الطاقة الكهربائية وقانون كولوم

ما هي الطاقة الكهربائية؟

الطاقة الكهربائية في كل مكان حولنا، تعمل التكنولوجيا الحديثة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر والأضواء ومكاوي اللحام ومكيفات الهواء عن طريق الطاقة الكهربائية. حتى عندما تحاول الهروب من هذه الطاقة، فإنّها لا تزال تعمل في جميع أنحاء الطبيعة، من البرق في عاصفة رعدية إلى نقاط الإشتباك العصبي داخل أجسامنا. يتم تعريف الطاقة الكهربائية بإيجاز على أنّها تدفق الشحنة الكهربائية.

الطاقة الكهربائية، ظاهرة مرتبطة بالشحنات الكهربائية الثابتة أو المتحركة، الشحنة الكهربائية هي خاصية أساسية للمادة وتحملها الجسيمات الأولية. في الطاقة الكهربائية، الجسيم المعني هو الإلكترون، الذي يحمل شحنة تم تحديدها، والتي توصف بأنّها سالبة. وبالتالي، فإنّ المظاهر المختلفة للطاقة الكهربائية هي نتيجة تراكم أو حركة عدد من الإلكترونات.

الكهرباء الساكنة – Electrostatics:

الكهرباء الساكنة: هي الظواهر الكهرومغناطيسية التي تحدث في حالة عدم وجود شحنات متحركة، أي بعد إنشاء توازن ثابت، تصل الشحنات إلى مواقع توازنها بسرعة لأنّ القوة الكهربائية قوية للغاية، تجعل من الممكن حساب توزيعات المجال الكهربائي والجهد الكهربائي من تكوين معروف للشحنات والموصلات والعوازل للكهرباء الساكنة.

على العكس من ذلك، نظراً لمجموعة من الموصلات ذات الإمكانات المعروفة، فمن الممكن حساب المجالات الكهربائية في المناطق الواقعة بين الموصلات وتحديد توزيع الشحنة على سطح الموصلات، يمكن رؤية الطاقة الكهربائية لمجموعة من الشحنات في حالة الراحة من وجهة نظر العمل المطلوب لتجميع الشحنات، بدلاً من ذلك، يمكن اعتبار الطاقة أيضاً موجودة في المجال الكهربائي الناتج عن تجميع الشحنات هذا. أخيراً، يمكن تخزين الطاقة في مكثف، يتم تخزين الطاقة المطلوبة لشحن مثل هذا الجهاز فيه كطاقة كهروستاتيكية للمجال الكهربائي.

الذرات – Atoms:

لفهم أساسيات الطاقة الكهربائية، نحتاج أن نبدأ بالتركيز على الذرات، وهي إحدى اللبنات الأساسية للحياة والمادة. توجد الذرات في أكثر من مائة شكل مختلف كعناصر كيميائية مثل الهيدروجين والكربون والأكسجين والنحاس. يمكن للذرات من أنواع عديدة أن تتحد لتكوين جزيئات، والتي تبني المادة التي يمكننا رؤيتها ولمسها جسدياً.

الذرات صغيرة جداً والتي تمتد بحد أقصى يصل إلى حوالي 300 بيكومتر (أي 3×10^-10 أو 0.0000000003 متر)، فمثلاً البنس النحاسي (copper penny)، (إذا كان مصنوعاً بالفعل من نحاس 100٪) سيكون به (3.2 × 10²² ذرّة) أي (32.000.000.000.000.000.000.000 ذرّة) من النحاس بداخله. حتى الذرّة ليست صغيرة بما يكفي لتفسير طريقة عمل الطاقة الكهربائية. نحن بحاجة إلى الغوص لأسفل مستوى آخر وإلقاء نظرة على اللبنات الأساسية للذرات: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

كتل بناء الذرات:

تتكون الذرّة من مزيج من ثلاثة جسيمات متميزة: الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات، تحتوي كل ذرّة على نواة مركزية، حيث يتم تجميع البروتونات والنيوترونات معاً بكثافة، يحيط بالنواة مجموعة من الإلكترونات التي تدور في مدارها. يجب أن تحتوي كل ذرّة على بروتون واحد على الأقل. يعد عدد البروتونات في الذرّة أمراً مهماً، لأنّه يحدد العنصر الكيميائي الذي تمثله الذرّة.

على سبيل المثال: ذرّة تحتوي على بروتون واحد فقط هي الهيدروجين، والذرّة التي تحتوي على 29 بروتوناً هي النحاس، والذرّة التي تحتوي على 94 بروتوناً هي بلوتونيوم. يسمى هذا العدد من البروتونات العدد الذري للذرّة. لا ترتبط إلكترونات الذرّة بالذرّة إلى الأبد. تسمى الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي للذرّة إلكترونات التكافؤ. مع قوة خارجية كافية، يمكن لإلكترون التكافؤ الهروب من مدار الذرّة ويصبح حراً. تسمح لنا الإلكترونات الحرة بتحريك الشحنة، وهو ما تدور حوله الكهرباء أو الطاقة الكهربائية.

تدفق الشحنات – Flowing Charges:

يتم تعريف الطاقة الكهربائية على أنها تدفق الشحنة الكهربائية، الشحن هو خاصية للمادة، تماماً مثل الكتلة أو الحجم أو الكثافة. إنّه قابل للقياس. مثلما يمكنك تحديد مقدار الكتلة التي يمتلكها شيء ما، يمكنك قياس مقدار الشحنة التي يحتوي عليها. المفهوم الرئيسي للشحنة هو أنّها يمكن أن تأتي في نوعين: موجب (+) أو سالب (-). من أجل تحريك الشحنة، نحتاج إلى حاملات الشحنة، وهنا تكون معرفتنا بالجسيمات الذرية، تحديداً الإلكترونات والبروتونات مفيدة، تحمل الإلكترونات دائماً شحنة سالبة، بينما تحمل البروتونات دائماً شحنة موجبة.

النيوترونات (تبعاً لإسمها) محايدة، أي ليس لديها شحنة. تحمل كل من الإلكترونات والبروتونات نفس كمية الشحنة، لكن نوعاً مختلفاً فقط. إنّ شحنة الإلكترونات والبروتونات مهمة لأنّها توفر لنا الوسائل لممارسة القوة عليها. القوة الكهروستاتيكية.

قانون كولوم – Coulomb’s law:

الكهرباء الساكنة: هي ظاهرة كهربائية مألوفة تنتقل فيها الجسيمات المشحونة من جسم إلى آخر. على سبيل المثال، إذا تم فرك جسمين معاً، خاصةً إذا كانت الأجسام عازلة وكان الهواء المحيط جافاً، فإنّ الأجسام تكتسب شحنة متساوية ومعاكسة وتتطور قوة جذابة بينهما. يصبح الجسم الذي يفقد الإلكترونات مشحوناً إيجاباً، والآخر يصبح سالباً.

القوة هي ببساطة التجاذب بين شحنات الإشارة المعاكسة، تم وصف خصائص هذه القوة وتم دمجهم في العلاقة الرياضية المعروفة بإسم “قانون كولوم”. القوة الكهربائية على شحنة (Q₁) في ظل هذه الظروف، بسبب شحنة (Q₂) على مسافة (r)، تُعطى بموجب قانون كولوم:

تشير الأحرف الغامقة في المعادلة إلى طبيعة المتجه للقوة، ومتجه الوحدة (r̂) هو متجه له حجم واحد وهذه النقاط من الشحنة (Q₂) لشحن (Q₁) ثابت التناسب (k) يساوي (10⁻⁷c²)، حيث (c) هي سرعة الضوء في الفراغ، تبلغ القيمة العددية لـ (8.99 × 10⁹) نيوتن متر مربع لكل كولوم مربع (Nm² / C²).

مثال على قانون كولوم:

سيساعد المثال العددي في توضيح هذه القوة. يتم اختيار كل من (Q₁ وQ₂) لتكون شحنتين موجبتين، كل منها بحجم (10⁻⁶) كولوم. تقع الشحنة (Q₁) عند الإحداثيات (x ،y ،z) بقيم (0.03، 0، 0)على التوالي، بينما (Q₂) لها إحداثيات (0، 0.04، 0) جميع الإحداثيات معطاة بالأمتار. وبالتالي، فإن المسافة بين (Q₁ وQ₂) هي 0.05 متر.

مقدار القوة (F) على الشحنة (Q₁) كما تم حسابه باستخدام المعادلة (1) هو 3.6 نيوتن، القوة المؤثرة على (Q₂) بسبب (Q₁) هي (-F)، والتي لها أيضاً مقدار 3.6 نيوتن، ومع ذلك، فإنّ اتجاهها معاكس لاتجاه (F). يمكن التعبير عن القوة (F) بدلالة مكوناتها على طول محوري (x and y axes)، لأنّ متجه القوة يقع في المستوى (xy) يتم ذلك باستخدام علم المثلثات الأولي من الهندسة، وبالتالي:

ووحدة القوة هي النيوتن، يصف قانون كولوم رياضياً خصائص القوة الكهربائية بين الشحنات عند السكون، إذا كانت الشحنات لها إشارات معاكسة، فستكون القوة قوة تجاذب، سيشار إلى الجاذبية في المعادلة (1) بالمعامل السلبي لمتجه الوحدة (r̂) وبالتالي، فإنّ القوة الكهربائية المؤثرة على (Q₁) سيكون لها إتجاه معاكس لمتجه الوحدة (r̂) وستشير من (Q₁) إلى (Q₂). في الإحداثيات الديكارتية، قد ينتج عن ذلك تغيير في إشارات كل من مكوني(x and y) للقوة في المعادلة (2).

كيف يمكن فهم هذه القوة الكهربائية المؤثرة على (Q₁ )؟ في الأساس، ترجع القوة إلى وجود مجال كهربائي في موضع (Q₁)، سبب هذا المجال هو الشحنة الثانية (Q₂) وله حجم يتناسب مع حجم (Q₂). عند التفاعل مع هذا المجال، فإنّ الشحنة الأولى على بعد مسافة ما تنجذب إلى الشحنة الثانية أو تنفر منها، اعتماداً على إشارة الشحنة الأولى.