القوة الكهربائية

تعريف القوة الكهربائية

تعد القوة الكهربائية -ويرمز لها بالرمز ق أو (F من كلمة force)- قوة متجهة معتمدة على الشحنة الكهربائية، ويمكن تعريفها على أنها القوة التي تنشأ بسبب التجاذب أو التنافر الحاصل بين جسمين مشحونين، فمن المعروف أن الأجسام المتشابهة في الشحنة تتنافر، وأن الأجسام المختلفة في الشحنة تتجاذب، وهذا يولد قوة كهروستاتيكية.^[١]

تستخدم قوانين نيوتن لتحليل الحركة تحت تأثير القوة الكهربائية، ويكون التحليل ببناء صورة شحنة حرة الحركة مع عرض اتجاه ونوع القوى الفردية المؤثرة عليها بواسطة المتجهات (كمية متجهة) لحساب المجموع الناتج، وينتج ما يسمى القوة الكلية التي يمكن تطبيقها لتحديد تسارع الجسم.^[١]

ولا تعتمد القوة الكهربائية على كتلة الجسم، ويعني ذلك أن القوة الكهربائية بين إلكترونين (شحنات سالبة) تساوي القوة الكهربائية بين بروتونين (شحنات موجبة) بشرط وضعها على مسافات متساوية.^[١]

قانون حساب القوة الكهربائية

يعرف القانون المستخدم في حساب القوة الكهربائية باسم قانون كولوم؛ الذي ينص على أن "مقدار القوة الكهربائية تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة الفاصلة بين جسمين مشحونين، وطرديً مع حاصل ضرب الشحنتين"، ويُمكن كتابة قانون كولوم رياضيًا كما يأتي:^[٢]

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

ق= أ × (ش₁ × ش₂) / ف²

• ق

هي القوة الكهربائية ووحدة قياسها هي نيوتن.

• أ

هو ثابت كولوم، ويساوي 9×10⁹ ووحدته هي (نيوتن.م²/كولوم²).

• ش₁

هي مقدار الشحنة الأولى، ووحدة قياسها هي (كولوم).

ش₂

هي مقدار الشحنة الثانية، ووحدة قياسها هي (كولوم).

• ف

هي المسافة بين الشحنتين وهي مُقاسة بالمتر. 

ومن الجدير بالذكر أنه لا يمكن اشتقاق قانون كولوم من قانون آخر، فهو قانون تجريبي.^[١]

ملاحظة: عادةً ما يستخدم قانون كولوم مع ما يعرف بالشحنات النقطية، والشحنة النقطية تمثل جسمًا صغيرًا جدًا مهمل الأبعاد والكتلة، لكنه يمتلك شحنة كهربائية.^[١]

العوامل التي تعتمد عليها القوة الكهربائية

يتأثر مقدار القوة الكهربائية بعوامل معينة يمكن ملاحظتها من قانون كولوم نفسه، وهي كالتالي:^[٣]

• مقدار الشحنة الأولى (اختصارًا: ش₁)

يتناسب مقدار هذه الشحنة طرديًا مع مقدار القوة الكهربائية.

• مقدار الشحنة الثانية (اختصارًا: ش₂)

يتناسب مقدار هذه الشحنة طرديًا أيضًا مع مقدار القوة الكهربائية.

• مربع المسافة بين الشحنتين (اختصارًا: ف²)

يتناسب مقدار هذه المسافة عكسيًا مع مقدار القوة الكهربائية.

أي أن الشحنات الأكبر والمسافات الأقصر تنتج قوة كهربائية أو كهروستاتيكية أكبر.

أمثلة على حساب القوة الكهربائية

لا بد من ذكر بعض الأمثلة لتوضيح القانون وكيفية تطبيقه، وفيما يلي بعض الأمثلة التي تساعد على ذلك:

مثال 1:

جد قيمة شحنتين متطابقتين تفصل بينهما مسافة مقدارها 2 سنتيمتر، وتبلغ قوة التنافر بينهما 30 نيوتن؟

الحل:

الشحنة الأولى والثانية متساويتان في مقدارهما لأنهما متطابقتان؛ لذا ش الكلية = ش₁ × ش₂ = ش²

أولًا؛ يجب تحويل المسافة من سم إلى متر

1م = 100 سم، إذًا 2 سم = 0.02 م، وبالتالي المسافة = 0.02 م.

يكتب قانون كولوم وتعوض القيم المعطاة فيه كالتالي:

• 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.

مثال 2:

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

الحل:

الخطوة الأولى هنا تحويل الشحنة من ميكرو كولوم إلى كولوم، إذ إن: 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

هنالك نوعان مختلفان من الشحنات يولدان بتقاربهما القوة الكهربائية، وهما عبارة عن شحنة موجبة وشحنة كهربائية سالبة ونتيجة العلاقة بينهما تتواجد نوعين من أنواع القوى الكهربائية هما:^[٤]

قوة التجاذب الكهربائية

إن تواجد شحنتين مختلفتين (+ ، ــ) أو ( ــ ، +) يولد قوة تجاذب، بحيث تنجذب كلتا الشحنتين تجاه بعضهما البعض.

قوة التنافر الكهربائية

إن تواجد شحنتين متماثلتين (+ ، +) أو (ــ ، ــ) يولد قوة تنافر، بحيث تتنافر كلتا الشحنتين بعيدًا عن بعضهما البعض.

أي أنه من الممكن أن تتولد القوة الكهربائية بين الجسيمات المشحونة جميعها بغض النظر عن نوع الشحنة، وبالطبع تلاحظ القوة الكهربائية في الجزيئات الصغيرة المعروفة بالبروتونات والإلكترونات داخل الذرات، والبروتونات هي عبارة عن جسيمات موجبة الشحنة تتواجد داخل النواة وهي مرتبطة بها بإحكام ولا تتحرك.^[١]

بينما الإلكترونات هي عبارة عن جسيمات سالبة الشحنة تتواجد بعيدًا عن الذرة، ولها مداراتها الخاصة التي تمكنها من التحرك حول الذرة.[٤] 

تطبيقات على استخدام القوة الكهربائية

تختلف تطبيقات استخدام القوة الكهربائية باختلاف المجالات المستخدمة بها، وتوجد العديد من الجوانب الحياتية أو العملية التي تدخل الكهرباء فيها، ومنها ما يأتي:^[٥]

استخدام القوة الكهربائية في المجال الطبي

إن جميع الأجهزة الطبية والآلات والمعدّات الكهربائيّة والتقنيات الطبية الحديثة تعتمد على الكهرباء أو القوة الكهربائية لتشغيلها كأجهزة العلاج الكهربائيّ، وقد ساهمت الكهرباء في زيادة الخدمات المقدمة للمرضى بفضل توفير الإضاءة المناسبة فبدون كهرباء لا وجود للضوء الضروري جدًا للعمليات الخطيرة.

استخدام القوة الكهربائية في المجالات الهندسية

تُعدّ الكهرباء عامل أساسي في العديد من عمليات البناء والإنشاء، فلا شك بأن بناء المنازل وتركيب البوابات والنوافذ وغيرها من الأمور تتطلب الكهرباء لتشغيل الآلات اللازمة لها.

استخدام القوة الكهربائية في مجالات الاتصال والتواصل

بدون الكهرباء لقلت أو حتى انعدمت وسائل الاتصال والتواصل والإعلام بين البشر، ولتحولت الهواتف النقالة إلى مجرد قطع من الخردة البالية التي لا فائدة منها، ولتعطلت أيضًا المطارات والطائرات، فهي سبب رئيسي للتنقل والوصول إلى الأماكن المختلفة.

استخدام القوة الكهربائية في مجال الترفيه

أصبحت أساليب الترفيه اليوم تعتمد على استخدام الحواسيب، والهواتف الذكية، والأجهزة اللوحية، انتقالاً إلى الاستماع إلى الموسيقى من مشغلات MP3، ومشاهدة التلفزيون وتشغيل الأفلام على أقراص DVD أو VCDs أو VCRs، وهذه جميعها تعتمد على الكهرباء اعتمادًا كاملًا.

استخدام القوة الكهربائية في الفضاء

تعمل الأقمار الصناعية والمجسات الفضائية على الكهرباء المولدة بمساعدة مولد أو بالبطارية، ولولا وجود الكهرباء لم تكن لتصبح مهمة الوصول الى القمر ممكنة ولو قليلاً.

ملخص

القوة الكهربائية أو الكهروستاتيكية هي قوة متجهة لا تعتمد على كتلة الجسم، ويصف 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)، فيزداد مقدار القوة بازدياد مقدار الشحنات وبقصر المسافة بينها.

وتختلف 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). 

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت ث ج ح} "Electrical force", BYJUS, Retrieved 30/9/2021. Edited.
2. ↑ "Coulomb's Law", The Physics Classroom, Retrieved 30/9/2021. Edited.
3. ↑ "Electric Charge and Electric Force", CK-12 Foundation, Retrieved 30/9/2021. Edited.
4. ^ ^{أ ب} "important-concepts/physics/electrical-force", Aakash, Retrieved 30/9/2021. Edited.
5. ↑ "uses of electricity", BYJUS, Retrieved 30/9/2021. Edited.