تتبدى هذه العجائب في أبهى صورها في الشتاء عندما يكون الجو جافًا. ولكي تراها، عليك أن ترتدي قميصا من البوليستر أو كنزة صوفية، ثم تقف أمام المرآة في الظلام وتشرع في خلع ذلك القميص أو تلك الكنزة. تعلم حينها أنك سوف تسمع أصوات قرقعة تشبه الأصوات التي تسمعها حين تخرج ملابسك المغسولة من مخفف الغسيل (ما لم تكن تستخدم واحدة من أوراق التجفيف غير الرومانسية تلك المصممة بحيث تحد من كل تلك الكهرباء ⁽¹⁾). لكنك الآن سترى أيضًا توهج عشرات الشرارات الصغيرة جدًّا. أحب هذه التجربة جدًّا؛ لأنها تذكرني بمدى قرب الفيزياء من حياتنا اليومية، فقط لو عرفنا كيف نفتش عنها. وكما أحب أن أبين لتلاميذي، فإن هذه التجارب الصغيرة تصير أكثر إمتاعًا عندما يجريها المرء مع صديق له.

هل تعلم ما يحدث عندما تمشي على سجادة في الشتاء ثم تحاول الإمساك بمقبض أحد الأبواب – هل فزعت؟ – قد تتعرض لصدمة محسوسة تعلم أنها جراء الكهرباء الاستاتيكية. بل لعلك قد سببت صدمة لإحدى صديقاتك عندما صافحتها، أو شعرت بذات الصدمة عندما ناولت معطفك لعامل استلام المعاطف الحقيقة أنه أثناء فصل الشتاء. يحس المرء بالكهرباء الاستاتيكية في كل مكان فأحيانا تجد شعرك ينفر بعضه من بعض عندما تمشطه بل وتجده أحيانًا ينتصب واقفًا من تلقاء نفسه عندما تخلع قبعتك. ما السر في الشتاء ولماذا يتطاير به ذلك القدر من الشرر؟

إجابة كل هذه الأسئلة تبدأ مع الإغريق القدامى الذين كانوا أول من وضع تسمية وتسجيلًا مكتوبًا لتلك الظاهرة التي بتنا نعرفها اليوم باسم الكهرباء. فمنذ نحو ألفي عام، كان الإغريق يعلمون أنهم إذا صنعوا احتكاكا بين الكهرمان – هو عبارة عن مادة صمغية متحجرة استخدموها واستخدمها المصريون في صناعة الحلي – وبين القماش، فحينها يستطيع الكهرمان أن يجذب إليه شذرات من الأوراق الجافة. وبعد قدر كاف من الاحتكاك، يمكنه أيضًا أن يحدث صدمة.

كنتُ قد قرأت قصصا تزعم أن نساء الإغريق عندما كان السأم يتملكهن في الحفلات كن يدعكن جواهرهن الكهرمانية في ثيابهن ثم يمسسن الضفادع بتلك المجوهرات. على الفور كانت الضفادع تقفز بالطبع محاولة الإفلات من هاته المحتفلات المجنونات، وهو الأمر الذي كان مصدر إمتاع كبير لهؤلاء الناس القدامى. لكن هذه القصص لا تتماشى مع المنطق مطلقًا. أولا، كم من تلك الحفلات توافرت بها هذه الأعداد الكبيرة من الضفادع القابعة تنتظر أن تصعقها هاته المحتفلات السكارى؟ ثانيا، ولأسباب سوف أفسرها لاحقا، لا تعمل الكهرباء الاستاتيكية بشكل مثالي خلال الأشهر التي يرجح فيها توافر الضفادع وخاصة عندما يكون الطقس رطبا، وبخاصة في اليونان أيا ما كانت الحقيقة في هذه القصة، فإن ما لا يمكن إنكاره هو أن الكلمة الإغريقية التي تعني «الكهرمان» هي الإلكترون، إذن فقد كان الإغريق هم من أسموا الكهرباء باسمها كما أسموا الكثير من الأشياء في هذا الكون، الكبير منها والصغير.

لم يكن الفيزيائيون الأوربيون، الذين عاشوا في القرنين السادس عشر والسابع عشر الميلاديين وقت أن كانت الفيزياء تسمى الفلسفة الطبيعية، يعلمون شيئًا عن الذرة أو عن أي من مكوناتها، لكنهم كانوا ملاحظين ومجربين ومخترعين أفذاذا، كما كان بعضهم منظرين عباقرة. كان من بينهم تايكو براهي وجاليليو جاليلي ويوهان كبلر وإسحاق نيوتن ورينيه ديكارت وبليز باسكال وروبرت هوك وروبرت بويل وجوتفريد ليبنز وكريستيان هوجنس، كلهم يصنعون اختراعات، ويؤلفون الكتب ويختلف أحدهم مع الآخر، ويقلبون الحركة المدرسية في العصور الوسطى رأسًا على عقب.

مع حلول ثلاثينيات القرن الثامن عشر بدأت دراسات علمية حقيقية للكهرباء (في مقابل ألعاب الحفلات) في إنجلترا وفرنسا وبالطبع في فيلادلفيا. كان هؤلاء المجربون جميعًا يعلمون أنهم إذا فركوا قضيبًا زجاجيًّا بقطعة من الحرير فسوف يكتسب شحنة ما (لنطلق عليها الشحنة أ) – لكنهم إذا فركوا قطعة من الكهرمان أو المطاط بذات الطريقة فسوف تكتسب شحنة من نوع آخر (لنطلق عليها الآن الشحنة ب). كانوا يعلمون أن الشحنتين مختلفتان؛ لأنهم عندما فركوا قضيبين زجاجيين بقطعة من الحرير، اكتسب كلاهما الشحنة أ، وعندما وضعوهما متجاورين وجدوهما يتنافران بفعل قوة غير مرئية بالمرة مع أنها ملموسة وعندما وضعوا جسمين آخرين مشحونين بالشحنة ب وجودهما أيضًا يتنافران. لكن الجسمين ذوي الشحنات المختلفة، كقضيب من الزجاج ذي الشحنة أ، وقضيب من المطاط ذي الشحنة ب، يتجاذبان ولا يتنافران.

ظاهرة شحن الأجسام عن طريق فركها هي ظاهرة مثيرة للاهتمام بحق، حتى إن لها اسما بديعا، وهو تأثير «كهرباء الاحتكاك»، وهو اسم مشتق من اللفظة الإغريقية التي تعني «فرك». قد يخيل للمرء أن الاحتكاك بين الجسمين هو الذي ينتج الشحنة، لكن ليست تلك هي الحقيقة. فقد اتضح أن بعض المواد تجذب الشحنة (ب) بنهم، بينما يحاول بعضها الآخر طرد تلك الشحنة باستماتة، مما يجعلها تكتسب الشحنة (أ). وفعالية الفرك في هذه العملية تنبع من كونه يزيد من عدد نقاط الاتصال بين المادتين، مما يسهل نقل الشحنة. (هنالك قائمة مرتبة تستطيع أن تجدها بكل سهولة على شبكة الإنترنت) للكثير من المواد التي تصنع تأثير «الاحتكاك بالكهرباء». ذلك، وكلما تباعدت المادتان في القائمة كانتا قادرتين على شحن إحداهما الأخرى بسهولة أكبر.

لنتأمل مثلا البلاستيك أو المطاط الصلب اللذين تصنع منهما أمشاط الشعر. إنهما بعيدان كل البعد عن مادة شعر الإنسان في سلسلة الاحتكاك بالكهرباء، وهو الأمر الذي يجعل شعرك يصدر الشرارات وينتصب عندما تمشطه في الشتاء بكل سهولة – وخاصة شعري أنا. فلتفكر في الأمر قليلا لا يتوقف الأمر على الشرارات التي تصدر من الشعر وإنما لأنني أمشطه بقوة فإنني أشحن شعري ومشطي كليهما، لكن لأن الشعرات كلها تكتسب ذات الشحنة أيا كانت تلك الشحنة نجد كل شعرة منها تتنافر مع الشعرات الأخرى ذات الشحنات المطابقة، وأصير أبدو كعالم مجنون. وعندما يحتك حذاؤك بالسجادة تجد نفسك قد شحنت بواحدة من الشحنتين أ أو ب، وذلك يتوقف على المادة المصنوع منها باطن قدمك وكذلك مادة السجادة. وعدما تتلقى صدمة كهربائية من أقرب مقبض باب تلمسه فإن يدك إما تتلقى شحنة من مقبض الباب، أو تقذف بإحدى الشحنات إليه. أما عن نوع الشحنة التي تتلقاها فليس ذلك بالأمر الهام هنا؛ فالكهرباء تصدمك في كل الأحوال.

كان بنيامين فرانكلين – الدبلوماسي ورجل الدولة والمحرر الصحفي والفيلسوف السياسي ومخترع النظارات ثنائية البؤر وعداد المسافات وموقد فرانكلين – هو أول من توصل إلى الفكرة القائلة بأن جميع المواد مخترقة بما يسمى «السائل الكهربي»، أو النار الكهربية. ولأن تلك الفكرة بدت مفسرةً للخلاصات التجريبية التي خلص إليها رفاق فرانكلين من الفلاسفة الطبيعيين فقد كانت مقنعة جدا. فعلى سبيل المثال، أوضح الإنجليزي ستيفن جراي أن الكهرباء قابلةٌ لأن توصل على مدى مسافات كبيرة داخل الأسلاك المعدنية، لذا فقد كانت فكرة السائل غير المرئي أو النار غير المرئية (فالشرارات تشبه النار) تتماشى مع المنطق كثيرًا.

زعم فرانكلين أن المرء إذا اكتسب قدرًا كبيرًا جدًّا من النار، فحينها سيكون مشحونا شحنا إيجابيا، أما إذا كان لديه نقص في هذه النار، فحينها يكون مشحونا شحنا سلبيا. كما أنه كان أول من استخدم الإشارات الموجبة والسالبة، وأكد أنه إذا فركت قطعة من الزجاج بقطعة من الصوف أو الحرير (وهو ما ينتج الشحنة أ) فسيسبب هذا فيضا من النار، ومن ثم يسمى. ذلك شحنا إيجابيا.

لم يعلم فرانكلين سبب وجود الكهرباء، لكن فكرته المتعلقة بالسائل الكهربي كانت عبقرية ومثمرة حتى مع كونها ليست صحيحة تمامًا. فقد أكد على أن المرء إذا أخذ السائل ونقله من مادة إلى أخرى فستصير المادة ذات الفيض مشحونة شحنا موجبا، وفي الوقت ذاته تصير المادة التي تأخذ منها السائل مشحونة شحنا سلبيا. اكتشف فرانكلين قانون الحفاظ على الشحنة الكهربية القائل بأنه لا يمكن خلق الشحنة الكهربية أو التخلص منها. فإذا قام المرء بخلق قدر معين من الشحنة الموجبة فهو كذلك يقوم بشكل أوتوماتيكي بخلق ذات القدر من الشحنة السلبية. يقول الفيزيائيون إن الشحنة الكهربية هي لعبة ذات مجموع صفري، إذ إن الشحنة باقية.

أدرك فرانكلين، كما صرنا ندرك الآن أن الشحنات المتماثلة (الموجبة مع الموجبة والسالبة مع السالبة) تتنافر، وأن الشحنات المتعارضة (الموجبة مع السالبة) تتجاذب. وأظهرت تجاربه أنه كلما زاد قدر النار التي تحملها الأجسام، تقاربت أكثر وصارت قواها أكثر شدة سواء أكانت تلك القوى جاذبة أو نافرة. كما أنه توصل، كما توصل جراي وغيره من الذين عاشوا في ذات العصر إلى أن بعض المواد توصل السائل أو النار – نسمي نحن هذه المواد «الموصلات» – وبعضها لا يوصله، ومن ثم فهي تسمى غير الموصلات أو «العوازل».

لكن ما لم يعلمه فرانكلين هو ما تتكون منه النار. فلو لم تكن نارًا أو سائلا فما هي إذن؟ ولماذا يبدو أن هناك فيضًا كبيرًا منها خلال فصل الشتاء – على الأقل في المكان الذي أعيش به شمال شرقي الولايات المتحدة – يصدمنا من اليمين أو اليسار؟ وقبل أن نلقي نظرة داخل الذرة كي نشتبك مع طبيعة النار الكهربية، علينا أن ندرك أن الكهرباء تتخلل عالمنا تخللًا طاغيًا يفوق ما أدركه فرانكلين، ويفوق ما يعتقده غالبيتنا. فهي ليست فقط تصبغ غالبية ما نراه في حياتنا اليومية بصبغة المنطق؛ وإنما تجعل كل ما نراه ونعلمه ونفعله ممكنًا. فإننا لا نستطيع أن نشعر ونتأمل ونتعجب فقط لأن الشحنات الكهربية تتقافز بين ملايين لا حصر لها من بين حوالي المائة مليار خلية الموجودة في أمخاخنا. في الوقت ذاته لا نستطيع أن نتنفس إلا لأن النبضات الكهربية التي تولدها الأعصاب تسبب انقباض عدد من عضلات صدورنا وانبساطها في سمفونية معقدة من الحركات. فمثلا، وبكل بساطة، عندما ينقبض حجابك الحاجز ويهبط داخل قفصك الصدري، يوسع. ذلك من تجويف صدرك ويسحب الهواء إلى داخل رئتيك. وعندما ينبسط الحجاب الحاجز يتمدد لأعلى مرة أخرى ويدفع الهواء إلى خارج رئتيك. ولم تكن لأي من تلك الحركات أن تتأتى إلا عن طريق عدد غير قابل للحصر من النبضات الكهربية الصغيرة التي لا تفتأ ترسل الإشارات إلى جميع أجزاء الجسم بشكل لا ينقطع، وهذه الإشارات في حالتنا تلك تأمر بعض العضلات بأن تنقبض ثم تكف عن الانقباض، بينما تأخذ عضلات أخرى دورها. وتستمر هذه العملية جيئة وذهابًا جيئة وذهابًا طوال عمرك كله.

وعيوننا ترى لأن الخلايا الدقيقة الموجودة في شبكيات عيوننا، وهي الخلايا العصوية والخلايا المخروطية التي تلتقط الأبيض والأسود والألوان الأخرى، تقوم على التوالي بالتحفز عن طريق ما تلتقط أو تبعث من الإشارات الكهربية من خلال الأعصاب البصرية إلى أمخاخنا. حينها تستطيع أمخاخنا أن تحدد إذا ما كنا ننظر إلى ثمار فاكهة موضوعة على حامل أم إلى ناطحة سحاب. غالبية سياراتنا تعمل بالجازولين رغم أن السيارات الهجين تستخدم كميات متزايدة من الكهرباء، لكن لن يصل الجازولين إلى المحرك دون تلك الكهرباء التي تجري من البطارية عن طريق الاشتعال إلى الأسطوانة، حيث الشرارات الكهربية تبدأ آلاف الانفجارات المحكومة في كل دقيقة. ولأن الجزيئات تتكون بسبب القوى الكهربية التي تلصق الذرات بعضها ببعض فإن التفاعلات الكيميائية – مثل احتراق الجازولين – سيستحيل حدوثها من دون الكهرباء.

وتلك الحقائق تصدق كذلك على أشياء تتعدى في صغرها حتى خلايا أجسادنا الميكروسكوبية. إن كل جزء من أجزاء أي مادة على ظهر الأرض مؤلف من ذرات؛ ولكي نفهم الكهرباء بحق علينا أن نغوص داخل الذرة وننظر نظرة مختصرة إلى مكوناتها: لن ننظر إلى جميع مكوناتها؛ لأن ذلك قد يصير أمرًا غاية في التعقيد، لكننا سننظر إلى المكونات التي نحتاجها فقط.

الذرات ذاتها غاية في الضآلة، لدرجة أن أقوى الآلات وأكثرها تقدمًا – ميكروسكوبات المسح النفقي وميكروسكوبات القوى الذرية وميكروسكوبات انتقال الإلكترون – هي وحدها القادرة على رؤيتها. هناك بعض الصور المذهلة التي التقطت بواسطة هذه الآلات موجودة على شبكة الإنترنت تستطيع أن ترى بعضها على هذا الرابط: www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html

إنني لو أخذت 6.5 مليار ذرة، وهو العدد الذي يعادل تقريبا عدد البشر على ظهر الأرض، ثم صففتها في صف واحد، كل واحدة منها تلمس الأخرى لبلغ طول الصف نحو قدمين. لكن في كل ذرة نواة تصغرها في الحجم بنحو عشرة آلاف مرة، وتحتوي على بروتونات مشحونة شحنا موجبًا ونيوترونات وتلك النيوترونات هي، كما خمنتَ أنت، في الأغلب محايدة كهربيًّا. والبروتونات (والتي تعني باليونانية «الأول») لها كتلة تماثل كتلة النيوترونات تقريبًا – كتلة لا يمكن تصور صغرها إذ إنها تبلغ اثنين على مليار من مليار من مليار (10²⁷ × 2) من كيلوجرام واحد تقريبا. لذا فمهما كان عدد البروتونات والنيوترونات التي تضمها الذرة – وبعضها يضم مائتين منها – يظل وزنها غاية في الخفة بحق كما أن حجمها صغير جدا؛ إذ يبلغ قطرها واحد على تريليون من السنتيمتر الواحد.

لكن أهم ما يتعلق بفهم الكهرباء هو أن البروتون موجب الشحنة. ليس هناك من سبب حقيقي لتسمية تلك الشحنة موجبة، لكن الفيزيائيين منذ فرانكلين دأبوا على تسمية تتلك الشحنة التي يكتسبها القضيب الزجاجي بعد أن يفرك بالحرير شحنة موجبة لذا فالبروتونات موجبة الشحنة.

واتضح أن الأكثر أهمية هو بقية ما في الذرة، الذي يتألف من الإلكترونات، وهي الجسيمات المشحونة سلبيًّا التي تحوم في شكل سحابة حول النواة من بعد بالمقاييس دون الذرية. إنك لو حملت كرة بيسبول في يدك وكانت تلك الكرة تمثل نواة الذرة فإن سحابة الإلكترونات ستكون على نطاق نصف ميل حولها. ومن الواضح أن معظم الذرة هو عبارة عن فراغ خال.

إن شحنة الإلكترون السالبة تساوي في قوتها قوة الشحنة الموجبة للبروتون. ونتيجة لذلك فإن الذرات والجزيئات التي لها ذات العدد من البروتونات والإلكترونات تصير محايدة كهربيا. وعندما لا تكون تلك الذرات والجزيئات محايدة، أي عندما يعتريها فائض أو نقص في الإلكترونات تصير وقتها أيونات والبلازما، هي غازات مؤيَّنة كليا أو جزئيا. غالبية الذرات والجزيئات التي نتعامل معها في هذا الكوكب محايدة كهربيًّا. ففي الماء النقي وفي درجة حرارة الغرفة العادية لا تجد إلا 1 فقط من كل 10 ملايين جزيء هو المؤين.

بناء على مفهوم فرانكلين فإننا عندما نجد بعض الأجسام تحظى بفيض من الإلكترونات نقول حينها إنها ذات شحنة سالبة، أما إذا وجدناها ذات نقص فيها فهي ذات شحنة موجبة وإننا عندما نفرك الزجاج بقطعة من الحرير فإننا «ننقل منه» (نوعا ما) الكثير من الإلكترونات مما يجعل الزجاج يكتسب شحنة موجبة. وعندما نفرك الكهرمان أو المطاط الصلب بذات قطعة الحرير فإنه يكتسب شحنة سالبة.

في غالبية المعادن نجد أعدادًا كبيرة من الإلكترونات هاربة من ذراتها، ونجدها تتجول بحرية حول الذرات أو بينها. وهذه الإلكترونات بالذات هي عرضة لشحنة خارجية موجبة كانت أو سالبة وعندما تتعرض لتلك الشحنة الخارجية تتحرك إما نحوها أو مبتعدة عنها، وهو الأمر الذي يخلق تيارًا كهربيًّا. إن لدي الكثير لأقوله حول ذلك التيار الكهربي، لكنني الآن سأكتفي بالإشارة إلى أننا نسمي تلك المواد الموصلات المادية؛ وذلك لأنها توصل بكل سهولة (أي تسمح بحركة) الجسيمات المشحونة، التي هي في حالتنا هذه الإلكترونات يمكن للأيونات أيضًا أن تخلق تيارات كهربية، لكن في غير المواد الصلبة وبالطبع في غير المعادن).

إنني أحب فكرة كون الإلكترونات جاهزة دومًا للهو وللحركة، وللاستجابة للشحنات الموجبة منها.والسالبة. أما في غير الموصلات فليس هناك من هذا النوع من الحركة غير القليل؛ وذلك لأن جميع الإلكترونات ملتصقة بذراتها. لكن ذلك لا يعني أننا لا نستطيع أن نحظى ببعض المرح مع غير الموصلات – خاصة مع البالونات المطاطية منوعة الأشكال التي تعلق في الحدائق والتي هي غير موصلة.

ولكي تتمكن من البرهنة العملية على كل شيء أتحدث عنه هنا، عليك أن تأتي بمجموعة من البالونات المطاطية غير المنفوخة (وأفضلها الأنواع الرقيقة التي تستطيع تشكيلها بأشكال حيوانات). ولأنه قد يتعذر على غالبيتنا الحصول على قضبان زجاجية،

فإنني كنت آمل أن تستطيع كؤوس الماء أو زجاجات العصير أو حتى المصابيح الزجاجية أن تحل محلها، لكنها رغم محاولاتي المستميتة لم تفعل ذلك. لذا فلماذا لا نجرب قطعة كبيرة من البلاستيك أو مشطًا مطاطيا؟ كما أنه قد يكون من المفيد أن يكون لدى المرء قطعة من الحرير أو ربما ربطة عنق أو وشاح قديم، أو قميص من قمصان هاواي، الذي ظلّ شريك حياته يحاول إقناعه بالتخلص منه. وإن لم تكن تمانع في أن ينتفش شعرُك – ومن يمانع في ذلك إذا كان في سبيل العلم؟ – فيمكنك أن تستخدمه. وسيكون عليك أن تمزق بعض الورق فتحوله إلى عشرات القطع أو ما نحوها. لا يهم عدد تلك القطع، وإنما المهم هو أن تكون صغيرة الحجم، في حجم. عملة معدنية. ومثلها مثل كل تجارب الكهرباء الاستاتيكية، تكون هذه التجربة في أفضل صورها خلال فصل الشتاء (أو وقت الظهيرة في جو الصحراء) عندما يكون الجو جافًا غير رطب. لماذا؟ لأن الهواء نفسه ليس بموصل بل إنه في الحقيقة عازل ممتاز. لكن لو كان في الجو ماء فمن الممكن أن تتسرب الشحنة لأسباب معقدة لن نناقشها. فالجو الرطب لا يجعل الشحنة تتراكم على القضيب أو قطعة القماش أو البالون أو شعرك، وإنما يجعلها تتسرب بالتدريج. ولذلك لا تصدمك الكهرباء عندما تلامس مقبض الباب إلا عندما يكون الجو جافًا جدا.

_________________________
هوامش

(1) توضع داخل المجفف مع الملابس لتمتص جُل الكهرباء (المترجم).

مواضيع ذات صلة

Electrical transients

الشرر المقدس

الحقول الكهربية والشرر

الخلق غير المرئي

مصادر الطاقة الكهربائية

التيارات الكهربائية التي تجري إلى الابد

النقل الكهربائي وقانون أوم

مبردات الهواء

طرق التبريد

تأريض نقطة التعامل خلال ملف (النظام المؤرض بالرنين)

التأريض خلال ممانعة

مميزات نظام التأريض خلال مقاومة