الفرق بين المجالات الكهربائية المنتظمة والمتغيرة

ما هو المجال الكهربائي؟

المجال الكهربائي (Electric field): هو خاصية كهربائية مرتبطة بكل نقطة موجودة لدينا في الفراغ عندما تكون الشحنة موجودة سواء كانت موجبة أو سالبة، تسمى شدة المجال الكهربائي أو المجال الكهربائي. يتم التعبير عن حجم المجال الكهربائي واتجاهه بقيمة ورمزها (E)، إنّ معرفة قيمة المجال الكهربائي في نقطة ما، دون أي معرفة محددة بما ينتج الحقل الكهربائي، هو كل ما هو مطلوب لتحديد ما سيحدث للشحنات الكهربائية بالقرب من تلك النقطة المحددة في المجال.

القوة الكهربائية والشحنات الكهربائية:

بدلاً من اعتبار القوة الكهربائية تفاعلاً بشكل مباشر بين شحنتين كهربائيتين موضوعتان على مسافة ما من بعضهما البعض، تُعتبر الشحنة الواحدة مصدراً لمجال كهربائي يمتد إلى الخارج في الفراغ المحيط بها، والقوة المبذولة على شحنة ثانية في هذا الفراغ تعتبر بمثابة تفاعل مباشر بين المجال الكهربائي والشحنة الثانية.

يمكن تعريف قوة المجال الكهربائي (E) عند أي نقطة على أنّها القوة الكهربائية أو الكولوم، القوة ورمزها (F) التي تمارس لكل وحدة شحنة كهربائية موجبة (q) عند تلك النقطة، أو ببساطة (E = F / q). إذا كانت الشحنة الثانية، أو شحنة الاختبار، أكبر بمرتين، فإنّ القوة المحصلة سوف تتضاعف، لكن حاصل القسمة، مقياس المجال الكهربائي (E)، يظل ثابتاً عند أي نقطة معينة.

لا تعتمد شدة المجال الكهربائي على شحنة الاختبار (test charge) ولكن تعتمد على شحنة المصدر (source charge). بالمعنى آخر، إنّ إدخال شحنة اختبار، والتي لها مجال كهربائي، سوف تحدث تعديل قليل على المجال الموجود لدينا. قد يُنظر إلى المجال الكهربائي على أنّه القوة لكل وحدة شحنة موجبة يتم بذلها قبل أن ينزعج المجال بسبب وجود شحنة الاختبار.

ماذا يعني المجال الكهربائي المنتظم؟

فكرة أنّ المجال الكهربائي منتظم هي تبسيط نظري. لا يوجد مجال كهربائي منتظم حقاً، باستثناء ربما في بعض المناطق الصغيرة حيث يمكن تقريبه جيداً على أنّه منتظم. يعني المجال الكهربائي المنتظم أنّه إذا كنت سترسم الحقل على لوحة طباشير وألقيت بمسمار لزج عليه، فإنّ حجم واتجاه المجال سيكونان متماثلين بغض النظر عن مكان هبوط اللصق اللاصق. تذكر أنّ المجالات الكهربائية هي ثوابت ذات قيمة متجهة (تأخذ رقماً ولها متجهاً)، طبعاً الاتجاه مهم.

لا ينبغي الخلط بين المجال المنتظم والأنواع الأخرى من الحقول، مثل حقل الشحنة النقطية، وثنائي القطب الكهربائي، والسلك اللامتناهي، وما إلى ذلك. في هذه الحالات، من السهل تحديد الاتجاه الذي يشير إليه المجال ومن المحتمل أن يكون متماثلاً، ولكنّه ليس منتظم. لن تكون قيمة المجال (الحجم و / أو الاتجاه) هي نفسها في كل مكان.

ما الفرق بين المجال الكهربائي المنتظم والمتغير؟

إذا كانت شدة المجال الكهربائي في منطقة معينة من الفضاء هي نفسها (من حيث الحجم والاتجاه) في كل نقطة، فيُقال أنّ المجال الكهربائي في تلك المنطقة له طبيعة موحدة. بمعنى آخر، إذا كان متجه المجال الكهربائي لا يختلف باختلاف الموقع، إنه مجال كهربائي موحد أو منتظم. وإذا كان المجال الكهربائي غير منتظم في منطقة ما، فإنّه يسمى المجال الكهربائي غير المنتظم.

نحن نعلم أنّ المجال الكهربائي في منطقة ما يتم تمثيله هندسياً عن طريق رسم بعض الخطوط الافتراضية التي تسمى خطوط المجال. تمثل هذه الخطوط كل من حجم واتجاه المجال الكهروستاتيكي. تمثل خطوط المجال الأكثر كثافة قوة أعلى للمجال ويمثل الظل المرسوم في أي نقطة على خط الحقل اتجاه المجال عند تلك النقطة. في حالة المجال الكهربائي المنتظم، تكون خطوط المجال خطوط مستقيمة متوازية ومتباعدة بشكل متساوٍ.

خصائص المجالات الكهربائية المنتظمة:

المجال الكهربائي المنتظم (داخل الوسط) هو المجال الذي يكون فيه اتجاه وحجم الجهد الكهربائي متماثلاً في كل نقطة داخله. يكون هذا ممكناً بشكل مثالي إذا تم تطبيق فرق الجهد الكهربائي بين لوحين معدنيين (موصلين) كبيرتين بشكل لا نهائي محصورين عبر وسط عازل متجانس تماماً.

لأغراض عملية، يمكن اعتبار وسيط عازل نقي إلى حد ما بين لوحين كهربائيين متشابهين الحجم ومحدود الحجم مجالاً كهربائياً منتظماً. في مثل هذا المجال الكهربائي، بين أي قسم على طول الاتجاه، سيكون الجهد هو نفسه في أي قسم آخر من نفس الحجم والاتجاه. ولكن هناك حالات أيضاً لمجالات كهربائية غير موحدة.

خصائص المجالات الكهربائية المتغيرة:

إذا تم إنشاء حقل في وسط بين نقطة واحدة شحنة لوحة أخرى، سيكون الحقل على شكل أشعة متباعدة (مثل الحزمة). في هذه الحالة، يكون المجال الكهربائي غير منتظم على طول مساره. في قسم بالقرب من محطة النقطة، سيكون هناك المزيد من خطوط المجال (التدفق) مقارنة بالقسم القريب من اللوحة. ومع ذلك، في أي سطح مقطع كروي على مسافة معينة من النقطة، يمكننا القول أنّ جميع النقاط لها نفس قوة المجال الكهربائي.

في وسط عازل (مثل تلك الألواح الخزفية الكبيرة التي تظهر على خطوط الطاقة الكهربائية)، يمكن أن يتم تعطيل المجال المنتظم بسبب الشوائب الصغيرة (مثل فقاعة الهواء أو جسيمات المواد الغريبة ذات السماحية العازلة المختلفة). في كثير من الأحيان، يحدث الانهيار الكهربائي بسبب عدم التماثل هذا إذا كانت مادة العازل ذات جودة مواد رديئة وأقسام غير متجانسة بداخلها.

هل يمكن أن يكون هناك مجال كهربائي من خلال موصل كهربائي مثالي؟ لا، نظراً لأنّ الموصل المثالي هو في الأساس مجموعة من نقاط تساوي الجهد عبر هيكله، فإنّ شدة المجال التي هي دالة لاختلاف الجهد عبر القسم ستكون صفرية أيضاً. في حالات أقل من مثالية، لا تزال المقاومة عبر نقطتين أقل بكثير، وبالتالي، فإنّ شدة المجال الكهربائي ستكون ضئيلة أيضاً. باختصار، تحدث شدة المجال الكهربائي دائماً عبر الوسائط العازلة بما يتناسب مع قدرتها على العزل.