المجال الكهربائي

ادرس أيضًا مناقشة مسائل المجال الكهربائي وأمثلة على مسائل المجال الكهربائي.

لتسهيل فهم القوة الكهربائية التي يمكن أن تؤثر عن بعد، تم تقديم مفهوم المجال. وقد طور هذا المفهوم العالم البريطاني مايكل فاراداي (1791-1867).

تعريف

لنفترض أن قضيبًا زجاجيًا متعادلًا كهربائيًا في البداية. بعد فركه بقطعة قماش، يكتسب القضيب شحنة كهربائية. عندما يكتسب القضيب شحنة كهربائية ، ينشأ مجال كهربائي حوله. وعندما يصبح القضيب متعادلًا، يختفي المجال الكهربائي من الفضاء. لذا، فإن وجود المجال الكهربائي مرتبط ارتباطًا وثيقًا بوجود الشحنة الكهربائية. المجال الكهربائي ليس مادة كالهواء، ولا موجة كالموجات الكهرومغناطيسية، بل هو شيء يتولد عن الشحنة الكهربائية ويؤثر على الفضاء المحيط بها، حيث لا تشعر بتأثيره إلا الشحنات الكهربائية الأخرى.

لاختبار وجود مجال كهربائي في حيز ما، يُفترض وجود شحنة اختبارية فيه. هذه الشحنة (Q) صغيرة جدًا لدرجة أنها تُنتج مجالًا ضعيفًا جدًا، وبالتالي يمكن إهمالها. مع ذلك، قد تتأثر الشحنة الاختبارية بالمجال الناتج عن شحنات كهربائية أخرى. وجود الشحنة الاختبارية يقتصر على التحقق من وجود مجال كهربائي. فإذا وُجد مجال كهربائي، ستتأثر الشحنة الاختبارية بقوة كهربائية. أما إذا لم يوجد مجال كهربائي، فلن تتأثر الشحنة الاختبارية بأي قوة كهربائية.

انظر إلى الصورة الموجودة على الجانب.
في الشكل 1، الشحنة +q₁ والشحنة +q₂ يُنتج مجالًا كهربائيًا في الفضاء المحيط. عند وضع شحنة اختبار +q_o عند نقطة في الفضاء، شحنة الاختبار +q_o التعرض للقوة الكهربائية. F₁ هي القوة الكهربائية التي تبذلها الشحنة +q₁ عند شحنة الاختبار +q_o و F₂ هي القوة الكهربائية التي تبذلها الشحنة +q₂ عند شحنة الاختبار +q_oفي الشكل 2، عند إزالة شحنة الاختبار، يبقى المجال ولا يختفي من تلك النقطة.₁ المجال الناتج عن شحنة كهربائية +q₁ و E₂ المجال الناتج عن شحنة كهربائية +q₂.

قوة المجال

المجال الكهربائي كمية متجهة، لها مقدار واتجاه. تُعرَّف شدة المجال الكهربائي عند نقطة ما بأنها القوة الكهربائية التي تؤثر بها شحنة كهربائية على شحنة اختبار موجبة موضوعة عند تلك النقطة، مقسومة على مقدار شحنة الاختبار.
المعلومات:
E = شدة المجال
F = القوة الكهربائية
q = مقدار شحنة الاختبار
المعلومات:
Q = الشحنة الكهربائية
r = المسافة بين الشحنة الكهربائية وشحنة الاختبار
(اقرأ: إبسيلون صفر) = سماحية الفراغ = 8,854 × 10^-12 C²نيوتن متر²
k = ثابت كولوم = 9 × 10⁹ نانومتر²/C²

وحدة القوة الكهربائية هي نيوتن ووحدة الشحنة الكهربائية هي كولوم، لذا فإن وحدة المجال هي نيوتن/كولوم، ويرمز لها اختصارًا بـ N/C.

آراح

 
انظر إلى الصورة الموجودة على الجانب
في الشكل 1أ، حيث تؤثر شحنة كهربائية موجبة (+Q) بقوة كهربائية على شحنة اختبار موجبة (+q)، ويكون اتجاه القوة الكهربائية (F) بعيدًا عن الشحنة +Q.
في الشكل 1بعند إزالة شحنة الاختبار، يكون هناك مجال (E) في تلك النقطة يكون اتجاهه بعيدًا عن الشحنة الكهربائية Q.
في الشكل 2أ، تؤثر الشحنة الكهربائية السالبة (-Q) بقوة كهربائية على شحنة اختبار موجبة (+q)، حيث يقترب اتجاه القوة الكهربائية (F) من الشحنة -Q.
في الشكل 2بعند إزالة شحنة الاختبار، يكون هناك مجال (E) يكون اتجاهه قريبًا من الشحنة الكهربائية -Q.
بناءً على الصورة والشرح أعلاه، يمكن استنتاج أن اتجاه المجال يكون بعيدًا عن الشحنة الكهربائية الموجبة ونحو الشحنة الكهربائية السالبة.

مثال على المشكلات

1. تقع النقطة أ في مجال كهربائي. شدة المجال الكهربائي عند النقطة أ هي 0,4 نيوتن/كولوم. إذا وُضع جسم مشحون بشحنة مقدارها 0,2 كولوم عند النقطة أ، فإن قوة كولوم المؤثرة ستكون...
أ. 0,2 نيوتن
ب. 0,4 نيوتن
ج. 0,6 نيوتن
د. 0,7 نيوتن
شرق 0,8 شمال
مناقشة :
معروف :
E = 0,4 نيوتن/كولوم
q = 0,2 C
سأل :
القوة الكهربائية؟
جواب :
F = q E = (0,2 C)(4 N/C) = 0,8 N
الإجابة الصحيحة هي هـ.

2. نقطة مشحونة q تقع شحنة كهربائية عند النقطة A في المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة الموجبة (+)، بحيث تتعرض لقوة مقدارها 0,1 نيوتن في اتجاه الشحنة q. إذا كانت شدة المجال عند النقطة A تساوي 0,02 نيوتن/كولوم، فإن مقدار ونوع الشحنة q هما...
أ. 5,0 درجة مئوية، موجب
ب. 5,0 درجة مئوية، سالب
ج. 4,0 درجة مئوية، موجب
د. 2,5 درجة مئوية، سالب
هـ. 2,5 درجة مئوية، موجب
مناقشة :
معروف :
إ = 0,1 نيوتن
E = 0,02 نيوتن/كولوم
سأل :
ما مقدار واتجاه الشحنة q؟
جواب :
مقدار الشحنة q:
F = q E
ف = F / E = 0,1 N : 0,02 N / C = 5C
نوع الشحنة q:
اتجاه قوة كولوم يكون باتجاه الشحنة q، لذا يجب أن تكون للشحنة q قيمة موجبة.