قانون كولوم
يقيس القوة الكهربائية بين شحنتين نقطيتين عند قيم مختلفة للشحنتين والمسافة، ويستنتج أنها تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب الشحنتين وعكسيًا مع مربع المسافة.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: قانون كولوم — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٨-٣): قانون كولوم — الجزء الثاني، ص ٢٨
خطوات التجربة
افتح شاشة «المقياس المجهري»، وفعّل «قيم القوَّة».
اجعل «الشُّحنة 1» و«الشُّحنة 2» كلتيهما +2 μC، واسحب الشحنتين حتى تصير المسافة بينهما 4 cm على المسطرة، وسجّل القوة.
ضاعف «الشُّحنة 1» إلى +4 μC مع تثبيت المسافة، وسجّل القوة وقارنها بالأولى.
أعد الشحنة إلى +2 μC، وضاعف المسافة إلى 8 cm، وسجّل القوة وقارنها.
اجعل المسافة 2 cm، وتوقّع القوة قبل قراءتها، ثم تحقق.
اجعل «الشُّحنة 2» سالبة (−2 μC)، ولاحظ اتجاه سهمي القوة ومقدارهما على الشحنتين، وأكمل جدول القياسات.
الفكرة العلمية
ينصّ قانون كولوم على أن القوة الكهربائية بين شحنتين نقطيتين تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب مقداريهما، وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما: F = k q1 q2 / r²، حيث k ≈ 9 × 10⁹ N·m²/C². فمضاعفة إحدى الشحنتين تضاعف القوة، ومضاعفة المسافة تجعلها الربع، وتنصيف المسافة يجعلها أربعة أمثالها. فمثلًا شحنتان كل منهما 2 μC على بعد 4 cm بينهما قوة نحو 22.5 N. والقوة تنافرية بين الشحنتين المتشابهتين وتجاذبية بين المختلفتين، وهي متبادلة: تؤثر كل شحنة في الأخرى بالمقدار نفسه وفي اتجاه معاكس، كما في القانون الثالث لنيوتن. والإشارة تحدد نوع القوة لا مقدارها. وفي النشاط تلاحظ تغيّر انحراف الكرتين المشحونتين نوعيًا، أما المحاكاة فتعطي القوة رقمًا فتحوّل الملاحظة إلى علاقة كمية.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
ضاعفتَ المسافة بين الشحنتين من 4 cm إلى 8 cm. ماذا يحدث للقوة؟
- تنقص للنصف
- تتضاعف
- تصير الربع
- لا تتغيّر
اعرض الإجابة
ج) تصير الربع
القوة تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة، فمضاعفة المسافة تقسم القوة على 4، فتنزل من نحو 22.5 N إلى نحو 5.6 N. وافتراض التنصيف يعامل العلاقة كأنها عكسية بسيطة، وهو أشهر خطأ في هذا القانون.
الشحنة الأولى ضعف الثانية في المقدار. ماذا تلاحظ في سهمي القوة على الشحنتين؟
- سهم الشحنة الكبيرة أطول
- متساويان في الطول ومتعاكسان في الاتجاه
- سهم الشحنة الصغيرة أطول
- يظهر سهم على الشحنة الكبيرة فقط
اعرض الإجابة
ب) متساويان في الطول ومتعاكسان في الاتجاه
القوة متبادلة: كل شحنة تؤثر في الأخرى بالمقدار نفسه وفي اتجاه معاكس، مهما اختلف مقدارا الشحنتين. فالقانون يحوي حاصل الضرب q1 q2 وهو واحد للشحنتين. والظن أن الشحنة الأكبر تتأثر بقوة أكبر أو أقل خطأ يكشفه طول السهمين.
ضاعفتَ إحدى الشحنتين وضاعفتَ المسافة في الوقت نفسه. ماذا يحدث للقوة؟
- تبقى كما هي
- تتضاعف
- تصير الربع
- تصير النصف
اعرض الإجابة
د) تصير النصف
مضاعفة الشحنة تضرب القوة في 2، ومضاعفة المسافة تقسمها على 4، فالنتيجة 2 / 4 = نصف القوة الأصلية. ومن يجيب أنها تبقى كما هي يظن أن الأثرين يلغي أحدهما الآخر، وينسى أن المسافة مربعة.
جعلتَ الشحنة الثانية سالبة بدل موجبة. ماذا تغيّر في مقدار القوة وفي اتجاهها؟
اعرض الإجابة
لم يتغيّر المقدار لأنه يعتمد على مقداري الشحنتين والمسافة لا على الإشارة. أما الاتجاه فانقلب: صارت القوة تجاذبية بعد أن كانت تنافرية، فصار كل سهم يشير نحو الشحنة الأخرى. فالإشارة تحدد نوع القوة لا مقدارها.
كانت القوة بين شحنتين على بعد 4 cm نحو 22.5 N. كم تتوقع أن تصير عند 2 cm؟ وهل يتفق ذلك مع قراءتك؟
اعرض الإجابة
تنصيف المسافة يضرب القوة في 2² = 4، فتصير نحو 90 N. وهذا ما تعرضه المحاكاة تقريبًا، فقد تختلف القراءة في المنزلة العشرية لأن المحاكاة تستخدم قيمة k الدقيقة 8.99 × 10⁹ N·m²/C².