المجال الكهربائي وشحنته

مفهوم المجال الكهربائي

خاصية كهربائية مرتبطة بكل نقطة في الفضاء عندما تكون الشحنة موجودة بأي شكل، حيث يتم التعبير عن حجم واتجاه المجال الكهربائي بقيمة E، حيث أنها تسمى شدة المجال الكهربائي أو ببساطة المجال الكهربائي، إذ أن معرفة قيمة المجال الكهربائي في نقطة ما دون أي معرفة محددة بما ينتج الحقل، هو كل ما هو مطلوب لتحديد ما سيحدث للشحنات الكهربائية بالقرب من تلك النقطة المحددة.

شحنة الاختبار:

بدلاً من اعتبار القوة الكهربائية تفاعلًا مباشرًا بين شحنتين كهربائيتين على مسافة من بعضهما البعض، تُعتبر الشحنة الواحدة مصدرًا لمجال كهربائي يمتد إلى الخارج في الفضاء المحيط، والقوة المبذولة على شحنة ثانية في هذا الفضاء يعتبر بمثابة تفاعل مباشر بين المجال الكهربائي والشحنة الثانية.
يمكن تعريف قوة المجال الكهربائي E عند أي نقطة على أنها القوة الكهربائية، أو كولوم، حيث أن القوة F التي تمارس لكل وحدة شحنة كهربائية موجبة عند تلك النقطة، أو ببساطة E = F / q. إذا كانت الشحنة الثانية، أو الاختبار أكبر بمرتين، فإن القوة المحصلة تضاعف لكن حاصل القسمة أو مقياس المجال الكهربائي E، يظل كما هو في أي نقطة معينة.
تعتمد شدة المجال الكهربائي على شحنة المصدر وليس على شحنة الاختبار، بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن إدخال شحنة اختبار صغيرة، والتي هي نفسها لها مجال كهربائي يعدل قليلاً المجال الموجود، وقد يُنظر إلى المجال الكهربائي على أنه القوة لكل وحدة شحنة موجبة يتم بذلها قبل أن ينزعج المجال بسبب وجود شحنة الاختبار.

اتجاة المجال:

اتجاه القوة المؤثرة على الشحنة السالبة هو عكس اتجاه الشحنة الموجبة، ونظرًا لأن المجال الكهربائي له كل من الحجم والاتجاه فسيتم اختيار اتجاه القوة المؤثرة على الشحنة الموجبة بشكل تعسفي باعتباره اتجاه المجال الكهربائي.
نظرًا لأن الشحنات الموجبة تتنافر مع بعضها البعض، فإن المجال الكهربي حول شحنة موجبة معزولة موجَّه نحو الخارج شعاعياً، وعندما يتم تمثيلها بخطوط القوة، أو خطوط المجال فسيتم تصوير المجالات الكهربائية على أنها تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي عند الشحنات السالبة.
يشير الخط المماس لخط المجال إلى اتجاه المجال الكهربائي عند تلك النقطة، وعندما تكون خطوط المجال قريبة من بعضها البعض، فسيكون المجال الكهربائي أقوى من حيث تكون متباعدة.
يعتمد حجم المجال الكهربائي حول الشحنة الكهربائية التي تُعتبر مصدرًا للمجال الكهربائي على كيفية توزيع الشحنة في الفضاء. وبالنسبة لشحنة مركزة عند نقطة ما تقريبًا فيتناسب المجال الكهربائي طرديًا مع مقدار الشحنة، كما أنه يتناسب عكسيا مع مربع المسافة شعاعيًا بعيدًا عن مركز شحنة المصدر ويعتمد أيضًا على طبيعة الوسيط، كما أن وجود وسيط مادي يقلل دائمًا من المجال الكهربائي تحت القيمة الموجودة في الفراغ.
في بعض الأحيان، قد ينفصل المجال الكهربائي نفسه عن شحنة المصدر ويشكل حلقات مغلقة، كما في حالة الشحنات التي تتسارع صعودًا وهبوطًا في هوائي الإرسال لمحطة تلفزيونية.
ينتشر المجال الكهربي المصاحب للحقل المغناطيسي عبر الفضاء كموجة مشعة بنفس سرعة الضوء، حيث تشير هذه الموجات الكهرومغناطيسية إلى أن المجالات الكهربائية لا تتولد فقط من الشحنات الكهربائية ولكن أيضًا من الحقول المغناطيسية المتغيرة.
قيمة المجال الكهربائي لها أبعاد القوة لكل وحدة شحنة، ففي أنظمة المتر كيلوجرام في الثانية والنظام الدولي للوحدات، الوحدات المناسبة هي نيوتن لكل كولوم؛ أي ما يعادل فولت لكل متر.
في نظام السنتيمتر-جرام-الثانية، يُعبر عن المجال الكهربائي بوحدات الدينات لكل وحدة إلكتروستاتيكية (esu)، أي ما يعادل statvolts لكل سنتيمتر.

المجالات والقوى الكهربائية:

إن قوانين القوة والحفظ ليست سوى جانبين من جوانب الكهرومغناطيسية، حيث تحدث القوى الكهربائية والمغناطيسية بسبب المجالات الكهرومغناطيسية، كما يشير مصطلح الحقل إلى خاصية الفضاء، بحيث يكون لكمية الحقل قيمة عددية في كل نقطة من الفراغ.
قد تختلف هذه القيم أيضًا مع مرور الوقت، إذ أن قيمة المجال الكهربائي أو المغناطيسي متجه؛ أي كمية لها مقدار واتجاه، وقيمة المجال الكهربائي عند نقطة في الفضاء على سبيل المثال، تساوي القوة التي سيتم بذلها على شحنة الوحدة في ذلك الموضع في الفضاء.

يُنشئ كل جسم مشحون مجالًا كهربائيًا في الفضاء المحيط، إذ أن الشحنة الثانية “تشعر” بوجود هذا المجال، كما أن الشحنة الثانية إما تنجذب نحو الشحنة الأولية أو تنفر منها، وذلك اعتمادًا على علامات الشحنات، ونظرًا لأن الشحنة الثانية لها أيضًا مجال كهربائي، فإن الشحنة الأولى تشعر بوجودها وتنجذب أو تنفر من الشحنة الثانية أيضًا.

يتم توجيه المجال الكهربي من الشحنة بعيدًا عن الشحنة عندما تكون الشحنة موجبة وباتجاه الشحنة عندما تكون سالبة، يظهر المجال الكهربائي من شحنة في حالة سكون لمواقع مختلفة في الفضاء، كما تشير الأسهم إلى اتجاه المجال الكهربائي، ويشير طول الأسهم إلى قوة المجال عند نقطة منتصف الأسهم.

الجهد الكهربائي:

الجهد الكهربائي هو مجال آخر مفيد، حيث يوفر بديلاً عن المجال الكهربائي في مشاكل الكهرباء الساكنة، ومع ذلك، فإن الإمكانات أسهل في الاستخدام، لأنها رقم واحد، عددي، بدلاً من متجه، كما يقيس الفرق في الجهد بين مكانين الدرجة التي تتأثر بها الشحنات للانتقال من مكان إلى آخر.
إذا كانت الإمكانات هي نفسها في مكانين (على سبيل المثال، إذا كان للأماكن نفس الجهد)، فلن تتأثر الشحنات للانتقال من مكان إلى آخر، كما يتم قياس الجهد على جسم ما أو في نقطة ما في الفضاء بالفولت؛ حيث إنها تساوي الطاقة الكهروستاتيكية التي ستكون لشحنة الوحدة في هذا الموضع.
في بطارية السيارة النموذجية بجهد 12 فولت، يكون طرف البطارية المميز بعلامة + عند 12 فولتًا محتملًا أكبر من إمكانات الطرف المميز بعلامة -، وعندما يتم توصيل سلك، مثل خيوط المصباح الأمامي للسيارة، بين طرفي + و – للبطارية، تتحرك الشحنات عبر الفتيل كتيار كهربائي وتسخين الفتيل، ويشع الفتيل الساخن الضوء.

المجالات والقوى المغناطيسية:

تؤثر القوة المغناطيسية فقط على تلك الشحنات الموجودة بالفعل، حيث ينتقل عن طريق المجال المغناطيسي، كما أن كل من المجالات المغناطيسية والقوى المغناطيسية أكثر تعقيدًا من المجالات الكهربائية والقوى الكهربائية.
لا يشير المجال المغناطيسي على طول اتجاه مصدر المجال بدلا من ذلك، فإنه يشير في اتجاه عمودي، بالإضافة إلى ذلك، تؤثر القوة المغناطيسية في اتجاه عمودي على اتجاه المجال، وبالمقارنة فإن كلاً من القوة الكهربائية والمجال الكهربائي يتجهان مباشرة نحو الشحنة أو بعيدًا عنها.