قانون كولوم هو أحد القوانين الأساسية في الفيزياء الكلاسيكية، ويصف القوة الكهروستاتيكية بين الشحنات الكهربائية. اكتشفه العالم الفرنسي شارل أوغستان دي كولوم في القرن الثامن عشر، ويُعد حجر الزاوية في فهمنا للتفاعلات الكهرومغناطيسية. يستخدم هذا القانون في العديد من التطبيقات التكنولوجية، بدءًا من الطابعات الليزرية وصولًا إلى أجهزة التصوير الطبي.
ما هو قانون كولوم؟
قانون كولوم هو قانون فيزيائي يصف القوة الكهربائية بين الأجسام المشحونة. تعتمد قيمة هذه القوة على مقدار الشحنات الكهربائية للأجسام، وتقل مع زيادة المسافة بينها. وقد تم وضع هذا القانون من قبل العالم شارل دي كولوم في القرن الثامن عشر الميلادي.
نص قانون كولوم وصيغته الرياضية
ينص قانون كولوم على أن القوة بين شحنتين كهربائيتين تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب قيمتي الشحنتين، وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما. ويمكن التعبير عن قانون كولوم بالصيغة الرياضية التالية:
القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنات = (ثابت كولوم × الشحنة الأولى × الشحنة الثانية) / (المسافة بين الشحنتين)2
وبالرموز:
ق = (ك × ش1 × ش2) / ف2
حيث أن:
- ق: القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنات، وتقاس بوحدة نيوتن.
- ش1: قيمة الشحنة الأولى، وتقاس بوحدة الكولوم.
- ش2: قيمة الشحنة الثانية، وتقاس بوحدة الكولوم.
- ك: ثابت كولوم، وتساوي قيمته 9 × 109 نيوتن.متر2/كولوم2.
- ف: المسافة الفاصلة بين الشحنتين، وتقاس بالمتر.
أهمية قانون كولوم
يلعب قانون كولوم دورًا هامًا في تفسير العديد من الظواهر، مثل:
- الكهرباء السكونية: الصدمة الكهربائية البسيطة التي قد تحدث عند لمس مواد فلزية نتيجة تراكم الشحنات في الجسم.
- التفاعلات داخل الذرات: تنافر الشحنات المتشابهة داخل الذرات ما لم تقترب لدرجة كافية لتفوز القوة النووية.
- استقطاب الشحنات: إعادة توزيع الإلكترونات في جسم متعادل عند وجوده بالقرب من جسم مشحون.
كيف يمكن الاستفادة من قانون كولوم عمليًا؟
يمكن الاستفادة من قانون كولوم عمليًا في العديد من التطبيقات، ومنها:
- الطلاء الإلكتروستاتيكي.
- طابعات الليزر.
- طابعات الحبر النفاث.
- عملية التصوير بالأشعة السينية.
تدريبات حسابية على قانون كولوم
فيما يلي بعض التدريبات الحسابية على قانون كولوم:
إذا كانت القوة الكهربائية بين الشحنتين مجهولة
مثال 1: ما مقدار القوة الكهربائية بين شحنتين تحمل الأولى شحنة مقدارها 5×10-16 كولوم والأخرى تحمل شحنة مقدارها 3×10-16 كولوم والمسافة بينهما تساوي 2×10-8 متر؟
الحل:
- بالتعويض في قانون كولوم؛ ق = (ك × ش1 × ش2) / ف2
- قيمة ك تساوي 9 × 109.
- ق = (9 × 109 × 5×10-16 × 3×10-16) / (2×10-8)2
- ق = 3.37 ×10-6 نيوتن.
مثال 2: ما مقدار القوة بين شحنتين متماثلتين إذا كان مقدار الشحنة يساوي 8× 10-8 كولوم والمسافة التي تفصل بينهما تساوي 3 سم؟
الحل:
- بالتعويض في قانون كولوم؛ ق = (ك × ش1 × ش2) / ف2
- قيمة ك تساوي 9 × 109
- يجب تحويل قيمة المسافة من وحدة سم إلى وحدة م: 3 سم = 0.03 م بالقسمة على 100.
- ق = (9 × 109 × 8× 10-8 × 8× 10-8) / 0.032
- ق = 5.76 × 10-5 / 0.0009
- ق = 56.4 نيوتن
إذا كانت المسافة بين الشحنتين مجهولة
جد المسافة بين شحنتين مقدار الأولى يساوي 8×10-16 كولوم ومقدار الشحنة الثانية يساوي 4×10-16 كولوم ومقدار القوة بينهما يساوي 6×10-6 نيوتن؟
الحل:
- بالتعويض في قانون كولوم؛ ق = (ك × ش1 × ش2) / ف2
- قيمة ك تساوي 9 × 109.
- 6×10-6 = (9 × 109 × 8×10-16 × 4×10-16) / ف2 . وبالضرب التبادلي
- 6×10-6 × ف2 = 2.88×10-21
- ف2 = 4.8 ×10-28 وبأخذ الجذر التربيعي للطرفين
- ف = 2.2 ×10-14 متر
إذا كانت الشحنة الأولى أو الثانية مجهولة
جد مقدار الشحنة الأولى إذا كانت الشحنة الثانية تساوي 7×10-16 كولوم والمسافة بين الشحنتين تساوي 3×10-8 متر بحيث يكون مقدار القوة بين الشحنتين يساوي 2.5 ×10-6 نيوتن؟
الحل:
- بالتعويض في قانون كولوم؛ ق = (ك × ش1 × ش2) / ف2
- قيمة ك تساوي 9 × 109
- 2.5 ×10-6 = (9 × 109 × 7×10-16 × ش1) / 3×10-8 وبالضرب التبادلي
- 3×10-8 × 2.5 ×10-6 = (9 × 109 × 7×10-16 × ش1).
- 7.5 ×10-14 = 6.3 ×10-6 × ش1
- ش1 = 1.2 ×10-8 كولوم
إذا كان مقدار الشحنتين مجهولًا
ما مقدار شحنتين متماثلتين إذا كانت القوة بينهم تساوي 60 نيوتن والمسافة بينهم تساوي 0.01 متر؟
الحل:
- باعتبار أن الشحنتين متساويتين فهذا يعني أننا نجد مقدار الشحنة المربعة
- بالتعويض في قانون كولوم؛ ق = (ك × ش1 × ش2) / ف2
- قيمة ك تساوي 9 × 109.
- 60 = (9 × 109 × ش2) / 0.012.
- ش2 = (60 × 0.012) / 9 × 109.
- ش2 = 6.6 ×10-11 وبأخذ الجذر التربيعي للطرفين.
- ش = 8.1 ×10-11 كولوم.
الخلاصة
قانون كولوم يوضح القوة الكهربائية الناتجة عن التفاعل بين الشحنات مع وجود مسافة بينهم، وتكمن أهميته في كونه يفسر كيفية عمل الشحنات، والتي هي المكوّن الأساسي لجميع الذرات الموجودة على الكوكب. لذا، هذا يعطي أهمية كبيرة جدًا لقانون كولوم في العلوم الكهربائية. ومن الجدير بالذكر وجود العديد من التطبيقات في الحياة العملية التي تقوم على أساس قانون كولوم، ويعبر عن قانون كولوم من خلال المعادلة الرياضية: ق = (ك × ش1 × ش2) / ف2.
