ملتقى الفيزيائيين العرب - خطوط المجال الكهربائي

المجال الكهروستاتيكي للشحنات الكهربائية الساكنة

مقدمة : تحتل الكهرباء الساكنة ( السكونية ) مكاناً بارزاً في فيزياء الكهرباء لأنها كانت أول ما عرف الإنسان عن الكهرباء .

إن تجارب الكهرباء الساكنة من أمتع التجارب في المختبرات ، وإنّ أحد أسباب ذلك هو سهولةالتعامل معها ومع أجهزتها وأدواتها .

يشبه قانون كولوم في الكهرباء الساكنة

مع فارق أساسي وغريب :

قانون الجذب العام لنيوتن

القوى الكهروستاتيكية بين الشحنات تزيد بملايين المرات عند مقارنتها مع قوى الجذب العام بين الكتل . إن مفهوم المجال الكهروستاتيكي يلزمه فهماً عميقاً لطبيعة وخصائص الكهرباء الساكنة بنوعيها

ما معنى خطوط المجال الكهروستاتيكي :

كان عرض العالم مايكل فارادي ( 1791 – 1867 ) لمفهوم خطوط المجال ( القوى ) الكهروستاتيكية محاولة منه لتصور ( تخيل ) كيفية انتشار تأثير الشحنات الكهروستاتيكية إلى ما حولها .

قال بأن الفراغ أو المادة حول الشحنة الكهروستاتيكية في حالة توتر أو إجهاد ( Stress ) سببه وجود الشحنة ، وكأنها تقوم بتعديل ( Modify ) الفراغ أو المادة حولها ، وقد بين فارادي بأن حالة الإجهاد هذه يمكن التعبير عنها بتصور وجود خطوط هندسية منحنية أو مستقيمة ( وهي خطوط وهمية ) تحيط بالشحنة الموجبة أو السالبة . قال فارادي أن من خصائص هذه الخطوط أنها في حالة تنافر جانبي فيما بينها ـ لعل هذه الخاصية تفسر انتشار الخطوط في كل الاتجاهات ، أو إن شئت انتشار تأثير الشحنة إلى ما حولها ـ .

كيف تبدو أشكال هذه الخطوط :

خطوط القوى الكهروستاتيكي التي تحيط بشحنات كهروستاتيكية ، نلاحظ لهذه الخطوط الخصائص التالية :

1. أن منها المستقيم ومنها ما يأخذ الشكل المنحني .

2. أن لهذه الخطوط اتجاهات في الفضاء تدل عليها الرموز السهمية الموجودة على كل خط .

3. أن هذه الخطوط تنتشر في الفضاء حول الشحنة وفي جميع الاتجاهات .

4. يلزم ان تمتد هذه الخطوط إلى مسافات لا متناهية ذلك لأن تأثير الشحنات الكهروستاتيكية يمتد أيضاً إلى مسافات لا متناهية .

كيف رسم علماء الفيزياء شكل هذه الخطوط :

يمكن مشاهدة أثر هذه الخطوط وشكلها في المختبر بالتجربة التالية :

أ. يتم غمر جزء من كرة صغيرة من النحاس تتصل بقضيب نحاسي وذلك في سائل ( زيت ) الخروع ( Castor Oil ) وبحيث يتم تثبيت القضيب فوق سطح السائل بشكل موازي للسطح.

ب. نثبت كرة مشابهة ثانية قريبة من الأولى وبعين الطريقة .

ج. ننثر القليل من بذور نباتية خفيفة مثل بذور الحشائش على سطح الزيت .

د. نصل طرفي القضيبين ( أ ، ب ) بقطبي مولد للكهرباء الساكنة فنلاحظ عندها أن البذور حول الكرتين تترتب على خطوط منحنية

ما المعنى الفيزيائي الذي تبينه هذه الخطوط وما فائدتها ؟

نفرض أننا جئنا بكرة نحاسية على سطحها شحنة كهروستاتيكية موجبة فثبتناها في موضعها . نأتي الآن بشحنة

أخرى سنسميها شحنة اختبار نقطية ( Point Test Charge ) ونضعها حرة الحركة عند

موجبة

نقطة مثل ( أ ) حول الشحنة الكروية الأولى ثم نرقب حركتها .

الموجبة شيئين :

سنلاحظ على شحنة الاختبار

على الكرة ).

1. أنها تتحرك ( بفعل التنافر بينها وبين الشحنة الموجبة

2. أن مسارها هو الخط الهندسي ( أو الشعاع ) الذي نقطة بدئه هي ( أ ) والذي يقع على الخط الواصل بين الشحنتين ـ يشير رمز السهم إلى اتجاه الحركة ـ ولو بقيت شحنة الاختبار حرة لظلت تتحرك إلى مسافات كبيرة .

شحنة الاختبار النقطية ( Point Test Charge ) :

شحنة تستقر على كرة متناهية في صغرها إلى حد أننا نهمل أبعادها .

تعريف : في فيزياء المجالات الكهروستاتيكية يُسمي العلماء هذه النقطة نقطة تعادل ( Neutral Point ) . نقطة التعادل في مجال كهروستاتيكي هي إذن نقطة لا يمر بها أي خط من خطوط المجال الككهروستاتيكي.

قد يوقفنا الدارس ليقول : " لكننا نعلم تعريفاً آخر لنقطة التعادل يذكر أن نقطة التعادل هي تلك النقطة في مجال كهروستاتيكي والتي إذا تم وضع شحنة موجبة عندها كانت القوة المؤثرة عليها صفراً " . فجوابنا أن التعريفين متكافئين ، أي أن كل واحد منهما يوصل إلى الآخر في فيزياء المجالات .

ما هي أهم خصائص خطوط المجال الكهروستاتيكي ؟

إن من أهم خصائصها أنها لا تتقاطع وأن خطوط المجال التي تنبع من الشحنات الموجبة يلزم أن تستقر ( أو تنتهي ) عند شحنات سالبة ، فإذا كنا نمسك بكرة مشحونة بشحنة موجبة داخل غرفة فإن خطوط مجال شحنتها يجب أن تنتهي عند أية مواد موصلة قريبة منها داخل الغرفة .

فمثلاً يمكن لبعض هذه الخطوط أن تستقر على الطرف القريب لمقبض الباب مثلاً والمصنوع من الحديد .

إن شحنة الكرة الموجبة عملت على شحن الطرف القريب للمقبض بالحث ( بالتأثير ) الكهروستاتيكي بشحنة سالبة، ولعل الكرة شحنت الطرف القريب منه حتى تستقر بعض خطوطها على شحنة سالبة فتأمل !.

ثمة ملاحظة أخيرة يسمي علماء الفيزياء خطوط المجال الكهروستاتيكي هذه " خطوط القوى الكهروستاتيكية Electric Lines of Force "

_________________________

هل تعلم ؟

يقول علماء الأحياء ( الحياة ) أن أسماء القرش تملك حساسية مفرطة لكشف المجالات الكهروستاتيكية حتى الضعيفة منها . إن مراقبة سلوك أسماك القرش بينت أنها يمكن أن تهاجم سمكة مختبئة تحت تراب قاع البحر . أما كيف عرفت سمكة القرش وجود سمكة تحت التراب فبالكشف عن مجال كهروستاتيكي ضعيف ولدته السمكة .

تعمل المجالات الكهروستاتيكية على ترتيب ملايين من جزيئات المادة القطبية مثل الماء وباتجاه المجال عند وضعها فيه .

تحمل الأرض شحنة كهروستاتيكية قليلة على سطحها !