دراسة القوانين الأساسية للحركة والتفاعلات الكهروستاتيكية بين الشحنات
تتناول هذه الوحدة موضوعين أساسيين في الفيزياء: قوانين نيوتن للحركة التي تصف العلاقة بين القوة والحركة، والكهرباء الساكنة التي تدرس الشحنات الكهربائية الثابتة وتفاعلاتها.
سوف نتعرف في هذه الوحدة على:
بنهاية هذه الوحدة، سيكون المتدرب قادرًا على:
ينص القانون الأول لنيوتن على أن: الجسم يبقى في حالة سكون أو حركة منتظمة في خط مستقيم ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من حالته.
كرة على الأرض تبقى ساكنة ما لم تدفعها بقوة. وإذا دفعتها ستستمر في الحركة بسرعة ثابتة في خط مستقيم لولا وجود قوة الاحتكاك التي توقفها.
العلاقة بين القوة، الكتلة، والتسارع: \[ F = m \cdot a \] حيث:
عربة كتلتها 10 كجم تتحرك بتسارع 2 م/ث². القوة المحصلة المؤثرة عليها هي:
\[ F = 10 \times 2 = 20 \, \text{نيوتن} \]
ينص القانون الثالث لنيوتن على أن: لكل فعل قوة رد فعل مساوية له في المقدار ومعاكسة له في الاتجاه.
عندما تدفع الحائط بيدك، فإن الحائط يدفع يدك بقوة مساوية في المقدار ومعاكسة في الاتجاه. لذلك تشعر بأن يدك تضغط على الحائط.
لتحليل القوى المؤثرة على جسم:
الكهرباء الساكنة هي دراسة الشحنات الكهربائية الثابتة وتفاعلاتها. تنتج هذه الشحنات عن انتقال الإلكترونات بين المواد.
قاعدة التفاعل: الشحنات المتشابهة تتنافر، والشحنات المختلفة تتجاذب.
| الطريقة | الوصف | مثال |
|---|---|---|
| الاحتكاك (Friction) | انتقال الإلكترونات بالاحتكاك بين مادتين غير موصلتين. | فرك البالون على الشعر (يكتسب البالون شحنة سالبة والشعر موجبة) |
| التوصيل (Conduction) | انتقال الشحنات عن طريق التلامس المباشر بين جسم مشحون وآخر غير مشحون. | لمس كرة معدنية مشحونة بكرة معدنية غير مشحونة (تنتقل الشحنة). |
| الحث (Induction) | تأثير جسم مشحون على توزيع الشحنات في جسم آخر قريب دون تلامس مباشر، يمكن أن يؤدي إلى شحن الجسم بشكل دائم بالاتصال بالأرض (Grounding). | جذب قصاصات الورق الصغيرة بالمشط البلاستيكي المشحون بالاحتكاك. |
يصف قانون كولوم القوة الكهربائية (قوة التجاذب أو التنافر) بين شحنتين نقطيتين. تعتمد هذه القوة على مقدار الشحنتين والمسافة بينهما.
الصياغة الرياضية لقانون كولوم هي: \[ F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2} \] حيث:
احسب القوة بين شحنتين نقطيتين، $q_1 = 2 \times 10^{-6} \, C$ (كولوم) و $q_2 = -3 \times 10^{-6} \, C$ (كولوم)، تفصل بينهما مسافة $0.5 \, m$ (متر).
بما أن الشحنتين مختلفتين، فإن القوة ستكون قوة تجاذب.
\[ F = (9 \times 10^9) \frac{|(2 \times 10^{-6}) (-3 \times 10^{-6})|}{(0.5)^2} \]
\[ F = (9 \times 10^9) \frac{|-6 \times 10^{-12}|}{0.25} \]
\[ F = (9 \times 10^9) \frac{6 \times 10^{-12}}{0.25} \]
\[ F = 9 \times 10^9 \times 24 \times 10^{-12} \]
\[ F = 216 \times 10^{-3} = 0.216 \, \text{N} \]
إذن، القوة بين الشحنتين هي $0.216 \, \text{N}$ وهي قوة تجاذب.
**المجال الكهربائي** هو منطقة حول شحنة كهربائية (أو مجموعة من الشحنات) حيث يمكن لقوة كهربائية أن تؤثر على شحنة اختبار موجبة صغيرة توضع في تلك المنطقة.
**المكثف (Capacitor)** هو جهاز إلكتروني يُستخدم لتخزين الشحنة الكهربائية والطاقة الكهربائية في مجال كهربائي. يتكون عادةً من لوحين موصلين يفصل بينهما مادة عازلة (عازل كهربائي).
هي مقياس لقدرة المكثف على تخزين الشحنة الكهربائية. تعتمد السعة على الأبعاد الهندسية للمكثف ونوع المادة العازلة بين لوحيه، ولا تعتمد على الشحنة أو الجهد.
يخزن المكثف الطاقة في مجاله الكهربائي بين لوحيه. الطاقة المخزنة تُحسب بالعلاقة:
$$ E_{stored} = \frac{1}{2} C V^2 = \frac{1}{2} QV = \frac{Q^2}{2C} $$اختبر فهمك لمفاهيم قوانين نيوتن والكهرباء الساكنة من خلال حل التمارين التالية: