ملخص الشحنة الكهربائية وقانون كولوم، الفيزياء

طرائق الشحن الكهربائي

• الشحن بالدلك ⁦Charging by Rubbing⁩: عملية دلك جسم مع جسم آخر، فينتج عنها انتقال الإلكترونات من سطح أحد الجسمين إلى سطح الجسم الآخر؛ فيُصبح الجسم الفاقد للإلكترونات موجب الشحنة، ويُصبح الجسم المكتسب للإلكترونات سالب الشحنة. وهذه الطريقة مفيدة في شحن الأجسام العازلة، كما يبين الشكل (3). إذ يفقد الزجاج بعضاً من الإلكترونات عند دلكه بالحرير فيصبح مشحوناً بشحنة موجبة، في حين يكتسب البلاستيك بعضاً من الإلكترونات عند دلكه بالصوف فيصبح مشحوناً بشحنة سالبة. وتتركز الشحنة التي تكتسبها الأجسام في منطقة الدلك.
• الشحن بالتوصيل ⁦Charging by Conduction⁩: عملية ملامسة جسم مشحون جسماً آخر متعادلاً؛ فيحدث انتقال للشحنات الكهربائية بين الجسمين. فإذا كان الجسم المشحون سالب الشحنة، تنتقل بعض الإلكترونات منه إلى الجسم المتعادل؛ فيصبح الجسمان سالبي الشحنة، كما يبين الشكل (4). وإذا كان الجسم المشحون موجب الشحنة، تنتقل إليه بعض الإلكترونات من الجسم المتعادل؛ فيصبح الجسمان موجبي الشحنة. وهذه الطريقة مفيدة في شحن الأجسام الموصلة؛ لسهولة انتقال الشحنات الكهربائية خلالها.
• الشحن بالحث ⁦Charging by Induction⁩: عملية شحن جسم موصل متعادل؛ عن طريق تقريب جسم مشحون (موصل أو عازل) منه من دون ملامسته، فيُعاد توزيع الشحنات على طرفي الجسم المتعادل، بحيث تنحاز الشحنات السالبة إلى جهة محددة من الجسم لتشكّل طرفاً سالباً، تاركة الطرف الآخر موجب الشحنة، ويستمر هذا التوزيع طالما بقي الجسم المؤثر قريباً. وإذا ما فُرّغت شحنة الموصل البعيدة في الأرض؛ فإنَّ شحنته تُصبح دائمة، ويبين الشكل (5) خطوات الشحن بالحث.

تكمية الشحنة

• $q = \pm ne$

قانون كولوم

• يُعد مولّد فان دي غراف جهازاً كهربائياً يُستعمل في الأبحاث العلمية.
• يُستعمل هذا الجهاز لتوضيح تطبيقات وظواهر الكهرباء الساكنة.
• يتكوّن الجهاز من مصدر للشحنات وفرشاة فلزية ذات رؤوس مدببة تنقل الشحنة الموجبة إلى حزام عازل يحملها إلى أعلى الجهاز.
• توجد فرشاة ثانية تلتقط الشحنات الموجبة وتنقلها إلى موصل فلزي كروي الشكل ومعزول لتنتشر الشحنات على سطحه الخارجي.
• نشر عالم الفيزياء الفرنسي شارل كولوم سنة 1785م نتائج تجاربه على القوى الناشئة بين الشحنات الكهربائية.
• وضّح كولوم أنَّ القوّة الكهربائية ⁦(F)⁩ الناشئة بين كرتين صغيرتين مشحونتين بشحنتين ($Q_1$) و ($Q_2$) تعتمد على مقدار كل من شحنتي الكرتين وعلى المسافة الفاصلة بين مركزيهما ⁦(r)⁩.
• تكون القوّة الناشئة بينهما تجاذباً أو تنافراً بناء على نوع شحنتيهما كما يبين الشكل (7).
• توصل كولوم من تجاربه إلى خصائص القوّة الكهربائية الناشئة بين كرتين صغيرتين مشحونتين نطلق عليهما اسم شحنتين نقطيتين.
• ينص قانون كولوم على أن مقدار القوّة الناشئة بين شحنتين نقطيتين يتناسب طردياً مع حاصل ضرب الشحنتين وعكسياً مع مربع المسافة بينهما.
• يُمثل قانون كولوم رياضياً بالعلاقة الآتية عندما تكون الشحنات في الهواء: $F = \frac{Q_1 Q_2}{4 \pi \epsilon_0 r^2}$
• يمثّل الرمز $\epsilon_0$ السماحية الكهربائية للفراغ ومقداره يساوي $8.85 \times 10^{-12} C^2/N.m^2$.
• تُعرّف السماحية الكهربائية للوسط بأنها خصيصة للمادّة العازلة للكهرباء تعبّر عن قابلية ذراتها للاستقطاب عند تأثرها بقوى كهربائية من شحنات أخرى.
• يمكن التعبير عن الثوابت جميعها في العلاقة السابقة بثابت واحد يُرمز إليه بالرمز ⁦k⁩: $k = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0}$
• تساوي قيمة الثابت ⁦k⁩ في الفراغ $9 \times 10^9 N.m^2/C^2$ ولا يختلف هذا المقدار عند وجود الشحنات في الهواء.
• يمكن إعادة كتابة العلاقة الرياضية لقانون كولوم بدلالة الثابت ⁦k⁩ على الصورة الآتية: $F = k \frac{Q_1 Q_2}{r^2}$
• يقتصر تطبيق قانون كولوم عندما تكون الشحنات كهربائية نقطية.
• تُعرّف الشحنة النقطية بأنها شحنة كهربائية موجودة في نقطة.
• يمكن التعامل مع الشحنات التي تحملها أجسام أبعادها صغيرة ومهملة بالنسبة للمسافات بين الأجسام نفسها على أنها شحنات نقطية.
• يُعد الإلكترون والبروتون والأيونات الموجبة والسالبة أمثلة على الشحنات النقطية.
• تُعد الجسيمات الكروية التي تتوزع الشحنات عليها بشكل منتظم شحنات نقطية بالنسبة للمناطق الواقعة خارج هذه الجسيمات الكروية.

مقدار القوّة التي تؤثر بها الشحنة ($Q_2$) في الشحنة ($Q_1$)

• $F_{21} = k \frac{Q_1 Q_2}{r^2}$
• $F_{21} = 9 \times 10^9 \times \frac{4 \times 10^{-6} \times 6 \times 10^{-6}}{(1.2)^2}$
• $F_{21} = 1.5 \times 10^{-1} N$
• تكون القوة الناشئة بين الشحنتين تنافراً لأن الشحنتين متشابهتان.
• تتأثر الشحنة الأولى بقوة نحو اليمين باتجاه محور ⁦(x)⁩ الموجب.

مقدار القوّة التي…