صراع القوى: الجاذبية vs الكهرباء

هل تصدق أن القوة الكهربائية أقوى من الجاذبية بمليارات المرات؟

عندما تلتقط مشطاً مشحوناً قصاصة ورق صغيرة، فإن القوة الكهربائية البسيطة للمشط قد تغلبت على قوة جاذبية كوكب الأرض بأكمله التي تسحب الورقة للأسفل! في هذا الدرس، سنضع هذه القوة الجبارة في معادلة رياضية دقيقة وضعها العالم "تشارلز كولوم"، لنحسب بدقة كيف تتجاذب أو تتنافر الشحنات.

💡 قانون كولوم (Coulomb's Law):

ينص على أن: "تتناسب القوة الكهربائية المتبادلة بين شحنتين نقطيتين طردياً مع حاصل ضرب مقدار كل منهما، وعكسياً مع مربع المسافة الفاصلة بينهما."

حيث:
$F$: القوة الكهربائية (نيوتن $N$).
$Q_1, Q_2$: مقدار الشحنتين (كولوم $C$).
$r$: المسافة بين مركزي الشحنتين (متر $m$).
$k$: ثابت كولوم.

📚 1. سر الوسط الفاصل (ثابت كولوم $k$):

القوة الكهربائية حساسة جداً للوسط الذي تمر فيه. ثابت كولوم ($k$) ليس رقماً ثابتاً مطلقاً، بل يعتمد على السماحية الكهربائية ($\varepsilon$) للوسط.

• في الفراغ/الهواء: السماحية ($\varepsilon_0$) صغيرة جداً، لذا يكون الثابت كبيراً ($k \approx 9 \times 10^9 \, N.m^2/C^2$)، وتكون القوة الكهربائية أقوى ما يمكن.
• في الماء أو الزجاج: تزداد السماحية، فيقل الثابت ($k$)، وتضعف القوة الكهربائية بشكل كبير.

مثال حيوي: لماذا يذوب الملح في الماء؟ لأن سماحية الماء العالية تضعف قوة التجاذب الكهربائي بين أيونات الصوديوم والكلور بحوالي 80 مرة، مما يسهل تفككها، بينما تظل مترابطة بقوة في الهواء.

🧮 مثال محلول (حساب القوة):

السؤال: كرتان، شحنة الأولى $+2 \mu C$ والثانية $-3 \mu C$، والمسافة بينهما $10 cm$ في الهواء. احسب القوة المتبادلة وحدد نوعها.

الحل:

1. التحويل للوحدات الدولية:
   • $Q_1 = 2 \times 10^{-6} \, C$
   • $Q_2 = 3 \times 10^{-6} \, C$ (نعوض المقدار فقط بدون إشارة السالب)
   • $r = 10 \, cm = 0.1 \, m$
2. التعويض: $$F = (9 \times 10^9) \times \frac{(2 \times 10^{-6})(3 \times 10^{-6})}{(0.1)^2}$$ $$F = \frac{54 \times 10^{-3}}{0.01} = 5.4 \, N$$
3. نوع القوة: تجاذب (لأن الشحنتين مختلفتين).

🚀 الفيزياء في حياتنا ومستقبلنا

لغز الجاذبية المحير:

إذا كانت الكهرباء أقوى بمليارات المرات، لماذا لا نطير وتسيطر علينا الجاذبية؟ السبب هو التعادل الكهربائي. المادة (أجسامنا، الأرض) تحتوي شحنات موجبة وسالبة متساوية تلغي بعضها، فتصبح المحصلة صفراً. أما الجاذبية فهي تراكمية ولا تلغي نفسها، لذا تظهر بوضوح للأجسام الضخمة.

تطبيقات صناعية لقانون كولوم:

• الطلاء الكهروستاتيكي: شحن هيكل السيارة بشحنة موجبة ورذاذ الطلاء بشحنة سالبة يضمن انجذاب الطلاء بقوة لكل زاوية، مما يمنع الصدأ ويوفر الطلاء.
• المرشحات الكهروستاتيكية: في مداخن المصانع، يتم شحن جزيئات الدخان السامة ثم تمريرها بين ألواح مشحونة بشحنة مخالفة، فتنجذب إليها وتلتصق بها، مما ينقي الهواء المنبعث ويحمي البيئة.
• طابعات الليزر: تعتمد دقة الطباعة على تشكيل "صورة كهربائية" من الشحنات تجذب حبر التونر بدقة متناهية لمكان الحرف فقط.