قانون كولوم

لقد اكتشفت العالم تشارلز أوجستين دي كولوم ((1806 – 1736 القانون الرياضي الذي يصف كيفية تنافر الشحنات المتشابهة وتجاذب الشحنات المختلفة عام 1785، وسمى ذلك القانون بقانون كولوم. وبواسطة ميزان حساس للغاية ، شبيه بذلك الذي استخدمه العالم كافندش في دراسته حول الجاذبية، استطاع كولوم ان يقيس القوة بين جسمين مشحونين صغيرين (الشكل ((1). ولنعتبر كرتين من الصغر بمكان بحيث يمكن اعتبارهما نقطتين بالمقارنة مع المسافة r بين مركزيهما وأنهما تحملات شحنتين +q₁ و –q₂. وبإجراء عدد من التجارب تمكن كولوم من استنتاج أن القوة المؤثرة على الكرة رقم 1 تتغير في تناسب طردي مع حاصل ضرب الشحنتين وعكسي مع مربع المسافة بين مركزيهما:

((1                

الشكل (1)

وان القوة تتخذ الاتجاه المبين في الشكل((1. ولو أن الشحنتين  كانت إما موجبتين أو سالبتين فإن مقدار القوة سيكون هو نفسه، أما الاتجاه سيكون عكس ما هو موضح في الشكل ((1 وطبقاً لقانون نيوتن للفعل ورد الفعل فإن القوة المؤثرة على الكرة رقم 2 لابد وأن تكون مطابقة في المقدار ومعاكسة في الاتجاه.

وقبل ان نتمكن من تقدير قيمة ثابت التناسب في المعادلة ((1 فلا بد أن نستقر على وحدة لقياس كمية الشحنة. وحيث أن الشحنة والقوة الكهربية التي تحدثها من الخواص الفيزيائية الأساسية الجديدة علينا، لذا فوحدة الشحنة والقوة الكهربية التي تحدثها من الخواص الفيزيائية الأساسية الجديدة علينا، لذا فوحدة الشحنة لا يمكن أن تشتق ببساطة من وحدات معروفة ومستقرة ومثلها مثل الكتلة والطول والزمن ودرجة الحرارة فإن الشحنة ذات بد أساسي لابد من تعريف وحدته. إن وحدة SI (النظام الدولي) للشحنة تعرف بدلالة التيار الكهربي. أما الآن فسننص ببساطة على أن وحدة SI للشحنة هي الكولوم (C). وحين نستعمل هذه الوحدة لكل من q₁ و q₂ فإن قانون كولوم سيكتب على الصورة:

 (2)         

حيث تقاس F بوحدات نيوتن و r بالمتر. ويتعين ثابت التناسب k بالتجربة حيث يساوي 8.9874×10⁹N.m²/C² وذلك عند إجراء التجربة في الفراغ (او على أحسن تقريب في الهواء). وسوف نعتبر k عادة مساوية 9.0×10⁹N.m²/C².

ويكتب الثابت k دائماً مساوياً (1/4πϵ₀) حيث يطلق على ₀ϵ سماحية الفراغ، وتتخذ القيمة التالية :

 C²/N.m² ₀ = 8.85×10^-12ϵ

عندما نقوم بإدخال القيم العددية في المعادلة ((2 فسنرى ان الكولوم الواحد يعتبر كمية كبيرة جداً من الشحنة. فلو ان لدينا شحنتين مقدار كل منهما كولوم واحد وتفصلها مسافة مقدارها متر واحد فإن كلاً منهما تؤثر على الاخرى بقوة مقدارها تسعة بلايين نيوتن! اما كميات الشحنة الساكنة التي نتعامل معها في حياتنا اليومية فمقاديرها عادة تقاس بالميكروكولوم أو أقل.

والكمية الأساسية للشحنة التي توجد داخل المادة الشحنة التي يحملها الإلكترون والبروتون ويرمز لها بالرمز e. وقيمة e المعينة بالتجربة هي:

  10^-19  e = 1.60218×

إن البروتون يحمل شحنة مقدارها +e والإلكترون - e. وكل الجسيمات الأساسية المشحونة والتي تم اكتشافها حتى الآن في المواد المعتادة تحمل شحنة مقدارها e أو مضاعفات صحيحة لها. وهكذا يتضح أن الشحنة e عي أصغر كمية ، أو كمة ، للشحنة الموجودة في الطبيعة *.

وتبرز التجارب سمة أخرى مهمة للقوة الكهربية، فعندما تؤثر جسيمات مشحونة متعددة بقوة على بعضها البعض، فإن تلك القوة تضاف إلى بعضها البعض. فعلى سبيل المثال، لنفترض أن شحنتين كانت قريبتين من شحنة ثالثة، سيؤثر كل من الشحنتين بقوة حسب قانون كولوم على الشحنة الثالثة. وتكون القوة الكلية المؤثرة على الشحنة الثالث هي ببساطة الجمع المتجهي للقوتين المنفصلتين. وتسمى هذه الحقيقة مبدأ التراكب لقوى قانون كولوم.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ