ما هو الحقل الكهربائي

الكهرباء

تعد الكهرباء إحدى الظواهر الفيزيائية المرتبطة بوجود وتحركات المادة التي تمتلك خاصية الشحن الكهربائي، وتكون الشحنات الكهربائية إما سالبة وإما موجبة، بحيث ينتج عن وجود الشحنات الكهربائية ما يعرف بالمجال الكهربائي، بينما ينتج عن حركة الشحنات الكهربائية كلًا من التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي، إذ لم يكن للكهرباء أي ارتباط بالمغناطيسية من قبل، ولكن أشارت العديد من التجارب العلمية إلى أنّ كلًا من الكهرباء والمغناطيسية تنتجان من ظاهرة واحدة تعرف بالكهرومغناطيسية، ومن ثم تم تأكيد هذا الأمر من خلال تطوير معادلات ماكسويل، وفي هذا المقال سيتم إجابة سؤال: "ما هو الحقل الكهربائي؟" بنوعٍ من التفصيل.^[١]

مصطلحات كهربائية

قبل البدء بالحديث عن ما هو الحقل الكهربائي لا بد من التعرف على بعض المصطلحات الكهربائية المستخدة في الفيزياء، إذ من المهم معرفة المصطلحات المستخدمة في هذا العلم للتمكن من فهم المصطلحات والمعلومات التي سترد في ما بعد، وفي ما يأتي تعريفات لبعض هذه المصطلحات:

• الشحنة الكهربائية: وهي الخاصية الفيزيائية للمادة التي تتأثر بقوة عند وضعها داخل مجال كهربائي والتي تقاس بالكولوم.^[٢]
• التيار الكهربائي: وهو تعبير عن حركة الشحنة الكهربائية كالإلكترون في موصل ما والذي يقاس بالأمبير.^[١]
• الجهد الكهربائي: وهو تعبير عن مقدار العمل اللازم لنقل شحنة من نقطة مرجعية إلى نقطة أخرى محددة داخل المجال الكهربائي دون إحداث تسارع، ويقاس الجهد الكهربائي بالفولت.^[٣]
• القدرة الكهربائية: وهو معدل نقل الطاقة الكهربائية بواسطة دارة كهربائية والتي تقاس بوحدة الواط.^[١]
• المغناطيس الكهربائي: وهو أحد أنواع المغانط الذي يتم فيه إنتاج المجال المغناطيسي بواسطة تيار كهربائي، وتتكون هذه المغانط غالبًا من ملف من الأسلاك.^[٤]
• الكيمياء الكهربائية: وهي تعبر عن قدرة التفاعلات الكيميائية على إنتاج الكهرباء وقدرة الكهرباء على إحداث التفاعلات الكيميائية.^[١]
• الدارة الكهربائية: وهي عبارة عن حلقة مغلقة من المكونات الكهربائية التي يسري فيها تيار من الشحنات الكهربائية والتي تستخدم لتحقيق غرض مفيد.^[١]

استخدامات الكهرباء

تعد الكهرباء شريانًا رئيسًا للحياة في الوقت الحالي، إذ إنها تستخدم لتشغيل مختلف أنواع الأجهزة والأدوات وطرق النقل، وعادةً ما تستخدم هذه الكهرباء بعد أن يتم إنتاجها في محطات توليد الطاقة، وفي ما يأتي سيتم الحديث عن استخدامات الطاقة الكهربائية في السيارات والمنازل والمدن المختلفة:^[٥]

السيارات الكهربائية

تعتمد السيارات الكهربائية على هذا النوع من الطاقة في العمل، فمع أن هذه السيارات موجودة منذ عام 1920 إلا أن السيارات الكهربائية الحديثة انتشرت في السنوات الماضية بسبب القدرة على شحن بطاريات هذه السيارات عن طريق منافذ خاصة، وتتمتع هذه السيارات أيضًا بتصاميم تمنع مقاومة الهواء من تقييد حركة السيارة، مما يجعلها اقتصادية في عملية صرف الطاقة^[٥].

المنازل

تستخدم الطاقة الكهربائية في توفير الطاقة اللازمة للمنازل في مختلف أنحاء العالم، إذ تحتوي المنازل على منافذ كهربائية خاصة تستخدم لتوفير الكهرباء اللازمة للأجهزة والإلكترونيات المختلفة، كما تتواجد الأسلاك الكهربائية داخل هياكل المنازل من أجل توفير الطاقة للإنارات الداخلية والخارجية، كما تمد الكهرباء المنازل بالطاقة اللازمة لتبريد أو تدفئة المنزل على مدار السنة^[٥].

المدن

تساعد الكهرباء على تزويد المدن بالطاقة اللازمة لإدارة إشارات المرور ومصابيح الشوارع، حيث من الممكن توليد الطاقة الكهربائية التي تحتاجها المدن عن طريق محطات توليد الطاقة أو توربينات الرياح أو محطات الطاقة الكهروكيميائية أو شبكات الطاقة الشمسية^[٥].

ما هو الحقل الكهربائي

يعرف الحقل الكهربائي أيضًا باسم المجال الكهربائي، ومن الممكن الإجابة عن سؤال: "ما هو الحقل الكهربائي؟" بأنه خاصية كهربائية مرتبطة بكل النقاط الموجودة في الفضاء الذي يحتوي على شحنة ما، فعند معرفة قيمة الحقل الكهربائي الموجود في إحدى هذه النقاط فإنه من الممكن معرفة ما سيحدث للشحنات الكهربائية إذا وضعت بالقرب من تلك النقطة بالذات، وفي القوانين الفيزيائية فإن الرمز E يرمز إلى كل من اتجاه وقيمة الحقل الكهربائي، كما تستخدم العديد من المصطلحات المرادفة للحقل الكهربائي كقوة الحقل الكهربائي أو شدة الحقل الكهربائي للتعبير عن القيمة نفسها.^[٦]

بدلًا من اعتبار القوة الكهربائية مجرد تفاعل مباشر بين شحنتين كهربائيتين تبعدان عن بعضهما مسافة محددة، فإن من الأفضل اعتبار إحدى الشحنات مصدرًا للحقل الكهربائي الذي يمتد إلى الفضاء المحيط بها، بينما يتم اعتبار القوة الكهربائية تفاعل مباشر بين الحقل الكهربائي والشحنة الثانية التي تسمى أيضًا بشحنة الاختبار، ولكن تعتمد شدة الحقل الكهربائي على الشحنة الأولى والتي تدعى بشحنة المصدر ولا يعتمد على شحنة الاختبار، وبهذا من الممكن الإجابة عن سؤال ما هو الحقل الكهربائي بطريقة أخرى، إذ يمكن تعريف الحقل الكهربائي عند نقطة ما بأنه القوة الكهربائية المبذولة على وحدة الشحنة الكهربائية الموجبة أي شحنة الاختبار عند النقطة نفسها، وبالتالي فإن قانون الحقل الكهربائي يتمثل بما يأتي: ^[٦]

شدة الحقل الكهربائي = القوة الكهربائية / شحنة الاختبار^[٦].

بما أنّ الحقل الكهربائي يتمثل بكمية متجهة فلا بد من معرفة كيفية تحديد الاتجاه بعد التعرف على ما هو الحقل الكهربائي، بحيث تختلف الاتجاهات باختلاف نوع الشحنة، إذ إن اتجاه الحقل الكهربائي للشحنة السالبة معاكس لاتجاه الحقل الكهربائي الخاص بالشحنة الموجبة، ولقد تم اختيار اتجاه الحقل الكهربائي عشوائيًا على أنه اتجاه القوة الخاص بالشحنات الموجبة.^[٦]

خطوط الحقل الكهربائي

بعد التعرف على ما هو الحقل الكهربائي من المهم التعرف على خطوط الحقول الكهربائية، لأن الحقل الكهربائي كمية متجهة يعبر عنها بخطوط خاصة بهذا الحقل، ومن الممكن أيضًا وصف شدة الحقل الكهربائي من خلال معرفة كثافة الشحنات، وعادةً ما تظهر خطوط الحقل الكهربائي الخواص الواجب مراعاتها لطبيعة هذه الحقول، وفي ما يأتي بعض أهم خصائص خطوط الحقل الكهربائي:^[٧]

• تنتشر خطوط الحقل الكهربائي بدءًا من الشحنات الموجبة وتنتهي عند الشحنات السالبة، أما في حالة وجود شحنة واحدة فإن خطوط المجال تنتهي في المالانهاية.
• تمثل الخطوط القريبة من الشحنات حقلًا كهربائيًا قويًا، بينما تمثل الخطوط البعيدة حقلًا كهربائيًا أضعف.
• تكون خطوط الحقل الكهربائي مستمرة في المناطق الخالية من الشحنات.
• لا تتقاطع خطوط الحقل الكهربائي أبدًا.
• لا تشكل خطوط الحقل الكهربائي حلقات مغلقة.
• تتناسب قوة الحقل الكهربائي تناسبًا طرديًا مع طول خطوط هذا الحقل.

قوانين حساب شدة الحقل الكهربائي

من المهم التعرف على قوانين حساب شدة الحقل الكهربائي عند الحديث عن ما هو الحقل الكهربائي، فلقد ظهر مفهوم الحقل الكهربائي أثناء محاولة شرح كيفية عمل القوى في حالة وجود مسافة بينها، فعلى سبيل المثال تقوم الشحنات بخلق تغيير في محيطها، إذ إن جميع الأجسام المشحونة تولد حقلًا كهربائيًا يمتد خارج الفضاء المحيط بها، ولذلك فإن هذا الحقل الكهربائي سيؤثر على أي جسم مشحون آخر عند دخوله إلى هذا المجال، ولهذا فإن شدة الحقل الكهربائي تتأثر بكمية الشحنات داخل الأجسام المشحونة وبالمسافة بين هذه الأجسام، ولقد تم ذكر القانون الأول لحساب شدة الحقل الكهربائي عندما تم الحديث عن ما هو الحقل الكهربائي، وهو كالآتي:^[٨]

شدة الحقل الكهربائي (نيوتن/كولوم) = القوة الكهربائية (نيوتن) / شحنة الاختبار (كولوم)^[٨].

حيث تعد وحدة قياس شدة الحقل الكهربائي المستخدمة في النظام العالمي لوحدات القياس هي نيوتن/ كولوم، إذ تستخدم هذه الوحدة في جميع القوانين اللاحقة، أما القانون الثاني الذي من الممكن استخدامه في تحديد شدة الحقل الكهربائي فيعتمد على قانون كولوم الذي ينص على أن القوة الكهربائية بين شحنتين تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب الشحنات وعكسيًا مع مربع المسافة بين مراكز هذه الشحنات، وتكون صيغته الفيزيائية كالآتي:^[٨]

القوة الكهربائية (نيوتن) = ثابت * شحنة المصدر (كولوم) * شحنة الاختبار (كولوم) / مربع المسافة بين الشحنتين (متر مربع)^[٨].

حيث تكون قيمة الثابت 9 * 10⁹، بينما تكون وحدة القياس الخاصة به هي (نيوتن× متر مربع /كولوم مربع)، ويشتق القانون الثاني لشدة الحقل الكهربائي عن طريق استبدال القوة الكهربائية الموجودة في القانون الأول بما يعادلها في قانون كولوم، وبالتالي يمكن استخلاص معادلة جديدة لشدة الحقل الكهربائي كالآتي:^[٨]

شدة الحقل الكهربائي = القوة الكهربائية / شحنة الاختبار^[٨].

شدة الحقل الكهربائي =(ثابت * شحنة المصدر * شحنة الاختبار/ مربع المسافة بين الشحنتين)/ شحنة الاختبار^[٨].

شدة الحقل الكهربائي = ثابت * شحنة المصدر/ مربع المسافة بين الشحنتين^[٨].

حيث يكون الثابت المستخدم في القانون النهائي هو نفس الثابت المستخدم في قانون كولوم، أما القانون الثالث الذي يمكن استخدامه لقياس شدة الحقل الكهربائي فهو يوضح العلاقة العكسية بين هذا الحقل ومربع المسافة عن شحنة المصدر، إذ تقل شدة الحقل الكهربائي عندما تزداد المسافة بين شحنة المصدر ونقطة ما، بحيث يكون القانون كالآتي:^[٨]

شدة الحقل الكهربائي الأولى / شدة الحقل الكهربائي الثانية = مربع المسافة الثانية / مربع المسافة الأولى^[٨].

العلاقة بين الحقل الكهربائي والمجال المغناطيسي

بعد إجابة سؤال: " ما هو الحقل الكهربائي؟" لا بدّ من الحديث عن الكهرومغناطيسية التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالكهرباء والحقل الكهربائي، إذ تعد الكهرومغناطيسية فرعًا من الفيزياء التي تتعامل مع دراسة القوة الكهرومغناطيسية، بحيث يحدث هذا النوع من القوى بين الجسيمات المشحونة كهربائيًا، وتعرف الكهرومغناطيسية أيضًا بأنها العلم الخاص بدراسة المجالات الكهرومغناطيسية، فعندما يمر تيار كهربائي عبر موصل فإنه ينتج مجال كهرومغناطيسي دائري حول هذا الموصل، بحيث يحدد اتجاه التيار الكهربائي اتجاه دوران الحقل المغناطيسي الذي تم إنشاؤه، بينما يحدد كل من طول الموصل وقوة التيار مقدار القوة الكهرومغناطيسية الناتجة، فلقد ساعدت الكهرومغناطيسية في الربط بين كل من المغناطيسية والكهرباء، إذ يؤدي التغير في المجالات الكهرومغناطيسية إلى إنتاج الكهرباء، بينما يمكن إنتاج الكهرومغناطيسية أو إيقافها بمجرد قطع التيار الكهربائي المار عبر الموصل.^[٩]

تستطيع الشحنات الكهربائية المتحركة توليد مجال مغناطيسي عند حركتها عبر موصل، بحيث يعتمد اتجاه المجال المغناطيسي الناتج على اتجاه التيار وفقًا لقاعدة اليد اليمنى، فبذلك يتبع اتجاه المجال المغناطيسي أصابع اليد اليمنى عندما يشير الإبهام إلى اتجاه التيار، بينما يقوم المجال المغناطيسي بتحريك الشحنات وإنتاج التيارات الكهربائية المستحثة داخل ملف مصنوع من الأسلاك عند تحريك الملف داخل المجال المغناطيسي، ويعتمد اتجاه التيار الناتج في هذه الحالة على اتجاه حركة الملف، وفي الموجات الكهرومغناطيسية عادةً ما يكون المجالان الكهربائي والمغناطيسي متعامدين على بعضهما البعض.^[١٠]

ما هو الحقل الكهربائي المستحث

بعد معرفة "ما هو الحقل الكهربائي؟" وتعريف العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية لا بد من التحدث عن ما هو الحقل الكهربائي المستحث؛ إذ يعد قانون فاراداي أهم القوانين التي تجيب عن ما هو الحقل الكهربائي المستحث، حيث يفسر هذا القانون العلاقة بين المجال المغناطيسي المتغير والحقل الكهربائي الناجم عن هذا التغير، إذ قام فاراداي باستحداث هذا القانون بالاعتماد على دراسات العالم فاراداي في مجال الحث الكهرومغناطيسي، فقد صور فاراداي المجال المغناطيسي على شكل خطوط تتقاطع مع مساحة معينة، حيث أطلق على هذه الظاهرة اسم التدفق المغناطيسي، ومن ثم اقترح العالم ماكسويل أن عملية إنتاج حقل كهربائي مستحث هي التأثير الأساسي الناجم عن التغير في التدفق المغناطيسي.^[١١]

بما أنّ التغير في المجال المغناطيسي من الممكن أن يسبب حقلًا كهربائيًا مستحثًا، ففي هذه الحالة لا تكون الشحنات هي السبب في إحداث هذا الحقل الكهربائي، وهنالك العديد من التطبيقات للحقول الكهربائية المستحثة في المجالات المختلفة كالمحول والمولد، إذ يتكون المولد على سبيل المثال من مغناطيس متحرك داخل ملف من الأسلاك، بحيث تقوم حركة المغناطيس بتغيير التدفق المغناطيسي داخل هذا الملف مما ينتج حقلًا كهربائيًا، ومن ثم يقوم هذا الحقل بإنتاج تيار حثي يدور داخل ملف الأسلاك.^[١٢]

ما هو الحقل الكهربائي الثابت

يمكن تعريف ما هو الحقل الكهربائي الثابت على أنه الحقل الكهربائي الذي لا يتغير مع مرور الوقت، ويحدث هذا النوع من الحقول عندما تكون الشحنات والتيارات الكهربائية ثابتة، وفي هذه الحالة يكون قانون كولوم هو الأنسب في شرح هذا النوع من الحقول، وعادةً ما شترك الحقل الكهربائي مع حقل الجاذبية في العديد من الأمور، إذ تعد قوة الجاذبية والقوة الكهربائية الثابتة قوى محافظة ومركزية وتتبع قانون التربيع العكسي، وعندما يكون الحقل الكهربائي ثابت في كل النقاط فإنه يسمى حقلًا موحدًا، حيث من الممكن أن تحدث الحقول الموحدة عند تقريب لوحين موصلين متوازيين من بعضهما البعض مع الحفاظ على فرق جهد ثابت بينهما، وتستخدم هذه الحقول في تقنية النانو الدقيقة بما يتعلق بأشباه الموصلات.^[١٣]

ما هو الحقل الكهربائي المتغير

بعد التعرف على ما هو الحقل الكهربائي الثابت لا بد من التعرف على الحقل الكهربائي المتغير، إذ يعبر الحقل الكهربائي الديناميكي عن الحقول الكهربائية التي تتغير مع مرور الوقت، فعلى سبيل المثال من الممكن أن تكون حركة الشحنات هي السبب في التغير الحاصل في الحقل الكهربائي، وفي هذه الحالة لا يمكن وصف الحقل الكهربائي بشكل مستقل عن المجال المغناطيسي، وبذلك فإن شدة المجال المغناطيسي، وفي هذه الحالة يتغير قانون شدة الحقل الكهربائي ليصبح كالآتي:^[١٣] شدة الحقل الكهربائي = - معامل التكور * التدفق المغناطيسي - معدل جهد الناقلات المغناطيسية مع الزمن^[١٣].

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت ث ج} "Electricity", www.wikiwand.com, Retrieved 21-11-2019. Edited.
2. ↑ "Electric charge ", www.wikiwand.com, Retrieved 23-11-2019.
3. ↑ "Electric potential ", www.wikiwand.com, Retrieved 23-11-2019. Edited.
4. ↑ "Electromagnet", www.wikiwand.com, Retrieved 23-11-2019. Edited.
5. ^ ^{أ ب ت ث} "The Uses of Electric Energy", sciencing.com, Retrieved 23-11-2019. Edited.
6. ^ ^{أ ب ت ث} "Electric Field", www.britannica.com, Retrieved 21-11-2019. Edited.
7. ↑ "Electric Field Lines", www.toppr.com, Retrieved 21-11-2019. Edited.
8. ^ ^{أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر} "Electric Field Intensity", www.physicsclassroom.com, Retrieved 23-11-2019. Edited.
9. ↑ "Electromagnetism", www.techopedia.com, Retrieved 21-11-2019. Edited.
10. ↑ "The Relationship Between Electricity and Magnetism", www.thoughtco.com, Retrieved 21-11-2019. Edited.
11. ↑ "Faraday's law of induction", www.britannica.com, Retrieved 23-11-2019. Edited.
12. ↑ "Induced Electric Fields", phys.libretexts.org, Retrieved 23-11-2019.
13. ^ ^{أ ب ت} "Electric field ", www.wikiwand.com, Retrieved 23-11-2019. Edited.