الكهرباء والمستوى الذري

لفهم أساسيات الكهرباء علينا أولاً البدء بالتركيز على الذرات، أحد وحدات البناء الأساسية للمادة والحياة عموماً. توجد الذرات في أكثر من مائة شكل مختلف كعناصر كيميائية مثل الهيدروجين، الكربون، الأُكسِجين والنحاس. ويمكن للذرات المختلفة أن تتحد معاً مكونةً الجزيئات (molecules) التي تكوّن المواد المختلفة التي يمكننا رؤيتها ولمسها.
الذرات ضئيلة للغاية، فطولها يمتد لما لا يزيد عن 300 بيكومتر (ما يعادل 10-10*3 أو 0.0000000003 متر). فمثلاً تحتوي عملة نحاسية (بفرض أنها من النحاس الخالص) على ما يساوي 1022*3.2 ذرة (32,000,000,000,000,000,000,000 ذرة) من النحاس بداخلها.
بالرغم من ذلك فإن الذرة ليست صغيرة بما يكفي لتفسير كيفية عمل الكهرباء. فنحن بحاجة للنزول لمستوى أقل والاطلاع على وحدات بناء الذرة ذاتها: البروتونات (protons)، النيوترونات (neutrons) والإلكترونات (electrons).
وحدات بناء الذرة

تتكون الذرة من مجموعة من ثلاثة جسيمات مختلفة: الإلكترونات، البروتونات، والنيوترونات. فكل ذرة تقع في مركزها نواة (nucleus) تحتوي بداخلها على البروتونات والنيوترونات معاً، ويحيط بالنواة مجموعة من الإلكترونات تدور حولها في مدارات.

نموذج مبسط للغاية للذرة، ليس مرسوماً بمقياس ولكنه يساعد على فهم كيفية بناء الذرة، فالنواة المركزية تحوي البروتونات والنيوترونات وتدور حولها الإلكترونات.

لا بد أن تحتوي كل ذرة على بروتون واحد على الأقل، فعدد البروتونات في الذرة مهم لأنه يحدد نوع العنصر الكيميائي الذي تمثله الذرة. على سبيل المثال الذرة التي تحتوي على بروتون واحد فقط تكون ذرة هيدروجين، بينما الذرة التي تحوي 29 بروتون تكون ذرة نحاس، والمحتوية على 94 بروتون تكون ذرة بلوتونيوم، ويطلق على عدد البروتونات الذي تحتويه الذرة اسم العدد الذري (atomic number).
النيوترونات هي شريكة البروتونات في النواة ولها دور هام يتمثل في إبقاء البروتونات في النواة، وتحديد النظير(isotope) لذرة ما، ولكنها ليست هامة في فهمنا للكهرباء، لذلك لن نهتم بها في هذا الدرس.
للإلكترونات أهمية كبيرة جداً في طريقة عمل الكهرباء. ففي أكثر حالاتها اتزاناً واستقراراً تحتوي الذرة على عدد من الإلكترونات مساوي لعدد البروتونات. فبالنظر إلى نموذج ذرة بور (Bohr atom model)، نرى نواة تحتوي على 29 بروتون (مما يعني أنها ذرة نحاس) محاطة بعدد مساوي من الإلكترونات.

مع تطور فهمنا للذرات، تطورت كذلك اساليب تمثيل نماذج لها، ولكن نموذج ذرة بور يعتبر مفيد للغاية أثناء تعرفنا على الكهرباء.

لا تبقى الإلكترونات لذرة ما مرتبطة بها دائماً، فالإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي (outer orbit) للذرة تسمى إلكترونات التكافؤ (valence electrons)، ومع وجود قوة خارجية كافية يمكن لإلكترونات التكافؤ الهروب من مدار الذرة لتصبح حرة. تسمح الإلكترونات الحرة (free electrons) بتحرك الشحنات، وهذا هو ما تدور حوله الكهرباء. إذن، لنتحدث عن الشحنات…

موضوع جميل شكرا لك

شكرا لك وعلى المعلومات القيمة