مفهوم القوة الكهربائية وتطبيقاتها

مقدمة حول القوة الكهربائية

القوة الكهربائية (يرمز لها بـ ق أو F) هي قوة اتجاهية تعتمد بشكل أساسي على الشحنة الكهربائية. يمكن فهمها على أنها القوة الناتجة عن التجاذب أو التنافر بين جسيمين مشحونين. كما هو معروف، الأجسام ذات الشحنات المتماثلة تتنافر، بينما الأجسام ذات الشحنات المختلفة تتجاذب، مما يؤدي إلى نشوء قوة كهروستاتيكية.

يتم استخدام قوانين نيوتن لتحليل حركة الأجسام تحت تأثير القوة الكهربائية، ويتم ذلك من خلال تصور حركة شحنة حرة مع تحديد اتجاه وأنواع القوى المؤثرة عليها باستخدام المتجهات لحساب المحصلة، مما ينتج القوة الكلية التي يمكن استخدامها لتحديد تسارع الجسم.

من الجدير بالذكر أن القوة الكهربائية لا تعتمد على كتلة الجسم. هذا يعني أن القوة الكهربائية بين إلكترونين (شحنات سالبة) تساوي القوة الكهربائية بين بروتونين (شحنات موجبة) بشرط أن تكون المسافة بينهما متساوية.

كيفية حساب القوة الكهربائية

يُعرف القانون المستخدم لحساب القوة الكهربائية بقانون كولوم، والذي ينص على أن “مقدار القوة الكهربائية يتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بين جسمين مشحونين، وطرديًا مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين”. يمكن تمثيل قانون كولوم رياضيًا على النحو التالي:

القوة الكهربائية = ثابت كولوم × (الشحنة الأولى × الشحنة الثانية) / مربع المسافة بينهما

ق= أ × (ش1×ش2) / ف2

• ق: القوة الكهربائية، وتقاس بوحدة نيوتن.
• أ: ثابت كولوم، ويساوي 9×10⁹ نيوتن.م²/كولوم².
• ش1: مقدار الشحنة الأولى، وتقاس بوحدة كولوم.
• ش2: مقدار الشحنة الثانية، وتقاس بوحدة كولوم.
• ف: المسافة بين الشحنتين، وتقاس بوحدة المتر.

تجدر الإشارة إلى أن قانون كولوم لا يمكن استنتاجه من قانون آخر، بل هو قانون تجريبي.

ملاحظة: غالبًا ما يُستخدم قانون كولوم مع ما يُعرف بالشحنات النقطية، والتي تمثل جسمًا صغيرًا جدًا، مهمل الأبعاد والكتلة، ولكنه يحمل شحنة كهربائية.

المحددات المؤثرة في القوة الكهربائية

يتأثر مقدار القوة الكهربائية بعدة عوامل يمكن استنتاجها من قانون كولوم نفسه، وهي:

• مقدار الشحنة الأولى (ش1): يتناسب طرديًا مع مقدار القوة الكهربائية.
• مقدار الشحنة الثانية (ش2): يتناسب طرديًا مع مقدار القوة الكهربائية.
• مربع المسافة بين الشحنتين (ف²): يتناسب عكسيًا مع مقدار القوة الكهربائية.

بمعنى آخر، الشحنات الأكبر والمسافات الأقصر تؤدي إلى قوة كهربائية أكبر.

أمثلة توضيحية لحساب القوة الكهربائية

لتوضيح القانون وكيفية تطبيقه، إليكم بعض الأمثلة:

مثال 1:

ما قيمة شحنتين متطابقتين تفصل بينهما مسافة 2 سم، وتبلغ قوة التنافر بينهما 30 نيوتن؟

الحل:

بما أن الشحنتين متطابقتان، فإن ش الكلية = ش1 × ش2 = ش²

تحويل المسافة من سم إلى متر: 2 سم = 0.02 م

تطبيق قانون كولوم:

ق= أ × (ش1×ش2) /ف2

30 = ((9 ×910 ) ×ش1×ش2) / (0.02) ²

30 = 9 ×910 × ش² / (4 × 10^-4)

ش² = ± 1.3 × 10^-12 كولوم

إذًا مقدار الشحنة الأولى = مقدار الشحنة الثانية = ±1.14 × 10^-6 كولوم.

مثال 2:

شحنتان كهربائيتان تحملان شحنة مقدارها 1.5 ميكرو كولوم لكل منهما، تفصل بينهما مسافة 0.05 متر، ما مقدار قوة التنافر بينهما؟

الحل:

تحويل الشحنة من ميكرو كولوم إلى كولوم: 1 كولوم = 1 × 10^-6 ميكرو كولوم

تطبيق قانون كولوم:

ق= أ × (ش1×ش2) /ف2

ق = 9 ×910 × (1.5 × 10^{– 6})² / (0.05)²

ق = 8.1 نيوتن.

أنواع القوى الكهربائية

يوجد نوعان رئيسيان من الشحنات الكهربائية: الشحنة الموجبة والشحنة السالبة. العلاقة بينهما تحدد نوع القوة الكهربائية:

• قوة التجاذب الكهربائية: تنشأ بين شحنتين مختلفتين (+ ، ــ) أو ( ــ ، +)، حيث تنجذب كلتا الشحنتين نحو بعضهما البعض.
• قوة التنافر الكهربائية: تنشأ بين شحنتين متماثلتين (+ ، +) أو (ــ ، ــ)، حيث تتنافر كلتا الشحنتين بعيدًا عن بعضهما البعض.

يمكن أن تتولد القوة الكهربائية بين جميع الجسيمات المشحونة بغض النظر عن نوع الشحنة. وتظهر هذه القوة بوضوح في الجسيمات الصغيرة مثل البروتونات والإلكترونات داخل الذرات. البروتونات جسيمات موجبة الشحنة توجد داخل النواة وترتبط بها بقوة، بينما الإلكترونات جسيمات سالبة الشحنة توجد خارج النواة ولها مدارات خاصة تمكنها من الحركة حول الذرة.

الاستخدامات المتنوعة للقوة الكهربائية

تتنوع استخدامات القوة الكهربائية في مختلف المجالات، وتدخل في العديد من جوانب حياتنا اليومية والعملية:

• الاستخدام في المجال الطبي: تعتمد جميع الأجهزة الطبية والآلات والمعدات الكهربائية والتقنيات الطبية الحديثة على الكهرباء أو القوة الكهربائية لتشغيلها، مثل أجهزة العلاج الكهربائي. كما ساهمت الكهرباء في تحسين الخدمات المقدمة للمرضى من خلال توفير الإضاءة المناسبة للعمليات الجراحية الخطيرة.
• الاستخدام في المجالات الهندسية: تعتبر الكهرباء عنصرًا أساسيًا في عمليات البناء والإنشاء، حيث تعتمد عليها تشغيل الآلات اللازمة لبناء المنازل وتركيب الأبواب والنوافذ.
• الاستخدام في مجالات الاتصال والتواصل: بدون الكهرباء، تقل أو تنعدم وسائل الاتصال والتواصل والإعلام. تتحول الهواتف المحمولة إلى مجرد قطع خردة، وتتعطل المطارات والطائرات، مما يعيق التنقل والوصول إلى الأماكن المختلفة.
• الاستخدام في مجال الترفيه: تعتمد أساليب الترفيه الحديثة على استخدام الحواسيب والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية، بالإضافة إلى الاستماع إلى الموسيقى من مشغلات MP3 ومشاهدة التلفزيون والأفلام على أقراص DVD أو VCD أو VCR، وكل هذه الأجهزة تعتمد على الكهرباء بشكل كامل.
• الاستخدام في الفضاء: تعمل الأقمار الصناعية والمجسات الفضائية بالكهرباء المولدة عن طريق مولدات أو بطاريات. وبدون الكهرباء، لم يكن الوصول إلى القمر ممكنًا.

خلاصة القول

القوة الكهربائية أو الكهروستاتيكية هي قوة اتجاهية لا تعتمد على كتلة الجسم. يصف قانون كولوم مقدار هذه القوة بين الشحنات الثابتة أو النقطية، وتعتمد القوة الكهربائية في قوتها (أو مقدارها) على الشحنات الكهربائية (علاقة طردية) بالإضافة إلى مربع المسافة (علاقة عكسية). يزداد مقدار القوة بازدياد مقدار الشحنات وبقصر المسافة بينها.

تختلف أنواع القوة باختلاف الشحنات: إما قوة تجاذب وتكون بالتقاء شحنتين مختلفتين فتتجهان باتجاه بعضهما البعض (موجبة مع سالبة)، أو قوة تنافر بابتعاد شحنتين متشابهتين (موجبة مع موجبة) أو (سالبة مع سالبة).

المصادر

1. “Electrical force”,BYJUS
2. “Coulomb’s Law”,The Physics Classroom
3. “Electric Charge and Electric Force”,CK-12 Foundation
4. “important-concepts/physics/electrical-force”,Aakash
5. “uses of electricity”,BYJUS