How Van de Graaff Generators Work
شاهد معظمنا الجهاز الذي يعرف بمولد فاندرجراف، هذا الجهاز يشبه كرة ألمنيوم كبيرة مثبتة على قاعدة، يمكن مشاهدة تأثيرها كما هو موضح بالصورة أدناه؛ حيث يبدو شعر الأب وابنه واقفا عند إحاطتهم بمولد فاندرجراف!!
هل تساءلت ما هو هذا الجهاز، وكيف يعمل، ولماذا اخترع؟؟بالطبع لم يتم اختراعه ليجعل شعر الرأس واقفا!
هل جررت قدميك على السجاد في أحد أيام فصل الشتاء الجافة فأَصبت بصدمة كهربية عندما لمست جسما معدنيًا؟؟ هل تساءلت عن الكهرباء الساكنة أو اللصق الساكن؟؟
إذا خطر أحد هذه الأسئلة على ذهنك تأهب لقراءة هذا الموضوع الذي يناقش مبدأ وكيفية عمل مولد فاندرجراف، والكهرباء الساكنة بصفة عامة.
الكهرباء الساكنة(Static Electricity)
لفهم مولد فاندرجراف وكيفية عمله، نحتاج إلى فهم الكهرباء الساكنة، يعرف معظمنا الكهرباء الساكنة لأننا نستطيع أن نشاهدها ونشعر بها، ففي أيام الشتاء الجافة، تتولد الكهرباء الساكنة في أجسامنا وتحدث شرارة تقفز من أجسامنا إلى القطع المعدنية مثلا أو إلى أجساد أناس آخرين، ونستطيع في معظم الأحيان سماع ومشاهدة تلك الشرارة عند انتقالها.
يمكننا عمل بعض التجارب على الكهرباء الساكنة، فعلى سبيل المثال:
إذا قمنا بدلك قضيب من الزجاج بالحرير أو إذا دلكنا قطعة من حجر العنبر بالصوف، فإن الزجاج والعنبر يكونان الشحنة الساكنة التي تستطيع جذب القطع الصغيرة من الورق أو البلاستك.
لفهم ما يحدث عندما تتكون شحنة ساكنة على قضيب الزجاج أو غيره من الأجسام ، نحتاج للتفكير في الذرات المكونة لكل شيء، فكل المواد تتكون من ذرات، وتتكون الذرات بدورها من بروتونات ونيوترونات، محاطة بـــ “قشرة” “shell” مكونة من إلكترونات.
تكون المادة في الأصل متعادلة الشحنة، أي أن عدد الإلكترونات يساوي عدد البروتونات، أما إذا كان عدد الإلكترونات في الذرة أكثر من عدد البروتونات تكون الذرة ذات شحنة سالبة، وإذا كان عدد البروتونات أكثر من عدد الإلكترونات تكون الذرة ذات شحنة موجبة.
بعض الذرات ترتبط مع إلكتروناتها بقوة أكبر من ذرات أخرى، وقدرة المادة على الاحتفاظ بإلكتروناتها تحدد مركزها بين المتسلسلات التريبوكهربيةtriboelectric series، فإذا كانت المادة تميل إلى منح بعض من إلكتروناتها عندما تكون في حالة اتصال مع مادة أخرى، تكون موجبة في المتسلسلة، أما إذا كانت تميل إلى الاستيلاء على إلكترونات مادة أخرى متصلة بها تكون سالبة في المتسلسلة.
الجدول التالي يستعرض المتسلسلات الكهربية للعديد من المواد المحيطة بنا، سنجد المواد الموجبة في المتسلسلة أعلى في الترتيب بينما توجد السالبة في الأسفل:
•يدا الإنسان (المبللتان)، أعلاهم شحنة موجبة.
•فراء الأرنب.
•الزجاج.
•شعر الإنسان.
•النايلون.
•الصوف.
•الفراء.
•الرصاص.
•الحرير.
•الألمنيوم.
•الورق.
•القطن.
•الفولاذ (متعادل).
•الخشب.
•حجر العنبر
•المطاط الصلب.
•النيكل، النحاس.
•الفضة، النحاس الأصفر.
•الذهب، البلاستك.
•بوليستر (مادة شبيهة بالنايلون).
•البولي إثيلين (مادة شبيهة بالنايلون).
•فينيل(مادة بلاستيكية).
•التفلون، أعلاهم شحنة سالبة.
يحدد لنا الموضع النسبي relative position بين مادتين في المتسلسلة الكهربيةtriboelectric series كيف تتأثران عندما تكونان في حالة تلامس مع بعضهما البعض. فمثلا الزجاج المدلوك بالحرير يدفع على تباعد الشحنات، وهكذا حجر العنبر والصوف. وكلما زادت المسافة بين المادتين في المتسلسلة الكهربية تزداد قوة تباعد الشحنات.
عند تلامس مادتين غير موصلتين لبعضهما البعض تنشأ بينهما رابطة كيميائية تعرف بالتلاصقadhesion، و تعتمد قوة هذه الرابطة على الخواص التريبوكهربيةtriboelectric properties لكلا المادتين.
ومن الممكن أن تستحوذ مادة ما على بعض الإلكترونات من المادة الأخرى، وعند فصل المادتين عن بعضهما البعض, يحدث خلل في توازن الشحنات ( charge imbalance ) بين المادتين.
فالمادة التي اكتسبت الإلكترون تصبح ذات شحنة سالبة، والأخرى التي فقدت الإلكترون تصبح ذات شحنة موجبة، وينتج عن هذا الخلل في توازن الشحنات ما يسمى بالكهرباء الساكنة.
ومما يجدر ذكره هنا أن كلمة ” ساكنة”static” قد تعطي انطباعا خاطئا في هذه الحالة، فقد يفهم منها عدم وجود حركة، ولكن في حقيقة الأمر يتوجب على هذا الخلل في توازن الشحنات الانتقال من مكان إلى مكان (ظاهرة الكهرباء الساكنة)، و تعتبر الصدمة الكهربية التي تشعر بها عند مسك مقبض الباب مثالا على انتقال الشحنات.
من الممكن أن تتساءل، لماذا لا ترى الشرار أو تحس بالصدمة الكهربية في كل مرة تلتقط فيها قطع الورق من فوق طاولة مكتبك؟
من المهم أن تعرف أن كمية الشحنات المنتقلة تعتمد على نوع وتركيب المواد المتلامسة و مساحة السطح التي تصل بينها.
هناك عامل آخر مهم يؤثر على ظاهرة الكهرباء الساكنة, ألا و هو “الرطوبة”(humidity).
الرطوبة هي قياس درجة النداوة في الهواء، عندما يكون مستوى الرطوبة مرتفع يغطي الندى سطح المادة، ويوفر مسارا ذا مقاومة ضعيفة لتدفق الإلكترونات، هذا المسار يسمح للشحنات الكهربائية أن تعيد اتحادها ومن ثم تتعادل الشحنات بين المادتين المتصلتين. أما في الحالة التي يكون فيها الجو جافا، فإن الشحنات تتولد و تتجمع فوق المستويات العادية، وقد تصل أحيانا إلى عشرة آلاف فولت.
إن الصدمة الكهربائية التي تشعر بها أيام الشتاء الجافة، تعتمد على نوع النعل الذي ترتديه وعلى نوع الأرضية التي تمشي عليها، وقد تتمكن أحيانا من تجميع شحنات كهربائية عالية ينتج عنها قفز هذه الشحنات و انتقالها إلى مقبض الباب، وبهذا الانتقال تصبح أنت متعادلا كهربائيًا.
تتولد في الملابس داخل آلة التجفيف شحنات كهربائية ساكنة، وكما هو معلوم فإن آلة التجفيف توفر مستويات رطوبة منخفضة عند دورانها؛ مما يسمح للملابس بالالتصاق و الانفصال عن بعضها البعض باستمرار داخل حوض التجفيف، ومع التصاق الملابس و دورانها تصبح الشحنة الكهربائية عالية بما فيه الكفاية لتجعل المواد تنجذب وتلتصق بالسطوح ذات الشحنات المعاكسة (مثلا جسمك أو الملابس الأخرى كما في هذه الحالة).
و كما ذكرنا آنفًا, يمكنك إزالة هذه الشحنات أو الكهرباء الساكنة من الملابس برش بعض الماء عليها و السماح بتسريب الشحنات بعيدا، وهكذا حتى تصبح المادة أو الملابس متعادلة.
مما يجب ملاحظته هنا أنه عند اختلاط التراب أو الغبار بالهواء، يصبح تفكك ذرات الهواء في وجود مجال كهربي، مما يعني أن التراب يسمح للهواء بالتأين بصورة أسهل، الهواء المتأين هو هواء نزعت منه إلكتروناته وفي هذه الحالة نطلق عليه ” بلازما ” ويكون موصلا جيدا للكهرباء، وبصفة عامة فإن إضافة الشوائب للهواء تحسّن قدرته على توصيل الكهرباء، وهذا يجعل وجود الشوائب في الهواء لها نفس تأثير احتوائه على الندى.
المولد(The Generator):
الآن بعد فهم تلك الأشياء الأساسية حول الكهرباء الساكنة أصبح من السهل فهم الهدف من مولد فاندرجراف.
مولد فاندرجراف عبارة عن جهاز صمم لتوليد الكهرباء الساكنة لغرض عمل التجارب عليها. العالم الفيزيائي الأمريكي روبرت جيمسن فاندرجرافRobert Jemison Van de Graaff اخترع مولد فاندرجراف عام 1931م، هذا الجهاز الذي حمل اسمه لديه القدرة لإنتاج فولتية عالية جدا، تبلغ 20 مليون فولت.
فاندرجراف اخترع المولد ليزود معجلات الجسيماتparticle accelerators بالطاقة العالية التي تحتاج إليها، هذه المعجلات تعرف بــ “قاصفات الذرة” ( atom smashers)؛ لأنها تكسب الجسيمات سرعة عالية جدا وتقصفها على ذرات الهدف، وينشأ عن هذا التصادم جسيمات ثانوية وأشعة ذات طاقة عالية مثل الأشعة السينية.
إن القدرة على توليد هذا النوع من التصادم ذي الطاقة العالية يعد القاعدة الأساسية التي يبنى عليها علم فيزياء الجسيم والفيزياء النووية(nuclear physics).
يوصف مولد فاندرجراف بأنه ذو تيار كهربي ثابت”constant current”، فعند وضع مقاومة كهربية على مولد فاندرجراف يبقى التيار الكهربي ثابتا و لا يتغير بتغيرها، والذي يتغير مع المقاومة هو الفولتية (فرق الجهد الكهربي).
في حالة مولد فاندرجراف، عندما يتم توصيل الطرف الخارجي(الكهربي) للمولد (كرة الألمنيوم مثلا) بجسم متصل بالأرض (0 فولت) فإن التيار الكهربي المار من مولد فاندرجراف مرورا بالجسم المتصل إلى الأرض يبقى ثابتا بينما يقل مستوى فرق الجهد الكهربي (الفولتية).
على عكس ذلك، تصنف البطاريات بأنها أجهزة ذات فولتية ثابتة (فرق جهد كهربي ثابت) لأنه عند وضع مقاومة (أو جهاز كهربي) عليها فإن مستوى فرق الجهد (الفولت) يظل ثابتا.
ومن أفضل الأمثلة على هذه الظاهرة بطارية السيارة، تولد بطارية السيارة المشحونة كليا 12.75 فولت، وإذا أدرت مصابيح النور الأمامية للسيارة وتحققت من جهد البطارية تجده ثابتا لم يتغير بالرغم من توصيل دائرة المصابيح الكهربية (مقاومة) بالبطارية.
هناك نوعان من مولدات فاندرجراف:
الأول يستخدم مصادر فولتية عالية للشحن
والآخر يستخدم أحزمة وأسطوانات(ملفات) للشحن.
وهنا سيتم مناقشة النوع الثاني:
يتكون هذا النوع من مولد فاندرجراف من:
•محرك(A motor ).
•ملفان (أسطوانتان) Two rollers.
•حزام أو (سير ) A belt.
•فرشاتان مجمعتانTwo brush assemblies.
•الطرف الخارجي (عادة معدن أو كرة ألومنيوم).
يمكننا مشاهدة الأجزاء على الصورة الموضحة أدناه:
عندما يتم تشغيل المحرك، يبدأ الملف السفلي(الشاحن) بتشغيل السير(الحزام). و حيث أن الحزام مصنوع من المطاط والملف السفلي مغطى بشريط من السليكون (مادة شبه موصلة)، يبدأ الملف السفلي بتوليد شحنة سالبة والسير المطاطي بتوليد شحنة موجبة. ويمكن تعليل حدوث الخلل في الشحنات عن طريق الاطلاع على المتسلسلة التريبوكهربية: السليكون أكثر سالبية من المطاط؛ لذا يستولي الملف السفلي على الإلكترونات من الحزام المطاطي عند مروره عليه.
من المهم أن تدرك أن الشحنة على الملف أكثر تركيزا من الشحنة على الحزام المطاطي، وبسبب تركيز الشحنات يكون المجال الكهربي للملف أكبر قوة من المجال الكهربي للحزام المطاطي عند الملف والفرشاة السفلية.
تبدأ الشحنة السالبة القوية عند الملف بعمل شيئين:
•تتنافر مع الإلكترونات القريبة من رؤوس الفرشاة المجمعة السفلية.
وكما نعلم فإن المعادن موصلات جيدة لأنها تتركب من ذرات موجبة محاطة بإلكترونات سهلة الحركة؛ وبذلك تصبح الفرشاة المجمعة ذات الرؤوس المعدنية موجبة الشحنة لأن الإلكترونات تتحرك بعيدا عن تلك الرؤوس لتلامس غطاء المحرك.
•تقوم بنزع إلكترونات جزيئات الهواء القريب منها.
ومن المعلوم أنه عند نزع إلكترونات الذرة نقول عنها بلازما(الحالة الرابعة من حالات المادة)، إذن لدينا إلكترونات حرة وذرات موجبة الشحنة من الهواء بين الملف والفرشاة. تنفر الإلكترونات من الملف وتنجذب لرؤوس الفرشاة بينما تنجذب الذرات الموجبة للملف ذي الشحنة السالبة.
تحاول نواة الذرات موجبة الشحنة في جزيئات الهواء أن تتحرك باتجاه الملف ذي الشحنة السالبة، ولكن الحزام المطاطي يقف في طريقها؛ و ينتج عن ذلك أن يغطى الحزام المطاطي بالشحنة الموجبة و يحملها بعيدا عن الملف.
وطالما تواجد هواء بين الملف السفلي والفرشاة المجمعة، فإن مولد فاندرجراف سوف يستمر في الشحن للأبد، ولكن لسوء الحظ فإن الغبار والشوائب الأخرى المحيطة عادة ما تحد من مستويات الشحنة الفعلية التي تتكون على الكرة المعدنية.
لنعد إلى الحزام المطاطي الذي يحمل شحنة موجبة كما ذكرنا مسبقا, يسير هذا الحزام باتجاه الملف العلوي والفرشاة المجمعة العلوية، و بما أن الملف العلوي مصنوع من النايلون؛ فإنه ينفر الشحنة الموجبة التي على الحزام المطاطي.
تتصل الفرشاة العلوية بداخل الكرة المعدنية في حين أن أطراف أسلاكها المعدنية تقترب من الملف العلوي والحزام، تتحرك الإلكترونات السالبة في الفرشاة إلى رؤوس الأسلاك لأنها تنجذب إلى الحزام ذي الشحنة الموجبة. وعندما يتفكك الهواء و يتحول إلى بلازما، تنجذب نواة الشحنة الموجبة للهواء نحو أطراف الفرشاة.
في نفس الوقت، تتحرك الإلكترونات الحرة في الهواء نحو الحزام، وعندما يلامس جسم مشحون الجزء الداخلي للوعاء المعدني (كرة مولد فاندرغراف) فإن الوعاء يأخذ كل الشحنات الكهربية ويترك الجسم متعادلا، وتظهر الشحنة الزائدة على السطح الخارجي للوعاء، ومن خلال هذا التأثير فإن مولد فاندرجراف يكون قادرا على الوصول إلى الفولتية الضخمة، وبالنسبة لمولد فاندرجراف فإن الحزام هو الجسم المشحون الذي يعطي شحنة موجبة بشكل مستمر لكرة الألمنيوم.
من الجدير ذكره ان العالم جراهام بيل هو اول من حاول في ايجاد طريقة لتحويل الاصوات الى صور وذلك في محاولة منه لمساعدة زوجته التي كانت لا تسمع في ان تفهم ما يقوله لها ونجح في تحويل الصوت الى منحنيات مرسومة ولكن لم تستطع زوجته من فهمها ولكن بحثه المستمر في هذا المجال ادى الى ان يخترع لنا الهاتف.
