تمهيد :


عندما يسمع الناس كلمة كهرباء يتبادر إلى أذهانهم المصباح والتلفاز وفرن المايكروويف والحاسوب وغيرها من الأجهزة المفيدة، ولكن للكهرباء أهمية بالغة أكثر من ذلك بكثير ، فهي :

1 - من أهم مصادر الطاقة التي ساهمت في التقدم الحضاري والتكنولوجي الذي نعيشه ، لأنها تمكننا من إنتاج الحرارة ، والضوء ، والحركة ، فقد استطاع الناس خلال القرن التاسع عشر تسخير الكهرباء لأداء الأعمال. وكان لهذا المصدر الجديد للطاقة تطبيقات عملية كثيرة، ساهمت كثيرًا في تغيير حياة الناس، حيث تمكن المخترعون والعلماء من توليد الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة، واكتشفوا طرق استخدام هذه الطاقة في إنتاج الضوء والحرارة والحركة، وصمموا أجهزة كهربائية مكنت الناس من الاتصال عبر المسافات البعيدة، ومعالجة المعلومات بسرعة فائقة. وقد ازداد الطلب على الكهرباء خلال القرن العشرين إلى درجة أن الناس اليوم لا يستطيعون تخيل شكل الحياة في حالة عدم وجود الطاقة الكهربائية.

2 - تلعب القوى الكهربائية بين الشحنات في المادة دورا أساسيا في تحديد خواص المادة ، لأنها تتحكم في ترابط الإلكترونات والبروتونات في الذرة ، كما أنها مسؤولة عن ترابط الذرات مع بعضها بعضا لتكوين جزيئات المادة .

3- تكون الكهربائية والمغناطيسية معًا قوة تسمى الكهرومغناطيسية، وهي من القوى الأساسية في الكون ، وبذلك تحدد الكهرباء تركيب وخصائص كل الموجودات.

4 - ترتبط الكهرباء أيضًا بالعديد من العمليات البيولوجية. ففي جسم الإنسان تنتقل الإشارات الكهربائية عبر الأعصاب، حاملة المعلومات من الدماغ وإليه، حيث تساعد هذه الإشارات الدماغ على تحديد ما تراه العين، وتسمعه الأذن، وتتحسسه الأصابع. وهذه الإشارات هي التي تسبب حركة العضلات ونبض القلب، كما تنظم معدل النبض.


ويمكن فهم التطبيقات الكهربائية و كذلك تفسير معظم الظواهر الطبيعية المرتبطة بالكهرباء ، من خلال المفاهيم والأسس الكهربائية التي سأتطرق بإذن الله تعالى إلى شرحها مستعينا بالله أولا وأخرا ، ثم ببعض المراجع ووسائل المحاكاة الحديثة من فلاشات وجافا وفيديو وصور .


تنقسم النظريات في الفيزياء الكهربائية إلى قسمين أساسين هما :



الجزء الأول : الكهرباء الساكنة ( Electrostatics )

وسنشرح فيها الموضوعات التالية :
المحاضرة الأولى : الشحنة الكهربائية
المحاضرة الثانية : الكهرباء الساكنة
المحاضرة الثالثة : التوصيل الكهربي
المحاضرة الرابعة : شحن الأجسام ( توليد الكهرباء الساكنة )
المحاضرة الخامسة : قانون كولوم
المحاضرة السادسة : المجال الكهربائي
المحاضرة السابعة : الجهد الكهربي
المحاضرة الثامنة : السعة الكهربائية والمكثفات


الجزء الثاني : الكهرباء المتحركة

وسنشرح فيها - خلال هذا الفصل والفصل القادم بإذن الله تعالى - الموضوعات التالية :
المحاضرة التاسعة : التيار الكهربائي
المحاضرة العاشرة : الخلايا الكهروكيميائية
المحاضرة الـ 11: التحليل الكهربائي ، وقانونا فاراداي
المحاضرة الـ 12: القوة المحركة
المحاضرة الـ 13: المقاومة
المحاضرة الـ 14: النواقل
المحاضرة الـ 15: قانون أوم
المحاضرة الـ 16: قنطرة وجسر وتستون
المحاضرة الـ 17: قانون جول ، القدرة الكهربائية
المحاضرة الـ 18: قانون حفظ الطاقة والشحنة
المحاضرة الـ 19: ربط المولدات والمقاومات
المحاضرة الـ 20: الدارات الكهربية وقانونا كيرشوفالشحنة الكهربائية Electric charge




تتكون المادة من ذرات ، وتتكون الذرة من إلكترونات وبروتونات ونيوترونات ، ومن المعلوم أن الذرة متعادلة كهربائيا ( أي أنها غير مشحونة ) وذلك لأن الإلكترون يحمل شحنة سالبة والبروتون يحمل شحنة موجبة وهذان النوعان من الشحنات متعادلين في المقدار ولكنهما متعاكسين في الإشارة ، و لكن عندما تفقد الذرة بعضا من إلكتروناتها فإنها تكتسب شحنة موجبة ، وعندما تكتسب الذرة عددا من الإلكترونات فإنها تكتسب شحنة سالبة .






وبالتالي فإن كل الأجسام التي من حولنا تحتوي على أعداد هائلة من الشحنات الكهربائية ، وهي في حالة من التعادل الكهربائي ، أي أن الشحنات بكميتها الموجبة تعادل وتساوي الشحنات بكميتها السالبة ويُقال عن الجسم أنه متعادل كهربائياً . وإذا كانت الكميتان مختلفتين فإننا نحصل على حالة عدم التعادل وعندئذ نحصل على الأجسام المشحونة إما بشحنة سالبة أو شحنة موجبة . وأدى معرفة التأثير المتبادل لهذين النوعين المختلفين من الشحنات الكهربائية إلى صياغة القانونين المعروفين :

القانون الأول : الشحنات المتشابهة تتنافر فيما بينها .

القانون الثاني : الشحنات غير المتشابهة تتجاذب فيما بينها .







وبعد اعتماد الحقيقة العلمية حول البنية الذرية للمادة واكتشاف كل من النواة والإلكترون أصبحت المعلومات في هذا الصدد متوافرة وبشكل مُفيد ومجد للغاية فقد ترتب على ذلك معرفة الشحنة الأولية ( الأساسية ) والمقصود بها شحنة الإلكترون وتم تحديد مقدارها بشكل دقيق للغاية وأصبحت معروفة القيمة وهي :c 1.6 × 10 -19 e = كما أن ذلك أدى إلى التخلي عملياً عن الاعتقاد القديم بأن التيار الكهربائي هو عبارة عن سيل متدفق متصل ، إذ أن الحقيقة غير ذلك فالتيار الكهربائي هو عبارة عن تكرار لعدد من المرات للشحنة الأولية المعلومة القيمة ، وقد تكون سالبة أو موجبة ( وسنشرح ذلك بالتفصيل عند دراستنا للكهرباء المتحركة )



ومن المهم معرفته هو أن كمية الشحنة التي يحملها الجسم هي دائماً من مضاعفات الشحنة الأولية وهي الشحنة التي يحملها إلكترون واحد أو بروتون واحد .

مما سبق يمكن صياغة المفهوم التالي للشحنة الكهربائية :

الشحنة الكهربائية ( q ، ش ) : هي تعبير عن مدى الزيادة أو النقصان في عدد الإلكترونات بالنسبة لعدد البروتونات في ذرة مادة ما .

تقاس الشحنة الكهربائية تِبعاً للنظام العالمي لوحدات القياس بوحدة الكولوم (يرمز له بـ C) والكولوم الواحد يعادل تقريباً 6.24 × 10 ^ 18 شحنة أساسية (إلكترون) ، ومن الطبيعي للأجسام الحقيقية أن تحمل شحنات يمكن أن يصل مقدارها إلى أعداد كبيرة من الكولومات .

ولحساب شحنة الجسم ، نطبق العلاقة التالية :

شحنة الجسم = عدد الشحنات × الشحنة الأساسية (6.24 × 10^ 18 )
الكهرباء الساكنة Electrostatics

لعلك لاحظت العديد من الظواهر الطبيعية المختلفة ، مثل سماعك صوت فرقعة ، أو شاهدت ومضة كهربية عند نزعك ملابسك ، أو تمشيط شعرك ، وقد تشعر بصدمة كهربائية عندما تلامس بيدك الباب ، كما أصبح مألوفاً لدى الجميع أن هناك علاقة بين دلك الأجسام الموصلة أو العازلة بقطعة من الصوف أو الحرير وظهور التكهرب الساكن ( سيأتي تعريف للأجسام الموصلة والعازلة ) ، إن سبب جميع تلك الظواهر هي شحنات كهربائية ساكنة ( شحنات كهروستاتيكية ) تتراكم على الجسم .

إذا المقصود بالكهرباء الساكنة: هي الحالات التي تحمل فيها الأجسام شحنات كهربائية

اكتشفت ظاهرة الكهرباء الساكنة قبل الميلاد بنحو 600 ‏سنة ، عندما أدرك اليونانيون قديما بعض الظواهر الكهربية ، فقد لاحظ الفيلسوف طاليس ( 600 ‏ ق.م ) ، أنه عند حك قطعة من الكهرمان بقطعة قماش فإنها تجذب ريش الطيور والخيوط الصوفية أو القطنية . وكان العالم الإنجليزي وليم جلبرت ( 1544 م - 1306 م ) من أوائل العلماء الذين تقصوا الظواهر الكهربائية ولاحظ أن هناك مواد أخرى تمتلك خاصية الجذب ، واشتق جلبرت تسميته لقوة الجذب المجهولة هذه من لفظة إلكترون ( اسم الكهرمان باليونانية ) فأطلق عليها Electr ، ونحن العرب حذونا حذوه باشتقاق كهرباء من كهرمان .

‏في عام 1733 ‏م ، وجد الكيميائي الفرنسي شارل أن بعض الأجسام تتجاذب عند الحك، وبعضها الآخر يتنافر، لذلك جزم شارل بأن الكهرباء سيلا من نوع ما ، وأن هنالك نوعين منها ، الأولى : تتولد عند حك الزجاج بالشعر أو الصوف ؟ والثانية : تتولد عند حك الكهرمان بالحرير؟ وأن النوعين المختلفين يتجاذبان بينما النوعان المتماثلان يتنافران .



‏كان بنجامين فرانكلين أول من اقترح فكرة الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة في القرن الثامن عشر. كما بيّن أن البرق هو انتقال شحنات كهربائية ساكنة، عن طريق تطيير طائرة ورقية في عاصفة وعدية وحصوله على شرر تفريغ كهربائي، حيث ربط مفتاحًا معدنيًا في طرف خيط طائرة ورقية وأطلقها لتحلق في الهواء أثناء عاصفة رعدية. فتسببت كهرباء السحب في رفع الجهد الكهربائي، وأدى هذا الجهد الكهربائي العالي إلى حدوث شرارة كهربائية بين المفتاح والأجسام الموجودة على سطح الأرض، مما أوضح أن السحب مُكهْربة. وقد حالفه الحظ في تلك التجربة بالنجاة من الموت ، ولكن تسببت تجربته في وقوع حوادث خطيرة إذ إن بعض الذين قاموا بإطلاق الطائرات الورقية للتحليق أثناء العواصف قد صعقهم البرق.

بين الإنجليزي ستيفن ( 1666 م – 1736 ‏ م ) أن بعض المواد توصل الكهرباء ، وبعضها الآخر لا يوصل . وقد استطاع نقل الكهرباء المتولدة من دلك أنبوب زجاجي طوله أكثر من 100 متر.


وللكهرباء الساكنة استخدامات عديدة
في المنازل والمؤسسات والمصانع. فأجهزة النسخ التي نراها في المكاتب، على سبيل المثال، هي ناسخات كهروستاتيكية، تصنع نسخًا من المادة المطبوعة أو المكتوبة بجذب جسيمات الحبر المسحوق إلى الورقة الموجبة الشحنة. وتستخدم الكهرباء الساكنة أيضًا في المنظفات الهوائية المسماة المرسِّبات الكهروستاتيكية. فهذه الأجهزة تشحن جسيمات الغبار والدخان والبكتيريا وحبوب اللقاح في الهواء بشحنات كهربائية موجبة. وتنقي ألواح تجميع سالبة الشحنة الهواء بجذب هذه الجسيمات الموجبة الشحنة إلى داخل المنظف.

وكذلك فإن البرق ينتج عن الكهرباء الساكنة ، فالعلماء يعتقدون أن قطرات المطر المحمولة في رياح السحب البرقية تكوِّن شحنات كهربائية، حيث تصبح أجزاء من السحاب مشحونة بشحنة موجبة، بينما تصبح أجزاء أخرى مشحونة بشحنة سالبة. وقد تقفز الشحنات بين أجزاء السحاب المختلفة، أو من السحاب إلى الأرض، مما يؤدي إلى توليد الشرارة الكهربائية الضخمة التي نسميها البرق. التوصيل الكهربائي Conduction current


يقصد به : مدى قابلية هذا الجسم لانتقال الشحنات الكهربائية خلاله.

أقسام المواد من حيث توصيلها للكهرباء :



1- أجسام موصلة conductor : هي الأجسام التي تسمح للشحنات الكهربائية بالانتقال خلالها بحرية مثل : الذهب و الفضة و النحاس ( الفلزات بشكل عام ) والماء المالح وبعض الغازات عند درجات حرارة معينة .





2- أجسام عازلة dielectric : هي الأجسام التي لا تسمح للشحنات الكهربائية بالانتقال خلالها مثل : الزجاج و المطاط و الميكا والبلاستيك والهواء العادي الجاف والخشب .






3- أجسام شبه موصلة ( أشباه الموصلات ) : هي أجسام درجة توصيلها للكهرباء تتراوح بين الموصلات والعوازل ويعتمد مدى توصيلها على الشوائب المضافة إليها مثل : السيلكون ، الجرمانيوم ، تستخدم أشباه الموصلات في صناعة المكونات الخاصة بالدوائر الإلكترونية ، وسيأتي الحديث عنها بإذن الله تعالى بالتفصيل في الفصل العاشر .


شرح تفصيلي :


تنتقل الشحنات الكهربائية عبر بعض المواد بدرجة أفضل من انتقالها عبر مواد أخرى، حيث تنتقل بسهولة عبر مواد تسمى الموصلات. وتقاوم مواد تسمى العوازل انتقال الشحنات الكهربائية.

تحتوي المواد الموصلة للكهرباء على جسيمات مشحونة تتحرك بحرية عبر المادة. وعند مرور شحنة كهربائية إضافية على الموصل تنتشر الجسيمات المشحونة على سطح المادة. والجسيمات الحرة في معظم الموصلات إلكترونات غير مرتبطة بالذرات، وأيونات في موصلات أخرى.

تعتبر الفلزات موصلات جيدة لأنها تحتوي على عدد كبير من الإلكترونات الحرة، ولذلك تصنع معظم الأسلاك المستخدمة في نقل الطاقة الكهربائية من الفلزات، وخاصة النحاس. وبعض السوائل أيضًا موصلات. فالماء المالح، على سبيل المثال، موصل للكهرباء لأنه يحتوي على أيونات صوديوم وكلوريد حرة الحركة داخل السائل.



وبعض الغازات أيضًا موصلات. ففي حالة تسخين غاز ما إلى درجات عالية تتحرك ذراته بسرعة عالية تؤدي إلى تصادمها، بعضها ببعض، بشدة، مما يجعل الإلكترونات تنفلت منها، وعندئذ يتحول الغاز إلى نوع من الموصلات الكهربائية يسمى البلازما. ومن أمثلة البلازما الغاز الساخن المتوهج داخل المصباح الفلوري، والغازات الساخنة التي تكوِّن الشمس والنجوم الأخرى.

وفي معظم الموصلات تتصادم الإلكترونات المتحركة مع الذرات باستمرار، وتفقد الطاقة، ولكنها تتحرك بحرية تامة، ولا تفقد أي طاقة، في بعض المواد التي تسمى الموصلات الفائقة. وتتطلب الموصلات الفائقة درجات منخفضة جدًا لتؤدي وظيفة توصيل الكهرباء، ولذلك يستخدم هذا النوع من الموصلات في بعض الحالات الخاصة، وقد يستخدم في المستقبل في صناعة المحركات ذات الكفاءة العالية والمولدات وخطوط القدرة.

أما المواد العازلة فتكون الإلكترونات فيها مرتبطة بإحكام بذراتها، ولا تستطيع التحرك بحرية. وعند مرور شحنة كهربائية إضافية على العازل تبقى الشحنة في مكانها، ولا تتحرك عبر المادة. ومن أمثلة العوازل الزجاج والمطاط والبلاستيك والهواء العادي الجاف.

والعوازل مهمة في السلامة الكهربائية، حيث تصنع معظم الحبال الكهربائية من مادة موصلة مغطاة بمادة عازلة مثل المطاط أو البلاستيك. ويستطيع الشخص لمس الحبل المغطى بالمادة العازلة حتى في حالة اتصال الحبل بمأخذ التيار.

أشباه الموصلات هي المواد التي توصل الشحنة الكهربائية بشكل أفضل من العوازل، ولكن ليس بمستوى الموصلات ، ومن أكثرها استخدامًا السليكون. وبإضافة كميات صغيرة من مواد أخرى إلى شبه الموصل يستطيع المهندسون ضبط قدرتها على توصيل الشحنة الكهربائية. وأشباه الموصلات مهمة في تشغيل الحواسيب والآلات الحاسبة وأجهزة الراديو والتلفاز وألعاب الفيديو أجهزة أخرى عديدة.
شحن الأجسام Charging





يمكن شحن الأجسام بطرق ثلاث ، هي :

أ - الشحن بالدلك : إذا دلك ( حك ) جسمان متعادلان من مادتين مختلفين أو تلامسا جيدا فإن بعض الإلكترونات تنتقل من أحد الجسمين للآخر ، وعدد الإلكترونات التي يفقدها أحد الجسمين يساوي تماما عدد الإلكترونات التي يكتسبها الجسم الآخر ، لذلك تكون شحنتاها متساويتين في المقدار، مختلفتين في النوع ، مثل دلك ساق من الزجاج بالحرير فتنتقل الشحنة من الزجاج إلى الحرير ويكون الزجاج مشحون بشحنة سالبة أو دلك ساق من البلاستيك بقطعة من الصوف.






فيديو لتجربة شحن الأجسام بالدك
( قريبا )

التفسير العلمي للشحن بالدلك:



لنأخذ على سبيل المثال دلك القميص بالبالون ، فعندما تفرك قميصك ببالون، يسبب احتكاك البالون بالقميص انتقال الإلكترونات من القميص إلى البالون، مما يؤدي إلى اكتساب القميص لشحنة موجبة، نظرًا لاحتوائها على عدد من البروتونات أكبر من الإلكترونات، واكتساب البالون لشحنة سالبة لاحتوائها على إلكترونات زائدة. ولذلك يلتصق البالون بالقميص أو بأي سطح آخر مثل الجدار.



وبالمثل ما يحدث عندما تمشي فوق سجاد في يوم جاف ، حيث يؤدي الاحتكاك بين حذائك والسجاد إلى انتقال الإلكترونات من جسمك إلى السجاد، معطيًا جسمك شحنة كهربائية موجبة. وعندما تلمس مقبض الباب أو أي جسم فلزي آخر، تقفز الإلكترونات من الجسم الفلزي إلى جسمك، وحينئذ قد تشاهد شرارة وتحس بصدمة خفيفة.



وقد تتسائل بقولك ، عندما أدلك مادتين مختلفتين ببعضهما من ستصبح موجبة ومن ستصبح سالبة؟؟

العلماء رتبوا المواد حسب قدرتها على الاحتفاظ بالكتروناتها أو لخسارتها ، أطلق على هذا الترتيب ( متسلسلة الدلك الكهربائي ) .سنعرض هنا بعضاً من عناصر هذه السلسلة .في ظروف مثالية.
إذا دلكت مادتين معاً ,فإن المادة في أعلى السلسلة تفقد الكترونات وتصبح موجبة والمادة في أسفله تكتسب الإلكترونات وتصبح سالبة:



ب - الشحن بالتأثير (الحث): عند تقريب جسم مشحون شحنة موجبة مثلا من موصل معزول فإن الشحنة الموجبة للجسم الأول (الشحنة المؤثرة) تؤثر على الموصل الثاني حيث تتجاذب مع بعض الإلكترونات الحرة فيه فتتجمع هذه الإلكترونات عند الطرف القريب من الجسم المشحون وتتكون هناك شحنة سالبة في حين تتكون شحنة موجبة على الطرف البعيد والشحنة المتكونة بالتأثير تكون دائما اقل مقدارا من الشحنة المؤثرة وتختلف عنها في النوع .








فيديو لتجربة شحن الأجسام التاُير
( قريبا )

التفسير العلمي للشحن بالتأثير :

لنأخذ مثلا كرتين من المعدن ، ( والمعدن موصل للكهرباء لذا فهو يحوي إلكترونات حرة ) ، عند اقتراب ساق الأبونيت المشحون بشحنة سالبة تتنافر الإلكترونات في جسم الكرتين إلى أبعد نقطة عن ساق الأبونيت فتصبح الكرة القريبة مشحونة بشحنة موجبة والكرة البعيدة مشحونة بشحنة سالبة ،و عند إبعاد الكرتين تحتفظ كل كرة بشحنتها .


ج - الشحن باللمس إذا اتصل (أو تلامس) جسم موصل مشحون مع موصل متعادل فإن الموصل المشحون يفقد جزءا من شحنته إلى الموصل المتعادل أي تكون شحنتاهما من نفس النوع ، ويتم توزيع الشحنة الكلية بحيث يبقى المجموع الكلي للشحنات ثابتا ، فمثلا فإذا كان الجسم مشحون بشحنة سالبة تنتقل جزءاً من شحنته إلى الجسم الملامس له فتتوزع الشحنة السالبة بينهما ، ونفس الأمر إذا كان الجسم مشحون بشحنة موجبة.


وللكشف عن شحنة الأجسام ، نستخدم الكشاف الكهربي :

الكشاف الكهربائي:


هو جهاز يستخدم للكشف عن الشحنات الكهربائية كما ونوعا ، ويتكون من ورقتين من الذهب أو الألمنيوم مثبتتين في نهاية قضيب معدني ينتهي من أعلى بقرص معدني ويمر خلال سداد من المطاط ليحفظ في وعاء من الزجاج أو من المعدن له واجهة أو واجهتين من الزجاج تسهل رؤية الورقتين داخله.

استخدامات الكاشف الكهربائي:







1- الكشف عن وجود الشحنة السالبة على جسم ما :
عن طريق جعل الجسم يلامس قرص الكشاف فنلاحظ انفراج الورقتين وسبب ذلك أن جزءا من الشحنات السالبة الموجودة على الورقتين تنتقل خلال القرص والقضيب المعدني إلى ورقتين فتصبحان مشحونتين بشحنتين متماثلتين فيحدث بينهما تنافر ويكون مقدار الانفراج بين الورقتين مقياسا لمقدار الشحنة فكلما زادت الشحنة زاد الانفراج والعكس صحيح .


2- الكشف عن وجود الشحنة الموجبة على جسم ما :
عن طريق جعل الجسم يلامس قرص الكشاف فنلاحظ انفراج الورقتين وسبب ذلك أن الشحنات الموجبة التي يحملها الجسم تجذب نحوها الإلكترونات الحرة التي يحملها الموصل المعزول المكون من قرص الكشاف والقضيب المعدني والورقتين وينشأ عن ذلك أن تترك هذه الإلكترونات عددا من الشحنات الموجبة مساوية لعددها فتنفرج الورقتين وكأن الشحنة الموجبة على الجسم قد انتقلت إليها .


3 - تحديد نوع الشحنة التي يحملها جسم مشحون :
نشحن الكشاف عن طريق دلك قضيب زجاج بقطعة حرير ثم تقريب القضيب من قرص الكشاف فنلاحظ انفراج الورقتين .نلمس قرص الكشاف بالإصبع مع بقاء قضيب الزجاج قريبا من القرص ، نرفع الإصبع ثم نبعد القضيب نلاحظ أن الورقتين تبقيان منفرجتين دلالة على أن الكشاف أصبح مشحوناً بشحنة موجبة .
ثم نقرب الجسم المشحون بشحنة مجهولة من قرص الكشاف فإذا لاحظنا زيادة في انفراج الورقتين فإن ذلك يعني أن الشحنة المجهولة موجبة ، ويرجع ذلك لانجذاب الإلكترونات الحرة من على الورقتين وتجمعهما على القرص مما يؤدي إلى ازدياد عدد الشحنات الموجبة على الورقتين إما إذا قل الانفراج فنكون الشحنة المجهولة سالب .






مقاطع فيديو للكشاف الكهربي
( قريبا )

وقد حلت أجهزة إلكتروميتر تسمى كشافات كهربائية مصلابة أكثر حساسية محل الكشافات الكهربائية ذوات الأوراق الذهبية وغيرها من الكشافات البسيطة. وتحتوي هذه الأجهزة الإلكترونية على مكثفة، وهي أداة تختزن الشحنة الكهربائية. وعندما يلمس موصل المقياس الكهربائي جسماً مشحوناً، تحدث الشحنة جهداً كهربائياً صغيراً في المكثفة. ومن ثمَّ يقوم المقياس الكهربائي بتكبير هذا الجهد إلكترونيًا حتى يمكن إظهار قيمته على تدريج أو جهاز يسمى راسم الذبذبات.

يستخدم كثير من الناس الذين يعملون في مناطق الإشعاع الكشاف الكهربائي بمثابة مقياس جرعة. وهو جهاز يقيس كمية الأشعة التي يتعرض لها الإنسان. ويجب شحن الكشاف الكهربائي قبل استعماله مقياسَ جرعة. ويقوم المقياس بتفريغ شحنته تدريجياً عندما يتعرض لأشعة جاما أو أشعة سينية أو أي نوع آخر من أنواع الأشعاع. وتبين كمية الشحنة المفقودة مستوى التعرض.
قانون كولوم Coulomb's Law


مر بنا معرفة أن الشحنات الكهربائية المختلفة تتجاذب والمتشابهة تتنافر ، ومعنى هذا أنه توجد قوى متبادلة بين الشحنات الكهربائية. ولما كان منشأ هذه القوى الشحنات الكهربائية نفسها، فإنها تسمى قوى كهربائية.

والسؤال الآن: على ماذا تعتمد القوة الكهربائية المتبادلة بين شحنتين كهربائيتين؟

في العام 1785 أجرى العالم تشارلز كولوم تجربة باستخدام ميزان اللي الموضح في الصورة التالي لدراسة العوامل التي تعتمد عليها القوة الكهربائية بين شحنتين نقطتين .




وكما في الصور التالية ، ( أ ) ، ( ب ) كرتين خفيفتين متساويتين في الحجم يصل بينهما سلك عازل مربوط من منتصفه بخيط خفيف ، وتشحن الكرة ( أ ) والكرة ( جـ ) بشحنتين متساويتين ومتماثلتين ، مما يجعلهما يتنافران ، وكلما كان مقدار الشحنتين أكبر كلما كان التنافر أكبر .





نستنتج من هذه التجربة أن القوة الكهربية تعتمد على :
1- حاصل ضرب مقدار الشحنتين .
2- المسافة بين الشحنتين .


فيديو رائع جدا ثلاثي الأبعاد يوضح
تجربة كولوم ( قريبا بإّن الله تعالى )





نص قانون كولوم

" تتناسب القوة الكهربية المتبادلة بين شحنتين كهربائيتين تناسباً طردياً مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين وعكسياً مع مربع المسافة بينهما عند ثبوت طبيعة الوسط الفاصل بينهما " .


الفلاشات التالية ، توضح بأساليب متعددة قانون كولوم :
تسهيلا لحفظها ستجدها بإذن الله تعالى في مرفقات هذا الردّ



أضغط على تجربة لمشاهدة كيف يعمل ميزان اللي




أختر نوع الشحنتين ، لتشاهد القوى المتبادلة بينهما




أضغط على السهم الأخضر لإستنتاج قانون كولوم




غير من قيم q1 ، q2 ثم حركهما بالضغط عليهما
لاتضغط على menu لأنها ستنقلك إلى القائمة الرئيسة غير المحملة في هذا الفلاش




حرك أحدى الشحنتين لتشاهد القوى المتبادلة بينهما




أضغط على الأيقونة الزرقاء
غير في قيم ونوع الشحنتين لتشاهد القوى المتبادلة بينهما




غير في قيم الشحنتين والمسافة بينهما لتشاهد القوى المتبادلة بينهما




غير في قيم الشحنتين والمسافة بينهما لتشاهد القوى المتبادلة بينهما








فلاش يوضح القوى المتبادلة بين ثلاث شحنات على خط مستقيم
يمكنك التغيير في القيم




فلاش يوضح القوى المتبادلة بين ثلاث شحنات على رؤس مثلث
يمكنك التغيير في القيم
المجال الكهربائي Electric field

مر بنا أن الشحنة الكهربائية تؤثر بقوة على شحنة أخرى تبعد عنها مسافة ما . كما مر بنا أن هذه القوة تقل كلما زادت المسافة حتى تنعدم القوة . ومن هذا قال العالم البريطاني مايكل فاراداي أن لكل شحنة كهربائية حيز يحيط بها و تؤثر من خلال هذا الحيز على أي شحنة موجودة في هذا الحيز ( أي تظهر فيها الآثار الكهربائية ) ، ويسمى المجال الكهربائي أو المجال الكهرو - سكوني ( الكهروستاتي ) .









وبأسلوب آخر لتوضيح مفهوم المجال الكهربائي :

المجال الكهربائي هي مساحة معينة حول أي جسم مشحون كهربائيًا ، ويمكن الكشف عنه بتأثيره على الأجسام المشحونة الأخرى الموجودة في ذات المجال.


العوامل المؤثرة على قوة المجال الكهربائي :

تتناسب قوة المجال الكهربائي عند أي نُقطة تقع على بُعد ما من جسم المشحون تناسباً طردياً مع كمية الشحنة الموجودة عليه . و عكسياً مع مربع المسافة بين النقطة والجسم .











ولتعريف المجال الكهربائي بطريقة عملية ، فلنتخيل وجود شحنة اختباريه صغيرة (Test charge) تسمى ( ش. ، .q ) عند النقطة المراد حساب المجال عندها ،
ثم تقاس القوة ( ق ، F ) المؤثرة على ( ش. ، .q ) نتيجة وجودها في هذا المجال ، فتكون شدة المجال الكهربائي ( ج ، E ) هي :

ج = ق / ش.

.E = F / q


وتكون بذلك وحدة المجال الكهربائي نيوتن / كولوم .


وبالتعويض عن( ق، F ) من قانون كولوم نحصل على العلاقة التالية :

ج = أ ش / ف2

E= k q / r2

وبذلك نصل إلى تعريف شدة المجال الكهربائي ( ج ، E ) عند أي نقطة منه :
بأنها مقدار القوة الكهربائية المؤثرة على شحنة اختبار موضوعة في تلك النقطة .

شحنة الاختبار ( شحنة نقطية موجبة مقدارها 1 كلولوم )

خطوط المجال الكهربائي :
يمكن النظر إلى المجال الكهربائي على أنه خطوط قوى كهربائية تخيلية تشع من الجسم. ويؤثر المجال الكهربائي على أي جسم مشحون آخر يدخل في نطاقه، بحيث يجعله يغير حركته خلال المجال. ومعنى هذا أن الأجسام المشحونة يؤثر كل منها على الآخر، حتى وإن لم يكن هناك اتصال محسوس بينها، وذلك بسبب المجالات الكهربائية التي تحيط بها. فعلى سبيل المثال تتجاذب الجسيمات مختلفة الشحنة، بينما تتنافر الجسيمات متماثلة الشحنة.









وبالتالي فإن خطوط المجال الكهربائي هي خطوط وهمية تمثل مسار شحنة كهربائية موجبة صغيرة جداً (Test charge) إذا تركت حرة في المجال ، واعتماداً على هذا التعريف يمكن ذكر الخصائص التالية لخطوط المجال:

ملاحظات خاصة بخطوط المجال الكهربائي :
1 - خطوط المجال الكهربائي تبدأ من الشحنة الموجبة وتنتهي في الشحنة السالبة ، وإذا اختفت أي من الشحنتين فإن الخطوط تستمر إلى ما لا نهاية .
2 - عدد خطوط المجال الكهربائي أو الداخلة عليها يتناسب مع مقدار الشحنة .
3 - لا يمكن بأي حال من الأحوال أن يتقاطع خطان من خطوط المجال الكهربائي .
4 - كلما زادت كثافة الخطوط حول نقطة ما كلما كان المجال عند هذه النقطة أكبر والعكس صحيح ، والمنطقة التي لا توجد فيها خطوط المجال يكون فيها المجال معدوماً.








مقارنة للتوضيح ( بين المجال الكهربائي و مجال الجاذبية الأرضية ) :
تؤثر قوة المجال الكهربائي بين شحنتين بنفس الطريقة التي تؤثر بها قوة الجاذبية بين كتلتين . و لكن المجال الكهربائي مختلف قليلاً ، فقوة الجاذبية تعتمد على كتلة الجسمين بينما القوة الكهربية تعتمد على شحنة الجسمين. وبينما يمكن بها لقوة الجاذبية جذب كتلتين تجاه بعضهما فقط, يمكن للقوة الكهربية أن تكون قوة تجاذب أو تنافر. إذا كانت الشحنتان بنفس الاشارة (مثال: كلتاهما موجبة) ستكون هناك قوة تنافر بينهما. أما إذا كانت الشحنتان مختلفتين فسيكون هناك قوة تجاذب بين الجسمين. يتناسب مقدار القوة عكسياً مع مربع المسافة بين الجسمين, كما يتناسب طردياً مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين دون اشارة.



و ينقسم المجال الكهربائي لنوعين :1 – المجال الكهربائي غير المنتظم : هو مجال غير ثابت الشدة ينشئ عن الشحنات النقطية الساكنة
2 - المجال الكهربائي المنتظم : هو مجال ثابت الشدة والاتجاه ينشئ عن الكهرباء المتحركة مثل حركة الشحنات في مقطع سلك صغير أو بين لوحي مكثف (توصيل لوحين معدنيين متوازيان بقطبي بطارية ) .





حركة شحنة في مجال كهربائي منتظم :

قريبا