الشحنة وقانون كولوم

مقدمة
عرفت الظواهر الطبيعية للكهرباء قبل القرن التاسع عشر مثل تكهرب الكهرمان والبرق وصدمة ثعبان البحر . ففي عام 600 قبل الميلاد اكتشفت ظاهرة جذب الكهرمان للاجسام الخفيفة كقطع الورق بعد دلكها بقطعة من فرو الحيوانات . وبعد هذا الاكتشاف حتى ظهور كتاب كلبرت (Sir W. Gilbert) عام 1600 ميلادي لم تكتشف ظواهر مهمة عن الكهرباء الساكنة حيث ثبت تجريبيا تكهرب معظم المواد بالاحتكاك وفي بداية القرن الثامن عشر توصل العلماء الى صنع اجهزة لدراسة الظواهر الكهربائية مثل الالكتروسكوب الورقي وفي هذا القرن ايضا تم فصل الكهرباء الى قسمين احدهما كهرباء ساكنة والاخرى كهرباء تيارية لاختلافهما من حيث الاتجاه وطرق الحصول عليهما حيث تفسر الكهرباء الساكنة ظاهرة جذب الكهرمان بينما الكهرباء التيارية توضح طبيعة البرق والكهرباء الناتجة عن بعض الحيوانات.وتفسير ظاهرة الكهرباء الساكنة يعود الى التركيب الذري للمادة (atomic structure of matter) حيث تتالف المادة من جزيئات- molecules وذرات – atoms وكل ذرة تحتوي على نواة –nucleus بها بروتونات ونيوترونات وتدور حول هذه النواة الالكترونات. اما نوع شحنات هذه الجسيمات , فالالكترونات سالبة الشحنة (negative charge/ -e) والبروتونات موجبة الشحنة (positive charge)اما النيترونات فهي متعادلة الشحنة (netural charge) . وذرة أي عنصر في حالتها الطبيعية متعادلة الشحنة ولذلك فان الالكترونات التي تدور حول النواة مساوي لعدد البروتونات داخلها ويدعى بالعدد الذري-atomic number اما العدد الكلي لمجموع البروتونات والنيوترونات داخل النواة يدعى بالعدد الكتلي- mass number . وبالتالي فان المادة لا تكون مشحونة ولكن الشحنة تظهر عليها فقط اذا فصلنا احد الكتروناتها الخارجية ويتم هذا الفصل اما بالدلك او الاحتكاك او تعرض المادة لطاقة ضوئية او حرارية او اشعاع ذري.
ولقد كان للاحتكاك الفضل الاول في اكتشاف نوعي الشحنات فالكهرمان المدلوك بالفرو يكتسب الكترونات من الفرو فتصبح شحنته سالبة بينما يفقد الفرو الكتروناته فتصبح شحنته موجبة. ولقد اثبتت التجارب العملية ان هناك قوى تجاذب وتنافر تربط بين الاجسام المشحونة , فالجسيمات بشحنات مختلفة تتجاذب والتي بشحنات متشابهة تتنافر.
ومن الحقائق المهمة ان الشحنات الكهربائية تظهر على هيئة اعداد صحيحة من الشحنات الالكترونية وان شحنة الالكترون هي اصغر شحنة سالبة موجودة في الطبيعة وان شحنة البروتون هي اصغر شحنة موجبة وقيمتها هي:
(-e)=(+e)=1.6029 ×10-19 C
me = 9.11× 10-31 Kg
mp= 1.673× 10-27 Kg
وتكون شحنات الجسيمات الاولية اما صفرا كالنيوترونات, او اعداد صحيحة لشحنة الالكترون, كذلك فان شحنة الايونات او النويات الذرية هي عبارة عن اعداد صحيحة اما لشحنة الالكترونات او البروتونات.
و من الحقائق المهمة ايضا ان هذه الشحنات لا يمكن ان تفنى ولا تستحدث ويعرف هذا القانون بقانون حفظ الشحنة (law of charge conservation) والذي ينص على ان : "القيم الابتدائية والنهائية لمجموع الشحنات الكهربائية الداخلة في التفاعل يجب ان تكون واحدة"
وهناك امثلة كثيرة على ذلك:
انحلال البورون الغير المستقر الى كاربون مستقر وحسب المعادلة التالية:
(_5^12)B (_6^12)C+e+v
5e 6e+ e-+ 0
الحصول على كاربون 14 من تصادم نيوترون مع ذرة نتروجين وحسب المعادلة الاتية:
n+ (_7^14)N (_6^14)C + P
0+ 7e 6e+ e
قانون كولوم
يعد العالم الفرنسي تشارلس اوغستين دي كولوم ( 1736-1806) واحداً من الرواد ا?وائل في القرن الثامن عشر الكهربائية، فهو أول من قام بقياسـات عمليـة للقوى العاملة بين ا?جسام المشحونة . ومن حصيلة هذه القياسات استطاع صياغة قانونه الشهير عام 1785 الذي عرف بقانون كولوم وهو يرتكز على ث?ث نصوص :
1- تنافر الشحنات ذات ا?شارة الواحدة وتتجاذب الشحنات ذات ا?شارة المختلفة .
2- تؤثر شحنتان نقطيتان احداهماعلى ا?خرى بقوة تعمل على امتـداد الخط المستقيم الذي يصل بين مركزيهما, ومقدار هذه القوة سواء كانت قوة تجاذب أو تنافر بين الشحنتين تتناسب طردياً مع حاصل ضرب الشحنتين.
3- يتناسب مقدار قوة التجاذب أو التنافر بين الشحنتين عكسياً مع مربع المسافة بينهما.
ان هذا ا?ستنتاج يعد إشارة واضحة الى ان كولـوم اثبـت ان قـوة التجاذب أو التنافر بين جسمين مشحونين تتبع قانون التربيع العكسي.
على ضوء ما تقدم يمكن صـياغة نـص قـانون كولـوم بالـشكل الاتي :
القـوة الكهروستاتيكية بين شحنتين نقطيتين في حالة سكون تتناسب طردياً مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين وعكسياً مع مربع المسافة بينهما.
يمكن كتابة قانون كولوم بصيغة رياضية تشير الى اتجاه القـوة اضافة الى مقدارها بالشكل الاتي:

حيث أن :
: هي القوة المتبادلة بين الشحنتين بوحدة نيوتنN- .
: قيمة الشحنة الأولى بوحدة كولوم- C .
: قيمة الشحنة الثانية بوحدة كولوم- C .
متجه الوحدة وقيمته تساوي واحد واتجاهه من الشحنة الأولى إلى الشحنة الثانية.
مربع المسافة بين الشحنتين بوحدة. m2

ويمكن كتابة القانون بشكل عددي:

k : هو ثابت كولوم ووحدة قياسه هي نيوتن. متر مربع لكل كولوم تربيع. وقيمته 9×109 N.m2/C2 , و قد تم حسابه من العلاقة:
k =
غالباً يستبدل الثابت بالمقدار , سماحية الفراغ Permittivity of Vacuum وقيمتها تساوي .





في حالة وجود عدد من الشحنات النقطية والمطلوب حساب القوة التي تؤثر على الشحنة مثلاً، فإننا نستعمل العلاقة الاتجاهية الآتية:

ومنها يحسب مقدار واتجاه القوة كالآتي :
,