أساسيات علم الكهرباء · الفصل 1 — الشحنة، القوة والمجال الكهربائيמטען, כוח ושדה חשמלי · מבוא להנדסת אלקטרוניקה 11.00⌂📚🏠
الفصل 1

الشحنة، القوة والمجال الكهربائي

מטען, כוח ושדה חשמלי
الصف العاشر · 2 ساعات تعليمية

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.

في نهاية هذا الفصل سنعرف أن:
  • 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)

الشحنة الكهربائية (מטען חשמלי): هي خاصية أساسية لجسيمات المادة، مثلها مثل الكتلة. الجسيم الذي يحمل شحنة يتأثر بقوة عند وجوده بالقرب من شحنات أخرى. هناك نوعان من الشحنات: موجبة وسالبة.

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:

e = 1.6·10−19 C
ملاحظة: نرمز للشحنة بالحرف Q أو q. وحدة قياس الشحنة في منظومة الوحدات العالمية SI هي الكولون (קולון)، ورمزها [C]. الكولون الواحد شحنة كبيرة جدا، ولذلك نستخدم غالبا الميلي كولون [mC] والمايكرو كولون [µC]: 1 mC = 10−3 C ، 1 µC = 10−6 C.

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):

++
موجبة وموجبة: تنافر
−−
سالبة وسالبة: تنافر
+−
موجبة وسالبة: تجاذب

مقدار القوة يحدده قانون كولون (חוק קולון): القوة تكبر كلما كبرت الشحنتان، وتصغر كلما ابتعدت الشحنتان عن بعضهما.

قانون كولون · חוק קולון
F = k·Q1·Q2r2
الرمزالمعنىوحدة القياس
Fالقوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنتين[N]
Q1 , Q2قيمة كل شحنة[C]
rالمسافة بين الشحنتين[m]
kثابت كولون، 9·109[N·m²/C²]
مثال 1.1
شحنتان نقطيتان قيمتهما Q1 = 2 µC و Q2 = 3 µC ، والمسافة بينهما 30 cm. نحسب القوة المتبادلة بينهما.
الحل:

نحوّل المعطيات إلى الوحدات الأساسية: Q1 = 2·10−6 C ، Q2 = 3·10−6 C ، r = 0.3 m.

F = k·Q1·Q2r2
F = 9·109 · 2·10−6 · 3·10−6(0.3)2 = 0.6 N

الشحنتان موجبتان، ولذلك فإن القوة بينهما قوة تنافر.

F = 0.6 N
سؤال 1.1: في المثال السابق نُبعد الشحنتين إلى مسافة 60 cm.
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.

المجال الكهربائي (שדה חשמלי): هو الحيّز المحيط بالشحنة، والذي تتأثر فيه أي شحنة أخرى بقوة كهربائية. شدة المجال في نقطة معينة هي القوة المؤثرة على كل كولون واحد يوضع في تلك النقطة.
شدة المجال الكهربائي · עוצמת השדה החשמלי
E = Fq
الرمزالمعنىوحدة القياس
Eشدة المجال الكهربائي[N/C]
Fالقوة المؤثرة على الشحنة الموجودة في المجال[N]
qالشحنة 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.

+
شحنة موجبة: الخطوط تخرج منها
−
شحنة سالبة: الخطوط تدخل فيها
+−+−+−+−+−dE
بين لوحين مشحونين: مجال منتظم
مثال 1.2
وُضعت شحنة مقدارها 2 µC في نقطة داخل مجال كهربائي، فتأثرت بقوة مقدارها 0.06 N. نحسب شدة المجال في هذه النقطة.
الحل:

المعطيات: q = 2·10−6 C ، F = 0.06 N. المطلوب: E.

E = Fq
E = 0.062·10−6 = 3·104 N/C
E = 3·104 N/C
ملاحظة: القوة التي يبذلها المجال على شحنة موجبة تكون باتجاه خطوط المجال، وعلى شحنة سالبة بعكس اتجاهها. لذلك يتحرك الإلكترون في المجال بعكس اتجاه خطوط المجال. سنحتاج إلى هذه الحقيقة عندما ندرس التيار الكهربائي في الفصل 3.
سؤال 1.2: تؤثر على شحنة مقدارها 4 mC موضوعة في نقطة معينة قوة مقدارها 2 N. ما هي شدة المجال في هذه النقطة؟
▶تجربة حية — الشحنات والقوىمحاكاة حيّة: نقرّب شحنتين ونرى التجاذب والتنافر بينهما، ونقيس القوة بحسب قانون كولون.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/charges/charges_forces
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/charges/charges_forces

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.

−−−−−
نموذج مبسّط للذرّة: نواة في المركز وإلكترونات تدور حولها
الجسيمبالعبريةمكانه في الذرّةشحنته
البروتونפרוטוןفي النواةموجبة (+e)
النيوترونנייטרוןفي النواةبدون شحنة
الإلكترونאלקטרוןفي المدارات حول النواةسالبة (−e)

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).

سؤال 1.3: في نواة ذرّة الألومنيوم 13 بروتونا. كم إلكترونا يدور حول النواة في ذرّة ألومنيوم متعادلة؟

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:

++++−−−−
جسم متعادل: العددان متساويان
++++−−−−−−
جسم سالب: إلكترونات زائدة
++++−−
جسم موجب: إلكترونات ناقصة
ملاحظة: الذي ينتقل من جسم إلى آخر هو الإلكترونات فقط. البروتونات مرتبطة بالنواة ولا تنتقل. عند دلك مسطرة بلاستيكية بالصوف تنتقل إلكترونات من الصوف إلى المسطرة: المسطرة تصبح سالبة والصوف يصبح موجبا، بنفس المقدار.

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.

سؤال 1.4: ذرّة نحاس فقدت إلكترونين. هل الأيون الناتج موجب أم سالب؟

ملخّص قوانين الفصل:

القانونالصيغة
الشحنة الأوليةe = 1.6·10−19 C
قانون كولونF = k·Q1·Q2r2
شدة المجال الكهربائيE = Fq

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

بالعربيةبالعبرية (كما تظهر في الامتحان)English
الشحنة الكهربائيةמטען חשמליElectric charge
الجسيمات الأوليةחלקיקים יסודייםElementary particles
الشحنة الأوليةהמטען היסודיElementary charge
الذرّةאטוםAtom
النواةגרעיןNucleus
الإلكترونات الحرّةאלקטרונים חופשייםFree electrons
موصل / عازلמוליך / מבודדConductor / insulator
جسم مشحونגוף טעוןCharged body
جسم متعادلגוף ניטרליNeutral body
أيونיוןIon
القوةכוחForce
تجاذب / تنافرמשיכה / דחייהAttraction / repulsion
المجال الكهربائيשדה חשמליElectric field
خطوط المجالקווי השדהField lines
مجال منتظمשדה אחידUniform field

أسئلة للتمرين:

1.
نحدد لكل جسيم مكانه في الذرّة وإشارة شحنته:
أ. البروتون.
ب. الإلكترون.
ج. النيوترون.
الإجابات: أ. في النواة، موجبة. ب. في المدارات حول النواة، سالبة. ج. في النواة، بدون شحنة
2.
جسم يحمل شحنة مقدارها −8 µC. هل استقبل الجسم إلكترونات أم فقدها؟
الإجابات: استقبل إلكترونات
3.
دلكنا قضيبا زجاجيا بقطعة حرير، فانتقلت إلكترونات من القضيب إلى الحرير. ما هي إشارة شحنة القضيب، وما هي إشارة شحنة قطعة الحرير؟
الإجابات: القضيب مشحون بشحنة موجبة (فقد إلكترونات)، وقطعة الحرير مشحونة بشحنة سالبة (استقبلت إلكترونات)
4.
شحنتان نقطيتان قيمة كل واحدة منهما 4 µC والمسافة بينهما 20 cm.
أ. نحسب القوة المتبادلة بينهما.
ب. هل هي قوة تجاذب أم تنافر؟
الإجابات: أ. F = 3.6 N. ب. تنافر
5.
كيف تتغير القوة بين شحنتين في كل حالة؟
أ. نضاعف إحدى الشحنتين مرتين.
ب. نضاعف المسافة بينهما ثلاث مرات.
الإجابات: أ. تكبر مرتين. ب. تصغر تسع مرات
6.
تتأثر شحنة مقدارها 5 µC بقوة مقدارها 0.02 N عند وضعها في مجال كهربائي. نحسب شدة المجال.
الإجابات: E = 4000 N/C
7.
وُضع إلكترون في مجال منتظم شدته 2000 N/C. هل يتحرك الإلكترون باتجاه خطوط المجال أم بعكسها؟
الإجابات: بعكس اتجاه خطوط المجال
8.
نرسم خطوط المجال الكهربائي في كل حالة:
أ. شحنة موجبة منفردة.
ب. شحنة سالبة منفردة.
ج. لوحان متوازيان، الأيسر موجب والأيمن سالب.
الإجابات: نقارن الرسم بالأشكال في بند المجال الكهربائي وخطوط المجال
الإجابات النهائية لأسئلة الفصل
1.1 أ. F = 0.15 N. ب. أربع مرات، لأن المسافة مربّعة في المقام
1.2 E = Fq = 500 N/C
1.3 13 إلكترونا
1.4 موجب، لأن الذرّة فقدت إلكترونات

שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 1

مادة هذا الفصل أساس لأسئلة البجروت في علم الكهرباء، ولا يظهر في الامتحان سؤال مستقل عنها. نتدرب على أسئلة البجروت في الفصول 7، 9 و 13.
لوحة القوانين: كل قوانين هذا الفصل مجموعة مع رسومها وجداول رموزها في الفصل 14 — لوحة القوانين الشاملة. (נוסחאון הספר)