قانون كولوم
قانون كولوم، أو قانون التربيع العكسي لكولوم، هو قانون الفيزيائي الذي يصف التفاعل بين الكهرو ستاتيكي بين الجسيمات المشحونة كهربياً، وقد نشر عام 1785 من قبل الفيزيائي الفرنسي شارل أوجستين دي كولوم وكان أساساً في تطوير النظرية الكهرومغناطيسية، هو يعتبر مماثل لقانون التربيع العكسي لأسحاق نيوتن الذي يصف الجاذبية الكونية، كما يمكن استخدام قانون كولوم لإشتقاق قانون جاوس والعكس صحيح، وقد تم اختبار القانون بشكل كبير، ولقد أيدت جميع الملاحظات مبدأ القانون.
"قوة التجاذب أو التنافر بين شحنتين في الفراغ تتناسب تناسباً طردياً مع القيمة المطلقة لحاصل ضرب شحنتيهما، وعكسياً مع مربع المسافة بينهما".
F → 12 = k ⋅ q 1 ⋅ q 2 r 12 2 r → ^ 12 r 12 {\displaystyle {\vec {F}}_{12}=k\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r_{12}^{2}}}{\frac {{\hat {\vec {r}}}_{12}}{r_{12}}}}
F → 12 {\displaystyle {\vec {F}}_{12}} :هي القوة المتبادلة بين الشحنتين بوحدة نيوتن. q 1 {\displaystyle q_{1}} :قيمة الشحنة الأولى بوحدة كولوم. q 2 {\displaystyle q_{2}} :قيمة الشحنة الثانية بوحدة كولوم. r → ^ 12 {\displaystyle {\hat {\vec {r}}}_{12}} متجة الوحدة وقيمته تساوي واحد وإتجاهه من الشحنة الأولى إلى الشحنة الثانية. r 12 2 {\displaystyle {r_{12}^{2}}} :مربع المسافة بين الشحنتين بوحدة متر تربيع.
قيمة الشحنتان تعوض بدون إشارة(يعني الشحنة السالبة تعوض في القانون بدون الإشارة السالبة) في نهاية الحل وبعد ايجاد قيمة القوة يجب تحديد اتجاه القوة (ما إذا كانت تجاذب ام تنافر) وسيتم توضيح ذالك في جزء لاحق الوحدات السابقة كانت حسب النظام الدولي للوحدات وتختلف بالنسبة للأنظمة الأخرى.
القوة تتناسب طردياً مع مقدار الشحنتين القوة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين الشحنتين
يمكن القول أن قانون كولوم في عددي شكل على النحو التالي:
تتناسب القوة الكهروستاتيكية بين اثنين من نقاط الشحنات الكهربائية تناسبا طرديا مع حاصل ضرب الشحنتين ، ويتناسب عكسيا مع مربع المسافة بين الشحنتين.
F = k e q 1 q 2 r 2 {\displaystyle F=k_{\mathrm {e} }{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}}
حيث r هي المسافة بين مركزي الشحنتين،
q_1 شحنة الجسيم 1 و q_2 شحنة الجسيم 2 ،
k: هو ثابت كولوم ووحدة قياسه هي نيوتن متر مربع لكل كولوم تربيع. و هو حسب العلاقة:
k = 1 4 π ε 0 ε {\displaystyle k={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon }}}
k e = 1 4 π ε 0 = c 2 μ 0 4 π = c 2 ⋅ 10 − 7 H ⋅ m − 1 = 8.987 551 787 368 176 4 × 10 9 N ⋅ m 2 ⋅ C − 2 . {\displaystyle {\begin{aligned}k_{\mathrm {e} }&={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}={\frac {c^{2}\ \mu _{0}}{4\pi }}=c^{2}\cdot 10^{-7}\ \mathrm {H} \cdot \mathrm {m} ^{-1}\\&=8.987\ 551\ 787\ 368\ 176\ 4\times 10^{9}\ \mathrm {N\cdot m^{2}\cdot C^{-2}} .\\\end{aligned}}}
بحكم تعريفها في نظام الوحدات الدولي سرعة الضوء في الفراغ المرموز لها C'O' [1] هي 299792458 متر.ثانية1 والثابت المغناطيسي (μ0)، تـُعرّف كالتالي nowrap|4π × 10−7 هـ·م،، يؤدي إلى تعريف الثابت الكهربائي (ε0) كالتالي ε0 = 1/(μ0c2 0) ≈ 8.854187817×10−12ف·م−1.في وحدات cgs، وحدة الشحنة، esu of charge أو ستات كولوم statcoulomb، تـُعرّف بحيث أن تلك ثابت القوة "كولوم" يكون قيمته 1.
بناء على قانون قوى لورنتز فإن مقدار المجال الكهربائي (E) الذي تولده شحنة نقطية واحدة (q) على مسافة معينة (r) هو:
E = 1 4 π ε 0 q r 2 . {\displaystyle E={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {q}{r^{2}}}.}
للحصول على شحنة موجبة، وجهت الإتجاه من النقاط على طول خطوط الحقل الكهربائي بعيداً شعاعيا من موقع الشحنة النقطية، في حين أن الإتجاه هو عكس الشحنة سالبة، وحدات SI للمجال الكهربى هي فولت لكل متر أو نيوتن في الكولوم.
يستخدم ثابت كولوم لتعيين الجهد الكولومي (الكهربائي):
ثابت كولوم يكتب أحيانا في الصيغة:
k e = 1 4 π ε 0 {\displaystyle {\begin{aligned}k_{e}&={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\end{aligned}}}
حيث:: ε 0 {\displaystyle {\begin{aligned}\varepsilon _{0}\end{aligned}}} سماحية الفراغ الكهربية
وعلاقته بقانون كولوم كالآتي:
| F | = k e | q 1 q 2 | r 2 {\displaystyle |{\boldsymbol {F}}|=k_{e}{|q_{1}q_{2}| \over r^{2}}} .
U E ( r ) = k e q Q r {\displaystyle U_{E}(r)=k_{e}{\frac {qQ}{r}}} .
q الشحنة النقطية ، Q الشحنة المركزية
يستخدم هذا الجهد الكهربائي أحيانا كتبسيط لجهد النواة الذرية التي يدور حولها إلكترون (انظر ذرة الهيدروجين.
لتوزيع شحنة، فإن تكامل على المنطقة المحتوية على الشحنة يناظر تجميع لانهائي، يعامل كل عنصر متناهي الصغر من الفراغ كشحنة نقطية d q {\displaystyle dq} .
لتوزيع خطي لشحنة (وهو تقريب جيد لشحنة في سلك) حيث λ ( r ′ ) {\displaystyle \lambda (\mathbf {r^{\prime }} )} تعطي الشحنة لوحدة طول عند الموقع r ′ {\displaystyle \mathbf {r^{\prime }} } ، و d l ′ {\displaystyle dl^{\prime }} هي عنصر طول متناهي الصغر،
d q = λ ( r ′ ) d l ′ {\displaystyle dq=\lambda (\mathbf {r^{\prime }} )dl^{\prime }} .
لتوزيع سطحي لشحنة (وهو تقريب جيد لشحنة من طبق على (مكثف) طبق آخر موازي) حيث σ ( r ′ ) {\displaystyle \sigma (\mathbf {r^{\prime }} )} تعطي الشحنة لوحدة المساحة عند الموقع r ′ {\displaystyle \mathbf {r^{\prime }} } , and d A ′ {\displaystyle dA^{\prime }} هي عنصر مساحة متناهي الصغر،
d q = σ ( r ′ ) d A ′ . {\displaystyle dq=\sigma (\mathbf {r^{\prime }} )\,dA^{\prime }.\,}
لتوزيع حجمي لشحنة (مثلما هو الحال لشحنة داخل كتلة معدنية) حيث ρ ( r ′ ) {\displaystyle \rho (\mathbf {r^{\prime }} )} تعطي الشحنة لوحدة الحجم عند الموقع r ′ {\displaystyle \mathbf {r^{\prime }} } ، و d V ′ {\displaystyle dV^{\prime }} هي عنصر حجم متناهي الصغر،
d q = ρ ( r ′ ) d V ′ . {\displaystyle dq=\rho (\mathbf {r^{\prime }} )\,dV^{\prime }.}
القوة على شحنة اختبار صغيرة q ′ {\displaystyle q^{\prime }} عند الموقع r {\displaystyle \mathbf {r} } هي
F = q ′ ∫ d q r − r ′ | r − r ′ | 3 . {\displaystyle \mathbf {F} =q^{\prime }\int dq{\mathbf {r} -\mathbf {r^{\prime }} \over |\mathbf {r} -\mathbf {r^{\prime }} |^{3}}.}
إذا كانت الشحنتان متشابهتان بالنوع فتكون القوة المتبادلة بينهما تنافر وإذا كانت الشحنتان مختلفتان بالنوع تكون القوة تجاذب.
وإذا أردنا أن نحسب المحصلة الكلية لعديد من القوى الناشئة عن أكثر من شحنة نقوم بدراسة تاثير كل شحنة على الشحنات الأخرى وثم نقوم بتحليل تلك القوى الناشئة تحليل اتجاهي وثم نجمع القوى الواقعة على كل محور. ونأتي بذلك على متجه يمثل محصلة القوي الناشئة عن توزيع الشحنات في توزيع معين.
استخدام التكامل للتوزيع النتصل يكون مفيد لايجاد المحصلة بسهولة وهذا القانون تم استنتاجه عن طريق التجربة وليس الاستنتاج الرياضي.
خاصية الجسيمالعلاقةخاصية المجالكم المتجه القوة (على 1 من 2) F 12 = 1 4 π ε 0 q 1 q 2 r 2 r ^ 21 {\displaystyle \mathbf {F} _{12}={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{1}q_{2} \over r^{2}}\mathbf {\hat {r}} _{21}\ } F 12 = q 1 E 12 {\displaystyle \mathbf {F} _{12}=q_{1}\mathbf {E} _{12}} مجال كهربائي (عند 1 من 2) E 12 = 1 4 π ε 0 q 2 r 2 r ^ 21 {\displaystyle \mathbf {E} _{12}={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{2} \over r^{2}}\mathbf {\hat {r}} _{21}\ } العلاقة F 12 = − ∇ U 12 {\displaystyle \mathbf {F} _{12}=-\mathbf {\nabla } U_{12}} E 12 = − ∇ V 12 {\displaystyle \mathbf {E} _{12}=-\mathbf {\nabla } V_{12}} قيمة عددية طاقة الوضع (عند 1 من 2) U 12 = 1 4 π ε 0 q 1 q 2 r {\displaystyle U_{12}={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{1}q_{2} \over r}\ } U 12 = q 1 V 12 {\displaystyle U_{12}=q_{1}V_{12}\ } الوضع (عند 1 من 2) V 12 = 1 4 π ε 0 q 2 r {\displaystyle V_{12}={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{2} \over r}}
تصنيف:فيزياء تمهيدية تصنيف:قانون علمي كولوم تصنيف:قوى تصنيف:كهرباء ساكنة تصنيف:مفاهيم الفيزياء الأساسية تصنيف:مفاهيم علمية المسمى