نحن نستقبل دائمًا إشارات حول الأحداث البعيدة باستخدام وسيلة وسيطة، على سبيل المثال، يتم إجراء الاتصال الهاتفي باستخدام الأسلاك الكهربائية، ويتم نقل الكلام عبر مسافة باستخدام الموجات الصوتية المنتشرة في الهواء
(لا يمكن للصوت أن ينتقل في الفضاء الخالي من الهواء). نظرًا لأن حدوث الإشارة هو دائمًا ظاهرة مادية، فإن انتشارها المرتبط بنقل الطاقة من نقطة إلى أخرى في الفضاء، لا يمكن أن يحدث إلا في بيئة مادية.
إن أهم علامة على وجود وسيط وسيط في نقل الإشارة هي السرعة النهائية لانتشار الإشارة من المصدر إلى المراقب، والتي تعتمد على خصائص الوسط. على سبيل المثال، ينتقل الصوت في الهواء بسرعة تبلغ حوالي 330 م/ث.
إذا كانت هناك ظواهر في الطبيعة تكون فيها سرعة انتشار الإشارات كبيرة بلا حدود، أي أن الإشارة ستنتقل على الفور من جسم إلى آخر على أي مسافة بينهما، فإن هذا يعني أن الأجسام يمكن أن تؤثر على بعضها البعض بسرعة المسافة وفي غياب المادة بينهما. في الفيزياء، يسمى تأثير الأجسام على بعضها البعض بالعمل بعيد المدى. عندما تؤثر الأجسام على بعضها البعض بمساعدة المادة الموجودة بينها، فإن تفاعلها يسمى العمل قصير المدى. وبالتالي، أثناء التفاعل الوثيق، يؤثر الجسم بشكل مباشر على البيئة المادية، وهذه البيئة تؤثر بالفعل على جسم آخر.
يستغرق نقل تأثير جسم إلى آخر عبر وسط وسيط بعض الوقت، حيث أن أي عمليات في البيئة المادية تنتقل من نقطة إلى أخرى بسرعة محدودة ومحددة جيدًا. تم تقديم التبرير الرياضي لنظرية العمل قصير المدى من قبل العالم الإنجليزي المتميز د. ماكسويل (1831-1879). وبما أن الإشارات التي تنتشر على الفور لا وجود لها في الطبيعة، فإننا فيما يلي سوف نتمسك بنظرية المدى القصير.
وفي بعض الحالات، يحدث انتشار الإشارات من خلال المادة، على سبيل المثال، انتشار الصوت في الهواء. وفي حالات أخرى، لا تشارك المادة بشكل مباشر في نقل الإشارات، على سبيل المثال، يصل ضوء الشمس إلى الأرض عبر الفضاء الخالي من الهواء. لذلك، المادة موجودة ليس فقط في شكل مادة.
في الحالات التي يمكن أن يحدث فيها تأثير الأجسام على بعضها البعض من خلال الفضاء الخالي من الهواء، يسمى الوسط المادي الذي ينقل هذا التأثير بالمجال. وبالتالي فإن المادة موجودة على شكل مادة وعلى شكل؟ مجالات. اعتمادًا على نوع القوى المؤثرة بين الأجسام، يمكن أن تكون الحقول من أنواع مختلفة. يسمى المجال الذي ينقل تأثير جسم على جسم آخر وفقًا لقانون الجاذبية العالمية بمجال الجاذبية. يسمى المجال الذي ينقل تأثير شحنة كهربائية ثابتة على شحنة ثابتة أخرى وفقًا لقانون كولوم بالمجال الكهروستاتيكي أو الكهربائي.
وقد أظهرت التجربة أن الإشارات الكهربائية تنتشر في الفضاء الخالي من الهواء بسرعة عالية جداً ولكن محدودة، وهي حوالي 300000 كم/ثانية (الفقرة 7.27). هذا
يثبت أن المجال الكهربائي هو نفس الواقع المادي للمادة. مكنت دراسة خصائص المجال من نقل الطاقة عبر مسافة باستخدام المجال واستخدامها لتلبية احتياجات البشرية. ومن الأمثلة على ذلك تأثير الاتصالات الراديوية، والتلفزيون، والليزر، وما إلى ذلك. ومع ذلك، فإن العديد من خصائص هذا المجال لم تتم دراستها بشكل جيد أو لم تكن معروفة بعد. تعد دراسة الخواص الفيزيائية للمجال والتفاعل بين المجال والمادة من أهم المشكلات العلمية في الفيزياء الحديثة.
تخلق أي شحنة كهربائية مجالًا كهربائيًا في الفضاء تتفاعل من خلاله مع الشحنات الأخرى. المجال الكهربائي يعمل فقط على الشحنات الكهربائية. لذلك، يمكن اكتشاف مثل هذا المجال بطريقة واحدة فقط: عن طريق إدخال شحنة اختبار في النقطة التي تهمنا من الفضاء. إذا كان هناك مجال في هذه النقطة، فستعمل عليه قوة كهربائية.
وعندما يتم فحص المجال بشحنة اختبارية يعتقد أن وجودها لا يشوه المجال قيد الدراسة. وهذا يعني أن حجم شحنة الاختبار يجب أن يكون صغيرًا جدًا مقارنة بالشحنات التي تخلق المجال. وتم الاتفاق على استخدام الشحنة الموجبة كشحنة اختبار.
ويترتب على قانون كولوم أن القيمة المطلقة لقوة التفاعل بين الشحنات الكهربائية تتناقص مع زيادة المسافة بينهما، ولكنها لا تختفي تمامًا. وهذا يعني، من الناحية النظرية، أن مجال الشحنة الكهربائية يمتد إلى ما لا نهاية. ومع ذلك، من الناحية العملية، نعتقد أن المجال موجود فقط عندما تؤثر قوة ملحوظة على شحنة الاختبار.
ولنلاحظ أيضًا أنه عندما تتحرك الشحنة، يتحرك معها مجالها أيضًا. عندما تتم إزالة الشحنة لدرجة أن القوة الكهربائية المؤثرة على شحنة الاختبار في أي نقطة في الفضاء ليس لها أي تأثير عمليًا، نقول إن المجال قد اختفى، على الرغم من أنه في الواقع انتقل إلى نقاط أخرى في الفضاء.
المجال الكهربائي، وفقًا للمفاهيم الفيزيائية الأولية، ليس أكثر من نوع خاص من البيئة المادية التي تنشأ حول الأجسام المشحونة وتؤثر على تنظيم التفاعل بين هذه الأجسام بسرعة محدودة معينة وفي مساحة محدودة للغاية.
لقد ثبت منذ فترة طويلة أن المجال الكهربائي يمكن أن ينشأ في كل من الأجسام الثابتة والمتحركة. المؤشر الرئيسي لوجوده هو تأثيره
أحد أهم المفاهيم الكمية هو مفهوم "قوة المجال". من الناحية العددية، يعني هذا المصطلح نسبة القوة التي تؤثر على شحنة اختبار مباشرة إلى التعبير الكمي لهذه الشحنة.
وكون الشحنة اختبارية يعني أنها في حد ذاتها لا تشارك في إنشاء هذا المجال، وقيمتها صغيرة جدًا بحيث لا تؤدي إلى أي تحريف للبيانات الأصلية. يتم قياس شدة المجال بوحدة V/m، والتي تساوي تقليديًا N/C.
قدم الباحث الإنجليزي الشهير إم فاراداي في الاستخدام العلمي طريقة تمثيل المجال الكهربائي بيانياً. وفي رأيه، ينبغي تصوير هذا النوع الخاص من المادة في الرسم على شكل خطوط متصلة. وأصبحت تُعرف فيما بعد باسم "خطوط شدة المجال الكهربائي"، واتجاهها، بناءً على القوانين الفيزيائية الأساسية، يتطابق مع اتجاه الشدة.
خطوط القوة ضرورية لإظهار الخصائص النوعية للتوتر مثل السُمك أو الكثافة. وفي هذه الحالة تعتمد كثافة خطوط التوتر على عددها لكل وحدة سطح. تتيح لك الصورة التي تم إنشاؤها لخطوط المجال تحديد التعبير الكمي لشدة المجال في أقسامها الفردية، وكذلك معرفة كيفية تغيرها.
يتمتع المجال الكهربائي للعوازل الكهربائية بخصائص مثيرة للاهتمام. كما هو معروف، فإن العوازل هي مواد لا يوجد فيها أي جزيئات مشحونة عمليا، وبالتالي، نتيجة لذلك، فهي غير قادرة على إجراء هذه المواد، أولا وقبل كل شيء، جميع الغازات والسيراميك والخزف والماء المقطر والميكا ، إلخ.
من أجل تحديد شدة المجال في العازل الكهربائي، يجب أن يمر مجال كهربائي من خلاله. وتحت تأثيرها، تبدأ الشحنات المرتبطة في العازل بالتحول، لكنها غير قادرة على مغادرة حدود جزيئاتها. يشير الإزاحة الاتجاهية إلى أن الشحنة الموجبة يتم إزاحتها في اتجاه المجال الكهربائي، والشحنة السالبة - ضدها. ونتيجة لهذه التلاعبات، يظهر مجال كهربائي جديد داخل العازل الكهربائي، ويكون اتجاهه معاكسًا مباشرة للاتجاه الخارجي. هذا المجال الداخلي يضعف المجال الخارجي بشكل ملحوظ، وبالتالي ينخفض توتر الأخير.
تعد قوة المجال أهم خاصية كمية لها، والتي تتناسب طرديًا مع القوة التي يؤثر بها هذا النوع الخاص من المادة على شحنة كهربائية خارجية. وعلى الرغم من استحالة رؤية هذه القيمة، إلا أنه بمساعدة رسم خطوط مجال التوتر يمكنك الحصول على فكرة عن كثافته واتجاهه في الفضاء.
تفاصيل الفئة: الكهرباء والمغناطيسية تم النشر في 06/05/2015 20:46 المشاهدات: 13114في ظل ظروف معينة، يمكن للمجالات الكهربائية والمغناطيسية المتناوبة أن تولد بعضها البعض. إنها تشكل مجالًا كهرومغناطيسيًا، وهو ليس مجملها على الإطلاق. هذا كل واحد لا يمكن أن يوجد فيه هذين المجالين بدون بعضهما البعض.
من التاريخ
أظهرت تجربة العالم الدنماركي هانز كريستيان أورستد، التي أجريت عام 1821، أن التيار الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيًا. وفي المقابل، يمكن للمجال المغناطيسي المتغير توليد تيار كهربائي. وهذا ما أثبته الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي الذي اكتشف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي عام 1831. وهو أيضًا مؤلف مصطلح "المجال الكهرومغناطيسي".
وفي ذلك الوقت، كان مفهوم نيوتن للفعل بعيد المدى مقبولًا في الفيزياء. كان يعتقد أن جميع الأجسام تعمل على بعضها البعض من خلال الفراغ بسرعة عالية بلا حدود (على الفور تقريبًا) وعلى أي مسافة. وكان من المفترض أن الشحنات الكهربائية تتفاعل بطريقة مماثلة. يعتقد فاراداي أن الفراغ غير موجود في الطبيعة، وأن التفاعل يحدث بسرعة محدودة عبر وسط مادي معين. هذه الوسيلة للشحنات الكهربائية هي حقل كهرومغناطيسي. ويسافر بسرعة تساوي سرعة الضوء.
نظرية ماكسويل
ومن خلال الجمع بين نتائج الدراسات السابقة، الفيزيائي الإنجليزي جيمس كليرك ماكسويلتم إنشاؤها عام 1864 نظرية المجال الكهرومغناطيسي. ووفقا لها، فإن المجال المغناطيسي المتغير يولد مجالا كهربائيا متغيرا، والمجال الكهربائي المتناوب يولد مجالا مغناطيسيا متناوبا. بالطبع، يتم إنشاء الحقل الأول بواسطة مصدر للشحنات أو التيارات. ولكن في المستقبل، يمكن أن توجد هذه الحقول بالفعل بشكل مستقل عن هذه المصادر، مما يتسبب في ظهور بعضها البعض. إنه، المجالات الكهربائية والمغناطيسية هي مكونات لمجال كهرومغناطيسي واحد. وكل تغير في أحدهما يؤدي إلى ظهور الآخر. تشكل هذه الفرضية أساس نظرية ماكسويل. المجال الكهربائي الناتج عن المجال المغناطيسي هو دوامة. خطوط قوتها مغلقة.
هذه النظرية هي الفينومينولوجية. وهذا يعني أنه تم إنشاؤه بناءً على افتراضات وملاحظات، ولا يأخذ في الاعتبار سبب المجالات الكهربائية والمغناطيسية.
خصائص المجال الكهرومغناطيسي
المجال الكهرومغناطيسي هو مزيج من المجالات الكهربائية والمغناطيسية، ولذلك عند كل نقطة في فضاءه يوصف بكميتين رئيسيتين: شدة المجال الكهربائي. ه وتحريض المجال المغناطيسي في .
وبما أن المجال الكهرومغناطيسي هو عملية تحويل المجال الكهربائي إلى مجال مغناطيسي، ومن ثم المغناطيسي إلى كهربائي، فإن حالته تتغير باستمرار. تنتشر في المكان والزمان، وتشكل موجات كهرومغناطيسية. وتنقسم هذه الموجات حسب التردد والطول إلى: موجات الراديو، إشعاع تيراهيرتز، الأشعة تحت الحمراء، الضوء المرئي، الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة السينية، وأشعة جاما.
تكون نواقل شدة وتحريض المجال الكهرومغناطيسي متعامدة بشكل متبادل، والمستوى الذي تقع فيه يكون متعامدًا مع اتجاه انتشار الموجة.
في نظرية العمل بعيد المدى، كانت سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية تعتبر كبيرة بلا حدود. ومع ذلك، أثبت ماكسويل أن الأمر لم يكن كذلك. في المادة، تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية بسرعة محدودة، والتي تعتمد على النفاذية العازلة والمغناطيسية للمادة. ولذلك تسمى نظرية ماكسويل بنظرية الفعل قصير المدى.
تم تأكيد نظرية ماكسويل تجريبيا في عام 1888 من قبل الفيزيائي الألماني هاينريش رودولف هيرتز. وأثبت وجود الموجات الكهرومغناطيسية. علاوة على ذلك، قام بقياس سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ، والتي تبين أنها تساوي سرعة الضوء.
في شكل متكامل، يبدو هذا القانون كما يلي:
قانون غاوس للمجال المغناطيسي
تدفق الحث المغناطيسي عبر سطح مغلق يساوي صفرًا.
المعنى الفيزيائي لهذا القانون هو أن الشحنات المغناطيسية لا وجود لها في الطبيعة. لا يمكن فصل قطبي المغناطيس. خطوط المجال المغناطيسي مغلقة.
قانون فاراداي للحث
يؤدي التغير في الحث المغناطيسي إلى ظهور مجال كهربائي دوامي.
,
نظرية دوران المجال المغناطيسي
تصف هذه النظرية مصادر المجال المغناطيسي، وكذلك الحقول نفسها التي أنشأتها.
يؤدي التيار الكهربائي والتغيرات في الحث الكهربائي إلى توليد مجال مغناطيسي دوامي.
,
,
ه- شدة المجال الكهربائي؛
ن- قوة المجال المغناطيسي؛
في- الحث المغناطيسي. هذه كمية متجهة توضح القوة التي يعمل بها المجال المغناطيسي على شحنة بحجم q تتحرك بسرعة v؛
د- الحث الكهربائي، أو الإزاحة الكهربائية. وهي كمية متجهة تساوي مجموع متجه الكثافة ومتجه الاستقطاب. يحدث الاستقطاب بسبب إزاحة الشحنات الكهربائية تحت تأثير مجال كهربائي خارجي بالنسبة إلى موضعها عندما لا يوجد مثل هذا المجال.
Δ - المشغلة نبلاء . يُطلق على عمل هذا العامل في مجال معين اسم دوار هذا المجال.
Δ × E = تعفن E
ρ - كثافة الشحنة الكهربائية الخارجية.
ي- كثافة التيار - قيمة تشير إلى قوة التيار المتدفق عبر وحدة المساحة؛
مع– سرعة الضوء في الفراغ .
دراسة المجال الكهرومغناطيسي هو علم يسمى الديناميكا الكهربائية. وهي تعتبر تفاعلها مع الأجسام التي لها شحنة كهربائية. ويسمى هذا التفاعل الكهرومغناطيسي. تصف الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية فقط الخصائص المستمرة للمجال الكهرومغناطيسي باستخدام معادلات ماكسويل. تعتقد الديناميكا الكهربائية الكمومية الحديثة أن المجال الكهرومغناطيسي له أيضًا خصائص منفصلة (متقطعة). ويحدث مثل هذا التفاعل الكهرومغناطيسي بمساعدة جسيمات غير قابلة للتجزئة، وهي الكميات التي ليس لها كتلة ولا شحنة. ويسمى المجال الكهرومغناطيسي الكم الفوتون .
المجال الكهرومغناطيسي من حولنا
يتشكل مجال كهرومغناطيسي حول أي موصل يحمل تيارًا مترددًا. مصادر المجالات الكهرومغناطيسية هي خطوط الكهرباء، والمحركات الكهربائية، والمحولات، والنقل الكهربائي الحضري، والنقل بالسكك الحديدية، والأجهزة المنزلية الكهربائية والإلكترونية - أجهزة التلفزيون، وأجهزة الكمبيوتر، والثلاجات، والمكاوي، والمكانس الكهربائية، والهواتف اللاسلكية، والهواتف المحمولة، وماكينات الحلاقة الكهربائية - باختصار، كل ما يتعلق لاستهلاك أو نقل الكهرباء. المصادر القوية للمجالات الكهرومغناطيسية هي أجهزة الإرسال التلفزيونية، وهوائيات محطات الهاتف الخلوي، ومحطات الرادار، وأفران الميكروويف، وما إلى ذلك. وبما أن هناك الكثير من هذه الأجهزة من حولنا، فإن المجالات الكهرومغناطيسية تحيط بنا في كل مكان. وتؤثر هذه المجالات على البيئة والإنسان. هذا لا يعني أن هذا التأثير يكون دائمًا سلبيًا. توجد المجالات الكهربائية والمغناطيسية حول البشر منذ زمن طويل، لكن قوة إشعاعاتها قبل بضعة عقود كانت أقل بمئات المرات مما هي عليه اليوم.
حتى مستوى معين، يمكن أن يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي آمنًا للبشر. وهكذا، في الطب، يتم استخدام الإشعاع الكهرومغناطيسي منخفض الكثافة لشفاء الأنسجة، والقضاء على العمليات الالتهابية، ويكون لها تأثير مسكن. تعمل أجهزة UHF على تخفيف تشنجات العضلات الملساء في الأمعاء والمعدة، وتحسين عمليات التمثيل الغذائي في خلايا الجسم، وتقليل قوة الشعيرات الدموية، وخفض ضغط الدم.
لكن المجالات الكهرومغناطيسية القوية تسبب اضطرابات في عمل الجهاز القلبي الوعائي والمناعي والغدد الصماء والجهاز العصبي، ويمكن أن تسبب الأرق والصداع والإجهاد. ويكمن الخطر في أن تأثيرها يكاد يكون غير مرئي للإنسان، وتحدث الاضطرابات تدريجيا.
كيف يمكننا حماية أنفسنا من الإشعاع الكهرومغناطيسي المحيط بنا؟ من المستحيل القيام بذلك بشكل كامل، لذلك عليك أن تحاول تقليل تأثيره. بادئ ذي بدء، تحتاج إلى ترتيب الأجهزة المنزلية بحيث تكون بعيدة عن الأماكن التي نتواجد فيها في أغلب الأحيان. على سبيل المثال، لا تجلس بالقرب من التلفاز. ففي نهاية المطاف، كلما ابتعدت المسافة عن مصدر المجال الكهرومغناطيسي، كلما أصبح أضعف. في كثير من الأحيان نترك الجهاز متصلاً بالكهرباء. لكن المجال الكهرومغناطيسي يختفي فقط عند فصل الجهاز عن الشبكة الكهربائية.
تتأثر صحة الإنسان أيضًا بالمجالات الكهرومغناطيسية الطبيعية - الإشعاع الكوني، والمجال المغناطيسي للأرض.
يتم تنفيذ عمل بعض الأجسام المشحونة على أجسام مشحونة أخرى دون الاتصال المباشر بها، من خلال مجال كهربائي.
المجال الكهربائي مادة . إنه موجود بشكل مستقل عنا وعن معرفتنا به.
يتم إنشاء المجال الكهربائي بواسطة الشحنات الكهربائية ويتم اكتشافه بواسطة الشحنات الكهربائية من خلال تأثير قوة معينة عليها.
ينتشر المجال الكهربي بسرعة نهائية قدرها 300000 كم/ث في الفراغ.
نظرًا لأن إحدى الخصائص الرئيسية للمجال الكهربائي هي تأثيره على الجسيمات المشحونة بقوة معينة، فمن أجل إدخال الخصائص الكمية للمجال الكهربائي، من الضروري وضع جسم صغير بشحنة q (شحنة اختبار) عند نقطة في الفضاء. درس. ستعمل قوة على هذا الجسم من الميدان
|
|
|
إذا قمت بتغيير حجم شحنة الاختبار، على سبيل المثال، بعامل اثنين، فإن القوة المؤثرة عليها ستتغير أيضًا بعامل اثنين.
عندما تتغير قيمة شحنة الاختبار بعامل n، فإن القوة المؤثرة على الشحنة تتغير أيضًا بعامل n.
إن نسبة القوة المؤثرة على شحنة اختبار موضوعة عند نقطة معينة من المجال إلى حجم هذه الشحنة هي قيمة ثابتة ولا تعتمد على هذه القوة، أو على حجم الشحنة، أو على ما إذا كان هناك أي تهمة. يتم الإشارة إلى هذه النسبة بحرف ويتم اعتبارها القوة المميزة للمجال الكهربائي. تسمى الكمية الفيزيائية المقابلة قوة المجال الكهربائي .
يوضح التوتر مقدار القوة التي يؤثر بها المجال الكهربائي على وحدة الشحن الموضوعة عند نقطة معينة في المجال.
للعثور على وحدة التوتر، عليك التعويض بوحدتي القوة - 1 N والشحنة - 1 C في المعادلة المحددة للتوتر. نحصل على: [ E ] = 1 N / 1 Cl = 1 N / Cl.
وللتوضيح، تم تصوير المجالات الكهربائية في الرسومات باستخدام خطوط المجال.
|
|
|
|
|
يمكن للمجال الكهربائي أن يبذل شغلًا لنقل الشحنة من نقطة إلى أخرى. لذلك، الشحنة الموضوعة عند نقطة معينة في المجال لديها احتياطي من الطاقة الكامنة.
يمكن إدخال خصائص الطاقة للمجال بشكل مشابه لإدخال خاصية القوة.
عندما يتغير حجم شحنة الاختبار، لا تتغير القوة المؤثرة عليها فحسب، بل تتغير أيضًا الطاقة الكامنة لهذه الشحنة. إن نسبة طاقة شحنة الاختبار الموجودة عند نقطة معينة في المجال إلى قيمة هذه الشحنة هي قيمة ثابتة ولا تعتمد على الطاقة أو الشحنة.
للحصول على وحدة الجهد، من الضروري استبدال وحدتي الطاقة - 1 J والشحنة - 1 C في المعادلة المحددة للجهد. نحصل على: [φ] = 1 J / 1 C = 1 V.
هذه الوحدة لها اسمها الخاص: 1 فولت.
تتناسب الإمكانات الميدانية لشحنة نقطية بشكل مباشر مع حجم الشحنة التي تخلق المجال وتتناسب عكسيًا مع المسافة من الشحنة إلى نقطة معينة في المجال:
|
|
|
يمكن أيضًا تمثيل المجالات الكهربائية في الرسومات باستخدام أسطح ذات إمكانات متساوية، تسمى أسطح متساوية الجهد .
عندما تنتقل شحنة كهربائية من نقطة ذات جهد واحد إلى نقطة ذات جهد آخر، يتم بذل شغل.
تسمى الكمية الفيزيائية التي تساوي نسبة الشغل المبذول لتحريك شحنة من نقطة في المجال إلى أخرى إلى قيمة هذه الشحنة الجهد الكهربائي :
يوضح الجهد مقدار الشغل الذي يبذله المجال الكهربائي عند نقل شحنة مقدارها 1 C من نقطة في المجال إلى أخرى.
وحدة الجهد وكذلك الجهد هي 1 فولت.
يرتبط الجهد بين نقطتي مجال يقعان على مسافة d من بعضهما البعض بقوة المجال: 
|
|
|
في المجال الكهربائي المنتظم، لا يعتمد عمل نقل الشحنة من نقطة من المجال إلى أخرى على شكل المسار ويتم تحديده فقط من خلال حجم الشحنة وفرق الجهد بين نقاط المجال.
وفقًا لقانون كولوم، تتناسب قوة التفاعل بين جسمين نقطيين مشحونين ثابتين مع حاصل ضرب شحناتهما، وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما.
تعتمد القوة الكهربائية للتفاعل بين الأجسام المشحونة على حجم شحناتها، وحجم الأجسام، والمسافة بينها، وأيضا على أجزاء الأجسام التي توجد فيها هذه الشحنات. إذا كانت أحجام الأجسام المشحونة أقل بكثير من المسافة بينها، فإن هذه الأجسام تسمى الأجسام النقطية. تعتمد قوة التفاعل بين الأجسام النقطية المشحونة فقط على حجم شحناتها والمسافة بينها.
تم إنشاء القانون الذي يصف التفاعل بين جثتين مشحونتين من قبل الفيزيائي الفرنسي سي. كولومب عندما قام بقياس القوة التنافرية بين الكرات المعدنية الصغيرة المشحونة بالمثل (انظر الشكل 34 أ). يتكون تركيب القلادة من خيط فضي مرن رفيع (1) وقضيب زجاجي خفيف معلق عليه (2)، تم ربط كرة معدنية مشحونة (3) في أحد طرفيه، وفي الطرف الآخر ثقل موازن (4). أدت قوة التنافر بين الكرة الثابتة (5) والكرة 3 إلى التواء الخيط بزاوية معينة أ، والتي يمكن من خلالها تحديد حجم هذه القوة. من خلال تقريب الكرتين المشحونتين بالتساوي 3 و5 بعيدًا عن بعضهما البعض، أثبت كولومب أن قوة التنافر بينهما تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.
ولتحديد كيف تعتمد قوة التفاعل بين الكرات على حجم شحناتها، تابع كولومب ما يلي. أولاً، قام بقياس القوة المؤثرة بين الكرتين المشحونتين المتماثلتين 3 و5، ثم لمس إحدى الكرات المشحونة (3) بكرة أخرى غير مشحونة من نفس الحجم (6). كان كولومب يعتقد بحق أنه عندما تتلامس الكرات المعدنية المتطابقة، سيتم توزيع الشحنة الكهربائية بالتساوي بينهما، وبالتالي سيبقى نصف شحنتها الأصلية فقط على الكرة رقم 3. في الوقت نفسه، كما أظهرت التجارب، انخفضت قوة التنافر بين الكرات 3 و5 بمقدار النصف مقارنة بالقوة الأصلية. ومن خلال تغيير شحنات الكرات بطريقة مماثلة، أثبت كولومب أنها تتفاعل بقوة تتناسب مع حاصل ضرب شحناتها.
نتيجة للتجارب العديدة، صاغ كولومب قانونًا يحدد معامل القوة F 12 المؤثرة بين جثتين ثابتتين بتهمتين q 1 و q 2 تقعان على مسافة r من بعضهما البعض:
حيث k هو معامل التناسب، الذي تعتمد قيمته على نظام الوحدات المستخدم، والذي غالبًا ما يتم استبداله بـ (4pe0)-1 لأسباب تتعلق بتاريخ إدخال أنظمة الوحدات (انظر 34.1). e0 يسمى الثابت الكهربائي. يتم توجيه ناقل القوة F 12 على طول الخط المستقيم الذي يربط الأجسام، بحيث تتجاذب الأجسام المشحونة بشكل معاكس، وتتنافر الأجسام المشحونة بشكل مماثل (الشكل 34ب). هذا القانون (انظر 34.1) يسمى قانون كولوم، والقوى الكهربائية المقابلة لها تسمى قوات كولوم. قانون كولوم، أي اعتماد قوة التفاعل على القوة الثانية للمسافة بين الأجسام المشحونة، لا يزال خاضعًا للتحقق التجريبي. لقد ثبت الآن أن الأس في قانون كولومب يمكن أن يختلف عن اثنين بما لا يزيد عن 6.10-16.
وحدة الشحنة الكهربائية في النظام الدولي للوحدات هي الكولوم (C). شحنة 1 C تساوي الشحنة التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل خلال 1 ثانية عند شدة تيار قدرها 1 أمبير (A). في نظام SI
ك = 9.109 نيوتن متر2 / الكلور 2، و e0 = 8.8.10-12 الكلور2 / (نيوتن متر2) (34.2)
الشحنة الكهربائية الأولية e في النظام الدولي للوحدات هي:
ه = 1.6.10 -19 سل. (34.3)
في المظهر، يشبه قانون كولومب إلى حد كبير قانون الجاذبية العالمية (11.1)، إذا قمنا في الأخير باستبدال الجماهير بالتهم. ومع ذلك، على الرغم من التشابه الخارجي، فإن قوى الجاذبية وكولوم تختلف عن بعضها البعض في ذلك
1. تجذب قوى الجاذبية الأجسام دائمًا، ويمكن لقوى كولوم أن تجذب الأجسام وتصدها،
2. قوى كولوم أقوى بكثير من قوى الجاذبية، فمثلاً قوة كولوم التي تطرد إلكترونين من بعضهما البعض أكبر بـ 1042 مرة من قوة جاذبيتهما.
راجع الأسئلة:
· ما هو الجسم النقطي المشحون؟
· وصف التجارب التي أسس بها كولوم القانون المسمى باسمه؟
أرز. 34. (أ) - رسم تخطيطي لإعداد كولومب التجريبي لتحديد القوى التنافرية بين الشحنات المتشابهة؛ (ب) – لتحديد مقدار واتجاه عمل قوى كولوم باستخدام الصيغة (34.1).
§ 35. المجال الكهربائي. توتر. مبدأ تراكب المجالات.
يسمح لنا قانون كولوم بحساب قوة التفاعل بين شحنتين، لكنه لا يشرح كيفية تأثير إحدى الشحنات على الأخرى. فبعد أي وقت، على سبيل المثال، "تشعر" إحدى الشحنات بأن الشحنة الأخرى قد بدأت تقترب منها أو تبتعد عنها؟ هل الرسوم متصلة بأي شكل من الأشكال؟ للإجابة على هذه الأسئلة، قدم الفيزيائيون الإنجليز العظماء إم. فاراداي وجي. ماكسويل مفهوم المجال الكهربائي - وهو جسم مادي موجود حول الشحنات الكهربائية. وبالتالي، فإن الشحنة q1 تولد مجالًا كهربائيًا حول نفسها، وشحنة أخرى q2، مرة واحدة في هذا المجال، تواجه عمل الشحنة q1 وفقًا لقانون كولومب (34.1). علاوة على ذلك، إذا تغير موضع الشحنة q1، فإن التغيير في مجالها الكهربائي سيحدث تدريجيًا، وليس بشكل فوري، بحيث أنه على مسافة L من q1 ستحدث تغيرات المجال بعد فترة زمنية L/c، حيث c هي سرعة الضوء 3.108 م/ث . يثبت التأخير في التغيرات في المجال الكهربائي أن التفاعل بين الشحنات يتوافق مع نظرية التفاعل قصير المدى. وتفسر هذه النظرية أي تفاعل بين الأجسام، حتى تلك البعيدة عن بعضها البعض، بوجود أي أشياء أو عمليات مادية بينها. الجسم المادي الذي يتفاعل بين الأجسام المشحونة هو مجالها الكهربائي.
لتوصيف مجال كهربائي معين، يكفي قياس القوة المؤثرة على شحنة نقطية في مناطق مختلفة من هذا المجال. تظهر التجارب وقانون كولوم (34.1) أن القوة المؤثرة على شحنة من المجال تتناسب مع حجم هذه الشحنة. لذلك، فإن نسبة القوة F المؤثرة على شحنة عند نقطة معينة في المجال إلى حجم هذه الشحنة q لم تعد تعتمد على q وهي إحدى خصائص المجال الكهربائي، تسمى قوته، E:
شدة المجال الكهربائي، كما يلي من (35.1)، هي متجه يتوافق اتجاهه مع اتجاه القوة المؤثرة على الشحنة الموجبة عند نقطة معينة في المجال. من قانون كولومب (34.1) يترتب على ذلك أن معامل شدة المجال E لشحنة نقطة q يعتمد على المسافة r إليها كما يلي:
تظهر في الشكل نواقل التوتر عند نقاط مختلفة من المجال الكهربائي للشحنات الموجبة والسالبة. 35 أ.
إذا تم تشكيل المجال الكهربائي من عدة شحنات (q 1، q 2، q 3، وما إلى ذلك)، فكما تظهر التجربة، فإن الشدة E عند أي نقطة في هذا المجال تساوي مجموع الشدة E 1، E 2، ه 3، الخ. المجالات الكهربائية الناتجة عن الشحنات q 1، q 2، q 3، وما إلى ذلك، على التوالي:
هذا هو مبدأ تراكب (أو تراكب) الحقول، والذي يسمح لنا بتحديد شدة المجال الناتج عن عدة شحنات (الشكل 35 ب).
ولإظهار كيف تتغير شدة المجال في مناطقها المختلفة، يتم رسم خطوط القوة - خطوط مستمرة، تتزامن الظلال عند كل نقطة مع متجهات القوة (الشكل 35 ج). خطوط المجال لا يمكن أن تتقاطع مع بعضها البعض، لأن عند كل نقطة، يكون لمتجه شدة المجال اتجاه محدد للغاية. تبدأ وتنتهي على الأجسام المشحونة، التي يزداد بالقرب منها معامل التوتر وكثافة خطوط المجال. تتناسب كثافة خطوط المجال مع معامل شدة المجال الكهربائي.
راجع الأسئلة:
· ما هو المجال الكهربائي وما علاقته بنظرية العمل قصير المدى؟
· تعريف شدة المجال الكهربائي.
· صياغة مبدأ التراكب الميداني.
· ما الذي تتوافق معه خطوط المجال وما خصائصها؟
أرز. 35. (أ) - نواقل الكثافة في نقاط مختلفة من المجال الكهربائي للشحنة الموجبة (العلوية) والسالبة (السفلية)؛ نواقل الشدة (ب) ونفس النواقل مع خطوط المجال (ج) للمجال الكهربائي لشحنتين نقطيتين بعلامات مختلفة.
§ 36. الموصلات والعوازل في المجال الكهروستاتيكي.