القوة الكهروستاتيكية والمجال: ماذا ، كيف ، عدة حقائق ، أمثلة


يتم تطوير القوة الكهروستاتيكية في إطار مجال مادي يسمى المجال الكهربائي ، والذي يحيط بالشحنات الجاذبة أو الطاردة. يناقش المقال ماهية القوة الكهروستاتيكية والمجال وكيفية ارتباطهما.

كل شحنة محاطة بمجالها أو توزيع الطاقة الذي ينقل خصائصها الكهربائية عبر الفراغات إلى شحنات أخرى. هذه هي الطريقة التي يقترب بها مجال شحنة المرء من الشحنات الأخرى ، وبمجرد أن يتم تقريبها ، فإنها تمارس القوة الكهروستاتيكية دون اتصال مادي. 

Iن المقالات السابقة، علمنا عنه قوة الجاذبية بين جسمين متفاعلين لهما كتلة. لممارسة قوة الجاذبية، يجب أن يكون هناك مجال يحيط بالأرض ، وجميع الكتل الأخرى ، لذلك عندما تصل كتلة أخرى إلى هذا المجال ، تختبر كلا الكتلتين قوة الجاذبية. وبالمثل ، فإن القوة الكهروستاتيكية ، وهي قوة غير ملامسة ، تمارس بين شحنتين عندما تكون في المجال الكهروستاتيكي. ذلك لأن الجاذبية والقوة الكهروستاتيكية تتبعان قانون التربيع العكسي عندما تفصل المسافة بين كتلتين. 

المجال الكهربائي هو خاصية الشحنة الكهربائية الموجودة في كل نقطة في الفضاء. حجم اتجاه المجال يسمى شدة المجال الكهربائي أو شدة المجال والتي تختلف في نقاط مختلفة داخل الفضاء. يختلف الحقل مع الشحن ، ولكن نظرًا لأنه نشأ من قانون التربيع العكسي كولوم المسافة ، يتغير المجال عكسياً مع مربع المسافة من الشحنة. هذا يعني أنه إذا ضاعفنا مقدار الشحنة ، فإن الحقل يتضاعف. ولكن في ضعف مسافة من الشحنة ، المجال هو ربع قوته الأولية. 

القوة الكهروستاتيكية والميدان
القوة الكهروستاتيكية والميدان

يتم تصوير المجال الكهربائي عن طريق رسم خطوط ، تسمى خطوط المجال حول الشحنة. اتجاه المجال الموضح بواسطة السهم هو جنبًا إلى جنب مع القوة الكهروستاتيكية. يعتمد حجم المجال الكهربائي على كيفية توزيع الشحنة في الفضاء

خطوط المجال الكهربائي
خطوط المجال الكهربائي
(ائتمان: شترستوك)

لقد فهمنا أن تُبذل القوة الكهروستاتيكية بين شحنتين على مسافة. ولكن بدلاً من اثنتين ، نعتبر الشحنة الواحدة "مصدر تهمة"التي نشأ منها المجال الكهربائي. يُطلق على الشحنة الأخرى التي يتم إحضارها إلى مجال شحنة المصدر "تهمة الاختبار". بسبب التفاعل الكهربائي غير المباشر بين المجال الكهربائي وشحنة الاختبار مقابل شحنة المصدر ، فإن القوة الكهروستاتيكية المستخدمة من شحنة المصدر إلى شحنة الاختبار وفقًا قانون كولوم

تحمل شحنة الاختبار أيضًا مجالها الكهربائي الذي يغير المجال الحالي لشحنة المصدر. ومن ثم ، فإن مصدر النقطة يستخدم القوة الكهروستاتيكية لتوليد الشحنة تحت مجالها الكهربائي. لهذا السبب ال القوة الكهروستاتيكية الناتجة بين شحنتين زيادات. 

يعتمد اتجاه خطوط المجال على قطبية الشحنة. لا تخلق الشحنات المحايدة خطوطًا ميدانية أو ميدانية حولها. إذا كانت شحنة المصدر موجبة ، يتم توجيه خطوط مجالها شعاعيًا للخارج. إذا كانت سلبية ، يتم توجيهها شعاعيًا إلى الداخل. 

  • إذا كانت كلتا الشحنتين متشابهتين أو موجبة أو موجبة أو سلبية أو سلبية ، فإن خطوط المجال الخاصة بكل منهما لا تتطابق أبدًا لأنها تتنافر.
  • إذا كانت الشحنات غير متشابهة أو موجبة أو سالبة ، فإن خطوط مجالها تتزامن لأنها تجتذب بعضها البعض. 
الشحن والمجال الكهروستاتيكي
الشحن والمجال الكهروستاتيكي
(ائتمان: شترستوك)

في حالة الشحنات بخلاف الشحنات ، يتم دمج خط المجال الخارجي شعاعيًا في الخطوط الداخلية شعاعيًا لـ اختبار الشحنة السلبية التي القوة الكهروستاتيكية مجهود. 

كيف تتزامن خطوط المجال الكهربائي
كيف تتزامن خطوط المجال الكهربائي (ائتمان: شترستوك)

اقرأ المزيد عن الشحن الكهروستاتيكي.

القوة الكهروستاتيكية ومثال المجال

افترض أننا نعلق شحنة اختبار موجبة في نهاية القضيب. من خلال حمل العصا في مكان متنوع ، يمكننا تجربة المجال الكهربائي لشحنات الاختبار في نقاط مختلفة.

ثم نختبر الدفع أو السحب على القضيب حيث تجذب الشحنات الاختبارية أو تتنافر مع الشحنات الأخرى بسبب القوة الكهروستاتيكية. إذا نقلنا شحنة المصدر بعيدًا عن شحنة الاختبار ، فسيظل مجالها الكهربائي كما هو عند تلك النقطة.

أمثلة على الكهرباء الساكنة
القوة الكهروستاتيكية بين الشحنات
(ائتمان: شترستوك)

وبالتالي ، يوزع المجال الكهربائي القوة الكهروستاتيكية بواسطة شحنة المصدر في شحنة اختبار صغيرة في نقاط مختلفة داخل الفضاء. 

إضاءة ينشأ من المجال الكهربائي بين غيوم العاصفة الباردة وسطح الأرض الساخن. تثير المناطق المشحونة كهربائيًا البرق بسبب التفريغ الكهربائي عبر الهواء، الذي يعمل كعازل بين منطقتين. عندما تنهار السعة العازلة للهواء التي تحمل الشحنات المعاكسة ، يحدث التفريغ الفوري للكهرباء في شكل البرق.

مثال البرق الكهروستاتيكي
البرق بسبب المجال الكهربائي
(ائتمان: شترتستوك)

في العملية السابقة ، البرق داخل السحابة يحدث عندما تبقى الشحنات داخل السحابة عندما تكون شدة المجال الكهربائي لكلتا المنطقتين متساوية. في وقت لاحق ، عندما أصبحت قوة مجال الأرض أقوى من السحب ، بدأت الشحنات في الوصول إلى الأرض ، مما أدى إلى البرق من السحابة إلى الأرض

اقرأ المزيد عن أنواع القوات.

العلاقة بين المجال الكهربائي والقوة الكهروستاتيكية

يرتبط المجال الكهربائي والقوة الكهروستاتيكية بحجم شحنة الاختبار.

المجال الكهربائي E لشحنة المصدر هو القوة الكهروستاتيكية F لكل وحدة من شحنة الاختبار q. لذلك ، يتناقص المجال الكهربائي مع زيادة المسافة شعاعيًا بعيدًا عن شحنة المصدر. يتم وصفه بالقوة الكهروستاتيكية عند نقاط مميزة باستخدام قانون كولوم بصيغة التربيع العكسي. 

تمارس الشحنات الكهروستاتيكية القوة دون الحاجة إليها الاتصال الجسدي. لذلك يمكننا أن نتخيل وجود مجال كهربائي حول كلتا الشحنتين للتبادلات الكهروستاتيكية. في مثل هذه الحالة ، تكون القوة حقيقية ، في حين أن المجال خيالي. 

لأن المجال الكهربائي هو كميات ناقلات، لها شدة مختلفة في نقاط مختلفة داخل الفضاء. ومن ثم ، فإن القوة التي تمارسها شحنة المصدر تتغير من نقطة إلى أخرى.

يرتبط المجال الكهربائي والقوة الكهروستاتيكية بـ ،

ومن ثم ، فإن وحدة قياس المجال الكهروستاتيكي (SI) هي نيوتن / كولوم (N / C).

دعنا نحلل المجال الكهربائي بسبب شحنة المصدر الموجبة Q التي تمارس القوة الكهروستاتيكية F على شحنتين اختبار مختلفتين على نفس المسافة r من الشحنة Q.

قانون كولوم للجاذبية أو النفور
قانون كولوم للجاذبية أو النفور
  • إذا كانت تهمة الاختبار ف1 موجبة ، يتم توجيه خطوط المجال الخاصة بهم بعيدًا شعاعيًا ، وتكون القوة الكهروستاتيكية بينهما مثيرة للاشمئزاز. 
  • إذا كان q1 سلبي ، خطوط مجالهم موجهة شعاعيًا تجاه بعضها البعض ، والقوة الكهروستاتيكية بينهما جذابة. 

من النقطتين ، تعتمد القوة الكهروستاتيكية F على كلتا الشحنتين ، حتى عندما تمارسها واحدة إلى أخرى داخل المجال الكهربائي.

القوة الكهروستاتيكية بين الشحنات هي نتاج المجال الكهربائي وحجم شحنة الاختبار ، وقد أعطيت من قبل ،

من المعادلة (*) و (1) ، نتعلم أن المجال الكهربائي F والقوة الكهروستاتيكية في نفس الاتجاه.  

القوة الكهروستاتيكية الناتجة عن قانون كولوم للجاذبية أو التنافر هو،

من المعادلة (*) ، حجم المجال الكهربائي E اعطي من قبل،

باستخدام المعادلة (2) ،

المعادلة أعلاه توضح ذلك يعتمد المجال الكهربائي E على شحنة المصدر Q والمسافة r. في حين أن شحنة الاختبار q صغيرة ، فإنها لا تغير توزيع شحنة المصدر ، مما يؤدي إلى بناء مجالها الكهربائي

اقرأ المزيد عن القوة.

مشاكل القوة الكهروستاتيكية والمجال الكهربائي

افترض أن شحنة المصدر البالغة 10nC مفصولة عن شحنة الاختبار عند 10m. ما مقدار المجال الكهربائي لشحنة المصدر؟ (كe = 9 × 109Nm2c-2)

معطى:

س = 10nC = 10 × 10-9 C

ص = 10 م

ke = 9 × 109 Nm2c-2

لايجاد: ه =؟

المعادلة

حل:

يتم حساب المجال الكهربائي بين الشحنات على النحو التالي ،

استبدال جميع القيم ،

ه = 90/100

E = 0.9

المجال الكهربائي لشحنة المصدر 0.9 N / C.

افترض أن شحنتي 5nC تتفاعل بعيدًا عن بعضهما البعض عند 5 أمتار. ما هي القوة الكهروستاتيكية بين الشحنات المتفاعلة؟ احسب المجال الكهربائي. 

معطى:

q1 = 5nC = 5 × 10-9 C

q2 = 5nC = 5 × 10-9 C

ص = 5 م

ke = 9 × 109 Nm2c-2

لايجاد:

  1. F =؟
  2. ه =؟

المعادلة

  1. ه = ف / ف2

حل:

يوفر القوة الكهروستاتيكية بين الشحنات يحسب على أنه

استبدال جميع القيم ،

القوة = 9 × 10-9

القوة الكهروستاتيكية بين الشحنات هي 9 س 10-9N.

يتم حساب المجال الكهربائي بين الشحنات على النحو التالي ،

ه = ف / ف2

استبدال جميع القيم ،

المجال الكهربائي بين الشحنات 1.8 × 10-9N / C.

في المكثف ذو الألواح المتوازية ، يتم فصل لوحين بواسطة وسط عازل على مسافة 5 سم. إذا كان المجال الكهربائي بين الشحنات المطورة على اللوحة هو 2N / C. احسب القوة الكهروستاتيكية بينهما إذا كانت الشحنتان بنفس المقدار. 

معطى:

E = 2N / C.

ص = 5 م

ke = 9 × 109 Nm2c-2

لايجاد:

  1. q1 =?
  2. q2 =?
  3. F =؟

المعادلة

حل:

يتم حساب حجم شحنة المصدر باستخدام صيغة المجال الكهربائي.

استبدال جميع القيم ،

إعادة الترتيب ،

q1 = 5.5 × 10-9

كلا الشحنتين لها نفس الحجم. أي ف1 = ف2 = 5.5nC

حجم الشحنتين 5.5nC.

يتم حساب القوة الكهروستاتيكية بين الشحنتين باستخدام قانون كولوم.

استبدال جميع القيم ،

القوة = 10.89 × 10-9

القوة الكهروستاتيكية بين الشحنات هي 10.89 × 10-9N.

اقرأ المزيد عن كيفية حساب القوة.

الفرق بين القوة الكهروستاتيكية والمجال الكهربائي

القوة الكهروستاتيكيةالحقل الكهربائي
يتم إنشاؤه عندما تقترب شحنتان متفاعلتان من بعضهما البعض.يتم إنشاؤه من مصدر أو نقطة واحدة فقط.
إنه يسرع من الشحنات.لا يسرع من الشحنات.
يعتمد حجمها واتجاهها على رسوم المصدر والاختبار.يعتمد حجمها واتجاهها فقط على شحنة المصدر.
هي نسبة حاصل الضرب إلى مربع المسافة بين الشحنات.إنها نسبة القوة الكهروستاتيكية إلى شحنة الاختبار.
صيغة كولوم لها هي صيغة كولوم لها هي
وحدة القياس الخاصة به هي نيوتن (N).وحدة القياس الخاصة به هي نيوتن / كولوم (N / C).

مانيش نايك

مرحبًا ، أنا مانيش نايك أكملت درجة الماجستير في الفيزياء مع إلكترونيات الحالة الصلبة كتخصص. لدي ثلاث سنوات من الخبرة في كتابة المقالات في مادة الفيزياء. الكتابة ، والتي تهدف إلى توفير المعلومات الدقيقة لجميع القراء ، من المبتدئين والخبراء. في أوقات فراغي ، أحب قضاء وقتي في الطبيعة أو زيارة الأماكن التاريخية. يشرفني أن أكون جزءًا من LambdaGeeks. نتطلع إلى ربطك عبر LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/manish-ashok-naik/ أيضًا ، من أجل دليل السفر إلى ماهاراشترا ومقالات الحفاظ على التراث ، قم بزيارة موقع الويب الخاص بي Wandering Maharashtra - https://wanderingmaharashtra.com / travel-blogs /

آخر المقالات

رابط إلى هيكل وخصائص NaOH Lewis: 17 حقائق كاملة

هيكل وخصائص NaOH Lewis: 17 حقائق كاملة

هيدروكسيد الصوديوم عبارة عن قاعدة غير عضوية قوية ذات كتلة مولية 40 جم / مول. دعونا نناقش المزيد من هيدروكسيد الصوديوم في المقالة التالية. NaOH عبارة عن قاعدة معدنية قلوية ، لذا فإن طبيعة القاعدة قوية جدًا. إنه أيوني ...