لماذا تزداد الكهرباء الساكنة في الشتاء ونشعر بلسعة عند لمس الأشياء؟
قد تمشي فوق سجادة ثم تلمس مقبض الباب المعدني فتشعر بلسعة صغيرة.
أو تخلع كنزة صوفية في الظلام فتسمع طقطقة وربما ترى شرارات دقيقة.
وقد تلاحظ أن الشعر يلتصق بالمشط أو يقف بعد خلع القبعة.
الغريب أن هذه الظواهر تصبح أكثر وضوحًا في الشتاء.
لكن لماذا؟
السبب الرئيسي ليس أن الشتاء يولد كهرباء أكثر، بل أن الهواء الجاف في الشتاء يسمح للشحنات الكهربائية بالبقاء على الأجسام مدة أطول بدل أن تتسرب منها بسهولة.
وهنا تبدأ قصة الكهرباء الساكنة.
أجسامنا مليئة بالشحنات أصلًا
كل مادة حولنا مكونة من ذرات.
وتحتوي الذرات على جسيمات تحمل شحنات كهربائية.
البروتونات تحمل شحنة موجبة.
والإلكترونات تحمل شحنة سالبة.
في الظروف الطبيعية تكون معظم الأشياء متعادلة كهربائيًا لأن كمية الشحنات الموجبة والسالبة متوازنة تقريبًا.
لكن هذا التوازن يمكن أن يتغير قليلًا عندما تتلامس مادتان مختلفتان ثم تنفصلان.
كيف نحصل على شحنة كهربائية من المشي فقط؟
عندما يلامس حذاؤك السجاد ثم يرتفع عنه، يمكن أن تنتقل كمية صغيرة من الشحنة بين المادتين.
تتكرر هذه العملية مع كل خطوة.
بعد عشرات الخطوات قد يصبح جسمك يحمل فائضًا أو نقصًا صغيرًا في الشحنات مقارنة بالأشياء المحيطة به.
هذه العملية ترتبط بما يسمى الكهرباء الاحتكاكية أو الشحن بالتلامس.
Triboelectric Effect
ورغم أن كلمة "الاحتكاك" تستخدم كثيرًا، فإن التلامس ثم الانفصال بين مادتين مختلفتين هو جزء أساسي من العملية.
الاحتكاك يزيد عدد مرات ومناطق التلامس، ولذلك يجعل التأثير أوضح.
لماذا تختلف المواد في مقدار الشحنة التي تكتسبها؟
ليست جميع المواد متشابهة في الطريقة التي تحتفظ بها بالشحنة.
بعض المواد تميل إلى اكتساب شحنة سالبة أكثر عند ملامسة مواد معينة.
وأخرى تميل إلى فقدان جزء من الشحنة السالبة فتبدو موجبة.
ولهذا فإن نوع الملابس والحذاء والسجادة مهم جدًا.
الصوف والنايلون والبوليستر والمطاط وبعض أنواع البلاستيك يمكن أن تكون ممتازة في تكوين الكهرباء الساكنة عند استخدامها مع مواد مناسبة.
ولهذا قد تمر ساعات دون أي لسعة، ثم تغير حذاءك أو ترتدي كنزة مختلفة فتبدأ المشكلة.
لماذا تكون السجادة مشهورة بهذه الظاهرة؟
لأن المشي فوق السجادة يتضمن عددًا هائلًا من عمليات التلامس والانفصال بين نعل الحذاء وألياف السجاد.
وفي الوقت نفسه يكون نعل الحذاء غالبًا مادة عازلة نسبيًا.
أي أن الشحنة التي تتراكم في جسمك لا تستطيع الهرب إلى الأرض بسهولة.
فتستمر في التراكم.
ثم تمد يدك نحو شيء معدني.
وهنا تجد الشحنة طريقًا سهلًا للخروج.
لماذا يكون مقبض الباب هو الذي يصعقنا دائمًا؟
لأن المعادن موصلات جيدة للكهرباء.
تستطيع الشحنات التحرك خلالها بسهولة أكبر مقارنة بمواد مثل البلاستيك والمطاط.
عندما تقترب إصبعك المشحون من المقبض المعدني، يصبح هناك فرق في الجهد الكهربائي بين جسمك والمقبض.
إذا أصبح الفرق كبيرًا بما يكفي، تستطيع الشحنة القفز عبر المسافة الصغيرة جدًا من الهواء بين إصبعك والمعدن.
فتحدث شرارة صغيرة.
وهذه الشرارة هي ما نشعر به على شكل لسعة سريعة.
الشحنة تستطيع القفز قبل أن تلمس المقبض فعلًا
إذا كانت الكهرباء الساكنة قوية، فقد تحدث الشرارة عندما يكون إصبعك على بعد مسافة صغيرة جدًا من المعدن.
فالهواء عادة عازل جيد للكهرباء.
لكن إذا أصبح المجال الكهربائي قويًا بما يكفي، يستطيع الهواء أن يتأين مؤقتًا ويصبح مسارًا لعبور الشحنة.
فتقفز الشرارة.
ولهذا قد تشعر بالصدمة في اللحظة التي تعتقد فيها أنك لمست المعدن، بينما قد تكون الشرارة بدأت قبل التلامس الكامل بجزء صغير جدًا من الثانية.
لماذا لا يحدث ذلك كثيرًا في الصيف؟
هنا يأتي دور الرطوبة.
عندما تكون الرطوبة مرتفعة، تلتصق جزيئات الماء الموجودة في الهواء بدرجات صغيرة بأسطح الأشياء.
تساعد هذه الرطوبة الشحنات على الانتشار والتسرب تدريجيًا بدل أن تبقى متراكمة في مكان واحد.
وبالتالي يصعب على جسمك الاحتفاظ بشحنة كبيرة مدة طويلة.
أما عندما يكون الهواء شديد الجفاف، فلا توجد هذه المسارات الرطبة بالدرجة نفسها.
فتبقى الشحنات على الأسطح.
وتتراكم.
ثم تنتظر أول فرصة مناسبة للتفريغ.
وهذه إحدى الأسباب الأساسية وراء زيادة الكهرباء الساكنة في الشتاء.
لكن الشتاء قد يكون ممطرًا، فكيف يكون الهواء جافًا؟
هذه نقطة مهمة.
الرطوبة الخارجية ليست القصة كلها.
المشكلة تظهر خصوصًا داخل المنازل والمكاتب المدفأة.
الهواء البارد يستطيع احتواء كمية أقل من بخار الماء مقارنة بالهواء الدافئ.
عندما يدخل هواء شتوي بارد يحتوي على كمية صغيرة من الماء إلى المنزل ثم نقوم بتدفئته دون إضافة مزيد من الرطوبة، تنخفض رطوبته النسبية بشدة.
أي أن الهواء يصبح دافئًا لكنه جاف نسبيًا.
ولهذا يمكن أن تكون الغرفة دافئة جدًا ومع ذلك تكون مثالية لتكوين الكهرباء الساكنة.
التدفئة لا تحرق الرطوبة فعليًا
يقال أحيانًا إن المدفأة "تحرق الماء الموجود في الهواء".
هذا ليس الوصف الدقيق.
عندما نسخن الهواء دون إضافة بخار ماء، تبقى كمية الماء الموجودة فيه تقريبًا كما هي، لكن قدرة الهواء على استيعاب بخار الماء تصبح أكبر.
فتنخفض الرطوبة النسبية.
مثلًا يمكن لهواء بارد ذي رطوبة نسبية مرتفعة نسبيًا أن يصبح شديد الجفاف من ناحية الرطوبة النسبية بعد تدفئته داخل المنزل.
وهذا بالضبط ما يجعل الكهرباء الساكنة أكثر وضوحًا داخل البيوت شتاءً.
لماذا يلتصق الشعر بالمشط؟
عندما تمرر مشطًا بلاستيكيًا خلال الشعر، يحدث تلامس وانفصال متكرر بين مادتين مختلفتين.
يمكن أن تنتقل الشحنة بين الشعر والمشط.
إذا أصبحت خصلات الشعر تحمل الشحنة نفسها، فإنها تبدأ بالتنافر فيما بينها.
فكل شعرة تحاول الابتعاد عن الشعيرات الأخرى.
فتقف الخصلات إلى الأعلى أو تنتشر.
وفي الوقت نفسه قد تنجذب إلى جسم يحمل شحنة مخالفة.
ولهذا يمكن للمشط المشحون أيضًا جذب قطع ورق خفيفة.
لماذا يقف الشعر عند خلع قبعة صوفية؟
القصة مشابهة.
احتكاك القبعة بالشعر أثناء ارتدائها وخلعها يؤدي إلى انتقال الشحنات.
يمكن أن ينتهي الأمر بخصلات كثيرة تحمل شحنات من النوع نفسه.
والشحنات المتشابهة تتنافر.
فتبدأ كل شعرة بالابتعاد عن الأخرى.
وهذا يصنع الشكل الشهير للشعر المنتصب بعد خلع القبعة في يوم جاف.
لماذا تلتصق الملابس ببعضها بعد التجفيف؟
مجفف الملابس بيئة ممتازة للكهرباء الساكنة.
قطع القماش المختلفة تتحرك وتحتك وتتلامس ثم تنفصل مرات كثيرة.
وفي الوقت نفسه تصبح الملابس جافة جدًا.
قد تحصل قطعة على شحنة مختلفة عن الأخرى.
وبما أن الشحنات المختلفة تتجاذب، تلتصق الملابس ببعضها.
وهذا ما يسمى أحيانًا الالتصاق الساكن.
Static Cling
ولهذا يمكن أن تجد جوربًا ملتصقًا بقميص بعد إخراج الملابس من المجفف.
كيف تلتصق بالون بالحيط؟
إذا فركت بالونًا جافًا بالشعر ثم قربته من الجدار، قد يلتصق به.
الجدار نفسه لا يحتاج إلى أن يكون مشحونًا مسبقًا.
شحنة البالون تستطيع إعادة ترتيب الشحنات الموجودة في سطح الجدار بدرجة صغيرة.
فتصبح الشحنات المخالفة أكثر قربًا من البالون من الشحنات المشابهة.
ويظهر جذب كهربائي يكفي لحمل البالون لبعض الوقت.
لكن مع تسرب الشحنة تدريجيًا، يسقط البالون في النهاية.
هل كلمة "ساكنة" تعني أن الكهرباء لا تتحرك أبدًا؟
لا.
المقصود أن الشحنة تكون متراكمة على جسم أو سطح لفترة بدل أن تتدفق باستمرار كما يحدث في السلك الكهربائي.
لكن بمجرد أن تجد الشحنة طريقًا مناسبًا، يمكن أن تتحرك بسرعة كبيرة جدًا.
والشرارة التي تحدث بين إصبعك ومقبض الباب مثال مباشر على ذلك.
فالكهرباء كانت ساكنة نسبيًا.
ثم تحولت فجأة إلى تيار قصير جدًا أثناء التفريغ.
كيف يمكن لشرارة صغيرة أن تحمل جهدًا كهربائيًا عاليًا؟
قد يكون فرق الجهد الناتج عن الكهرباء الساكنة في الحياة اليومية آلاف الفولتات.
قد يبدو الرقم مخيفًا إذا قارناه بالكهرباء المنزلية.
لكن هناك فرق مهم.
كمية الشحنة والطاقة الموجودة في صدمة الكهرباء الساكنة المعتادة صغيرة جدًا، كما أن التفريغ يستمر فترة قصيرة للغاية.
ولهذا نشعر بلسعة حادة ثم تنتهي فورًا.
ارتفاع الجهد وحده لا يخبرنا بكل شيء عن خطورة الكهرباء.
التيار والطاقة والمدة مهمة أيضًا.
إذن لماذا تؤلم اللسعة؟
لأن التفريغ يحدث بسرعة شديدة وفي مساحة صغيرة من الجلد.
تتحرك الشحنة فجأة بينك وبين الجسم الآخر، فتحدث شرارة صغيرة تحفز النهايات العصبية في الجلد.
لذلك تكون الصدمة حادة لكنها قصيرة جدًا.
وقد تكون اللسعة أقوى في طرف الإصبع لأن مساحة التلامس صغيرة ويتركز المجال الكهربائي حول النقاط الحادة.
لماذا تكون الشرارة زرقاء أحيانًا؟
عندما يصبح المجال الكهربائي قويًا بما يكفي، يؤين جزءًا صغيرًا من الهواء.
أي أن جزيئات الهواء تدخل في حالة تسمح بمرور الشحنة.
أثناء هذه العملية يمكن أن تصدر الجزيئات طاقة على شكل ضوء.
فنرى وميضًا أزرق أو أبيض صغيرًا.
غالبًا لا نراه في النهار لأنه ضعيف.
لكن في غرفة مظلمة يمكن أن يصبح واضحًا جدًا.
يمكنك رؤية الكهرباء الساكنة في البطانية أحيانًا
في ليلة جافة جدًا، ادخل غرفة مظلمة وحرك بعض أنواع البطانيات المصنوعة من ألياف صناعية.
قد تسمع طقطقة.
وقد ترى نقاطًا أو خطوطًا ضوئية صغيرة جدًا.
هذه تفريغات كهربائية ساكنة حقيقية.
العملية من حيث المبدأ مشابهة للشرارة التي تقفز من إصبعك إلى المقبض.
لكنها تحدث بين أجزاء القماش أو بين القماش وجسمك.
لماذا نصاب بلسعة عند الخروج من السيارة؟
السيارة مثال شهير آخر.
أثناء الجلوس على المقعد تتحرك الملابس فوق القماش أو المادة التي يغطي بها المقعد.
وعندما تنزلق للخروج من السيارة يحدث المزيد من التلامس والانفصال.
قد يصبح جسمك مشحونًا.
ثم تضع قدمك على الأرض وتقترب يدك من الهيكل المعدني للسيارة.
فتقفز الشحنة.
ولهذا يشعر بعض الأشخاص بأن السيارة "صعقتهم".
لكن مصدر الشحنة قد يكون التفاعل بين الملابس والمقعد، وليس السيارة وحدها.
لماذا لا تصعقني السيارة كل مرة؟
لأن الظروف تتغير.
نوع ملابسك مختلف.
ورطوبة الجو مختلفة.
وطريقة خروجك من السيارة مختلفة.
ونوع المقعد مختلف.
والحذاء مختلف.
حتى الطريقة التي تحرك بها جسمك فوق المقعد يمكن أن تغير مقدار الشحنة.
ولهذا يمكن أن تحدث الصدمة خمس مرات في يوم واحد ثم تختفي عدة أسابيع.
هل يمكن منع الصدمة قبل حدوثها؟
يمكن تقليلها بعدة طرق بسيطة.
زيادة الرطوبة المعتدلة في الهواء تقلل تراكم الشحنات.
كما أن تغيير نوع الملابس أو الأحذية قد يقلل المشكلة.
وفي السيارة يمكن لمس الجزء المعدني من السيارة باليد أثناء الخروج والبقاء ملامسًا له حتى تصبح القدم على الأرض.
بهذه الطريقة يمكن أن تتسرب الشحنة بصورة أكثر تدريجية بدل أن تتجمع ثم تقفز كشرارة واضحة.
هل لمس الخشب بدل المعدن يمنع الصدمة؟
قد يقل الإحساس باللسعة لأن الخشب الجاف ليس موصلًا جيدًا مثل المعدن.
لكن هذا لا يعني بالضرورة أن الشحنة اختفت من جسمك.
قد تبقى موجودة حتى تلمس لاحقًا مادة موصلة.
لذلك المشكلة ليست أن المعدن يصنع الشحنة.
المعدن فقط يوفر للشحنة طريقًا ممتازًا للتفريغ.
هل الكريم المرطب يمكن أن يقلل الكهرباء الساكنة؟
يمكن للرطوبة الموجودة على الجلد والأسطح أن تساعد الشحنة على الانتشار والتسرب بدرجة أكبر.
ولهذا يلاحظ بعض الأشخاص أن جفاف الجلد الشديد يتزامن مع زيادة الشعور بالصدمات الساكنة.
لكن العامل الأكبر في المنزل غالبًا هو رطوبة الهواء ونوع المواد التي تتلامس معها.
هل الكهرباء الساكنة دائمًا مجرد إزعاج؟
في المنزل تكون الصدمة المعتادة غالبًا غير خطيرة.
لكن الكهرباء الساكنة مهمة جدًا في الصناعة والتكنولوجيا.
فالشرارة التي لا تؤذي إصبعك يمكن أن تتلف مكونات إلكترونية دقيقة لا تتحمل إلا كمية صغيرة من التفريغ الكهربائي.
ولهذا تستخدم مصانع الإلكترونيات أساور وأرضيات ومواد خاصة لتقليل تراكم الشحنات.
وتضع وكالات ومؤسسات تقنية مثل ناسا تعليمات دقيقة للتحكم في التفريغ الكهروستاتيكي عند التعامل مع المكونات الحساسة.
وقد تصبح الشرارة خطيرة قرب المواد القابلة للاشتعال
في الأماكن التي توجد فيها أبخرة وقود أو مذيبات قابلة للاشتعال، قد تكون شرارة الكهرباء الساكنة مصدر إشعال.
ولهذا تستخدم عمليات نقل بعض السوائل القابلة للاشتعال إجراءات للتأريض وربط المعدات كهربائيًا حتى لا يتكون فرق جهد كبير بينها.
وقد وثقت سجلات السلامة المهنية حوادث اشتعلت فيها أبخرة قابلة للاشتعال بسبب تفريغ للكهرباء الساكنة.
إذن الشرارة نفسها التي تكون مجرد لسعة مزعجة في المنزل يمكن أن تصبح مشكلة حقيقية في بيئة صناعية مختلفة تمامًا.
هل البرق مجرد كهرباء ساكنة ضخمة؟
هناك تشابه مهم.
داخل السحب الرعدية تحدث عمليات معقدة تؤدي إلى فصل الشحنات الكهربائية بين أجزاء مختلفة من السحابة وبين السحابة والأرض.
عندما يصبح فرق الجهد الكهربائي كبيرًا بدرجة هائلة، يحدث تفريغ كهربائي عبر الهواء.
فتظهر الصاعقة.
من هذه الناحية يمكن اعتبار البرق مثالًا ضخمًا جدًا على تفريغ الشحنات الكهربائية.
لكن العمليات التي تولد الشحنات داخل السحب أكثر تعقيدًا بكثير من فرك كنزة بالشعر.
لماذا لا تحدث شرارات في الحمام بسهولة؟
لأن الهواء والأسطح هناك أكثر رطوبة غالبًا.
الرطوبة تساعد الشحنة على التسرب بعيدًا قبل أن تتراكم إلى مستوى يصنع شرارة واضحة.
لذلك تستطيع القيام بتجربة بسيطة.
افرك بالونًا جافًا بالشعر في غرفة جافة وحاول إلصاقه بالجدار.
ثم كرر التجربة عندما تكون الرطوبة مرتفعة جدًا.
غالبًا يصبح تأثير الكهرباء الساكنة أضعف.
لماذا تصبح بعض التجارب المدرسية صعبة في الأيام الرطبة؟
الأجهزة التي تعتمد على الكهرباء الساكنة تحتاج إلى الاحتفاظ بالشحنة على الأسطح.
في الرطوبة العالية تتسرب هذه الشحنات بسرعة أكبر.
ولهذا تشير حتى إرشادات مختبرات الفيزياء الجامعية إلى أن الرطوبة العالية قد تجعل تجارب الكهرباء الساكنة أقل نجاحًا.
أي أن اليوم الماطر قد يكون ممتازًا للنباتات، لكنه ليس دائمًا يومًا مثاليًا لتجربة بالون مشحون في مختبر الفيزياء.
الشتاء لا يضيف الكهرباء إلى جسمك
هذه هي النقطة الأساسية.
أنت تستطيع توليد الكهرباء الساكنة في الصيف والشتاء.
لكن في الجو الرطب تتسرب الشحنة بسرعة أكبر، ولذلك قد لا تصل إلى مستوى تلاحظ عنده شيئًا.
أما في الهواء الجاف، فتستطيع الشحنة البقاء والتراكم.
تمشي فوق السجادة.
تنتقل الشحنات.
يبقى الحذاء عازلًا.
يتراكم فرق الجهد.
تمد إصبعك نحو مقبض معدني.
ثم تسمع:
طَق.
وتشعر باللسعة.
لذلك فإن تلك الشرارة الصغيرة التي تفاجئك في أيام الشتاء ليست كهرباء ظهرت فجأة من العدم.
إنها شحنة كانت تتراكم بصمت على جسمك، والهواء الجاف ساعدها على البقاء حتى وجدت طريقها السريع إلى جسم آخر.
المصادر الحية
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق