قانون كولوم: القوة الكامنة خلف الكهرباء الساكنة

محتويات

• مقدمة عن قانون كولوم
• صيغة قانون كولوم
• أهمية قانون كولوم في مختلف المجالات
• تطبيقات عملية لقانون كولوم
• تدريبات حسابية على قانون كولوم

مقدمة عن قانون كولوم

يشتهر قانون كولوم بأنه قانون فيزيائي أساسي يشرح القوة الكهربائية التي تنشأ بين الشحنات الكهربائية. وضع هذا القانون العالم الفرنسي شارل دي كولوم في القرن الثامن عشر، ليكشف عن العلاقة بين قوة التجاذب أو التنافر بين الشحنات الكهربائية، وشحنات هذه الأجسام والمسافة بينها.

صيغة قانون كولوم

ينص قانون كولوم على أن القوة الكهربائية بين شحنتين تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب قيمة الشحنتين، وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما. يمكن تمثيل هذا القانون رياضيًا بالصيغة الآتية:

$$ق = \frac{ك \times ش_1 \times ش_2}{ف^2}$$

حيث:

• ق: هي القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنات، وتقاس بوحدة نيوتن (N).
• ش1: هي قيمة الشحنة الأولى، وتقاس بوحدة كولوم (C).
• ش2: هي قيمة الشحنة الثانية، وتقاس بوحدة كولوم (C).
• ك: هو ثابت كولوم، وقيمته تساوي 9 × 10⁹ نيوتن متر مربع/كولوم مربع (Nm²/C²).
• ف: هي المسافة الفاصلة بين الشحنتين، وتقاس بالمتر (m).

أهمية قانون كولوم في مختلف المجالات

يُعد قانون كولوم أساسًا لفهم العديد من الظواهر الكهربائية، من بينها:

• الكهرباء الساكنة: تتجلى الكهرباء الساكنة عندما تتراكم الشحنات على سطح الجسم، مما يؤدي إلى تنافر هذه الشحنات. يمكن أن تشعر بصدمة كهربائية بسيطة عند لمس مواد فلزية بعد المشي، بسبب تراكم الشحنات في الجسم، مما يسبب تنافر الشحنات الزائدة وحدوث الصدمة عند ملامسة المواد المعدنية.
• التفاعلات داخل الذرات: تتنافر الشحنات المتشابهة داخل الذرات ما لم تقترب لدرجة كافية لتفوز القوة النووية الأقوى على قوى التنافر.
• استقطاب الشحنات: عند وجود جسم متعادل بالقرب من جسم مشحون، تحدث إعادة توزيع الإلكترونات في الجسم المتعادل، مما يؤدي إلى استقطاب الشحنات.

تطبيقات عملية لقانون كولوم

يستفيد الإنسان من مبادئ قانون كولوم في العديد من التطبيقات العملية، من بينها:

• الطلاء الإلكتروستاتيكي: يتم استخدام هذا النوع من الطلاء بشكل شائع في طلاء الدراجات، حيث تتجاذب جزيئات الطلاء المشحونة كهربائيًا مع سطح الجسم المراد طلائه.
• طابعات الليزر: تعتمد طابعات الليزر على شحنات كهربائية دقيقة لضبط تدفق الحبر على الورق.
• طابعات الحبر النفاث: تستخدم طابعات الحبر النفاث شحنات كهربائية دقيقة لضبط كمية الحبر المنبعثة من رأس الطباعة.
• التصوير بالأشعة السينية: تُستخدم الأشعة السينية لتحويل الإلكترونات إلى موجات كهرومغناطيسية، مما يسمح برؤية هيكل العظام والأنسجة الرخوة.

تدريبات حسابية على قانون كولوم

يمكن استخدام قانون كولوم لحساب القوة الكهربائية بين شحنات مختلفة، أو لحساب قيمة إحدى المتغيرات إذا كانت قيم المتغيرات الأخرى معروفة. إليك بعض الأمثلة:

حساب القوة الكهربائية بين شحنتين

مثال 1: احسب مقدار القوة الكهربائية بين شحنتين تحمل الأولى شحنة مقدارها 5×10^-16 كولوم، والثانية تحمل شحنة مقدارها 3×10^-16 كولوم، والمسافة بينهما تساوي 2×10^-8 متر.

الحل:

بالتعويض في قانون كولوم:

$$ق = \frac{ك \times ش_1 \times ش_2}{ف^2}$$

$$ق = \frac{9 \times 10^9 \times 5 \times 10^{-16} \times 3 \times 10^{-16}}{(2 \times 10^{-8})^2}$$

$$ق = 3.37 × 10^{-6} نيوتن$$

مثال 2: احسب مقدار القوة بين شحنتين متماثلتين إذا كان مقدار الشحنة يساوي 8× 10^-8 كولوم والمسافة التي تفصل بينهما تساوي 3 سم.

الحل:

بالتعويض في قانون كولوم:

$$ق = \frac{ك \times ش_1 \times ش_2}{ف^2}$$

$$ق = \frac{9 \times 10^9 \times 8 \times 10^{-8} \times 8 \times 10^{-8}}{(0.03)^2}$$

$$ق = 56.4 نيوتن$$

حساب المسافة بين شحنتين

مثال: جد المسافة بين شحنتين مقدار الأولى يساوي 8×10^-16 كولوم ومقدار الشحنة الثانية يساوي 4×10^-16 كولوم، ومقدار القوة بينهما يساوي 6×10^-6 نيوتن.

الحل:

بالتعويض في قانون كولوم:

$$ق = \frac{ك \times ش_1 \times ش_2}{ف^2}$$

$$6 \times 10^{-6} = \frac{9 \times 10^9 \times 8 \times 10^{-16} \times 4 \times 10^{-16}}{ف^2}$$

$$ف^2 = 4.8 \times 10^{-28}$$

$$ف = 2.2 \times 10^{-14} متر$$

حساب قيمة إحدى الشحنات

مثال: جد مقدار الشحنة الأولى إذا كانت الشحنة الثانية تساوي 7×10^-16 كولوم، والمسافة بين الشحنتين تساوي 3×10^-8 متر، بحيث يكون مقدار القوة بين الشحنتين يساوي 2.5 ×10^-6 نيوتن.

الحل:

بالتعويض في قانون كولوم:

$$ق = \frac{ك \times ش_1 \times ش_2}{ف^2}$$

$$2.5 \times 10^{-6} = \frac{9 \times 10^9 \times ش_1 \times 7 \times 10^{-16}}{(3 \times 10^{-8})^2}$$

$$ش_1 = 1.2 \times 10^{-8} كولوم$$

حساب قيمة الشحنتين المتماثلتين

مثال: ما مقدار شحنتين متماثلتين إذا كانت القوة بينهما تساوي 60 نيوتن والمسافة بينهما تساوي 0.01 متر؟

الحل:

باعتبار أن الشحنتين متساويتين، فإننا نجد مقدار الشحنة المربعة.

بالتعويض في قانون كولوم:

$$ق = \frac{ك \times ش_1 \times ش_2}{ف^2}$$

$$60 = \frac{9 \times 10^9 \times ش^2}{(0.01)^2}$$

$$ش^2 = 6.6 \times 10^{-11}$$

$$ش = 8.1 \times 10^{-11} كولوم$$

يكشف قانون كولوم عن القوة الكهربائية الناتجة عن التفاعل بين الشحنات في الفراغ، وتكمن أهميته في كون الشحنات هي المكون الأساسي لجميع الذرات الموجودة على الكوكب. لذا، يصبح هذا القانون مهمًا للغاية في العلوم الكهربائية، وهناك العديد من التطبيقات في الحياة العملية التي تعتمد على أساس قانون كولوم. يمكن تمثيل قانون كولوم رياضيًا بالصيغة: $$ق = \frac{ك \times ش_1 \times ش_2}{ف^2}$$.

المراجع:

• Coulomb’s law, britannica, Retrieved 31/8/2021. Edited.
• Coulomb’s Law, www.toppr.com, Retrieved 2/5/2019. Edited.
• Coulomb’s Law (Electric Force): What Is It & Why Is It Important, sciencing, Retrieved 24/8/2021. Edited.
• What Are the Applications of Coulomb’s Law?, interestingengineering, Retrieved 29/8/2021. Edited.