شبكات جورومودا
الزخم الزاوي: كمية الحركة الدورانية، التي تُعادل الكتلة (m) في الحركة الخطية، هي عزم القصور الذاتي (I). أما كمية الحركة الدورانية، التي تُعادل السرعة (v) في الحركة الخطية، فهي السرعة الزاوية (ω). وبالتالي، يمتلك الجسم الدوار زخمًا زاويًا يمكن... اقرأ المزيد
لنستعرض جسيمًا دوارًا. يُطبَّق على جسيم كتلته m قوة F تجعله يدور حول المحور O. يبعد الجسيم مسافة r عن محور الدوران. في البداية، يكون الجسيم ساكنًا (v = 0). بعد تحريكه بفعل القوة F، يتحرك الجسيم بسرعة معينة، مما يُكسبه تسارعًا مماسيًا. تُعبَّر العلاقة بين القوة (F) والكتلة (m) والتسارع المماسي للجسيمات بالمعادلة 3:
في موصل كالنحاس، توجد إلكترونات تتحرك عشوائيًا بسرعة عالية دون أن تفلت من المعدن. تُسمى هذه الإلكترونات الحرة بالإلكترونات الحرة. ورغم أن الإلكترونات تتحرك بحرية في جميع الاتجاهات، إلا أنه لا يوجد تدفق كلي لها في اتجاه محدد. تحدث هذه الحالة عندما ينعدم فرق الجهد بين طرفي سلك النحاس.
عند توصيل السلك بمصدر كهربائي، ينشأ فرق جهد بين طرفي السلك النحاسي، مما يؤدي إلى ظهور مجال كهربائي داخله. يتسبب وجود هذا المجال الكهربائي في تعرض الإلكترونات الحرة للقوة الكهربائية F = qE = eE، حيث F = القوة الكهربائية ، e = شحنة الإلكترون، وE = المجال الكهربائي . تؤدي هذه القوة الكهربائية إلى تسارع جميع الإلكترونات الحرة معًا، في نفس اتجاه القوة الكهربائية.
المكثف هو جهاز يخزن الشحنة الكهربائية والطاقة الكامنة. يتكون المكثف البسيط من لوحين أو صفيحتين موصلتين موضوعتين بالقرب من بعضهما دون أن تتلامسا، ويفصل بينهما عازل أو فراغ. الموصلات هي مواد قادرة على توصيل التيار الكهربائي ، مثل المعادن، بينما العوازل هي مواد غير موصلة للتيار الكهربائي، مثل البلاستيك.
في البداية، لا يكون الموصلان مشحونين كهربائيًا ولا متعادلين. ولكي يصبح أحدهما مشحونًا بشحنة موجبة والآخر بشحنة سالبة، يجب أن تنتقل الإلكترونات من أحدهما إلى الآخر. تتواجد الإلكترونات على سطح الذرة، لذا يسهل تحريكها. بعد انتقال الإلكترونات من موصل إلى آخر، يصبح لدى أحد الموصلين فائض من الإلكترونات (نقص في البروتونات).
بحيث يصبح أحد الموصلين سالب الشحنة، بينما يعاني الموصل الآخر من نقص في الإلكترونات (زيادة في البروتونات) فيصبح موجب الشحنة. ويُستعرض وصفٌ مُفصّل لعملية شحن المكثفات الكهربائية في سياق موضوع تخزين الطاقة الكهربائية فيها.
يُعرَّف الجهد الكهربائي بأنه طاقة الوضع الكهربائية لكل وحدة شحنة. لنفترض أن الشحنة q عند النقطة a تمتلك طاقة وضع كهربائية تساوي EP a ، عندئذٍ يُصاغ الجهد الكهربائي عند النقطة a كما يلي:
V = الجهد الكهربائي، EP = طاقة الوضع الكهربائية، q = الشحنة الكهربائية
لا يقتصر وجود الجهد V على النقطة a فحسب، بل يشمل جميع نقاط المجال الكهربائي. النقطة a مثالٌ على ذلك. وكما سيُشرح لاحقًا، فإن الجهد V لا يعتمد على الشحنة q.
قبل دراسة هذا الموضوع، يجب أولاً فهم الشغل، والقوى المحافظة، والعلاقة بين القوى المحافظة والطاقة الكامنة ، والقوى الكهربائية والمجال الكهربائي.
إضافةً إلى قوة الجاذبية وقوة الزنبرك، تُعدّ القوة الكهربائية مثالاً آخر على القوى المحافظة. لفهم سبب تسمية القوة الكهربائية بالقوة المحافظة، يُرجى الاطلاع على الشرح التالي.
المجال الكهربائي الناتج عن شحنة نقطية واحدة
لحساب المجال الكهربائي الناتج عن شحنة موجبة واحدة، تتمثل الخطوة الأولى في اختيار سطح غاوس كروي نصف قطره r، حيث يقع مركز الكرة عند الشحنة المفردة. مساحة سطح الكرة هي 4πr²2.
يخترق المجال الكهربائي الخارج من مركز الكرة سطحها عموديًا، بحيث تكون صيغة التدفق الكهربائي Φ = E/A. أما صيغة قانون جاوس فهي Φ = Q/ε.
فيما يتعلق بقانون كولوم ، فقد تمت دراسة القوة بين الشحنات الكهربائية. وفي مراجعة للمجال الكهربائي، تمت مناقشة شكل آخر لقانون كولوم، والذي يُعبر عنه بالمعادلة F = q E.
حيث F هي القوة الكهربائية، وq هي الشحنة الكهربائية، وE هو المجال الكهربائي. يمكن القول إن قانون كولوم هو قانون فيزيائي يفسر العلاقة بين الشحنة الكهربائية (q) والمجال الكهربائي (E).
قانون جاوس هو قانون فيزيائي آخر يفسر العلاقة بين الشحنات الكهربائية والمجالات الكهربائية. وقد صاغ هذا القانون كارل فريدريش جاوس (1777-1855)، وهو فيزيائي ورياضي نظري ألماني.
فيما يتعلق بالمجال الكهربائي، فقد نوقش تعريف المجال الكهربائي ومعادلته ، والتي يمكن استخدامها لحساب شدة المجال الكهربائي الناتج عن شحنة كهربائية واحدة، أو عدة شحنات كهربائية، أو توزيع للشحنات الكهربائية. يُمكن حساب شدة المجال الكهربائي الناتج عن شحنة كهربائية واحدة أو شحنتين كهربائيتين بسهولة باستخدام صيغة شدة المجال الكهربائي. أما إذا كان المطلوب حساب شدة المجال الكهربائي الناتج عن توزيع للشحنات الكهربائية، فإن الحساب يكون أكثر تعقيدًا باستخدام صيغة شدة المجال الكهربائي، ولكن من الأسهل استخدام قانون جاوس . قبل دراسة قانون جاوس بتعمق، يجب أولًا فهم التدفق الكهربائي نظرًا لمفهوم التدفق الكهربائي المستخدم في قانون جاوس.
فيما يتعلق بالشحنة الكهربائية، تبين أن الشحنات المتشابهة تتنافر، بينما الشحنات المختلفة تتجاذب. إذا قُرِّب جسم مشحون بشحنة موجبة من جسم مشحون بشحنة سالبة، فإن الجسمين يتجاذبان ويتحركان باتجاه بعضهما. وعلى العكس، إذا قُرِّب جسم مشحون بشحنة موجبة من جسم مشحون بشحنة موجبة، فإن الجسمين يتنافران ويتحركان بعيدًا عن بعضهما. وكما دُرِس في قانون كولوم، فإن الأجسام المشحونة كهربائيًا يمكنها تسريع أجسام مشحونة كهربائيًا أخرى لوجود قوة كهربائية مؤثرة بينها. تُعد القوة الكهربائية التي يؤثر بها جسم مشحون كهربائيًا على أجسام مشحونة كهربائيًا أخرى مثالًا على قوة تؤثر دون تلامس. ومن الأمثلة الأخرى على القوة التي تؤثر عن بُعد قوة الجاذبية ، وهي القوة التي يؤثر بها جسم ذو كتلة على أجسام ذات كتلة أخرى.