تخطيط المجال الكهربائي
يحدد اتجاه المجال الكهربائي وشدته حول شحنة نقطية وشحنتين، ويميّز المجال المنتظم بين لوحين متوازيين مشحونين.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: الشحنات و المجالات — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٩-١): تخطيط المجال الكهربائي — الجزء الثاني، ص ٣٧
- نشاط (٩-٢): تخطيط المجال الكهربائي المنتظم — الجزء الثاني، ص ٣٨
خطوات التجربة
افتح المحاكاة (لها شاشة واحدة)، وفعّل «المجال الكهربي» و«القيم» و«شبكة كهربائية».
اسحب شحنة «+1 nC» إلى وسط الشاشة، ولاحظ اتجاه أسهم المجال حولها، ثم فعّل «الاتجاه فقط» لترى الاتجاه بوضوح، ثم ألغه.
اسحب مجسًّا من «أجهزة الاستشعار» إلى نقطة على بعد 1 m من الشحنة، ثم إلى نقطة على بعد 0.5 m، وسجّل شدة المجال واتجاهه في كل منهما.
أضف شحنة «-1 nC» على بعد من الأولى، ولاحظ أن الأسهم تخرج من الموجبة وتنحني نحو السالبة، وارسم في دفترك نمط خطوط المجال.
استبدل بالشحنة السالبة شحنة «+1 nC» ثانية، وحرّك المجس بين الشحنتين حتى تجد نقطة التعادل التي تقترب فيها شدة المجال من صفر.
امسح الشحنات، وضع صفًّا أفقيًا من الشحنات الموجبة المتلاصقة، وتحته على بعد صفًّا من الشحنات السالبة، ثم حرّك المجس بين الصفين وسجّل الشدة والاتجاه في عدة نقاط.
الفكرة العلمية
المجال الكهربائي عند نقطة هو القوة المؤثرة في وحدة الشحنات الموجبة الموضوعة فيها: E = F / q، ووحدته N/C أو V/m كما تعرضها المحاكاة. وشدة المجال حول شحنة نقطية E = k q / r²، فمضاعفة البعد تجعلها الربع. وخطوط المجال تخرج من الشحنة الموجبة وتدخل في السالبة، واتجاه المجال عند أي نقطة هو اتجاه المماس لخط المجال، وتتقارب الخطوط حيث يكون المجال أقوى ولا تتقاطع أبدًا. وبين شحنتين متشابهتين توجد نقطة تعادل ينعدم فيها المجال لتساوي المجالين وتعاكسهما. وبين لوحين متوازيين مشحونين بشحنتين مختلفتين يكون المجال منتظمًا: خطوطه مستقيمة متوازية متساوية التباعد، وشدته واتجاهه ثابتان. والمحاكاة ترسم أسهمًا في نقاط الشبكة بدل الخطوط المتصلة التي تصنعها البذور في الزيت، وتبني اللوحين من شحنات نقطية متلاصقة.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
في أي اتجاه تشير أسهم المجال حول شحنة سالبة معزولة؟
- خارجة منها
- دائرية حولها
- داخلة إليها
- لا مجال حولها
اعرض الإجابة
ج) داخلة إليها
اتجاه المجال هو اتجاه القوة على شحنة اختبار موجبة، وهذه تنجذب نحو الشحنة السالبة، فتتجه الأسهم إليها. والخطوط الدائرية صفة المجال المغناطيسي حول سلك، لا المجال الكهربائي لشحنة.
قرأ المجس شدة مجال مقدارها 9 V/m على بعد 1 m من شحنة نقطية. كم تكون على بعد 0.5 m؟
- 36 V/m
- 18 V/m
- 4.5 V/m
- 9 V/m
اعرض الإجابة
أ) 36 V/m
E = k q / r²، فتنصيف البعد يضرب الشدة في 4، فتصير 36 V/m. والإجابة 18 V/m تفترض أن الشدة تتناسب عكسيًا مع البعد لا مع مربعه.
حرّكتَ المجس بين صفّي الشحنات الموجبة والسالبة بعيدًا عن طرفيهما. ماذا تلاحظ؟
- الشدة أكبر قرب الصف الموجب فقط
- الاتجاه يتغيّر من نقطة إلى أخرى
- الشدة صفر بين الصفين
- الشدة والاتجاه ثابتان تقريبًا في كل النقاط
اعرض الإجابة
د) الشدة والاتجاه ثابتان تقريبًا في كل النقاط
بين لوحين متوازيين مشحونين بشحنتين مختلفتين يكون المجال منتظمًا: ثابت الشدة والاتجاه، ويتجه من الموجب إلى السالب. وقد يختلف قليلًا قرب الطرفين لأن اللوحين في المحاكاة محدودا الطول ومبنيان من شحنات نقطية.
وضعتَ شحنتين موجبتين متساويتين ووجدت نقطة التعادل. أين تقع؟ وما الذي يحدث فيها؟
اعرض الإجابة
تقع في منتصف المسافة بين الشحنتين لأنهما متساويتان. فيها يكون مجال الشحنة الأولى مساويًا لمجال الثانية في المقدار ومعاكسًا له في الاتجاه، فتنعدم المحصلة. ولو اختلفت الشحنتان لاقتربت نقطة التعادل من الشحنة الأصغر.
كيف تعرف من نمط خطوط المجال أين يكون المجال أقوى؟
اعرض الإجابة
يكون المجال أقوى حيث تتقارب الخطوط، وأضعف حيث تتباعد. ولهذا تتزاحم الخطوط قرب الشحنة وتتباعد كلما ابتعدنا عنها، وهو ما يطابق قراءات المجس. وعدد الخطوط الخارجة من الشحنة يتناسب مع مقدارها.