شرح قانون كولوم

شرح قانون كولوم الفيزياء هي أحد الموضوعات المهمة في حياة الإنسان أيّ تمت دراستها لقرون في عصور مختلفة ، ومن أهم الفصول التي درسها علم الفيزياء الشحنات الكهربائية ، وهي عصب الحياة الحديثة المستخدمة اليوم ولا يمكننا الاستغناء عنها ، وهذه الشحنات الكهربائية المدروسة هي لا يتعلق فقط بالتيار الكهربائي الذي يمر عبر الأسلاك الكهربائية ويعطينا الضوء فقط ، ولكن مبدأ الشحنات الكهربائية تتعلق بكل عمل إلكتروني نستخدمه يوميًا ، من أجهزة الكمبيوتر ، والأجهزة الذكية ، وأجهزة المطبخ الرقمية ، والغسالات الحديثة ، والطابعات ، و الآلاف من الأمثلة الأخرى ، وكل هذا يعتمد على قوانين الفيزياء مثل قانون كولوم ، وفي مقالتنا اليوم عبر موقعنا سوف نتعلم ما هو مفهوم الشحنة الكهربائية وشرح قانون كولوم وسنذكر الأمثلة العملية عليه وكل ما يتعلق بهذا الموضوع

مفهوم الشحنة الكهربائية

تُعرّف الشحنة الكهربائية علميًا بأنها الخاصية الفيزيائية الأساسية للمادة التي تحملها بعض الجسيمات الأولية التي تتحكم في كيفية تأثر الجسيمات بالمجال الكهربائي أو المغناطيسي ، ويُعرف الجمع بين المجالين الكهربائي والمغناطيسي باسم المجال الكهرومغناطيسي ، حيث يولد تفاعل الشحنات قوة كهرومغناطيسية ، وهذا يعتبر أساس الفيزياء الساكنة ، وهو معروف أيضًا في ثابت الشحنة الكهربائية ، ويمكن تبسيط تعريف الشحنة الكهربائية بشكل يسهل على العقل فهمه ، دعنا نقول ، الشحنة الكهربائية هي كمية الطاقة أو الإلكترونات التي يتم نقلها من جسم إلى آخر من خلال أوضاع مختلفة مثل التوصيل أو الاستقراء أو طرق أخرى محددة.

البحث في علم الفيزياء وأهميته 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 للبروتونات ، عندما يكون لجسم ما شحنة موجبة ، فهذا يعني أنه يحتوي على عدد من البروتونات أكثر من الإلكترونات.
الشحنة السالبة التي تمتلكها الإلكترونات ، عندما يكون لجسم ما شحنة سالبة ، فهذا يعني أنه يحتوي على إلكترونات أكثر من البروتونات.
الشحنة المحايدة التي تحمل قيمة صفرية والتي تمتلكها النيوترونات ، عندما يكون هناك عدد متطابق من الشحنات الموجبة والسالبة ، تلغي الشحنات السالبة والموجبة بعضها البعض ويصبح الجسم متعادلًا.

خصائص الشحنة الكهربائية

للشحنة الكهربائية ثلاث خصائص أساسية سوف تتذكرها بمثال توضيحي بسيط لفهمها بشكل أفضل ، وهي:

تضاف الشحنة الكهربائية بشكل طبيعي: على سبيل المثال ، إذا كان لدينا نظام يتكون من شحنتين q1 و q2 ، فإن إجمالي شحنة النظام سيكون المجموع الجبري لـ q1 و q2 ومجموع qn.
كمية الشحنات الكهربائية المخزنة: هذا يعني أنه لا يمكن إنشاء الشحنة أو إتلافها ، ولكن لا يمكن نقلها إلا من كائن إلى آخر بطرق معينة مثل التوصيل والاستقراء.سيجذبها إليه.
يمكن قياس الشحنة الكهربائية: هذه هي الميزة الخاصة التي أثبتها فاراداي في تجاربه المنشورة عام 1912 ، والتي تقول أن الوحدة الأساسية للشحنة هي الشحنة التي يحملها الإلكترون أو البروتون ، وهذا يوضح حقيقة أن الشحنة كمية محددة ويمكننا التعبير عنها كمضاعفات متكاملة لوحدة الشحن الأساسية.

طرق الشحن الكهربائي

الشحن هو عملية إمداد الجسم بالشحنة الكهربائية أو استخلاص الشحنة الكهربائية من هذا الجسم ويمكن شحن الجسم غير المشحون بثلاث طرق مختلفة وهي:

الشحن عن طريق الاحتكاك: وتحدث هذه العملية عندما يتفكك جسمان 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 عن طريق التوصيل: ويتم ذلك عن طريق تقريب جسم غير مشحون من جسم مشحون ، بحيث يحتوي الموصل المشحون على عدد غير متساوٍ من البروتونات والإلكترونات ، وبالتالي عندما يقترب منه موصل غير مشحون ، فإنه يفرغ الإلكترونات لتثبيت نفسه.
الشحن عن طريق الاستقراء أو الحث: عملية شحن موصل غير مشحون عن طريق تقريبه من موصل مشحون بدون أي اتصال مادي.

يُعرَّف قانون كولوم ببساطة على أنه وصف رياضي للقوة الكهربائية أو التفاعل الكهروستاتيكي بين الأجسام المشحونة بشحنة كهربائية ، وقد سُمي هذا القانون على اسم الفيزيائي الفرنسي تشارلز أوغسطين دي كولوم ، الذي صاغه عام 1785 ، حيث وجد أن هناك هي علاقة ملموسة في شكل رياضي بين جسمين مشحونين كهربائيًا ، وقد نشر هذا القانون وأرفقه بمعادلة رياضية أوضح فيها القوة التي تجعل الأجسام تجتذب أو تتنافر ، ويعرف هذا القانون اليوم باسم كولوم قانون أو قانون التربيع العكسي لكولوم.

نص قانون كولوم

يعتبر هذا القانون مشابهًا لقانون الجاذبية لإسحاق نيوتن ، وينص قانون كولوم ، وفقًا للفيزيائي الفرنسي الذي صاغه ، على أن قوة الجذب أو التنافر التي تعمل على خط مستقيم بين جسمين مشحونين تتناسب طرديًا مع ناتجهما. وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما ، وهذا التفاعل الناتج عن عملية التجاذب والتنافر ينتج القوة الكهربائية التي نعرفها.

تحليل قانون كولوم

وبحسب قانون كولوم هناك ثلاثة متغيرات تؤثر على الطاقة الكهربائية وهي الشحنتان والمسافة بينهما ، ويتم تحليل هذا التأثير على النحو التالي:

يعتمد اتجاه القوة الكهربائية على ما إذا كانت الأجسام المشحونة مشحونة بشحنة مماثلة أو شحنة معاكسة ، لذلك إذا كانت الشحنتان سالبة أو موجبة ، فسوف تتنافران ، بينما إذا كانت إحداهما موجبة والأخرى سالبة ، فسوف تجتذب. .
يعمل التجاذب أو التنافر على طول الخط الفاصل بين الشحنتين في خط مستقيم ، أي أنه لا يوجد اتصال بين القوتين.
يختلف حجم القوة عكسيًا وفقًا لمربع المسافة بين الشحنتين ، مما يعني أنه إذا تضاعفت المسافة بين الشحنتين ، فإن خاصية الجذب أو التنافر ستضعف وتنخفض إلى ربع القيمة الأصلية ، بينما إذا تم تقريب الشحنات بمقدار 10 مرات ، سيزداد حجم القوة بمعامل 100.
يتناسب حجم القوة مع قيمة كل من الشحنتين ، لذلك إذا كانت هناك شحنتان موجبتان ، إحداهما بمقدار 0.1 كولوم والثانية بمقدار 0.2 كولوم ، فإنها ستتنافر بقوة تعتمد على حاصل ضرب الشحنتين الأولى والثانية ، أي 0.2 × 0.1 ، وبالتالي ، إذا تم تخفيض كل من الرسوم بمقدار النصف ، فسيتم تقليل التنافر في المقابل إلى ربع قيمته السابقة.

ما هو ثابت كولوم

ثابت كولوم أو ما يسمى جسديًا 1 كولوم مسؤول ، هو الشحنة التي تصد شحنة متساوية من نفس العلامة بقوة 10 × 8.98 نيوتن ، عندما تكون الشحنات متباعدة بمقدار متر واحد في الفراغ ، قوة تقاس وثابتة بواسطة يُعرَّف العالم كولوم ، وقوة كولوم على أنها القوة المحافظة المتبادلة والداخلية في الشحنة ، ومن الجدير بالذكر أن قانون كولوم وثابت كولوم لهما قيمة صحيحة فقط في حالة الشحنات الثابتة ، أي الشحنات الثابتة.

الصيغة الرياضية لقانون كولوم

تعتمد الصيغة الرياضية لقانون كولوم أو معادلة قانون كولوم على نص القانون نفسه الذي يحدد المتغيرات والثوابت في المعادلة ، ومعادلته هي f = k ×q1×q2/ ص² ويكون معنى هذه الرموز بحسب نص القانون كما يلي:

دلالة و: ويعبر عن القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنتين المقاسة بالنيوتن.
تدوين k: وهو ثابت كولوم وقيمته 10⁹ × 9.0 نيوتن.
مغزى q1: يتم قياس مقدار الشحنة الأولى بوحدة كولوم.
دلالة q2: يتم قياس مقدار الشحنة الثانية بوحدة كولوم.
تدوين r²: يقاس مربع المسافة بين الشحنتين بالأمتار.

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 ، وهذه الحدود هي:

ينطبق قانون كولوم فقط على رسوم النقاط التي تكون في حالة سكون ، أي في حالة الرسوم الثابتة.
لا يمكن تطبيق هذا القانون إلا في الحالات التي يتم فيها الالتزام بقانون التربيع العكسي المنصوص عليه في هذا القانون وهذا شرط أساسي.
يصعب تطبيق هذا القانون عندما تكون الشحنات تعسفية ، ويرجع ذلك إلى 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 القضايا بموجب هذا القانون مع شرح الحل ، وفي سياق هذه القضايا ، سنشرح الفرق بين حل بسيط يمكن الوصول إليه بسهولة ، والحل الذي يحتاج إلى آليات التحويل وكيفية حلها ، والجدير بالذكر أن الصيغ المقبولة للتحويل إلى كولوم هي:

1 كولوم = 10⁶ كولوم.
1 كولوم = 10⁹ نانو كولوم.

المسألة الأولى

إذا افترضنا أن لدينا شحنتين نقطيتين لكل منهما شحنة مقدارها +1.00 كولوم ، وتم فصل هاتين الشحنتين بمسافة متر ، فأوجد مقدار القوة الكهربائية للتنافر بينهما.

الحل: هذه المشكلة بسيطة ، ولا توجد قيم تحتاج إلى تحويل وتتضمن جميع العناصر المطلوبة للحل في إطار المعادلة المحددة في قانون كولوم ، وهي مقدار الشحنتين والمسافة ، و لذلك يمكن استبدال القيم الواردة في معادلة قانون كولوم ، f = k ×q1×q2/ r² لحل المشكلة مباشرة وفق الآتي:

F =9.0×10⁹x1.00×1.00/1m²

القوة = 9.0 × 10⁹

المسألة الثانية

يتم شحن بالونين بنفس كمية ونوع الشحنة – 6.25 نانوكولومب ، ثم يتم فصلهما عن بعضهما البعض على مسافة 61.7 سم ، أوجد مقدار القوة الكهربائية للتنافر بينهما.

الحل: قبل الحل ، يجب تحويل الأرقام إلى وحداتها الصحيحة ، على سبيل المثال يتم طرح الشحنة في وحدة nano-coulomb ويجب …