فهم القوة الكهربائية
تمثل القوة الكهربائية، والتي يشار إليها بالرمز ق أو (F من كلمة force)، قوة متجهة تعود إلى الشحنة الكهربائية. يمكن تعريفها بأنها القوة الناتجة عن التجاذب أو التنافر بين جسمين مشحونين. يُعلمنا أن الأجسام ذات الشحنة المتماثلة تتنافر، بينما الأجسام ذات الشحنات المختلفة تتجاذب، مما يولد قوة كهروستاتيكية.
يتم استخدام قوانين نيوتن لتحليل الحركة المعتمدة على القوة الكهربائية، حيث يتم تمثيل شحنة حرة الحركة في صورة متجهات، مما يسهل حساب القوة الكلية المؤثرة عليها وتحديد تسارع الجسم الناتج عن هذه القوة.
تجدر الإشارة إلى أن القوة الكهربائية لا تعتمد على كتلة الجسم. وهذا يعني أن القوة الكهربائية بين إلكترونين (شحنات سالبة) تساوي القوة الكهربائية بين بروتونين (شحنات موجبة) إذا وُضعت على مسافة متساوية.
قانون القوة الكهربائية
LAW كولوم يُستخدم لحساب القوة الكهربائية، وينص على أن “مقدار القوة الكهربائية يتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بين جسمين مشحونين، ويتناسب طرديًا مع حاصل ضرب شحنتيهما”. يمكن التعبير عن قانون كولوم رياضيًا كما يلي:
- القوة الكهربائية = ثابت كولوم × (الشحنة الأولى × الشحنة الثانية) / مربع المسافة بينهما
ق= أ × (ش1 × ش2) / ف²
- ق
تمثل القوة الكهربائية، ويُقاس بوحدة النيوتن.
- أ
يمثل ثابت كولوم، والذي يُعادل 9×109 نيوتن.م2/كولوم2.
- ش1
تمثل مقدار الشحنة الأولى، وتقاس بالكولوم.
- ش2
تمثل مقدار الشحنة الثانية، وتقاس أيضًا بالكولوم.
- ف
هي المسافة بين الشحنتين وتقاس بالمتر.
من المهم ملاحظة أن قانون كولوم لا يمكن اشتقاقه من أي قانون آخر، فهو قانون تجريبي.
ملاحظة: يُستخدم قانون كولوم عادةً مع ما يُعرف بالشحنات النقطية، والتي تمثل جسيمًا صغيرًا للغاية، حيث تُهمل فيه الأبعاد والكتلة، لكنه يحمل شحنة كهربائية.
العوامل المؤثرة في القوة الكهربائية
يتأثر مقدار القوة الكهربائية بعدة عوامل، يمكن ملاحظتها من قانون كولوم، وهي كالتالي:
- مقدار الشحنة الأولى (ش1)
تتناسب مقدار هذه الشحنة طرديًا مع مقدار القوة الكهربائية.
- مقدار الشحنة الثانية (ش2)
تتناسب مقدار هذه الشحنة طرديًا مع مقدار القوة الكهربائية.
- مربع المسافة بين الشحنتين (ف²)
تتناسب مقدار هذه المسافة عكسيًا مع مقدار القوة الكهربائية.
بالتالي فإن الشحنات الأكبر والمسافات الأقصر تؤدي إلى توليد قوة كهربائية أكبر.
أمثلة على حساب القوة الكهربائية
إليكم بعض الأمثلة التي توضح كيفية تطبيق قانون كولوم:
مثال 1:
احتسب مقدار شحنتين متطابقتين تفصل بينهما مسافة 2 سنتيمتر، إذا كانت قوة التنافر بينهما 30 نيوتن.
الحل:
بما أن الشحنتين متساويتين، فإنه يمكن التعبير عن الكمية بالشكل التالي: ش الكلية = ش1 × ش2 = ش2.
أولاً، يجب تحويل المسافة من سم إلى متر.
1م = 100 سم، إذن 2 سم = 0.02 م، وبالتالي فإن المسافة = 0.02 م.
تطبيق قانون كولوم:
- ق= أ × (ش1 × ش2) / ف².
- 30 = ((9 × 109) × ش2) / (0.02)2
- 30 = 9 × 109 × ش2 / (4 × 10-4)
- ش2 = ± 1.3 × 10-12 كولوم.
- وبالتالي، مقدار الشحنة الأولى = مقدار الشحنة الثانية = ± 1.14 × 10-6.
مثال 2:
إذا كانت هناك شحنتان كهربائيتان، كل منها تحمل شحنة مقدارها 1.5 ميكرو كولوم، وتفصل بينهما مسافة مقدارها 0.05 متر، فما مقدار قوة التنافر بينهما؟
الحل:
أول خطوة هي تحويل الشحنة من ميكرو كولوم إلى كولوم، حيث 1 كولوم = 1 × 10-6 ميكرو كولوم.
تطبيق قانون كولوم:
- ق= أ × (ش1 × ش2) / ف²
- ق = 9 × 109 × (1.5 × 10-6)2 / (0.05)2
- ق = 8.1 نيوتن.
أنواع القوى الكهربائية
هناك نوعان مختلفان من الشحنات التي تخلق القوة الكهربائية عند تفاعلها، وهما الشحنة الموجبة والشحنة السالبة. نتيجة لهذه العلاقة يوجد نوعان من القوى الكهربائية:
قوة التجاذب الكهربائية
يؤدي وجود شحنتين مختلفتين (+، -) أو (-، +) إلى توليد قوة تجاذب بينهما، حيث تنجذب كلتا الشحنتين تجاه بعضهما البعض.
قوة التنافر الكهربائية
عندما تكون الشحنتان متماثلتين (+، +) أو (-، -)، تُولد قوة تنافر تجعل كل شحنة تتنافر بعيدًا عن الأخرى.
بالتالي، يمكن أن تتولد القوة الكهربائية بين جميع الجسيمات المشحونة، بغض النظر عن نوع الشحنة. تُلاحظ القوة الكهربائية بوضوح في الجزيئات الصغيرة مثل البروتونات والإلكترونات داخل الذرات. البروتونات جسيمات مشحونة موجبة توجد داخل نواة الذرة، بينما الإلكترونات هي جسيمات سالبة الشحنة تتحرك في مداراتها الخاصة حول النواة.
تطبيقات القوة الكهربائية
تتنوع تطبيقات القوة الكهربائية حسب المجالات التي تستخدم فيها، وهناك مجالات حياتية متعددة تشمل:
استخدام القوة الكهربائية في المجال الطبي
تعتمد العديد من الأجهزة الطبية والتقنيات الحديثة على الكهرباء لتشغيلها، مثل أجهزة العلاج الكهربائي. ساهمت الكهرباء في تحسين الخدمات الصحية، حيث يتطلب الأمر إضاءة دقيقة للقيام بالعمليات الحرجة.
استخدام القوة الكهربائية في المجالات الهندسية
تعتبر الكهرباء عنصرًا أساسيًا في عمليات البناء والإنشاء، إذ إن بناء المباني وتركيب النوافذ والبوابات يحتاج لجميع الآلات التي تتطلب موارد كهربائية.
استخدام القوة الكهربائية في مجالات الاتصال
من دون الكهرباء، ستعاني وسائل الاتصال والتواصل بين الأفراد، مما سيحول الهواتف المحمولة إلى قطع غير مفيدة. كما ستتعطل الطائرات والمطارات، حيث أن الكهرباء ضرورية للتنقل والوصول إلى وجهات مختلفة.
استخدام القوة الكهربائية في الترفيه
تعتمد مجالات الترفيه اليوم على تكنولوجيا الحواسيب والهواتف الذكية، بما في ذلك الاستماع إلى الموسيقى ومشاهدة التلفزيون. جميع هذه الأنشطة تعتمد بشكل كامل على الكهرباء.
استخدام القوة الكهربائية في الفضاء
تستخدم الأقمار الصناعية والمجسات الفضائية الكهرباء المستمدة من مولدات أو بطاريات. لولا الكهرباء، لما كانت مهمات الوصول إلى القمر ممكنة.
ملخص:
تعد القوة الكهربائية، أو الكهروستاتيكية، قوة متجهة لا تعتمد على كتلة الجسم. وصف قانون كولوم مقدار هذه القوة بين الشحنات الثابتة أو النقطية. تعتمد القوة الكهربائية على الشحنات الكهربائية (علاقة طردية) بالإضافة إلى مربع المسافة (علاقة عكسية)، حيث تزداد القوة مع زيادة الشحنات وتقليل المسافة بينها.
تختلف أنواع القوة الكهربائية حيث توجد قوة تجاذب بين شحنتين مختلفتين، وقوة تنافر بين شحنتين متماثلتين.