قانون كولوم

في المقال الذي يتناول الشحنة الكهربائية وأنواعها ، يُشرح أن الشحنات الكهربائية المتشابهة تتنافر، بينما الشحنات الكهربائية المختلفة تتجاذب. بعبارة أخرى، تجذب الأجسام المشحونة بشحنة موجبة الأجسام المشحونة بشحنة سالبة، وتتنافر الأجسام المشحونة بشحنة موجبة مع بعضها، وتتنافر الأجسام المشحونة بشحنة سالبة مع بعضها. تُظهر هذه الظاهرة وجود قوة كهربائية تؤثر على الأجسام المشحونة بشحنة موجبة وأخرى مشحونة بشحنة سالبة. ما هي العوامل التي تؤثر على مقدار القوة الكهربائية بين الأجسام المشحونة؟

أجرى الفيزيائي الفرنسي شارل كولوم (1736-1806) سلسلة من التجارب في ثمانينيات القرن الثامن عشر لدراسة العوامل المؤثرة في مقدار القوة الكهربائية بين الأجسام المشحونة كهربائيًا. كان الجهاز الذي استخدمه كولوم مشابهًا للجهاز الذي استخدمه كافنديش لدراسة ثابت الجاذبية، وهو ما يُعرف بميزان الالتواء. درس كولوم القوة الكهربائية، لذا استخدم كرتين معدنيتين مشحونتين كهربائيًا، بينما درس كافنديش قوة الجاذبية، لذا استخدم كرتين غير مشحونتين كهربائيًا.

كيف يعمل مقياس عزم الدوران  

 
كيفية عمل مقياس عزم الدوران مرتبطة بالموضوع. عزم الدوران أو عزم القوة في الفصل الديناميكا الدورانية.
يُملأ الفراغ داخل ميزان الالتواء لمنع انتقال الشحنة الكهربائية من الكرة الصلبة إلى الهواء. ويتم تحديد مقدار الشحنة الكهربائية على الكرة الصلبة باستخدام الطريقة التالية: في البداية، تُشحن الكرة الصلبة (أ) كهربائيًا عن طريق التوصيل أو الاحتكاك. ثم تُوصل الكرة الصلبة (أ) المشحونة كهربائيًا بالكرة الصلبة (ب) المتعادلة كهربائيًا باستخدام موصل كهربائي حتى تتوزع الشحنة الكهربائية بالتساوي بين الكرتين. فإذا كانت الشحنة الكهربائية للكرة (أ) تساوي نصف الشحنة الكهربائية للكرة (ب)، فإن الشحنة الكهربائية للكرة (ب) تساوي نصف الشحنة الكهربائية للكرة (ب). بعد ذلك، تُوصل الكرتان (ب) و(ج) بموصل كهربائي حتى تتوزع الشحنة الكهربائية بالتساوي بين الكرتين. فإذا كانت الشحنة الكهربائية للكرة (ب) تساوي ربع الشحنة الكهربائية للكرة (ج)، فإن الشحنة الكهربائية للكرة (ج) تساوي ربع الشحنة الكهربائية للكرة (ج). وبهذه الطريقة، يُحدد مقدار الشحنة الكهربائية ونوعها للكرتين الصلبتين (أ) و(ب).

تُشحن كرتان صلبتان، الأولى والثانية، بشحنة كهربائية بحيث تتنافران إذا كانت شحنتهما الكهربائية متساوية، وتتجاذبان إذا كانت شحنتهما مختلفة. يؤدي وجود قوة تجاذب أو تنافر بين الكرتين إلى دوران الكرة الثانية. تُقاس زاوية دوران الكرة الثانية لتحديد القوة الكهربائية المؤثرة على الكرتين.

العوامل المؤثرة على القوة الكهربائية

استنادًا إلى التجارب التي أجريت باستخدام ميزان الالتواء، اكتشف كولوم عدة أشياء.
في هذه التجربة، تكون المسافة بين الكرتين الصلبتين ثابتة دائمًا. عندما تكون الشحنة الكهربائية على الكرة الصلبة الأولى تساوي 1، وعلى الكرة الصلبة الثانية تساوي 1 أيضًا، فإن القوة الكهربائية المؤثرة على كلتا الكرتين تساوي 1. وعندما تكون الشحنة الكهربائية على الكرة الصلبة الأولى تساوي 2، وعلى الكرة الصلبة الثانية تساوي 2 أيضًا، فإن القوة الكهربائية المؤثرة على كلتا الكرتين تساوي 4. استنتج كولوم أن مقدار القوة الكهربائية المؤثرة على كلتا الكرتين يتناسب طرديًا مع حاصل ضرب الشحنة الكهربائية على كل منهما (F ≈ q).₁ q₂).
في هذه التجربة، تكون كمية الشحنة على الكرتين الصلبتين متساوية دائمًا. إذا كانت المسافة بين الكرتين الصلبتين تساوي 1، فإن القوة الكهربائية المؤثرة عليهما تساوي 1. أما إذا كانت المسافة بينهما تساوي 2، فإن القوة الكهربائية المؤثرة عليهما تساوي ¼. استنتج كولوم أن مقدار القوة الكهربائية المؤثرة على الكرتين الصلبتين يتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما (F ≈ 1 / r).²)

قانون كولوم

قانون كولوم هو قانون فيزيائي يفسر العلاقة بين القوة الكهربائية والشحنة الكهربائية والمسافة بين الشحنات. وقد صيغ هذا القانون بناءً على تجارب كولوم، كما هو موضح في المقال السابق.

ينص قانون كولوم على أن مقدار القوة التي يؤثر بها جسيم مشحون كهربائيًا على جسيم آخر مشحون كهربائيًا يتناسب طرديًا مع حاصل ضرب شحنتي الجسيمين، وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما. وتؤثر هذه القوة على طول خط مستقيم يصل بين الجسيمين. وتكون القوة الكهربائية تنافرية إذا كانت شحنتا الجسيمين متساويتين، وجاذبة إذا كانت شحنتاهما مختلفتين.

يمكن التعبير عن قانون كولوم بالمعادلة الرياضية التالية:
وصف التركيبة:
F₁₂ = القوة الكهربائية بين الجسيم 1 والجسيم 2
q₁ = عدد شحنات الجسيمات 1
q₂ = عدد الشحنات الكهربائية للجسيم 2
r₁₂ = المسافة بين الجسيم 1 والجسيم 2
(اقرأ: إبسيلون صفر) = 8,854 × 10^-12 C²نيوتن متر²
k = (ثابت كولوم) = 9 × 10⁹ نانومتر²/C²
F₂₁ هي القوة التي تبذلها الشحنة q₂ عند الشحن q₁، بينما F₁₂ هي القوة التي تبذلها الشحنة q₁ عند الشحن q₂. F₂₁ و F₁₂ يتنافران عندما تكون الشحنة q₁ و q₂ تتشابه الشحنات وتتجاذب عندما تكون الشحنة q₁ و q₂ ليس من نفس النوع.
F₂₁ و F₁₂ لها نفس القيمة، واتجاه معاكس وتؤثر على أجسام مختلفة، لذلك فإن هاتين القوتين تشكلان زوجًا من قوى الفعل ورد الفعل.