الحقل الكهربائي

مقال عن المجال الكهربائي

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.

تُعدّ قوة الاحتكاك ، وقوة الدفع، والقوة العمودية أمثلة على قوى يسهل فهمها لأنها تعمل عند حدوث التلامس. في المقابل، تُعدّ القوة الكهربائية مثالاً على قوة يصعب فهمها لأنها تعمل من مسافة معينة دون تلامس. لفهم القوة الكهربائية التي تعمل من مسافة معينة، ظهر مفهوم المجال الكهربائي. وقد طوّر هذا المفهوم العالم البريطاني مايكل فاراداي (1791-1867).

تعريف المجال الكهربائي (E)

لنفترض أن كوبًا كان متعادلًا كهربائيًا في البداية. بعد فركه بقطعة قماش، اكتسب الكوب شحنة كهربائية. عندئذٍ، ينشأ مجال كهربائي حول الكوب. إذا عاد الكوب إلى حالته المتعادلة، يختفي المجال الكهربائي. لذا، لا يمكن فصل وجود المجال الكهربائي عن وجود الشحنة الكهربائية. المجال الكهربائي ليس مادة كالهواء، ولا موجة كالموجات الكهرومغناطيسية. إنه ناتج عن شحنة كهربائية، ويؤثر على الفضاء المحيط بها، حيث تتأثر الشحنات الكهربائية الأخرى فقط بالمجال الكهربائي.

لاختبار وجود مجال كهربائي (E) في غرفة ما، يُفترض وجود شحنة اختبارية في تلك المساحة. هذه الشحنة الاختبارية صغيرة جدًا (Q) بحيث تُنتج مجالًا كهربائيًا ضئيلًا، وبالتالي يمكن إهماله. مع ذلك، قد تتأثر الشحنة الاختبارية بالمجال الكهربائي الناتج عن شحنات كهربائية أخرى. يُستخدم وجود الشحنة الاختبارية فقط للتحقق من وجود مجال كهربائي (E). إذا وُجد مجال كهربائي (E) في المساحة،

يجب أن تتعرض شحنة الاختبار للقوة الكهربائية، بينما إذا لم تكن هناك قوة كهربائية، فإن شحنة الاختبار لا تتعرض للقوة الكهربائية.

انظر إلى الشكل الموجود على الجانب.

في الشكل 1، تُنتج الشحنتان +q1 _و +q2 مجالًا _{كهربائيًا} (E) في الفضاء المحيط. عند وضع شحنة الاختبار +q0 _في نقطة ما، تتعرض هذه الشحنة لقوة كهربائية. F1 _هي القوة الكهربائية التي تُؤثر بها الشحنة +q1 _على شحنة الاختبار +q0 _، وF2 _هي القوة الكهربائية التي تُؤثر بها الشحنة +q2 _على شحنة الاختبار +q0 _{. في} الشكل 2، عند إزالة شحنة الاختبار، يبقى المجال الكهربائي (E) ولا يختفي من تلك النقطة. E1 _هو المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة +q1 _، وE2 _هو المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة + _q2.

مقدار المجال الكهربائي

المجال الكهربائي كمية متجهة، وله مقدار واتجاه. يُشار عادةً إلى مقدار المجال الكهربائي بقوة المجال الكهربائي. تُعرَّف قوة المجال الكهربائي عند نقطة ما بأنها قوة الكهرباء التي تؤثر بها شحنة كهربائية على شحنة اختبار موجبة موضوعة عند تلك النقطة، مقسومةً على حجم شحنة الاختبار.

E = شدة المجال الكهربائي

F = القوة الكهربائية

q = شحنة الاختبار

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

اتجاه المجال الكهربائي

في الشكل 1أ، تؤثر شحنة كهربائية موجبة (+Q) بقوة كهربائية على شحنة الاختبار الموجبة (+q)، حيث يكون اتجاه القوة الكهربائية (F) بعيدًا عن شحنة +Q.

في الشكل 1ب، عند إزالة شحنة الاختبار، يكون هناك مجال كهربائي (E) في هذه النقطة يكون اتجاهه بعيدًا عن الشحنة الكهربائية Q.

في الشكل 2أ، تؤثر شحنة كهربائية سالبة (-Q) بقوة كهربائية على شحنة اختبار موجبة (+q)، حيث يقترب اتجاه القوة الكهربائية (F) من الشحنة -Q.

في الشكل 2ب، عند إزالة شحنة الاختبار، يكون هناك مجال كهربائي (E) يكون اتجاهه قريبًا من الشحنة الكهربائية -Q.

بناءً على الشكل والشرح أعلاه، يمكن استنتاج أن اتجاه المجال الكهربائي يبتعد عن الشحنة الكهربائية الموجبة ويقترب من الشحنة الكهربائية السالبة.

خطوط المجال الكهربائي

ينشأ المجال الكهربائي (E) من شحنة كهربائية ، ويؤثر على الفضاء المحيط بها، حيث لا تشعر بتأثيره إلا الشحنات الكهربائية الأخرى. فعندما توجد شحنة كهربائية أخرى في المجال الكهربائي الناتج عن شحنة كهربائية، فإنها تشعر بتأثير القوة الكهربائية.

إن فهم المجال الكهربائي المذكور أعلاه، كما هو موضح في المقال المتعلق بالمجال الكهربائي (E)، يمكن إدراكه ذهنياً، ولكنه يبقى مجرد تصور. ولتوضيح المجال الكهربائي (E)، تُستخدم خطوط المجال الكهربائي. خطوط المجال الكهربائي هي مجموعة من الخطوط المرسومة حول شحنة كهربائية للدلالة على وجود مجال كهربائي. ولأن الهدف هو إظهار وجود المجال الكهربائي (E)، فهناك ارتباط بين هذه الخطوط وهذا المجال. بعبارة أخرى، يمكن تفسير مقدار واتجاه المجال الكهربائي (E) من خلال رسم خطوط المجال الكهربائي.

فيما يلي العلاقة بين اتجاه وشدة المجال الكهربائي مع خطوط المجال الكهربائي:

أولاً، يتجه المجال الكهربائي بعيداً عن الشحنة الموجبة ويقترب من الشحنة السالبة. وبالتالي، فإن اتجاه خطوط المجال الكهربائي يتجه أيضاً بعيداً عن الشحنة الموجبة ويقترب من الشحنة السالبة.

إذا كانت الشحنة الموجبة مجاورة للشحنة السالبة، فإن خطوط المجال الكهربائي تتجه من الشحنة الموجبة نحو الشحنة السالبة. وعلى العكس، إذا كانت شحنة موجبة مجاورة لشحنة موجبة أخرى، فإن خطوط المجال الكهربائي تتجه من كل شحنة موجبة مبتعدةً عن الأخرى.

ثانيًا، تُقاس شدة المجال الكهربائي بالمسافة بين خطوط المجال الكهربائي. فكلما تقاربت المسافة بين خطوط المجال الكهربائي، زادت شدة المجال الكهربائي، وكلما تباعدت المسافة بين خطوط المجال الكهربائي، قلت شدة المجال الكهربائي.

لماذا تزداد شدة المجال الكهربائي كلما تقاربت المسافة بين خطوط المجال؟ لفهم ذلك، انظر إلى التفسير التالي. لنفترض أن شحنة موجبة تقع في مركز كرة، وأن خطوط المجال الكهربائي تنتشر في اتجاهات مختلفة عبر سطح الكرة. إذا كان عدد خطوط المجال الكهربائي N ومساحة سطح الكرة 4πr² ^، فإن عدد الخطوط لكل وحدة مساحة، أو كثافة الخطوط، يساوي N / 4πr² ^. بناءً على هذه الصيغة، ولنفس قيمة N، إذا صغرت قيمة r، تقاربت المسافة بين الخطوط، وإذا كبرت قيمة r، تباعدت المسافة بين الخطوط.

تُظهر صيغة شدة المجال الكهربائي E = kq / r² ^أن شدة المجال الكهربائي تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة. فكلما صغرت قيمة r، ازدادت شدة المجال الكهربائي، وكلما كبر حجم r، قلت شدة المجال الكهربائي.

بناءً على المراجعة السابقة، يمكن استنتاج أنه كلما صغرت قيمة r (أي كلما اقتربت من الشحنة)، زادت شدة المجال الكهربائي وتقاربت المسافة بين الخطوط. وعلى العكس، كلما زادت قيمة r (أي كلما ابتعدت عن الشحنة)، قلت شدة المجال الكهربائي وتباعدت المسافة بين الخطوط.

ثالثًا، يتناسب عدد خطوط المجال الكهربائي طرديًا مع شدة المجال الكهربائي. فكلما زاد عدد خطوط المجال الكهربائي، زادت شدة المجال الكهربائي. وكلما قل عدد خطوط المجال الكهربائي، قلت شدة المجال الكهربائي.