الكهرباء الساكنة: الشحنة الكهربائية وقانون كولوم مع تمارين محلولة — العلوم الفيزيائية — الأولى ثانوي — المنهاج الجزائري

الكهرباء الساكنة: الشحنة الكهربائية وقانون كولوم

أهداف الدرس:

• التعرف على ظاهرة الكهرباء الساكنة
• تمييز طرق شحن الأجسام
• فهم قانون كولوم وحساب القوى الكهربائية
• تطبيق المفاهيم في مسائل وتمارين

أولاً: مفهوم الكهرباء الساكنة

الكهرباء الساكنة (الكهرباء السكونية) هي ظاهرة طبيعية تنتج عن تراكم الشحنات الكهربائية على سطح جسم ما دون حركة. اكتشفها الفيلسوف الإغريقي طاليس الملطي عندما لاحظ أن حجر الكهرمان يجذب الأجسام الخفيفة بعد دلكه.

ثانياً: طرق شحن الأجسام

هناك ثلاث طرق لشحن الأجسام كهربائياً:

• الشحن بالدلك: دلك جسم بآخر يؤدي إلى انتقال الإلكترونات من جسم إلى آخر، فيصبح الجسم الأول موجباً والثاني سالباً.
• الشحن بالتأثير (الحث): تقريب جسم مشحون من جسم معزول دون تلامس يؤدي إلى إعادة توزيع الشحنات في الجسم الثاني.
• الشحن بالتلامس (النقل): ملامسة جسم مشحون لجسم متعادل يؤدي إلى انتقال بعض الشحنات إلى الجسم المتعادل.

ثالثاً: قانون كولوم

قانون كولوم هو القانون الأساسي للكهرباء الساكنة وينص على أن: «القوة المتبادلة بين شحنتين كهربائيتين نقطيتين تتناسب طرداً مع حاصل ضرب الشحنتين وعكساً مع مربع المسافة بينهما».

الصيغة الرياضية: F = k × (q₁ × q₂) / d²

حيث: F القوة الكهربائية (نيوتن)، k ثابت كولوم = 9×10⁹ N·m²/C²، q₁ و q₂ الشحنتان (كولوم)، d المسافة بين الشحنتين (متر).

ملاحظة: القوة تجاذب إذا كانت الشحنتان مختلفتين (+ و -)، وتنافر إذا كانت الشحنتان متماثلتين (+ و + أو – و -).

رابعاً: خصائص الشحنة الكهربائية

• الكمية: الشحنة الكهربائية كمية فيزيائية قياسية، وحدة قياسها في النظام الدولي هي الكولوم (C).
• الانحفاظ: الشحنة الكهربائية لا تفنى ولا تستحدث، بل تنتقل من جسم إلى آخر.
• التكميم: الشحنة الكهربائية مكممة، أي أنها مضاعفات صحيحة لشحنة الإلكترون (e = 1.6×10⁻¹⁹ C).

تمارين محلولة

التمرين الأول: شحنتان q₁ = 4×10⁻⁶ C و q₂ = 2×10⁻⁶ C تفصل بينهما مسافة 0.3m. احسب القوة المتبادلة بينهما (k = 9×10⁹ N·m²/C²).

الحل: F = 9×10⁹ × (4×10⁻⁶ × 2×10⁻⁶) / (0.3)² = 9×10⁹ × (8×10⁻¹²) / 0.09 = 9×10⁹ × 8.89×10⁻¹¹ = 0.8 N. القوة تنافر لأن الشحنتين موجبتين.

التمرين الثاني: شحنتان q₁ = 3×10⁻⁶ C و q₂ = -6×10⁻⁶ C تفصل بينهما مسافة 0.2m. احسب القوة بينهما.

الحل: F = 9×10⁹ × (3×10⁻⁶ × 6×10⁻⁶) / (0.2)² = 9×10⁹ × (18×10⁻¹²) / 0.04 = 9×10⁹ × 4.5×10⁻¹⁰ = 4.05 N. القوة تجاذب لأن الشحنتين مختلفتي الإشارة.

التمرين الثالث (بكالوريا): شحنتان نقطيتان q₁ = 2×10⁻⁶ C و q₂ مفصولتان بمسافة d = 0.1m، تؤثر بينهما قوة تجاذب مقدارها 9N. أحسب قيمة q₂.

الحل: F = k × q₁ × q₂ / d² → 9 = 9×10⁹ × 2×10⁻⁶ × q₂ / (0.1)² → 9 = 9×10⁹ × 2×10⁻⁶ × q₂ / 0.01 → 9 = 1.8×10⁹ × q₂ → q₂ = 9 / 1.8×10⁹ = 5×10⁻⁹ C = 5 nC.

للمزيد من دروس العلوم الفيزيائية، راجع درس التيار الكهربائي وقانون أوم ودرس الضغط في السوائل والموائع.