الشحنة، القوة والمجال الكهربائي
إذا دلكنا مسطرة بلاستيكية بقطعة صوف وقرّبناها من قصاصات ورق صغيرة، تنجذب القصاصات إلى المسطرة. سبب هذه الظاهرة هو الشحنة الكهربائية، وهي نقطة البداية لعلم الكهرباء كله: منها ينشأ المجال، ومن المجال ينشأ الجهد، ومن الجهد ينشأ التيار. في هذا الفصل نتعرف على الشحنة، على الذرّة التي تحملها، وعلى القوة والمجال اللذين ينشآن بين الشحنات.
- الشحنة الكهربائية خاصية أساسية للجسيمات الأولية، وأنها نوعان: موجبة وسالبة.
- الشحنات المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب، ونحسب القوة بينها حسب قانون كولون.
- المجال الكهربائي يحيط بكل شحنة، ونصفه بخطوط المجال ونحسب شدته حسب E = Fq.
- الذرّة مكوّنة من نواة فيها بروتونات ونيوترونات، ومن إلكترونات تدور حولها.
- نميّز بين الجسم المتعادل والجسم المشحون.
המטען כתכונה בסיסית של החלקיקים היסודיים – الشحنة خاصية أساسية للجسيمات الأولية (Electric Charge)
المادة مبنية من ثلاثة جسيمات أولية (חלקיקים יסודיים): البروتون يحمل شحنة موجبة، الإلكترون يحمل شحنة سالبة، والنيوترون لا يحمل شحنة. شحنة الإلكترون وشحنة البروتون متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الإشارة. يسمى هذا المقدار الشحنة الأولية (המטען היסודי) ويرمز له بالحرف e:
الشحنة الأولية هي أصغر شحنة حرّة في الطبيعة: لا يمكن تقسيم شحنة الإلكترون إلى أجزاء. كذلك لا يمكن خلق شحنة أو إفناؤها، وإنما تنتقل الشحنات من جسم إلى آخر. تسمى هذه القاعدة حفظ الشحنة (שימור המטען).
القوة بين الشحنات – הכוח בין מטענים:
تُبذل قوة كهربائية بين أي جسمين مشحونين. الشحنات المتشابهة تتنافر (דחייה)، والشحنات المختلفة تتجاذب (משיכה):
مقدار القوة يحدده قانون كولون (חוק קולון): القوة تكبر كلما كبرت الشحنتان، وتصغر كلما ابتعدت الشحنتان عن بعضهما.
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| F | القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنتين | [N] |
| Q1 , Q2 | قيمة كل شحنة | [C] |
| r | المسافة بين الشحنتين | [m] |
| k | ثابت كولون، 9·109 | [N·m²/C²] |
نحوّل المعطيات إلى الوحدات الأساسية: Q1 = 2·10−6 C ، Q2 = 3·10−6 C ، r = 0.3 m.
الشحنتان موجبتان، ولذلك فإن القوة بينهما قوة تنافر.
أ. نحسب القوة الجديدة.
ب. كم مرة صغرت القوة؟
المجال الكهربائي وخطوط المجال – השדה החשמלי וקווי השדה:
كيف «تشعر» شحنة بوجود شحنة أخرى بعيدة عنها؟ كل شحنة تغيّر الحيّز المحيط بها، وهذا التغيير يسمى المجال الكهربائي.
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| E | شدة المجال الكهربائي | [N/C] |
| F | القوة المؤثرة على الشحنة الموجودة في المجال | [N] |
| q | الشحنة الموجودة في المجال | [C] |
لا نستطيع رؤية المجال الكهربائي، ولذلك نرسمه بواسطة خطوط المجال (קווי השדה). خط المجال يبيّن اتجاه القوة التي تؤثر على شحنة موجبة توضع في المجال.
- تخرج خطوط المجال من الشحنة الموجبة وتدخل في الشحنة السالبة.
- كلما كانت الخطوط أكثر تقاربا كان المجال أقوى، وكلما تباعدت كان المجال أضعف.
- خطوط المجال لا تتقاطع أبدا.
- بين لوحين متوازيين مشحونين بشحنتين مختلفتين تكون الخطوط متوازية والمسافات بينها متساوية. يسمى هذا المجال مجالا منتظما (שדה אחיד)، وشدته متساوية في كل نقطة.
المعطيات: q = 2·10−6 C ، F = 0.06 N. المطلوب: E.
מבנה החומר: האטום ומרכיביו – بنية المادة: الذرّة ومركّباتها (Structure of Matter)
كل مادة من حولنا مكوّنة من جسيمات صغيرة جدا تسمى الذرّات (אטומים). في مركز الذرّة توجد النواة (גרעין)، وفيها البروتونات والنيوترونات، وحول النواة تدور الإلكترونات في مدارات.
| الجسيم | بالعبرية | مكانه في الذرّة | شحنته |
|---|---|---|---|
| البروتون | פרוטון | في النواة | موجبة (+e) |
| النيوترون | נייטרון | في النواة | بدون شحنة |
| الإلكترون | אלקטרון | في المدارات حول النواة | سالبة (−e) |
- النواة موجبة والإلكترونات سالبة، ولذلك تجذب النواة الإلكترونات وتبقيها في مداراتها.
- في الذرّة الكاملة عدد الإلكترونات يساوي عدد البروتونات، ولذلك شحنتها الكلية صفر: الذرّة متعادلة.
- كتلة الذرّة مركّزة في النواة: الإلكترون أخف من البروتون بنحو 1800 مرة، ولذلك يتحرك بسهولة.
مثلا: في نواة ذرّة النحاس 29 بروتونا، وحولها يدور 29 إلكترونا. الشحنة الموجبة للنواة توازن تماما الشحنة السالبة للإلكترونات، أي أن ذرّة النحاس متعادلة.
الإلكترونات الحرّة – אלקטרונים חופשיים:
الإلكترونات القريبة من النواة مرتبطة بها بقوة كبيرة. أما الإلكترونات الموجودة في المدار الأخير فهي بعيدة عن النواة، ولذلك يكون ارتباطها بالذرّة ضعيفا. في المعادن، مثل النحاس والألومنيوم، تتحرر هذه الإلكترونات بسهولة وتتحرك بين الذرّات، وتسمى الإلكترونات الحرّة (אלקטרונים חופשיים).
- الموصل (מוליך): مادة فيها إلكترونات حرّة كثيرة، مثل النحاس، الألومنيوم والفضة. الشحنات تتحرك فيها بسهولة.
- العازل (מבודד): مادة إلكتروناتها مرتبطة بذرّاتها، مثل البلاستيك، الزجاج والمطاط. الشحنات لا تتحرك فيها.
הבהרת המושגים גוף טעון וגוף ניטרלי, באמצעות מושג המטענים היסודיים – الجسم المشحون والجسم المتعادل حسب مفهوم الشحنات الأولية (Charged and Neutral Bodies)
كل جسم مبني من عدد هائل من الذرّات، وفيه عدد هائل من البروتونات والإلكترونات. ما يحدد شحنة الجسم هو الفرق بين عدد البروتونات وعدد الإلكترونات فيه:
- الجسم المتعادل (גוף ניטרלי): عدد البروتونات فيه يساوي عدد الإلكترونات، ولذلك شحنته الكلية صفر.
- جسم مشحون بشحنة سالبة: استقبل إلكترونات، فأصبح عدد الإلكترونات فيه أكبر من عدد البروتونات.
- جسم مشحون بشحنة موجبة: فقد إلكترونات، فأصبح عدد الإلكترونات فيه أصغر من عدد البروتونات.
ما يصح للجسم يصح للذرّة الواحدة أيضا: ذرّة فقدت إلكترونا أو استقبلت إلكترونا لم تعد متعادلة، وتسمى أيونا (יון). ذرّة فقدت إلكترونات هي أيون موجب، وذرّة استقبلت إلكترونات هي أيون سالب.
ملخّص قوانين الفصل:
| القانون | الصيغة |
|---|---|
| الشحنة الأولية | e = 1.6·10−19 C |
| قانون كولون | F = k·Q1·Q2r2 |
| شدة المجال الكهربائي | E = Fq |
قاموس المصطلحات – מילון מונחים:
| بالعربية | بالعبرية (كما تظهر في الامتحان) | English |
|---|---|---|
| الشحنة الكهربائية | מטען חשמלי | Electric charge |
| الجسيمات الأولية | חלקיקים יסודיים | Elementary particles |
| الشحنة الأولية | המטען היסודי | Elementary charge |
| الذرّة | אטום | Atom |
| النواة | גרעין | Nucleus |
| الإلكترونات الحرّة | אלקטרונים חופשיים | Free electrons |
| موصل / عازل | מוליך / מבודד | Conductor / insulator |
| جسم مشحون | גוף טעון | Charged body |
| جسم متعادل | גוף ניטרלי | Neutral body |
| أيون | יון | Ion |
| القوة | כוח | Force |
| تجاذب / تنافر | משיכה / דחייה | Attraction / repulsion |
| المجال الكهربائي | שדה חשמלי | Electric field |
| خطوط المجال | קווי השדה | Field lines |
| مجال منتظم | שדה אחיד | Uniform field |
أسئلة للتمرين:
أ. البروتون.
ب. الإلكترون.
ج. النيوترون.
أ. نحسب القوة المتبادلة بينهما.
ب. هل هي قوة تجاذب أم تنافر؟
أ. نضاعف إحدى الشحنتين مرتين.
ب. نضاعف المسافة بينهما ثلاث مرات.
أ. شحنة موجبة منفردة.
ب. شحنة سالبة منفردة.
ج. لوحان متوازيان، الأيسر موجب والأيمن سالب.