يعد شرح قانون فيزياء كولوم أحد الموضوعات المهمة في حياة الإنسان التي تمت دراستها لقرون في أوقات مختلفة ، ومن أهم الفصول التي تدرسها الفيزياء الشحنات الكهربائية التي تشكل العمود الفقري للحياة الحديثة المستخدمة حاليًا ونحن لا يمكن الاستغناء عنها ، وهذه الشحنات الكهربائية المدروسة لا تتعلق فقط بالتيار الكهربائي الذي يمر عبر الأسلاك الكهربائية ويعطينا الضوء فقط ، ولكن مبدأ الشحنات الكهربائية يتعلق بكل عمل إلكتروني نستخدمه يوميًا ، من أجهزة الكمبيوتر أو الذكية. الأجهزة أو أجهزة المطبخ الرقمية أو الغسالات أو الطابعات الحديثة وآلاف الأمثلة الأخرى ، وكل شيء يعتمد على قوانين الفيزياء مثل قانون كولوم ، وفي مقالنا اليوم على موقعنا ، سنتعلم مفهوم الشحنة الكهربائية ، وشرح قانون كولوم ، وذكر الأمثلة التطبيقية لذلك وكل ما يتعلق بهذا الموضوع
مفهوم الشحنة الكهربائية
تُعرف الشحنة الكهربائية علميًا على أنها الخاصية الفيزيائية الأساسية للمادة التي تحملها جسيمات أولية معينة والتي تتحكم في كيفية تأثر الجسيمات بالمجال الكهربائي أو المغناطيسي ، علاوة على ذلك ، يمكن تبسيط ثابت الشحنة الكهربائية وتعريف الشحنة الكهربائية في صيغة يستطيع العقل فهم أسهل ، لذلك نقول إن الشحنة الكهربائية هي كمية الطاقة أو الإلكترونات التي تنتقل من جسم إلى آخر من خلال أوضاع مختلفة مثل التوصيل أو الاستقراء أو طرق أخرى محددة.
شاهد أيضاً: بحوث الفيزياء وأهميتها في حياتنا
أنواع الشحنة الكهربائية
الثابت في الفيزياء هو القيمة التي لا تتغير ، ومن بين الثوابت في الفيزياء نوع الشحنات الكهربائية التي تمتلكها جسيمات المادة دون الذرية ، وهي:
- الشحنة الموجبة التي تمتلكها البروتونات. عندما يكون لجسم ما شحنة موجبة ، فهذا يعني أنه يحتوي على بروتونات أكثر من الإلكترونات.
- الشحنة السالبة للإلكترونات عندما يكون لجسم ما شحنة سالبة ، فهذا يعني أنه يحتوي على إلكترونات أكثر من البروتونات.
- الشحنة المحايدة التي لها قيمة صفرية والتي تمتلكها النيوترونات. عندما يكون هناك عدد متساوٍ من الشحنات الموجبة والسالبة ، فإن الشحنات السالبة والموجبة تلغي بعضها البعض ويصبح الجسم محايدًا.
خصائص الشحنة الكهربائية
للشحنة الكهربائية ثلاث خصائص أساسية سوف تذكرها بمثال توضيحي بسيط لفهم أفضل ، وهي:
- الشحنة الكهربائية مضافة بشكل طبيعي: على سبيل المثال ، إذا كان لدينا نظام يتكون من شحنتين ، q1 و q2 ، فإن إجمالي شحنة النظام هو المجموع الجبري q1 و q2 وهو مجموع b qn.
- الشحنة الكهربائية هي كمية محفوظة: وهذا يعني أنه لا يمكن إنشاء الشحنة أو إتلافها ، ولكن يتم نقلها فقط من كائن إلى آخر بطرق معينة مثل التوصيل والحث. جعلناها أقرب إلى قطعة صغيرة من الورق ، وسحبها نحوه.
- الشحنة الكهربائية قابلة للقياس الكمي: وقد أثبت فاراداي هذه الخاصية في تجاربه التي نُشرت عام 1912 م ، حيث قال إن الوحدة الأساسية للشحنة هي الشحنة التي يحملها الإلكترون أو البروتون ، وهذا يدل على حقيقة أن الشحنة كمية محددة ونحن يمكن التعبير عنها بمضاعفات عدد صحيح لشحنة الوحدة الأساسية.
طرق الشحن الكهربائي
الشحن هو عملية تزويد الجسم بشحنة كهربائية أو استخلاص شحنة كهربائية منه. يمكن شحن الجسم غير المشحون بثلاث طرق مختلفة:
- الشحنة الاحتكاكية: تحدث هذه العملية عندما يتم فرك جسمين ضد بعضهما البعض بحيث يفقد أحدهما إلكتروناته بينما يكتسب الجسم الآخر إلكترونات ، والجسم الذي يفقد الإلكترونات يصبح موجب الشحنة والجسم الذي يكتسب الإلكترونات يصبح سالبًا.
- الشحن بالتوصيل: يتم ذلك عن طريق تقريب جسم غير مشحون من جسم مشحون ، بحيث يحتوي الموصل المشحون على عدد فردي من البروتونات والإلكترونات ، وبالتالي عندما يقترب منه موصل غير مشحون ، فإنه يفرغ الإلكترونات لتحقيق الاستقرار.
- الشحن الاستقرائي: عملية شحن موصل غير مشحون عن طريق تقريبه من موصل مشحون دون أي اتصال جسدي.
شرح قانون كولوم
يُعرَّف قانون كولوم ببساطة بأنه وصف رياضي للقوة الكهربائية أو التفاعل الكهروستاتيكي بين الأشياء المشحونة بشحنة كهربائية. نشر هذا القانون بين جثتين مشحنتين كهربائياً وضمه إلى معادلة رياضية شرح فيها القوة التي تجعل الأجسام تتجاذب أو تتنافر. يُعرف هذا القانون اليوم باسم قانون كولوم أو قانون التربيع العكسي لكولوم.
نص قانون كولوم
هذا القانون مشابه لقانون الجاذبية لإسحاق نيوتن. قانون كولوم ، وفقًا للفيزيائي الفرنسي الذي طوره ، ينص على أن قوة الجذب أو التنافر التي تعمل على خط مستقيم بين جسمين مشحونين تتناسب طرديًا مع ناتج مضاعفة الشحنات ، ومربع متناسب عكسيًا للمسافة بين إن عملية التجاذب والتنافر تنتج القوة الكهربائية التي نعرفها.
تحليل قانون كولوم
وفقًا لقانون كولوم ، هناك ثلاثة متغيرات تؤثر على القوة الكهربائية ، وهي الشحنتان والمسافة بينهما. ينقسم هذا التأثير على النحو التالي:
- يعتمد اتجاه القوة الكهربائية على ما إذا كانت الأجسام المشحونة مشحونة بشحنة مماثلة أو شحنة معاكسة ، لذلك إذا كانت كلتا الشحنتين سالبة أو موجبة ، فإنهما تتنافران ، بينما إذا كانت إحداهما موجبة والأخرى سالبة ، فإنها تجذب بعضها البعض.
- يعمل الجذب أو التنافر على طول الخط الفاصل بين الشحنتين في خط مستقيم ، أي لا يوجد اتصال بين القوتين.
- يتغير حجم القوة عكسياً مع مربع المسافة بين الشحنتين ، مما يعني أنه إذا تضاعفت المسافة بين الشحنتين ، فإن خاصية الجذب أو التنافر تضعف وتنخفض حتى ربع القيمة الأصلية ، بينما إذا جمعت الشحنات معًا 10 مرات ، سيزداد حجم القوة بمعامل 100.
- يتناسب حجم القوة مع قيمة كل من الشحنتين ، لذلك إذا كانت هناك شحنتان موجبتان ، إحداهما تساوي 0.1 كولوم والأخرى 0.2 كولوم ، فسوف تتنافر كل منهما بقوة تعتمد على حاصل ضرب الشحنتين الأولى والثانية ، أي 0.2 × 0.1 ، وبالتالي ، إذا تم تخفيض الشحنتين بمقدار النصف ، فسيتم تقليل الطرد إلى ربع قيمته السابقة.
ما هو ثابت كولوم
ثابت كولوم ، أو ما يسمى جسديًا شحنة كولوم 1 ، هو الشحنة التي تصد شحنة متساوية من نفس العلامة بقوة 10⁹ × 8.98 نيوتن ، عندما تكون الشحنات متباعدة بمقدار متر واحد في الفراغ ، وهي قوة تم قياسها وتثبيتها من قبل العالم كولوم ، ويتم تعريف قوة كولوم على أنها القوة المحافظة المتبادلة والداخلية في الشحنة ، والجدير بالذكر أن قانون كولوم وثابت كولوم صالحين فقط في حالة الشحنات الثابتة ، أي الشحنة الساكنة.
الصيغة الرياضية لقانون كولوم
تعتمد الصيغة الرياضية لقانون كولوم أو معادلة قانون كولوم على نص القانون نفسه ، والذي يحدد متغيرات وثوابت المعادلة ، ومعادلته هي f = k × (q1 × q2) / r² ، ومعنى هذه الرموز حسب نص القانون هي كما يلي:
- المعنى f: يعبر عن القوة الكهربائية بين الشحنتين ، مقاسة بالنيوتن.
- معنى k: هو ثابت كولوم وقيمته 10⁹ × 9.0 نيوتن.
- معنى q1: مقدار الشحنة المقاسة الأولى في كولوم.
- دلالة q2: سعة الشحنة الثانية تقاس بوحدة كولوم.
- معنى r²: مربع المسافة بين الشحنتين مقسومًا على متر.
حدود قانون كولوم
المقصود بحدود قانون كولوم هو الحالات أو الظروف التي يتم فيها استخدام هذا القانون ، وإذا تغيرت هذه الحالات ، فهناك قوانين فيزيائية أخرى. أما هذه الحدود فهي:
- ينطبق قانون كولوم فقط على أحمال النقاط في حالة الراحة ، أي في حالة الأحمال الثابتة.
- لا يمكن تطبيق هذا القانون إلا في الحالات التي يتم فيها احترام قانون التربيع العكسي المنصوص عليه في هذا القانون وهذا شرط أساسي.
- يصعب تطبيق هذا القانون عندما تكون الشحنات تعسفية ، بسبب استحالة تحديد المسافة بين الشحنات ، وهذا الشرط واضح جدا في نص القانون.
حل مسائل حسابية على قانون كولوم
لتوضيح القانون بطريقة أكثر عملية وزيادة فهم قانون كولوم وتطبيقه ، سنحل بعض المشكلات بموجب هذا القانون مع شرح الحل. الصيغ للتحويل إلى كولوم هي:
- 1 كولوم = 10 ميكرو كولوم.
- 1 كولوم = 10⁹ نانوكولوم.
المسألة الأولى
لنفترض أن لدينا شحنتين نقطيتين ، تكلفة كل منهما +1.00 كولوم ، وهذه الشحنات مفصولة بمسافة متر واحد ، أوجد مقدار القوة الكهربية الطاردة بينهما. الحل: هذه المشكلة بسيطة ، ولا توجد قيم للتحويل وتتضمن جميع العناصر التي يتطلبها الحل كجزء من المعادلة المحددة في قانون كولوم ، وهي مقدار الشحنتين والمسافة ، وبالتالي يمكن استبدال القيم المعطاة في معادلة قانون كولوم ، f = kx (q1 x q2) / r² ، مباشرة لحل المشكلة وفقًا لـ …