قانون كولوم. يُعد التفاعل بين الأجسام المشحونة قوةً لا تتطلب الاتصال وتعمل على المسافة الفاصلة بين الجسمين. يتضمن كل تفاعل كهربائي قوة تبرز أهمية هذه المتغيرات الثلاثة، مقدار كل من الشحنتين والمسافة. سواءًا كان أنبوبًا بلاستيكيًا يجذب قطعًا من الورق، أو تباعد بالونين يمتلكان نفس الشحنة الكهربائية ، أو صفيحة مشحونة من الستيروفوم تتفاعل مع الإلكترونات في قطعة من الألومنيوم، توجد دائمًا شحنتان ومسافة بينهما وتعتبر هذه المتغيرات الثلاثة الرئيسية المؤثرة على قوة التفاعل.
القوة بمثابة كمية متجهة
يُعبَر عن القوة الكهربائية باستخدام وحدة نيوتن مثل جميع القوى، وبما أنها قوة، فهي تُعتَبر قوة التفاعل الكهربائي كمية متجهة تمتلك مقدارًا واتجاه. يعتمد اتجاه القوة الكهربائية على تشابه أو اختلاف شحنة الأجسام مشحونة، وعلى اتجاهها المكاني.
ويمكن تحديد اتجاه القوة على كل منهما عند معرفة نوع الشحنة على الجسمين. في الرسم أدناه، يمتلك الجسمان (A) و(B) شحنتين متماثلتين ما يتسبب في تنافرهما. وبالتالي تُوجه القوة على الجسم(A) إلى اليسار بعيدًا عن (B) وتُوجه القوة على الجسم (B) إلى اليمين بعيدًا عن (A).
أما الجسمان (C) و(D) فيمتلك كل منهما شحنةً مختلفةً عن الآخر، ما يجعلهما يتجاذبان. وبالتالي تُوجه القوة على الجسم (C) إلى اليمين باتجاه (D) وتُوجه القوة على الجسم (D) إلى اليسار باتجاه (C). أي أن أفضل طريقة لتحديد متجه القوة الكهربائية هي تطبيق القاعدة الأساسية لتفاعل الشحنات “الأضداد تتجاذب والمتشابهات تتنافر”.
تحديد اتجاه القوة الكهربائية
تمتلك القوة الكهربائية مقدارًا أيضًا، مثل معظم أنواع القوى، توجد مجموعة متنوعة من العوامل المؤثرة على مقدار القوة الكهربائية؛ يمكن التحكم في مقدار قوة تنافر بالونين يمتلكان نفس الشحنة عن طريق تغيير ثلاثة متغيرات؛ أولًا، تؤثر كمية الشحنة على أحد البالونات على قوة التنافر، فكلما زاد عدد شحنات البالون زادت قوة التنافر.
ثانيًا، تؤثر كمية الشحنة على البالون الثاني على قوة التنافر. فعند فرك البالونين بلطف على فراء الحيوانات تتنافر البالونات بشكل أقل، أما عند فرك البالونات بقوة تنتقل المزيد من الشحنة لكليهما وتتنافر أكثر. أخيرًا، للمسافة بين البالونات تأثير كبير وملحوظ على قوة التنافر. ت
كون القوة الكهربائية أقوى عند اقتراب البالونات. أي أن تقليل المسافة الفاصلة بينها يزيد من القوة. في هذه الحالة يقال أن مقدار القوة والمسافة بين الجسمين يتناسبان عكسيًا.
معادلة قانون كولوم
يُعرف التعبير الكمي لتأثير هذه المتغيرات الثلاثة على القوة الكهربائية باسم قانون كولوم. ينص قانون كولوم على أن القوة الكهربائية بين جسمين مشحونين تتناسب طرديًا مع ناتج كمية الشحنة للجسمين وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة الفاصلة بينهما. ويمكن التعبير عن قانون كولوم بالمعادلة التالية:
F = k × Q1 × Q2 / d2
إذ يمثل (Q1) كمية الشحنة على الجسم 1 بالكولوم، ويمثل (Q2) كمية الشحنة على الجسم 2 بالكولوم، ويمثل (d) المسافة الفاصلة بين الجسمين بالأمتار. الرمز (k) هو ثابت التناسب المعروف باسم ثابت قانون كولوم وتعتمد قيمة هذا الثابت على الوسط الذي تكون فيه الأجسام المشحونة.
في حالة الهواء، تبلغ قيمة الثابت حوالي (9.0 × 10 أس 9 N . m2 / C2). وإذا كانت الأجسام المشحونة موجودة في الماء، تقل قيمة (k) بمقدار 1/80. تلغي وحدات الثابت (k) كلًا من وحدة الشحنة والمسافة في المعادلة تاركةً النيوتن بمثابة وحدة للقوة في الناتج.
توفر معادلة قانون كولوم وصفًا دقيقًا للقوة بين جسمين يتصرفان بمثابة شحنات نقطية. تتفاعل الكرة الموصلة المشحونة مع الأجسام المشحونة الأخرى كما لو أن شحنتها بالكامل تقع في مركزها. بينما تنتشر الشحنة بشكل موحد حول سطح الكرة، أي يمكن اعتبار مركز الكرة بمثابة مركز للشحنة، وبما أن قانون كولوم ينطبق على الشحنات النقطية، فإن المسافة (d) في المعادلة هي المسافة بين مركزي الشحنتين للجسمين لا المسافة بين أقرب سطحين لهما.
يمثل الرمزان (Q1) و(Q2) في المعادلة مقدار الشحنة للجسمين المتفاعلين. ولأن الجسم يمكن أن يكون موجب الشحنة أو سالبًا، غالبًا ما يُعبر عن هذه الكميات بمثابة قيم (+) أو (-). تبين علامة الشحنة ما إذا كان الجسم يحتوي على فائض من الإلكترونات (جسم سالب الشحنة) أو نقص في الإلكترونات (جسم موجب الشحنة).
وعند استخدام علامتي (+) و(-) في حساب القوة، تكون النتيجة أن علامة (-) تدل على قوة جاذبة وأن علامة (+) تشير إلى قوة نافرة. ورياضيًا، تكون قيمة القوة موجبة عندما تتشابه (Q1) و (Q2)، أي أن كلاهما (+) أو كلاهما (-). وتكون قيمة القوة سالبة عندما تختلف (Q1) و(Q2)، أي أن تكون إحداها (+) والأخرى (-).
يتوافق هذا مع المفهوم القائل بأن الأجسام ذات الشحنة المختلفة تتفاعل جذبًا وأن الأجسام متشابهة الشحنة تتفاعل تنافرًا. وفي النهاية، إذا استطعت التفكير بالمفهوم ذاته وليس فقط من الناحية الرياضية، فستكون قادرًا على تحديد طبيعة القوة، جاذبة أو نافرة، دون استخدام علامتي (+) و(-) في المعادلة.
اقرأ أيضًا:
ترجمة: رتاج ابراهيم
تدقيق: مينا خلف
مراجعة: آية فحماوي
