات. الذرة مكوّنة من إلكترونات مشحونة بشحنة كهربائية سالبة، وهي تحيط البروتونات ذات الشحنة الكهربائية الموجبة. عادة تكون المواد التي نلمسها متوازنة من الناحية الكهربائية، أي أن شحناتها الموجبة والسالبة توازن بعضها فتكون المادة

بمُجملها غير مشحونة كهربائياً.

تتكوّن الكهرباء الساكنة عند حكّ مادتين (مثل الشعر والبلاستيك) ببعضهما البعض، أو لصقهما ومن ثم فصلهما عن بعضهما البعض، حيث يؤدي التلامس فيما بينهما إلى "انتزاع" إلكترونات من إحداهما وانتقالها إلى المادة الأخرى. بهذه الطريقة تتكوّن شحنة كهربائية في كلتا المادتين، فتصبح إحداها، تلك التي أضيفت إليها الإلكترونات، مشحونة بشحنة سالبة، بينما تُشحن المادة الثانية، التي انتزعت منها الإلكترونات، بشحنة موجبة.

تتجاذب الشحنات الكهربائية المتعاكسة (الموجبة والسالبة) فيما بينها، و تتنافر الشحنات المتشابهة (السالبة مع السالبة أو الموجبة مع الموجبة) فيما بينها. تُفسّرهذه الحقيقة انجذاب الشعر إلى البالون بعد حكّ البالون به - ينتزع البالون إلكترونات من الشعر (يميل المطاط إلى الحصول على شحنة

سالبة)، فيصبح مشحوناً بشحنة سالبة ويجذب إليه الشعر الذي أصبح مشحونا بشحنة موجبة.

ولكن لماذا تنجذب العلبة غير المشحونة كهربائياً إلى البالون؟

الإجابة هي أن ذلك يحصل بسبب ظاهرة الاستقطاب الكهربائي: عندما نقرّب البالون المشحون بالكهرباء الساكنة إلى مادة أخرى، يحدث استقطاب كهربائي (polarization) في المادة الأخرى - كالذي يحصل في الجزيئات والذرات عن طريق عملية الحثّ، إذ تنتظم الإلكترونات التي فيها وفقاً للقوة الكهربائية التي يؤثّر بها البالون المشحون عليها. وبشكل عينيّ، إذا كان البالون مشحوناً بشحنة سالبة، تندفع الإلكترونات التي في المادة التي يقترب منها البالون إلى الاتجاه المعاكس ويؤدي ذلك إلى استقطاب المادة؛ أي أنه يصبح هناك فائض من الإلكترونات في الجانب البعيد عن البالون، ونقص نسبي بالإلكترونات في الجانب القريب من البالون، فيشحن هذا الجانب بشحنة موجبة. يمكن مشاهدة

مثال على ذلك في الرسم المتحرك التالي:

نتيجة لذلك تتكوّن قوة تجاذب كهربائية بين البالون وبين المادة التي يقترب منها البالون (بين شحنة البالون وبين القطب الكهربائي الموجود قريباً منه والذي شحنته معاكسة لشحنة البالون ). تتعلق قوة التجاذب الكهربائية بالمسافة، ولذلك تتغلب قوة التجاذب بين الشحنات السالبة التي في البالون وبين الشحنات الموجبة التي في العلبة على قوة التنافر التي تؤثر فيها الشحنات السالبة الموجودة في الأماكن البعيدة في العلبة.

عندما تتدحرج العلبة، وبما أنها مصنوعة من فلز يحتوي على إلكترونات حرة الحركة، فإن الإلكترونات (التي شحنتها سالبة) تبقى بعيدة عن البالون فتستمر العلبة في التدحرج.

من الجدير ذكره

يعتقد البعض خطأً، لسبب أو لآخر، بما فيهم من تعلم موضوع الكهرباء، أن الكهرباء الساكنة تؤثر على المواد غير الموصلة فقط. وتثبت تجربة العلب أن المادة الموصلة، مثل الألومنيوم الذي صنعت منه العلبة، ينجذب إلى جسم مشحون آخر. من الناحية العملية، فإن ظاهرة الاستقطاب الكهربائي الداخلي التي تؤدي إلى التجاذب، تحدث في المواد الموصلة بسهولة أكبر مما في المواد العازلة، وبذلك فإن انجذابها إلى الكهرباء الساكنة هو أكثر سهولة كذلك. يوصى قبل البدء بتنفيذ التجربة بأن نسأل الحاضرين ما هو توقعهم لما سيحدث، وبعدها نجري التجربة أمامهم.  

من الواضح أن المواد العازلة تنجذب هي الأخرى إلى الشحنة الكهربائية، كما تم تمثيله في التجربة التي كوّنّا فيها بالوناً يلتصق بسقف الغرفة من تلقاء نفسه. النقص في استعمال المواد الموصلة، والفلزات منها بشكل خاص، هو أنه عندما يلامسها البالون المشحون، تنتقل الشحنة منه إلى جميع أنحاء هذه المادة (وذلك بسبب توصيلها الداخلي)، وعندها لا يمكن لهذه المواد الانجذاب إليه: تتفرغ الشحنة جزئياً من البالون، ويُشحن الفلز جزئياً بنفس الشحنة فتضعف القوة الكهربائية كثيراً، وقد تغير اتجاهها أيضاً فتصبح قوة تنافر (بدلاً من التجاذب).