المواد و الكهرباء: الإلكترونات Matériaux et électricité : les électrons

1 - تمهيد :

من بين خواص المادة هناك خواص كهربائية.في هذا الفصل سنهتم بالمادة و الكهرباء:أي علاقة؟ مجموعة من الأمثلة المرتبطة بما نسميه التكهرب, مثلا:أثناء إزالة ملابس تحدث شرارات صغيرة - في بعض الأحيان تحس بصعقة كهربائية ضعيفة عند ملامستك بعض الأجسام (مثلا سيارة بعد توقفها) -تلاحظ كذالك عند تقريبك ليدك من شاشة تلفاز أن زغب اليد ينجذب نحو الشاشة - عند حك قلم وتقريبه من قطع ورق صغيرة تلاحظ أن هذه الأخيرة تنجذب نحو القلم...تبين أن هناك علاقة.تفسيرهذه العلاقة يستلزم التعمق في فهم المادة على المستوى الدقائقي (الذرة ومكوناتها).

2- التكهرب: 1-2- تجربة :

نعلق كرية ذات كلتلة صغيرة بخيط, نقوم بعد ذالك بحك قضيب بلاستيك بقطعة قماش و نقربه من الكرية.

2-2- ملاحظة وتفسير :

• تنجذب الكرية نحو القضيب عند تقريبه منها لأنه مكهرب .تأثير القضيب على الكرية تأثير عن بعد.
• حك القضيب من البلاستيك أدى إلى تكهربه.
• في البداية تنجذب الكرية نحو القضيب البلاستيكي ,لكن بعد تماسهما تنفر الكرية من القضيب لأنها تكهربت بدورها عند تماسها بالقضيب البلاستيكي المكهرب.
3-2- استنتاج :

يمكن جعل جسما ما مكهربا بالاحتكاك أو بالتماس مع جسم مكهرب...

3 - نوعا الكهرباء : 1-3- تجربة :

حك قضيب إبونيت (Ebonite نوع من المطاط يحتوي 25% من الكبريت) بواسطة فرو وحك قضيب من زجاج بواسطة قطعة قماش.

2-3- ملاحظة وتفسير :

• قضيب إبونيت و قضيب الزجاج مكهربين .عند تقريب قضيبين من مادتين مختلفتين فإنهما يتجاذبان (ش1 و ش4)وعند تقريب قضيبين من نفس المادة فإنهما يتنافران (ش2 و ش3) .هذا يعني أن الكهرباء نوعان : الكهرباء التي تحملها مادة إبونيت و الكهرباء التي تحملها مادة الزجاج.
• اصطلاحا (اتفاق بين العلماء) :الكهرباء التي يحملها إبونيت هي كهرباء (أوشحنة كهربائية) موجبة (+) و الكهرباء التي يحملها الزجاج هي كهرباء (أوشحنة كهربائية) سالبة (-).
3-3- استنتاج :
• الكهرباء نوعان : شحنة كهربائية موجبة و شحنة كهربائية سالبة.
• يتجاذب جسمان يحملان شحنتين كهربائيتين مختلفتي النوع و يتنافر جسمان يحملان نفس نوع الشحنة الكهربائية.
*ملحوظة:
• نرمز للشحنة الكهربائية بالرمز Q ووحدتها العالمية هي الكولومب (Coulomb) رمزها (C).

• بعض تطبيقات التكهرب (الكهرباء الساكنة :التأثيرات بين الشحن الكهربائية الساكنة):
• البرق: تحتك البلورات المكونة للسحب فتشحن كهربائيا بشحن كهربائية تختلف من + أو - حسب الحرارة(تكونت داخل السحب طبقتين لهما شحنتين مختلفتين) .تشحن الأرض بتأثير الطبقة السفلى من السحب المشحونة :النتيجة طبقات مختلفة الشحنة .حينما تتراكم الشحن بما فيه الكفاية (فرق توتر كبير) ليصبح الهواء موصلا كهربائيا ,يحدث التفريغ الكهربائي (Décharge électrique) أي تنتقل الشحن الكهربائية عبر الهواء فيصدر ضوءا (البرق).يحدث البرق كذالك بين سحابتين أو بين طبقتين من نفس السحابة.للإحتماء من البرق تجنب الأشياء العالية والحادة (تتجمع الشحن في الأماكن ذات انحناء كبير في جسم ما) لأنها مستهدفة من طرف الشحن أثناء التفربغ الكهربائي (البرق).
• الصباغة و النسخ: يمكن التكهرب من صباغة الأسطح بدقة وسرعة وفعالية ,حيث تكهرب الصباغة بشحنة + والجسم المراد صبغه يشحن بشحنة - وبالتالي عند رش الصباغة تنجذب قطراتها نحو الجسم وتلتصق به من كل جانب (لنقول صباغة سهلة 3 أبعاد).نفس المبدأ بالنسبة لآلة النسخ.
• المكثفات: مركبات كهربائية (الكترونية) تراكم الشحن الكهربائية وبالتالي تخزين الكهرباء.الكرة الأرضية مكثف يمكنه تخزين كمية كبيرة من الشحن الكربائية (سعته كبيرة) وما المربط الأرضي في التركيب الكهربائي المنزلي إلا قناة لتمرير الشحن الكهربائية...

سؤال مهم جدا: ماهو مصدر الشحن الكهربائية ؟ الجواب يتطلب التعمق في بنية المادة.

4 - بنية الذرة : 1-4- النموذج الذري Model atomique:

رأيت سابقا أن المادة تتكون من دقائق جد صغيرة تسمى الذرات , وأن الذرة هي الوحدة البنائية للمادة ,فيما يلي ستتعرف على بنية الذرة (مكونات الذرة)والممثلة في النموذج الذري. تجدر الاشارة إلى أن معرفة بنية المادة مر بعدة مراحل أعطى خلالها الفلاسفة والعلماء تفسيرات ونماذج لبنية المادة (مراحل النظرية الذرية):

• 450 سنة قبل الميلاد :الفيلسوف اليوناني ديموقريطس DEMOCRITE والفيلسوف LEUCIPPE تصورا المادة مكونة من جسيمات لا متناهية في الصغر وغير قايلة للإنقسام ولا ترى بالعين المجردة تسمى الذرات.
• 384-322 قبل الميلاد الفيلسوف اليوناني أرستو (ARISTOTE) يفنذ وجود الذرات . واعتبر المادة مكونة من العناصر التالية : الهواء , الماء , التربة والنار(أي بطلان نظرية الذرة).


ثم فيما بعد, نهاية عهد الاقتراحات الفلسفية وبداية عهد النظريات العلمية ( بداية الكيمياء الحديثة و تجدد نظرية الذرة) :

• 1772 لافوازي LAVOISIER قام بدراسة تركيبة الهواء وبين انحفاظ الكتلة أثناء التفاعل الكيميائي ,هذا العالم من مؤسسي الكيمياء الحديثة.
• 1808 جون دالتونJOHN DALTON كيميائي إنجليزي ,اعتبر المادة مكونة من دقائق غير مرئية وغير قابلة للتقسيم ولها كتلة لتفسير النتائج التجريبية.
• 1811 أفوكادرو AVOGADRO اقترح أن حجمين متساويين لغاز في نفس ظروف درجة الحرارة والضغط يحتويان نفس العدد من الجزيئات.(أفوكادرو ميز بين الذرات والجزيئات)
• 1832 فارداي FARADAY أدخل مفهوم الأيونات ودرس التحليل الكهربائي وفسره بكون الروابط بين الذرات هي ذات طبيعة كهربائية.
• 1869 العالم الروسي منديليف MANDELEIEV وضع الجدول الذري.(التعرف على الذرات وتصنيفها)
• 1897 تومسن THOMSON من خلال تجاربه كشف عن وجود الالكترون :تصور الذرة عبارة كرية ذات شحنة كهربائية موجبة بداخلها دقائق مشحونة بكهرباء سالبة هي الالكترونات هذا فتح أفاق الالكترونيك.
• 1908 ريدرفورد RUTHERFORD حصل على جائزة نوبل لوضعه نموذج ذري شبه فيه بنية الذرة ببنية النظام الشمسي:الذرة تتكون من نواة تدور حولها في مدارات مختلفة دقائق صغيرة تسمى الالكترونات.
• 1913 نيلس بوهر NIELS BOHR :انطلق من النموذج الذري ل RUTHERFORD لكن بالنسبة ل BOHR الالكترونات تدور حول النواة في مدارات محددة أي أن كل المدارات ليست متاحة.
• 1927 الفيزيائي Erwin Schrödinger اعطى وصفا للذرة,وحسب هذا الوصف فإن الإلكترونات ليست لها مدارات محددة وإنما تشكل سحابة حول النواة (السحابة الإلكترونية nuage électronique). هذا العالم استبدل المدارات المحددة للإلكترونات في نموذج العالم بوهر باحتمال وجود الإلكترون في حيز من الفضاء حول النواة. هذا النموذج هو النموذج الكمي للذرة (Modèle quantique de l'atome) :

تتكون الذرة من نواة والكترونات (و فراغ ), الالكترونات دقائق مشحونة بكهرباء سالبة هذه الالكترونات في حركة حول النواة وتشكل السحابة الالكترونية.نواة الذرة تحمل شحنة كهربائية موجبة.













ذرات ملاحظة بواسطة مجهر ذو مفعول النفق

عجلات مسننة مكون من ذرات

*ملحوظة:
• تضم الذرة فراغ يصل إلى 99,99% من حجمها.لو استطعنا إلغاء الفراغ في الذرة لتم اختزال الكرة الأرضية في كرة مادية شعاعها 150cm.
• كتلة الذرة تتركز في نواتها
• أبعاد الذرة من رتبة الارغستروم (A°) بحيث : 1

  A^°=10^-10m=0,1nm

  ( تذكر أن 1nm=10^-9m وأن nm تعني النانومتر)
• في سنة 1986 منحت جائزة نوبل للفيزياء للعلماء :الالماني E.RUSKA لصنعه أول مجهر الالكتروني و للعالمين G.BINNIG (الماني) و H.ROHER (سويسري) لاكتشافهما للأول مجهر ذو مفعول النفق الذي مكن من ملاحظة الذرات.إدى اكتشاف الإلكترون إلى خلق مجال جديد في الفيزياء هو الالكترونيك,فبعد صناعة الترانزستور من طرف 3 فيزيائيين أمريكيين وبدأ تقليص حجم (Miniaturisation) المركبات الالكترونية تدريجيا,أصبح الفيزيائيون يتحكمون بكل ذرة, أي التحكم بذرة تلو الأخرى,فاستطاعوا بناء ترانزستور من ذرة واحدة, وهذا تقليص جد هائل للمركبات الالكترونية( وهذا يخدم حلم العلماء في صناعة حاسوب الأكثر فالأكثر سرعة(أي يضم عدد هائل من الترانزستورات), واستطاعوا كذالك بناء أنظمة ميكانيكية... بواسطة الذرات من أجل صناعة (مثلا) روبوتات نانوية ستعوض العلاج الكيميائي بالأدوية ...:ببساطة إنه بناء أشياء بالاعتماد على الذرات كقطع بناء ( علوم وتقنيات النانو)...بالاضافة إلى أن دراسة وفهم المادة على المستوى دون الذري منح العلماء امكانية تطوير حاسوب فائق سرعة: الحاسوب الكمي
2-4-مميزات ذرة:

كل الكترونات الذرات متشابهة , الالكترون دقيقة مشحونة بشحنة كهربائية سالبة ,نرمز للالكترون بالرمز e^- ونرمز لشحنته بالرمز -e بحيث e=1,6.10^-19C تمثل أصغر كمية كهرباء (نسميها الشحنة الابتدائية) وتساوي .إذن شحنة الالكترون تكتب:-e=-1,6.10^-19C . تحتوي نواة الذرة على دقائق مشحونة بشحنة مقابلة لشحنة إلكترونات الذرة, وعدد هذه الشحن مساوي لعدد الإلكترونات. أي أن الشحنة الاجمالية للذرة منعدمة,نقول إن الذرة متعادلة كهربائيا.

تحتوي نواة الذرة على دقائق مشحونة بشحنة موجبة, كل دقيقة تحمل شحنة تساوي e. عدد الشحن الموجبة للنواة مساوي لعدد الإلكترونات, وبالتالي فإن شحنة الذرة منعدمة:نقول إن الذرة متعادلة كهربائيا.

تتميز كل ذرة بعدد إلكتروناتها (أو عدد شحنها الموجبة) ,هذا العدد يسمى العدد الذري ونرمز له بالرمز Z

*أمثلة: …; Z(O)=8 ; Z(C)=6 ; Z(H)=1
• Z(H)=1 ذرة الهيدروجين لديها إلكترون واحد, وشحنة موجية واحدة في نواتها.
• Z(C)=6 ذرة الكربون لديها ست إلكترونات, و ست شحنات موجية في نواتها.
• Z(O)=8 ذرة الأوكسيجين لديها ثمان إلكترونات, و ثمان شحنات موجية في نواتها.
• Z(Ta)=73 ذرة التانتاليوم لديها ثلاثة وسبعون إلكترونات, و ثلاثة وسبعون شحنات موجية في نواتها.
• ... أنظر الجدول الدوري للعناصر الكيميائية
∗ تمرين مذمج 1: نعتبر ذرة عددها الذري Z.

أ- عبر عن Q_Electrons الشحنة الكهربائية للسحابة الإلكترونية للذرة بدلالة Z و الشحنة الابتدائية e.

ب- عبر عن Q_Noyau الشحنة الكهربائية لنواة الذرة بدلالة Z و الشحنة الابتدائية e.

ج- أحسب Q_Atome الشحنة الكهربائية للذرة.

ذ- قم بالتطبيق العددي بالنسبة لذرة السيليسيوم

Si بحيث Z=14.

∗ الحل :
إخفاء إضهار

خدم التمرين ;)

*ملحوظة: تأويل التكهرب:

عند حك قضيب إبونيت بفرو (بدئيا محايد كهربائيا : ليس مشحونا),يفقد الفرو بعض الكتروناته التي انتقلت إلى الإبونيت وبالتالي أصبح هذا الأخير يحمل شحنة كهربائية سالبة بينما الفرو أصبح مشحونا بشحنة موجبة.كذالك يؤدي حك قضيب زجاج (بدئيا محايد كهربائيا) بقطعة قماش إلى انتزاع هذا الأخير إلكترونات من الزجاج . تكهرب جسم هو عملية ينتج عنها:

• إفراط في عدد الالكترونات وفي هذه الحالة يكون الجسم مشحون شحنة كهربائية سالبة.
• تفريط في عدد الالكترونات وفي هذه الحالة يكون الجسم مشحون شحنة كهربائية موجبة.




5 - الموصلات والعوازل: 1-5- تجربة: 2-5- ملاحظة وتفسير:
• عند تماس قضيب إبونيت بقضيب بلاستيك ,لم تتحرك الكرية المعلقة.
• عند تماس قضيب إبونيت بقضيب نحاس ,تنجذب الكرية نحوه ,ويبقى هذا الانجذاب حتى بعد إبعاد قضيب إبونيت.
• تكهرب قضيب النحاس بالتماس مع الإبونيت وانتقلت الشحن عبره,مما أدى إلى انجذاب الكرية.
• تكهرب قضيب البلاستيك بالتماس مع الإبونيت لكن الشحن الكهربائية لم تنتقل عبره (بقيت الشحن مموضعة).
• الفلزات (Métaux) كالنحاس مود موصلة للكهرباء لأنها تتوفر على إلكترونات يمكنها الانتقال من ذرة إلى أخرى ,هذه الالكترونات تسمى إلكترونات حرة (Electrons libres) ,على عكس المواد العازلة كهربائيا كالبلاستيك إلكترونات هذه المواد جد مرتبطة بنواها.
3-5- استنتاج :

المواد الموصلة كهربائيا هي التي تسمح بانتقال الشحن الكهربائية(لتوفرها على إلكترونات حرة) بينما المواد العازلة كهربائيا هي التي لا تسمح بانتقال الشحن الكهربائية.

*ملحوظة:
• طبيعة التيار الكهربائي في الفلزات :عندما يكون قاطع التيار مفتوحا ,في الفلز تكون حركة الالكترونات الحرة عشوائية ,وعندما يكون قاطع التيار مغلقا ,داخل الفلز تنتقل الالكترونات في حركة جماعية ,هذه الحركة الجماعية للإلكترونات هي التيار الكهربائي,اصطلاحا منحاه معاكس لحركة الالكترونات الجماعية. (لأسباب تتعلق بتاريخ العلوم :في القرن 18 اختار العلماء منحى التيار الكهربائي ,ولم يتم بعد معرفة مكونات الذرة ,معتقدين أن الشحن الكهربائية + هي المسؤلة عن التيار الكهربائي . الكل مرتبط بالاصطلاح البدئي المتعلق بإشارتي الشحن الكهربائية (+ و -))
• المواد شبه الموصلة (تحتوي أساسا ذرات السيليسيوم Si و الجرمانيوم Ge ...)مواد موصليتها الكهربائية أقل من موصلية الفلزات ,هذه المواد شبه الموصلة أساس مجموعة من المركبات الالكترونية (الخلايا الضوئية الفولطية ,الصمامات الثنائية ,الترانزستورات ,الدارات المتكاملة...)
• خواص المادة التي نتعامل معها على المستوى العياني تجد تفسيرها على المستوى الدقائقي(الذرة ومكوناتها) : في الذرة يكمن السر.