خصائص المجالات الكهربائية والمغناطيسية

ما هو المجال الكهربائي؟

المجال الكهربائي: المنطقة المحيطة بالشحنة الكهربائية التي يعمل فيها الضغط أو القوة الكهربائية تسمى المجال الكهربائي أو المجال الكهروستاتيكي. إذا كان حجم الشحنة كبيراً، فقد يؤدي ذلك إلى حدوث ضغط كبير حول المنطقة. يتم تمثيل المجال الكهربائي بالرمز (E). وحدة (SI) للمجال الكهربائي هي “نيوتن لكل كولوم” والتي تساوي “فولت لكل متر”.

يتم تمثيل المجال الكهربائي بخطوط القوة التخيلية. بالنسبة للشحنة الموجبة، يخرج خط القوة من الشحنة وبالنسبة للشحنة السالبة يتحرك خط القوة باتجاه الشحنة. تخيل وجود شحنة الوحدة (Q) الموضوعة في الفراغ. إذا تم وضع شحنة أخرى (q) بالقرب من (Q)، فوفقًا لقانون كولوم، فإن الشحنة (Q) تطبق عليها قوة. تنتج الشحنة (Q) مجالاً كهربائياً حولها، وعندما توضع أي شحنة أخرى بالقرب منها، فإنّ المجال الكهربائي لـ (Q) يطبق عليها القوة.

يتم إعطاء المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة (Q) عند نقطة (r) بواسطة:

حيث:

Q –  وحدة الشحنة.

r – المسافة بين الشحنات.

يتم التعبير عن الشحنة (Q) التي تطبق القوة على الشحنة (q) بواسطة:

تطبق الشحنة (q) أيضاً قوة مساوية ومعكوسة على الشحنة (Q).

أنواع المجال الكهربائي:

يتم تصنيف المجال الكهربائي بشكل أساسي إلى نوعين، وهما: المجال الكهربائي المنتظم والمجال الكهربائي غير المنتظم.

المجال الكهربائي المنتظم – Uniform Electric Field:

عندما يكون المجال الكهربائي ثابتاً عند كل نقطة، فإنّ المجال يسمى المجال الكهربائي المنتظم. يتم الحصول على المجال المنتظم عن طريق وضع الموصلين على التوازي مع بعضهما البعض، ويظل فرق الجهد بينهما كما هو في كل نقطة.

المجال الكهربائي غير المنتظم – Non-Uniform Electric Field:

يكون المجال الكهربائي غير منتظم في كل نقطة وبالتالي يسمى المجال الكهربائي غير المنتظم. المجال غير المنتظم له حجم واتجاهات مختلفة.

خصائص المجال الكهربائي:

• لا تتقاطع خطوط المجال الكهربائي مع بعضها البعض.

• تكون عمودية على شحنة السطح.

• يكون المجال الكهربائي قوياً عندما تكون الخطوط متقاربة، ويكون ضعيفاً عندما تتحرك خطوط المجال بعيداً عن بعضها البعض.

• عدد خطوط المجال الكهربائي يتناسب طردياً مع حجم الشحنة.

• يبدأ خط المجال الكهربائي من الشحنة الموجبة وينتهي بالشحنة السالبة.

• إذا كانت الشحنة واحدة، فإنّها تبدأ أو تنتهي عند المالانهاية.

• منحنيات الخطوط مستمرة في المنطقة الخالية من الشحنة.

• عندما يجتمع المجال الكهربائي والمغناطيسي، فإنّهما يشكلان المجال الكهرومغناطيسي.

ما هو المجال المغناطيسي؟

المجال المغناطيسي هو مجال ينتجه المغناطيس أو الشحنات الكهربائية المتحركة، المجال المغناطيسي هو المنطقة المحيطة بمادة مغناطيسية أو شحنة كهربائية متحركة تعمل فيها القوة المغناطيسية. يتم تمثيل المجالات المغناطيسية باستخدام خطوط المجال المغناطيسي. إنّها أداة بصرية تستخدم لتصور إتجاه وقوة المجال المغناطيسي.

يمكن رسم خطوط المجال المغناطيسي باستخدام إبرة البوصلة، يجب وضع إبرة البوصلة على قطعة من الورق بالقرب من المغناطيس، تحقق من الاتجاه الذي تشير إليه إبرة البوصلة وحدد الاتجاه، انقل إبرة البوصلة إلى أوضاع مختلفة وحدد الإتجاهات. يُظهر ضم النقاط خطوط المجال المغناطيسي.

خصائص خطوط المجال المغناطيسي:

• يعطي الظل المرسوم لخطوط المجال المغناطيسي اتجاه المجال المغناطيسي.

• يتناسب قرب خطوط المجال أو كثافتها طردياً مع قوة المجال المغناطيسي.

• خطوط المجال المغناطيسي تظهر أو تبدأ من القطب الشمالي وتندمج أو تنتهي عند القطب الجنوبي.

• داخل المغناطيس، يكون اتجاه خطوط المجال المغناطيسي من القطب الجنوبي إلى القطب الشمالي.

• لا تتقاطع خطوط المجال المغناطيسي مع بعضها البعض.

• تشكل خطوط المجال المغناطيسي حلقة مغلقة.

• خطوط المجال لها الاتجاه والحجم في أي نقطة في المجال. لذلك، يتم تمثيل خطوط المجال المغناطيسي بواسطة متجه.

• تشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي.

• يكون المجال المغناطيسي أقوى عند القطبين لأنّ خطوط المجال تكون أكثر كثافة بالقرب من القطبين.

أوجه التشابه بين المجالات المغناطيسية والمجالات الكهربائية:

تنتج المجالات الكهربائية بنوعين من الشحنات، موجبة وسالبة. ترتبط الحقول المغناطيسية بقطبين مغناطيسيين، الشمالي والجنوبي، على الرغم من أنّها تنتج أيضاً عن طريق الشحنات (لكن الشحنات المتحركة)، و لدى أقطابها قوة التجاذب والتنافر. يشير المجال الكهربائي إلى اتجاه القوة التي تتعرض لها الشحنة الموجبة. يشير المجال المغناطيسي إلى اتجاه القوة التي يتعرض لها القطب الشمالي.

الفرق بين المجال الكهربائي والمغناطيسي:

يتمثل أحد الاختلافات الرئيسية بين المجال المغناطيسي والمجال الكهربائي في أنّ المجال الكهربائي ينتج حول جسيم الشحنة الساكنة الذي يكون سالباً أو موجباً، بينما ينتج المجال المغناطيسي حول القطبين (أي القطب الشمالي والجنوبي) للمغناطيس. الجدول أدناه يوضح هذه الاختلافات:

أساس المقارنة	المجال الكهربائي	المجال المغناطيسي
التعريف	إنها القوة المحيطة بجسيم الشحنة الكهربائية.	هي المنطقة المحيطة بالمغناطيس حيث تُظهر الأقطاب قوة تجاذب أو تنافر.
الوحدة	فولت / متر أو نيوتن / كولوم	تسلا، (نيوتن × ثانية) / (كولوم × متر)
الرمز	E	B
المعادلة
أداة القياس	المقياس الكهربي (Electrometer).	مقياس المغناطيسية (Magnetometer).
الأقطاب	عمود أحادي.	ثنائي القطب.
المجال الكهرومغناطيسي	إنه عمودي على المجال الكهربائي.	إنه عمودي على المجال المغناطيسي.
المجال	متجه	متجه
خطوط المجال	يبدأ بالشحنة الموجبة وينتهي بالشحنة السالبة.	يتولد في القطب الشمالي وينتهي عند القطب الجنوبي.
الحلقة المغلقة	لا تشكل خطوط المجال الكهربائي حلقة مغلقة.	تشكل خطوط المجال المغناطيسي حلقة مغلقة.
نوع الشحنة	شحنة سالبة أو موجبة.	القطب الشمالي أو الجنوبي.
نوع القوة	قوة التنافر على الشحنات المتشابهة وقوة التجاذب على الشحنات المختلفة.	قوة التنافر على الأقطاب المتشابهة وقوة التجاذب على الأقطاب غير المتشابهة.
الأبعاد	موجود في بعدين.	موجود في ثلاثة أبعاد.
طبيعة العمل	يمكن للمجال القيام بعمل (تتغير سرعة واتجاه الجسيمات).	لا يستطيع المجال المغناطيسي العمل (تظل سرعة الجسيمات ثابتة).