قانون المجال الكهربائي
الكهرباء الساكنة
تتولد الكهرباء الساكنة من الاحتكاك المتكرر للمواد حيث إن المواد تتكون من ذرات فيها نواة وحولها إلكترونات تدور، ولكل نوع من الذرات قوة مختلفة لارتباط إلكتروناتها مع النواة مما يجعل هذه الإلكترونات تنتقل من ذرة لأخرى نتيجة الفرك المتكرر وبذلك تصبح الذرة التي فقدت إلكتروناتها مشحونة بشحنة موجبة والذرة التي كسبت إلكترونات مشحونة بشحنة سالبة، وكل شحنة موجبة أو سالبة تؤثر على شحنة أخرى ضمن محيطها مولدة بذلك المجال الكهربائي.[١]
الشحنات الكهربائية
الشحنات الكهربائية هي إحدى الخواص الفيزيائية للمادة، حيث إن أي مادة تتكون من ذرات فيها نواة تحوي بروتونات ونترونات وتدور حول النواة سحابة من الإلكترونات، وقد اصطلح أن الإلكترونات ذات شحنة سالبة والبروتونات ذات شحنة موجبة بينما النترونات ذات شحنة متعادلة، ومن المعروف أن الشحنات المتماثلة تتنافر والشحنات المختلفة تتجاذب وهذا هو مصدر الطاقة الكهربائية والمغناطيسية، وتقاس كمية الشحنة بالكولوم حيث إنّ الإلكترون يحمل شحنة سالبة قيمتها 1.6x10ʌ-19 C - كولوم و البروتون يحمل شحنة موجبة قيمتها 1.6x10ʌ-19 C+ كولوم هذه الشحنة تؤثر ضمن محيطها وعلى مسافة معينة على الشحنات الأخرى المجاورة بقوة تسمى شدة المجال الكهربائي، والمحيط حول الشحنة التي تؤثر فيه على شحنات أخرى مماثلة لها أو مخالفة ويسمى المجال الكهربائي، وهذا المجال يقاس وفق قانون محدد ويتعلق بمربع المسافة بين الشحنات.[٢]
المجال الكهربائي
يعتبر المجال الكهربائي ظاهرة طبيعية تنشأ من جسيمات ذرية مشحونة، يمكنها أن تؤثر على بعضها البعض من خلال ما يسمى بالحقل الكهربائي، وهذا الحقل يتناسب مع قيمة الشحنة الكهربائية التي تحملها الجسيمات وقوة واتجاه المجال، وكون الشحنات تكون سالبة أو موجبة، تتنافر أو تتجاذب، فإن الحقول الكهربائية تكون ثنائية القطبية، ومنه فإنّ المجال الكهربائي هو القوة الكهربائية لكل شحنة وتؤثر بها على شحنة اختبارية موجبة توضع في نقطة ما على مسافة من الشحنة المراد قياس المجال لها، ويؤخذ الاتجاه بعين الاعتبار فالشحنة الموجبة يكون المجال الكهربائي لها عبارة عن أشعة خارجة من الشحنة باتجاه الشحنة الاختبارية الموجبة، والشحنة السالبة يكون المجال أشعة متجهة نحو الداخل، ولفهم المجال الكهربائي يمكن تخيل رجل يسير في حقل ويتنقل فيه ويسجل درجة الحرارة في كل موقع وكذلك سرعة الرياح واتجاهها، فهو يقوم برسم خريطة للمكان ويسجل عليها أرقام عددية تمثل درجات الحرارة أو خريطة يسجل عليها سرعة الرياح واتجاهها بشكل أسهم تمثل الاتجاه، وهذا تمامًا ما يعبر عن المجال الكهربائي فهو عبارة عن خريطة تمثل جهة التأثير وقيمة شدة المجال في كل نقطة، فالمجال الكهربائي لشحنة ما يمثل بأسهم خارجة من الشحنة ومتجه للخارج إذا كانت الشحنة سالبة، ويمثل طول السهم قوة الشحنة وكذلك كثافة الأسهم، وأما إذا كانت الشحنة موجبة فالأسهم ستكون للداخل نحو مركز الشحنة، ولقياس قوة الشحنة تستخدم شحنة نقطية اختبارية موجبة قيمتها واحد كولوم وتوضع في محيط الشحنة المراد قياس مجالها الكهربائي، أي بمعنى آخر قوة تأثيرها على الشحنة الاختبارية الموجبة، لذا فإنّ شدة المجال الكهربائي هي القوة التي تؤثر بها شحنة ما على شحنة الاختبار الموجبة والتي قيمتها واحد كولوم، وتقاس شدة المجال بـنيوتن/ الكولوم N/C.[٣]
قانون المجال الكهربائي
أول من درس أسرار القوة الإلكتروستاتيكية بين الجسيمات المشحونة هو العالم الفرنسي تشارلز كولوم والذي اكتشف ما يسمى اليوم بقانون كولوم، حيث يقيس مدى تأثير قوة الشحنة على شحنة أخرى تقع على مسافة معروفة عنها، وفي ذلك الوقت لم يكن أحد يعرف هذه العوامل المتبادلة بين الشحنات إلا بعد أن أجرى تشارلز كولوم تجاربه عام 1784م واقترح قانونه الذي سمي باسمه فيما بعد تخليدًا له، يأتي القانون ضمن العلاقة: E=F/q ، حيث أن E: شدة المجال و تقدر بالنيوتن على الكولوم، وF: القوة التي تؤثر بها الشحنة على شحنة اختبارية قيمتها 1 كولوم على مسافة r، وq هي قيمة الشحنة وتقاس بالكولوم.[٤] والقوة الكهروستاتيكية هي القوة الكهربائية الناتجة عن الشحنات الثابتة، والتي تؤثر بها كل شحنة على الأخرى، وهذا يوصف بواسطة معادلة بسيطة تعرف باسم قانون كولوم، وهو ينص على أن القوة الكهروستاتيكية بين شحنتين هي عبارة عن مضروب قيمة الشحنتين مقسومًا على مربع المسافة بينهما: F= k (q 1 q 2 )/ r ʌ2 حيث إن: F: هي القوة المؤثرة وتقاس بالنيوتن N، و K : هو ثابت قيمته تساوي 9x 10^9 N.mʌ2 /Cʌ2 q1: هي قيمة الشحنة المراد قياس تأثيرها و تقاس بالكولوم C، q2: هي قيمة الشحنة المراد قياس القوة الكهربائية المؤثرة عليها منq1 وتقاس بالكولوم أيضًا، وعند قياس المجال تعتبر 1كولوم rʌ2: هي مربع المسافة بين الشحنتين وتقاس بالمتر المربع.
ومن هذا القانون يُلاحظ أن الشحنات الأكبر تنتج قوة أكبر، وكلما زادت المسافة بين الشحنات قلت قوة تأثيرهما على بعضهما، وبإدخال إشارة + للشحنة الموجبة و – للشحنة السالبة سيكون الناتج ذو قيمة موجبة عند التنافر وقيمة سالبة عند التجاذب.[٥]، ومنه فإنّ شدة المجال الكهربائي الذي تشكله شحنة ما q في شحنة أخرى qَ نقطية ذات قيمة 1 كولوم يمثل بالقوة التي تؤثر فيها هذه الشحنة المنشئة للمجال F مقسوم على قيمة الشحنة E=F/q.المراجع[+]
- ↑ "Static electricit", www.explainthatstuff.com, Retrieved 22-6-2019. Edited.
- ↑ "What is an electric charge?", www.quora.com, Retrieved 22-6-2019. Edited.
- ↑ "Strength of an Electric Field & Coulomb's Law", study.com. Edited.
- ↑ "Coulomb's Law: Variables Affecting the Force Between Two Charged Particles", study.com. Edited.
- ↑ "How to Calculate Electrostatic Force", sciencing.com. Edited.
