الكهرباء الساكنة موضوعٌ هامٌ في منهج الفيزياء للصف الثاني عشر. وهي تتناول الظواهر المتعلقة بالشحنات الكهربائية الساكنة والمتحركة. يُعدّ فهم المفاهيم الأساسية، وقانون كولوم، والمجالات الكهربائية، أمرًا ضروريًا لحلّ مسائل متنوعة متعلقة بالكهرباء الساكنة. في هذه المقالة، سنناقش أمثلةً عديدةً لمسائل الكهرباء الساكنة التي تظهر بكثرة في امتحانات الصف الثاني عشر، بالإضافة إلى حلولها.
المفاهيم الأساسية للكهرباء الساكنة
تنشأ الكهرباء الساكنة من عدم توازن الشحنات الكهربائية على سطح جسم ما. ويمكن نقل هذه الشحنة من جسم إلى آخر من خلال عمليات مثل الاحتكاك والتوصيل والحث.
قانون كولوم: يشرح هذا القانون قوة التجاذب أو التنافر بين شحنتين كهربائيتين نقطيتين. صيغة قانون كولوم هي:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
دي مانا:
- \( F \) هي القوة بين الشحنات (نيوتن).
- \( k \) هو ثابت كولوم (\( 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \)).
- \( q_1 \) و \( q_2 \) هما مقدار الشحنات (كولوم).
- \( r \) هي المسافة بين الشحنتين (بالمتر).
– المجال الكهربائي: المجال الكهربائي هو الحيز المحيط بشحنة كهربائية والذي يمكن أن تشعر فيه الشحنات الأخرى بقوة كهربائية. المجال الكهربائي (E) على مسافة (r) من شحنة (Q) هو:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
Contoh Soal dan Pembahasan
مثال السؤال 1: قوة كولوم
سؤال:
شحنتان كهربائيتان مقدارهما \( 2 \times 10^{-6} \, \text{C} \) و \( -3 \times 10^{-6} \, \text{C} \) تقعان على مسافة 0,1 متر. احسب قوة كولوم بين الشحنتين.
حل:
استخدم صيغة قانون كولوم:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
استبدل القيم المعروفة:
\[
F = 8.99 × 10⁹ نيوتن متر²/كولوم² × (2 × 10⁻⁶ كولوم)(3 × 10⁻⁶ كولوم) / (0,1 متر)²
\]
\[
F = 8.99 × 10⁹ × (6 × 10⁻¹²) / 0,01
\]
\[
F = 8.99 × 10⁹ × 6 × 10⁻¹⁰
\]
\[
F = 53,94 × 10⁻¹ نيوتن
\]
\[
F = 5,394 نيوتن
\]
إذن، قوة كولوم بين الشحنتين هي 5,394 نيوتن.
مثال السؤال 2: المجال الكهربائي الناتج عن شحنة نقطية
سؤال:
احسب المجال الكهربائي على مسافة 0,05 متر من شحنة مقدارها \( 4 \times 10^{-6} \, \text{C} \).
حل:
استخدم صيغة المجال الكهربائي:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
استبدل القيم المعروفة:
\[
E = 8.99 × 10⁹ نيوتن متر²/كولوم² × (4 × 10⁻⁶ كولوم) / (0,05 متر)²
\]
\[
E = 8.99 × 10⁹ × (4 × 10⁻⁶) / 0,0025
\]
\[
E = 8.99 × 10⁹ × 1,6 × 10⁻³
\]
\[
E = 14,384 × 10^6 نيوتن/كولوم
\]
\[
E = 1,4384 × 10^7 نيوتن/كولوم
\]
إذن، المجال الكهربائي على مسافة 0,05 متر من الشحنة هو \( 1,4384 \times 10^7 \, \text{N/C} \).
مثال السؤال 3: الجهد الكهربائي
سؤال:
وُضِعَت شحنة مقدارها 5 × 10⁻⁶ كولوم عند نقطة معينة. احسب الجهد الكهربائي على بُعد 0,2 متر من الشحنة.
حل:
استخدم صيغة الجهد الكهربائي:
\[
V = k \frac{Q}{r}
\]
استبدل القيم المعروفة:
\[
V = 8.99 × 10⁹ نيوتن متر²/كولوم² × (5 × 10⁻⁶ كولوم) / 0,2 متر
\]
\[
V = 8.99 × 10⁹ × 25 × 10⁻⁶
\]
\[
V = 224,75 × 10³ فولت
\]
\[
V = 2,2475 × 10³ فولت
\]
إذن، الجهد الكهربائي على مسافة 0,2 متر من الشحنة هو \( 2,2475 \times 10^5 \, \text{V} \).
مثال السؤال 4: طاقة الوضع الكهربائية
سؤال:
شحنتان مقدارهما 3 × 10⁻⁶ كولوم و -2 × 10⁻⁶ كولوم تقعان على مسافة 0,1 متر. احسب طاقة الوضع الكهربائية للنظام.
حل:
استخدم صيغة طاقة الوضع الكهربائية:
\[
U = k \frac{q_1 q_2}{r}
\]
استبدل القيم المعروفة:
\[
U = 8.99 × 10⁹ نيوتن متر²/كولوم² × (3 × 10⁻⁶ كولوم)(-2 × 10⁻⁶ كولوم) / 0,1 متر
\]
\[
U = 8.99 × 10⁹ × (-6 × 10⁻¹²) / 0,1
\]
\[
U = -5,394 × 10⁻¹ جول
\]
\[
U = -0,5394 جول
\]
إذن، فإن طاقة الوضع الكهربائية للنظام هي -0,5394 جول.
استنتاج
يُعدّ فهم الكهرباء الساكنة وتطبيق المفاهيم الأساسية، كقانون كولوم، والمجالات الكهربائية، والجهد الكهربائي، وطاقة الوضع الكهربائي، أمرًا بالغ الأهمية في منهج الفيزياء للصف الثاني عشر. ومن خلال دراسة الأمثلة المذكورة أعلاه، يُتوقع من الطلاب اكتساب فهم أعمق لهذه المفاهيم والقدرة على تطبيقها في مواقف متنوعة. كما تُساعد هذه المسائل الطلاب على الاستعداد لاختبارات وتحديات أكثر تعقيدًا في المستقبل.
إنّ ممارسة أنواع مختلفة من مسائل الكهرباء الساكنة ستعزز فهمك المفاهيمي وتحسن مهاراتك في حل المسائل. احرص دائمًا على فهم الأسس النظرية قبل البدء في حل المسائل، لأنّ الفهم المتين سيساعدك على حل المسائل بكفاءة ودقة أكبر.
