قانون كولوم

احسب مقدار القوة الكهروستاتيكية بين شحنتين نقطيتين وفق قانون كولوم: F = k·|q₁×q₂| ÷ r²، حيث k هو ثابت كولوم (8.9875517923×10⁹). النتيجة بالنيوتن مع تحديد نوع القوة (تجاذب أو تنافر).

خطوات الاستخدام

الخطوة الأولى: أدخل قيمة الشحنة الأولى (q1) بوحدة الكولوم (C). يمكن أن تكون الشحنة موجبة أو سالبة. تذكر أن الشحنة الكهربائية هي خاصية أساسية للمادة، ويتم قياسها بوحدة الكولوم. على سبيل المثال، شحنة الإلكترون تساوي -1.602 × 10⁻¹⁹ كولوم. تأكد من إدخال القيمة بدقة عالية لأن القوة تتناسب طردياً مع حاصل ضرب الشحنتين.

الخطوة الثانية: أدخل قيمة الشحنة الثانية (q2) بوحدة الكولوم (C) بنفس الدقة. الشحنتان قد تكونان من نفس النوع (كلتاهما موجبتان أو سالبتان) أو من نوعين مختلفين. قانون كولوم يصف القوة الكهروستاتيكية بين شحنتين نقطيتين في الفراغ. إذا كانت الشحنتان مختلفتي الإشارة، فالقوة تجاذبية؛ وإذا كانتا متماثلتي الإشارة، فالقوة تنافرية.

الخطوة الثالثة: أدخل المسافة (r) بين مركزي الشحنتين بوحدة المتر (m). المسافة هي البعد الخطي بين نقطتي الشحنتين. تذكر أن القوة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة، لذا حتى التغيير الطفيف في المسافة يؤدي إلى تغير كبير في القوة. قانون التربيع العكسي هذا يشبه قانون الجاذبية العام لنيوتن.

الأسئلة الشائعة

قانون كولوم هو قانون فيزيائي يصف القوة الكهروستاتيكية بين شحنتين نقطيتين ساكنتين. صاغه العالم الفرنسي شارل أوغستان دي كولوم في القرن الثامن عشر باستخدام ميزان الالتواء. ينص القانون على أن القوة تتناسب طردياً مع حاصل ضرب الشحنتين وعكسياً مع مربع المسافة بينهما. ثابت التناسب يسمى ثابت كولوم ويساوي 8.98755×10⁹ N·m²/C². من الناحية الرياضية: F = k * |q1 * q2| / r². والقوة دائماً على طول الخط الواصل بين الشحنتين. تطبيقات هذا القانون واسعة جداً، فهو أساس فهم التفاعلات بين الجسيمات المشحونة في الذرات والجزيئات. عملياً، يدخل في تصميم المكثفات الكهربائية، وأجهزة الاستشعار، وآلات التصوير (تصوير القوى الكهروستاتيكية)، وفي الطابعات النافثة للحبر، وحتى في مجال التجميل (مشط كهروستاتيكي). كما يساعد في تفسير ظواهر مثل البرق والصواعق. في الهندسة الكهربائية، يستخدم قانون كولوم لحساب المجالات الكهربائية الناتجة عن توزيعات الشحنات، وهو أساس لقوانين ماكسويل. في الكيمياء، يشرح الروابط الأيونية والتجاذب بين الأيونات. حتى في علم الأحياء، بعض العمليات الخلوية تعتمد على القوى الكهروستاتيكية. لذا، فهم قانون كولوم ضروري لأي شخص يدرس الفيزياء أو الهندسة أو الكيمياء.

كلا القانونين يتبعان قانون التربيع العكسي (تتناسب القوة عكسياً مع مربع المسافة)، لكنهما يختلفان في عدة جوانب رئيسية. أولاً، القوة الكهروستاتيكية يمكن أن تكون تجاذبية أو تنافرية، بينما قوة الجاذبية دائماً تجاذبية. ثانياً، القوة الكهروستاتيكية أقوى بكثير من قوة الجاذبية. على سبيل المثال، بين إلكترونين على مسافة معينة، تكون القوة الكهروستاتيكية أكبر من قوة الجاذبية بحوالي 10⁴² مرة. هذا الفرق الهائل يفسر لماذا تهيمن القوى الكهروستاتيكية على المستوى الذري (حيث الكتل صغيرة جداً)، بينما تهيمن الجاذبية على المستوى الكوني (حيث الشحنات متعادلة غالباً). ثالثاً، القوة الكهروستاتيكية تعتمد على الشحنة، بينما الجاذبية تعتمد على الكتلة. ثابت كولوم k كبير جداً مقارنة بثابت الجاذبية G (6.674×10⁻¹¹ N·m²/kg²). مثال عددي: بروتونان في نواة ذرة، المسافة بينهما حوالي 1.5×10⁻¹⁵ متر. القوة الكهروستاتيكية بينهما تنافرية وتصل إلى حوالي 230 نيوتن، بينما قوة الجاذبية بينهما تساوي حوالي 1.9×10⁻³⁴ نيوتن، أي أن القوة الكهروستاتيكية تفوق الجاذبية بأكثر من 10³⁶ مرة. ومع ذلك، النواة تبقى متماسكة بفضل القوة النووية القوية التي تفوق التنافر الكهروستاتيكي. هذا يوضح أن قوانين الطبيعة تعمل بمقاييس مختلفة.

قانون كولوم الأساسي يُطبق في الفراغ. ولكن إذا كانت الشحنتان موجودتين في وسط مادي (مثل الهواء، الماء، الزيت، أو عازل كهربائي)، فإن القوة تقل بعامل يسمى ثابت العزل الكهربائي النسبي (ε_r) للمادة. يصبح القانون: F = k * |q1 * q2| / (ε_r * r²). ثابت العزل النسبي للفراغ هو 1، وللهواء حوالي 1.0006 (قريب من 1)، وللماء حوالي 80، وللمواد العازلة الأخرى قيم مختلفة. على سبيل المثال، إذا وضعت شحنتين في الماء، فإن القوة بينهما تقل بمقدار 80 مرة مقارنة بالفراغ. هذا التأثير مهم جداً في التطبيقات العملية مثل تصميم المكثفات، حيث تُستخدم مواد عازلة ذات ثابت عزل كبير لزيادة السعة الكهربائية دون زيادة الجهد. كما أنه يلعب دوراً في الكيمياء، مثلاً في المحاليل الإلكتروليتية حيث تضعف القوى بين الأيونات بفعل الماء. من الناحية النظرية، يعود سبب انخفاض القوة إلى استقطاب جزيئات العازل، مما يخلق مجالاً كهربائياً معاكساً يقلل المجال الكلي. لذلك، عند استخدام الآلة الحاسبة، يجب مراعاة الوسط إذا لم يكن الفراغ.

قانون كولوم ينطبق مباشرة على الشحنات النقطية، أي عندما تكون أبعاد الشحنات صغيرة جداً مقارنة بالمسافة بينها. في الحالات التي تكون فيها الشحنات موزعة على مساحة (سطح) أو حجم (جسم ثلاثي الأبعاد)، يمكن استخدام مبدأ التراكب: نحصل على القوة الإجمالية عن طريق تقسيم التوزيع إلى عناصر صغيرة جداً (شحنات نقطية)، وحساب القوة من كل عنصر، ثم جمعها كمتجهات. رياضياً، يتم ذلك باستخدام التكامل. على سبيل المثال، لحساب القوة بين قضيب مشحون وشحنة نقطية، نستخدم التكامل على طول القضيب. هناك أيضاً حالات خاصة مثل الكرة المشحونة بشكل منتظم: خارج الكرة، تتصرف كما لو أن كل الشحنة مركزة في مركزها (تماماً مثل الجاذبية). داخل الكرة، تتبع القوة قانوناً مختلفاً (تتناسب طرديا مع المسافة من المركز إذا كانت الشحنة موزعة بانتظام). في التطبيقات العملية، تستخدم طرق رقمية مثل طريقة العناصر المحدودة لحساب القوى في الأنظمة المعقدة. الآلة الحاسبة هنا تفترض شحنات نقطية، ولكن فهم الأساسيات يساعد في التعميم.

قانون كولوم

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

أمثلة محلولة

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

1شحنتان نقطيتان: الأولى q1 = +3 × 10⁻⁶ كولوم والثانية q2 = -5 × 10⁻⁶ كولوم، تفصل بينهما مسافة r = 0.2 متر. احسب مقدار القوة الكهروستاتيكية بينهما وحدد نوعها (تجاذب أم تنافر).

2في تجربة معملية، شحنتان متماثلتان q1 = q2 = +2 × 10⁻⁹ كولوم تفصل بينهما مسافة r = 0.05 متر. احسب مقدار القوة بينهما. إذا تم تقليل المسافة إلى النصف، كيف تتغير القوة؟

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة