المدينة الكهربائية مدينة الهندسة الكهربائية
الشحنة الكهربائية, ما هي؟ وما هي وحدة قياسها؟ وما أنواعها؟ وما هو الكولوم؟ وما هو قانون كولوم؟
هي الاسئلة وغيرها سنعرف جوابها بعد قراءة كامل المقال.
ما هي الشحنة الكهربائية ؟
الشحنة الكهربائية هي خاصية طبيعية موجودة في المادة وهي عبارة عن طاقة فيزيائية مصاحبة للجسيمات الذرية المكونة للذرات مثل الالكترونات والبروتونات . أي انها موجودة في جميع ذرات المواد ويرمز للشحنة في النظام العالمي للوحدات والمقاييس بالرمز “q” وبالعربية تعطى بالرمز “ش”.
أثر الشحنات الكهربائية يمكن ملاحظته بكل وضوح عندما نقوم بدلك جسم بلاستيكي بقطعة من الصوف حيث نسمع صوت فرقعة يدل علي كهرباء ساكنة أصلها من الشحنات الكهربائية.
وحدة قياس الشحنة الكهربائية
تقاس الشحنة الكهربائية بوحدة الكولوم Coulomb ويرمز لها بالرمز C و أقل مقدار من الشحنة الحرة تم قياسi في الطبيعة هو شحنة الالكترون او البروتون ووجد انه يساوي:
1.602 × 10-19 كولوم
ما هو الكولوم
بناء على ما سبق يمكن تعريف الكولوم على أنه الشحنة الكلية في 6.25 × 1018 إلكترون. كيف ذلك؟
علمنا أن الالكترون مقدار شحنته يساوي 1.602 × 10-19 كولوم وبالتالي فإن الشحنة الكلية لعدد معطى من الالكترونات يتم إيجادها حسب المعادلة التالية:
ش= عدد الإلكترونات ÷ (6.25 × 1018 إلكترون/كولوم)
مثال:
ما الشحنة الكلية لـ 12.5 × 1018 إلكترون ؟
الحل:
ش = (12.5 × 1018) ÷ (6.25 × 1018) = 2 كولوم
أنواع الشحنات الكهربائية
هنالك نوعان من الشحنات الكهربائية في الطبيعة فالشحنة اما ان تكون موجبة (+) او سالبة (-).
حول اي شحنة يوجد مجال يسمي بالمجال الكهربائي، والمجال الكهربائي هو منطقة حول الشحنة يظهر فيها تأثير الشحنة علي الشحنات الكهربائية الموجودة في هذة المنطقة.
ولفهم طبيعة المجال الكهربائي سنتعرض للمجال المغناطيسي اذ اننا اذا قربنا المغناطيس من جسم معدني كالحديد مثلا فان المغناطيس سيجذب هذا الجسم عند اقترابه لمدى معين منه, هذا المدى يعرف بالمجال المغناطيسي كما بالصورة التالية:
لذا فان اقتراب الشحنة الكهربائية من شحنة كهربائية اخري يوثر كلا منهما في الآخر عندما تقع اي منهما في مجال الاخرى.
يوصف المجال الكهربائي حول الشحنة بخطوط وهمية تعرف بخطوط المجال الكهربائي وظاهريا هذه الخطوط غير مرئية لنا ولكن استخدمت لوصف المجال اي مثلها مثل خرائط وحدود دول العالم ليست موجودة في الحقيقة وانما نصف بها المناطق. فخطوط المجال بالنسبة للشحنة الموجبة ترسم خارجة منها بينما للشحنة السالبة تكون داخلة اليها. لاحظ الصورة التالية:
وعلى المستوى الذري فان أي ذرة تتكون من:
1- جسيمات موجبة الشحنة تسمى بالبروتونات.
2- جسيمات سالبة الشحنة تسمى بالالكترونات.
3- جسيمات متعادلة كهربيا تسمى بالنيوترونات.
لاحظ الصورة التالية:
نلاحظ من الصورة السابقة ان النيوترونات عديمة الاشارة (متعادلة كهربيا) اي ليست موجبة وليست سالبة وعندما يكون في الذرة عدد الالكترونات يساوي عدد البروتونات نطلق علي هذه الذرة اسم الذرة المتعادلة كهربيا أو كهربائيا.
قانون كولوم
ينص قانون كولوم على أن قوة التجاذب أو التنافر (F) بين شحنتين كهربائيتين تتناسب تناسبا طرديا مع حاصل ضرب مقداريهما (q1 × q2) وعكسيا مع مربع المسافة (r) بينهما.
من هذا القانون نستنتج ان اي شحنتان موعضوعتان على مسافة بينهما تنشأ بينهما قوة تجاذب أو تنافر, هذه القوة يتم تحديدها بنوع الشحنتين, حيث إن الشحنات المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب والشكل التالي يبين نص قانون كولوم ونوع القوة بين الشحنتين مشارا اليها بالاسهم.
العلاقة التالية تمثل قانون كولوم:
حيث أن:
F21 : القوة الكهربائية المؤثرة في الشحنة الأولى من قِبَل الشحنة الثانية وتقاس بالنيوتن (N).
F12 : القوة الكهربائية المؤثرة في الشحنة الثانية من قِبَل الشحنة الأولى وتقاس بالنيوتن (N).
q1 : الشحنة الأولى وتقاس بالكولوم (C).
q2 : السحنة الثانية وتقاس بالكولوم (C).
r : المسافة بين مركزي الشحنتين وتقاس بالمتر م (m).
ke : ثابت كولوم ويعتمد على نوع الوسط بين الشحنتين وتختلف قيمته من وسط لآخر ويتم إيجاده حسب المعادلة التالية:
حيث أن:
ε : السماحية الكهربائية electric permittivity للوسط الفاصل بين الشحنتين. وللفراغ تكون السماحية الكهربائية تساوي:
8.85 × 10-12 كولوم2/نيوتن.متر2
وهذا يعني أنه لما يكون الوسط هو الفراغ فإن ثابت كولوم يساوي:
وبناء على ما سبق فإن قانون كولوم في حال أن الوسط هو الفراغ يصبح على الشكل التالي بعد تعويض ثابت كولوم في الفراغ في القانون الرئيسي:
وأيضا نلاحظ أن:
F21 = − F12
هذا يعني أن القوتين متساويتان في المقدار متعاكستان في الاتجاه (الإشارة السالبة تدل على التعاكس في الاتجاه).
ايضا قوي التجاذب أو التنافر يمكن تمثيلها عن طريق خطوط المجال الكهربائي بين شحنتين كما يلي:
بالنظر إلى الصورة السابقة, نلاحظ أن خطوط المجال الكهربائي تكون كثيفة بين الشحنتين في حالة التجاذب عند اختلاف الشحنات وتخرج من الشحنة الموجبة الى الشحنة السالبة.
مثال:
قوتان الاولى سالبة مقدارها 0.8 × 10-9 كولوم والأخرى موجبة ومساوية لها في المقدار وضعتان في الفراغ والمسافة بين مركزيهما تساوي 5.2 × 10-11 متر. أوجد القوة التي تنشأ بينهما وما هو نوع هذة القوة مع الرسم التوضيحي؟
الحل:
بتعويض قيم الشحنتين والمسافة في العلاقة السابقة كما يلي:
نظرا لاختلاف الشحنتين في النوع فإن القوة الكهربائية بينهما هي قوة تجاذب والصورة التالية تصف الحل:
أسئلة عن القوى الكهربائية بين شحنتين كهربائيتين
السؤال الأول:
بالمثال السابق, لو كان مقدار كل شحنة يساوي 1.6 × 10-9 كولوم , فكم يصبح مقدار القوة الكهربائية بينهما؟
السؤال الثاني:
بالمثال السابق لو ضربنا المسافة في العدد 2 ,فكم يصبح مقدار القوة الكهربائية بين الشحنتين؟
ننتظر منكم الإجابة على السؤالين من خلال التعليقات أسفل المقال.
هنا نكون قد انتهينا من المقال, لا تترددوا في طرح اسنفساراتكم واسئلتكم ولا تترددوا في مشاركة رابط مقالنا في مواقع التواصل الاجتماعي والواتس اب.
المراجع:
1- Physics by Cutnell, John D; Johnson, Kenneth W
2- Physics for Scientists and Engineers Raymond A. Serway – Emeritus, James Madison University
الشرح رائع جداً . بارك الله فيكم🌷
شكرا لك يا اخي الكريم
اذا في مجال تشرحلنا عن المدخرات الرصاصية وكيفية زمن حساب استهلاك شحنة المدخرة
العفو أخي الكريم.
سيأتي مقال عن ذلك إن شاء الله لكن فضلا ادعمنا بمشاركة روابط المقالات عبر وسائل التواصل الاجتماعي لكي نكمل المسير وشكرا لك.
لا تنس الاشتراك بالبريد ليصلك الجديد من المقالات!
مقال رائع اخي العزيز بالتوفيق والى الامام
أنت أروع.
شكرا على تشجيعك
أتمنى لو توضح أكثر الشرح الفيزيائي لبعض المواد المذكورة مثل النيوتيرون والبروتون والإلكترون… لو سمحت طبعًا.
المقال رائع جدًا بالمناسبة… وقد اتفدت منه عدة أشياء جديدة قد تفيدني في مساري الدراسي.
تحياتي!
شكرا على تقييمك.
تتكون الذرة من نواة وإلكترونات وهي مكونات دقيقة جدا
الإلكترونات جسميات شحنتها سالبة
تتكون نواة الذرة من بروتونات ونيوترونات
البروتونات هي جسميات موجبة الشحنة
النيوترونات هي جسيمات متعادلة الشحنة أي أن شحنتها صفر