مفهوم الشحنة الكهربائية
تُعتبر الشحنة الكهربائية خاصية حيوية تمتلكها جزيئات المادة، وهي تلعب دورًا محوريًا في تأثير تلك الجزيئات بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية المحيطة بها. تقسم الشحنة الكهربائية إلى نوعين رئيسيين، هما: الشحنة الموجبة والشحنة السالبة، وتؤثر الشحنات الكهربائية على بعضها البعض عبر قوتين رئيسيتين، كما يلي:
- قوة التجاذب: تظهر قوة التجاذب بين الشحنات القريبة عندما تكون أنواع الشحنات مختلفة، أي عندما تكون إحداها شحنة موجبة والأخرى سالبة.
قوة التنافر: تحدث قوة التنافر بين الشحنات القريبة عندما تشترك جميعها في نفس النوع من الشحنة، سواء كانت موجبة أو سالبة.
خصائص الشحنة الكهربائية
تمتاز الشحنة الكهربائية بعدة خصائص أساسية، منها:
- الشحنة الكهربائية كميّة: يؤكد مبدأ كميّة الشحنة على أن قيمة شحنة الجسم يجب أن تكون عددًا صحيحًا من مضاعفات شحنة الإلكترون؛ لذلك، لا يمكن وجود جسم مشحون بثلث أو نصف شحنة الإلكترون. وتبلغ قيمة شحنة الإلكترون حوالي 1.602×10-19 كولوم.
- الشحنة الكهربائية محفوظة: تتواجد الشحنات الكهربائية في الكون بشكل دائم، حيث لا يمكن أن تختفي أو تنشأ من العدم. رغم إمكانية نقل الشحنات من شكل لآخر أو دمجها، إلا أن الكمية الكلية للشحنة تبقى ثابتة.
أنواع الشحنة الكهربائية
يمكن تصنيف الشحنات الكهربائية إلى نوعين رئيسيين:
- الشحنة الكهربائية الموجبة: يتخذ الجسم شحنة موجبة (+) عندما تتجاوز عدد البروتونات عدد الإلكترونات فيه.
- الشحنة الكهربائية السالبة: ينتج عن نقص عدد البروتونات مقارنة بعدد الإلكترونات أن يكون الجسم مشحونًا بشحنة سالبة (-).
- الجسم المتعادل الشحنة: يكون الجسم متعادل الشحنة عندما تتساوى قيمة الشحنات السالبة والموجبة، مما يؤدي إلى إلغاء تأثير كل منهما.
كيفية حساب الشحنة الكهربائية
يمكن حساب الشحنة الكهربائية باستخدام مجموعة من القوانين والمعادلات المهمة، أهمها قانون كولوم، الذي يحدد مقدار القوة الكهربائية بين الشحنات. يتم حساب القوة الكهربائية بين شحنتين (ش1) و(ش2) مع الأخذ بعين الاعتبار المسافة الفاصلة بينهما (ف)، ويمثل قانون كولوم بالمعادلة التالية:
ق = ثابت كولوم (أ) × (ش1 × ش2) / (ف)2; حيث يساوي ثابت كولوم (أ) مقدارًا ثابتًا، وهو 9×109 (نيوتن . متر2 / كولوم2)
حساب الشحنة في الدوائر الكهربائية
يمكن حساب الشحنة الكهربائية في الدوائر الكهربائية من خلال عدة طرق تعتمد على المعطيات المتاحة. لحساب الشحنة الكهربائية، يمكن اتباع النقاط التالية:
- علاقة التيار مع الزمن: يمكن حساب الشحنة الكهربائية عند معرفة مقدار التيار المتدفق خلال فترة زمنية محددة باستخدام المعادلة التالية: الشحنة = التيار الكهربائي × الزمن.
- قانون أوم: يمكن استخدام قانون أوم لحساب الشحنة في الدوائر الكهربائية من خلال حساب التيار الكهربائي باستخدام هذا القانون، ثم استخدام الناتج في علاقة التيار مع الزمن إذا كانت فترة الزمن معروفة. ويمكن التعبير عن قانون أوم بالعلاقة التالية: الجهد الكهربائي = التيار الكهربائي × المقاومة الكهربائية.
- علاقة فرق الجهد والشغل: يمكن حساب الشحنة الكهربائية مباشرة من خلال المعادلة التالية: الشحنة = الشغل / الجهد الكهربائي.