الهالة غير المرئية: كيف تؤثر الشحنات عن بُعد؟

كيف تعرف شحنة موجبة أن هناك شحنة سالبة بعيدة عنها فتنجذب إليها دون أن تلمسها؟

الجواب يكمن في "المجال". تخيل المجال الكهربائي مثل شبكة "الواي فاي" غير المرئية التي تحيط بالجهاز؛ أنت لا تراها، لكنك تلاحظ تأثيرها بقوة الإشارة. في هذا الدرس، سنتعلم كيف نرسم هذه الهالة غير المرئية، وكيف نحسب شدتها بدقة رياضية.

💡 مفهوم المجال الكهربائي (Electric Field):

هو الحيز المحيط بالشحنة الكهربائية الذي تظهر فيه آثار قوتها الكهربائية على الشحنات الأخرى.

قوانين حساب شدة المجال ($E$):

1. بدلالة القوة وشحنة الاختبار (تعريف عام):

2. بدلالة الشحنة المولدة للمجال (للشحنات النقطية):

حيث:
$E$: شدة المجال (وحدتها: $\text{N/C}$).
$F$: القوة الكهربائية ($\text{N}$).
$q_0$: شحنة اختبارية صغيرة موجبة.
$Q$: الشحنة المولدة للمجال ($\text{C}$).

📚 1. خريطة المجال (خطوط القوة):

نستخدم خطوطاً وهمية لتصور المجال، ولها خصائص ثابتة:

• الاتجاه: تخرج دائماً من الشحنة الموجبة وتدخل إلى الشحنة السالبة.
• الشدة والكثافة: تزاحم الخطوط يدل على مجال قوي (قرب الشحنة)، وتباعدها يدل على مجال ضعيف.
• قاعدة ذهبية: خطوط المجال لا تتقاطع أبداً (لأنه لا يمكن أن يكون للمجال اتجاهان في نقطة واحدة).

نقطة التعادل (Null Point): هي النقطة التي تنعدم فيها محصلة المجال ($E_{net} = 0$). تقع دائماً أقرب للشحنة الأصغر مقداراً (بين الشحنتين إذا كانتا متشابهتين، وخارجهما إذا كانتا مختلفتين).

🧮 مثال محلول:

السؤال: شحنة مقدارها $2 \, \mu \text{C}$ في الفراغ. احسب شدة المجال الكهربائي عند نقطة تبعد عنها $50 \, \text{cm}$.

الحل:

1. التحويل للوحدات الدولية:
   • $Q = 2 \times 10^{-6} \, \text{C}$
   • $r = 50 \, \text{cm} = 0.5 \, \text{m}$
   • $k = 9 \times 10^9 \, \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$
2. التعويض: $$E = k \times \frac{Q}{r^2}$$ $$E = (9 \times 10^9) \times \frac{2 \times 10^{-6}}{(0.5)^2}$$ $$E = \frac{18 \times 10^3}{0.25} = 72 \times 10^3 \, \text{N/C}$$

🚀 الفيزياء في حياتنا ومستقبلنا

أ) هل يمكننا رؤية المجال الكهربائي؟ (مقارنة مع المغناطيسية)

نحن لا نرى المجال بالعين المجردة، لكننا نستدل عليه بتجارب عملية، تماماً كما نفعل مع المجال المغناطيسي:

• في المجال المغناطيسي: نستخدم "برادة الحديد" التي تصطف لترينا خطوط القوة حول المغناطيس.
• في المجال الكهربائي: نستخدم تجربة مشابهة بوضع "بذور صغيرة (مثل بذور العشب) في وعاء زيت". عند تطبيق شحنة كهربائية، تستقطب البذور وتصطف في سلاسل ترسم لنا بوضوح شكل خطوط المجال الكهربائي، مماثلة تماماً لما نرسمه نظرياً.

ب) تطبيقات تعتمد على "توجيه" المجال:

• طابعات نفث الحبر (Inkjet Printers): تستخدم مجالاً كهربائياً دقيقاً للتحكم في مسار قطرات الحبر المشحونة وتوجيهها لتسقط في المكان الصحيح على الورقة لرسم الحروف والصور.
• معجلات الجسيمات (Particle Accelerators): في الأبحاث النووية المتقدمة، تُستخدم مجالات كهربائية هائلة لتسريع الجسيمات المشحونة (كالبروتونات) إلى سرعات قريبة من الضوء.

ج) ثقافة علمية: من الكهرباء الساكنة إلى عالم الاتصالات:

هل المجال الكهربائي منفصل عن المغناطيسي؟ الحقيقة العلمية المثيرة هي أنهما وجهان لعملة واحدة. عندما تتحرك الشحنة أو يتغير المجال الكهربائي، يتولد فوراً مجال مغناطيسي.

هذا الترابط هو السر وراء "الموجات الكهرومغناطيسية" (كالضوء وموجات الراديو) التي تنتقل بسرعة الضوء.

سواء كنت تخطط لتكون مهندساً يطور شبكات الاتصالات، أو طبيباً يستخدم أجهزة الرنين المغناطيسي، أو حتى مستخدماً واعياً للتكنولوجيا، فإن فهمك لهذا المبدأ يمنحك نظرة أعمق لكيفية عمل العالم من حولك، من إشارة هاتفك المحمول إلى ضوء الشمس الذي ينير يومك.