القوة الكهربائية (٣)

يقوم درس القوة الكهربائية على حساب مقدار القوة المتبادلة بين أي جسمين مشحونين وسلوك الشحنات في الطبيعة. الفكرة الأساسية ترتكز على قانون كولون الذي يربط القوة طردياً بحاصل ضرب مقداري الشحنتين وعكسياً مع مربع المسافة بينهما. فأي شحنتين متشابهتين تتنافران ومختلفتين تتجاذبان. ومثال ذلك: إذا كان لديك شحنتان مقدار كل منهما $2.5 imes 10^{-5} \text{ C}$ والمسافة بينهما $0.15 \text{ m}$، فإن قانون كولون $F = K \frac{q_A q_B}{r^2}$ يمكنك من حساب القوة الناشئة بينهما بدقة باستخدام الثابت الكهربائي لمعرفة مقدار التنافر أو التجاذب.

الفكرة الأساسية

تدور الفكرة الأساسية للدرس حول تحديد مقدار القوة الكهربائية المتبادلة بين الأجسام المشحونة وكيفية تأثير المسافة ومقدار الشحنة على هذه القوة. الشحنات المتشابهة تتنافر والشحنات المختلفة تتجاذب، ويحكم هذه العلاقة قانون رياضي دقيق يعرف بقانون كولون.

الشرح

انظر إلى قانون كولون المطبوع في الدرس: $F = K \frac{q_A q_B}{r^2}$.

• الرمز $F$ يمثل القوة الكهربائية المتبادلة وتُقاس بوحدة نيوتن $N$.
• الرمز $K$ هو الثابت الكهربائي في القانون.
• الرمز $q_A$ يمثل مقدار الشحنة الأولى، والرمز $q_B$ يمثل مقدار الشحنة الثانية، وتُقاس الشحنة بوحدة الكولوم $C$.
• الرمز $r$ يمثل المسافة الفاصلة بين مركز الشحنتين وتُقاس بوحدة المتر $m$. هذا القانون يوضح أن القوة تتناسب طردياً مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين، بمعنى أنه كلما زادت الشحنة زادت القوة. وفي المقابل، تتناسب القوة عكسياً مع مربع المسافة $r^2$ بينهما، مما يعني أنه كلما ابتعدت الشحنتان عن بعضهما قلّت القوة بشكل كبير.

مثال محلول خطوة بخطوة

شحنتان كهربائيتان مقدار كل منهما $2.5 imes 10^{-5} \text{ C}$، والمسافة بينهما $0.15 \text{ m}$. أوجد القوة التي تؤثر في كل منها. الخطوة الأولى: حدد المعطيات من النص: $q_A = 2.5 imes 10^{-5} \text{ C}$ $q_B = 2.5 imes 10^{-5} \text{ C}$ $r = 0.15 \text{ m}$ الخطوة الثانية: اكتب القانون المناسب: $F = K \frac{q_A q_B}{r^2}$ الخطوة الثالثة: عوض بالقيم في القانون واجري الحسابات: اضرب الشحنتين بعضهما في بعض، ثم اقسم الناتج على مربع المسافة، ثم اضرب في الثابت لتصل إلى القوة النهائية بالنيوتن.

أخطاء شائعة

• إهمال تربيع المسافة $r$ في المقام عند تطبيق قانون كولون، ووضعها كما هي.
• الخلط بين وحدات القياس، مثل استخدام السنتيمتر دون تحويله إلى أمتار.
• نسيان تحديد اتجاه القوة والتصرف وكأنها كمية قياسية وليست متجهة.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ماذا يحدث للقوة الكهربائية المتبادلة بين شحنتين إذا ضوعفت المسافة بينهما إلى المثلين؟ الإجابة: تقل القوة إلى الربع، لأن المسافة مربعة في مقام القانون. السؤال الثاني: شحنتان إحداهما موجبة والأخرى سالبة، هل تحدث بينهما قوة تجاذب أم تنافر؟ الإجابة: تحدث بينهما قوة تجاذب لأن الشحنات المختلفة تتجاذب.