Fislab
الرئيسية / الدروس / رسم المجال الكهربائي

〰️ رسم المجال الكهربائي

Drawing the Electric Field
⏱️ 25 دقيقة 📂 الكهرباء والمغناطيسية 🎯 مستوى مبتدئ

🎯 نواتج التعلم

بعد دراسة هذا الدرس ستكون قادراً على أن:
  1. تعرّف المجال الكهربائي وتحسب شدته من القوة على شحنة الاختبار: E = F/q.
  2. ترسم خطوط المجال لشحنة نقطية موجبة وسالبة، وتحدد اتجاهها.
  3. تستنتج العلاقة E = k|q|/r² وتفسّر لماذا يضعف المجال بسرعة مع المسافة.
  4. تفسّر شكل خطوط المجال بين شحنتين مختلفتين، وبين شحنتين متشابهتين.
  5. تحدد النقطة التي يكون عندها المجال صفراً بين شحنتين متشابهتين.
  6. تصف المجال المنتظم بين لوحين متوازيين، وتحسبه بالعلاقة E = V/d.
  7. تحسب القوة والتسارع لشحنة داخل مجال كهربائي: F = qE و a = F/m.
  8. تستخدم المحاكاة التفاعلية للتحقق من النتائج بنفسك.

1) المجال الكهربائي: الفكرة الأساسية

كل شحنة كهربائية تغيّر الفضاء من حولها، فتصبح أي شحنة أخرى موضوعة فيه تتأثر بقوة. هذا التغيّر هو المجال الكهربائي. فإذا وضعنا شحنة اختبار صغيرة q₀ عند نقطة، فإن القوة F التي تؤثر فيها تحدد المجال عند تلك النقطة:

\[ \vec E = \frac{\vec F}{q_0} \]

وحدة المجال في النظام الدولي N/C، ويكافئها V/m. اتجاه المجال هو اتجاه القوة على شحنة اختبار موجبة، لذلك تتجه القوة على الشحنة السالبة عكس المجال. هذه النقطة تسبب أخطاء كثيرة، فانتبه إليها دائماً.

شرح إضافي: لماذا نستخدم شحنة اختبار موجبة؟ لأنه متفق عليه. المجال صفة للمكان نفسه، والشحنة الاختبارية تكشف هذه الصفة. ولأن شحنة الاختبار يجب أن تكون صغيرة حتى لا تغيّر المجال الذي نقيسه.

2) خطوط المجال: كيف نرسمها ونقرأها

خط المجال مسار متخيل يُرسم بحيث يكون المجال مماساً له عند كل نقطة، وسهمه يشير إلى اتجاه المجال. لرسم الخطوط قواعد أساسية:

  • تبدأ الخطوط من الشحنة الموجبة وتنتهي عند الشحنة السالبة (أو تتجه بعيداً إن لم توجد سالبة).
  • كثافة الخطوط تدل على قوة المجال: حيث تتقارب الخطوط يكون المجال أقوى.
  • لا تتقاطع خطوط المجال أبداً، لأن المجال عند نقطة له اتجاه واحد فقط.
  • تكون الخطوط عمودية على سطح الموصل عند الاتزان الكهروستاتيكي.
شرح إضافي: لماذا لا تتقاطع الخطوط؟ لو تقاطع خطان عند نقطة لكان للمجال عند هذه النقطة اتجاهان مختلفان في الوقت نفسه، وهذا محال. لذلك كل نقطة تمر بها خط واحد فقط.

3) المجال حول شحنة نقطية

إذا كانت الشحنة q صغيرة بما يكفي لتُعامل كنقطة، فإن المجال على بعد r منها يُعطى بالعلاقة:

\[ E = \frac{k\,|q|}{r^{2}}, \qquad k = 9\times10^{9}\ \text{N·m}^2/\text{C}^2 \]

المجال يتجه بعيداً عن الشحنة الموجبة ونحوها عند السالبة، ويكون متماثلاً في كل الاتجاهات، لذلك تكون خطوطه شعاعية.

شرح إضافي: لماذا يتناقص المجال بمربع المسافة؟ الخطوط تنتشر من الشحنة في كل الاتجاهات، فتتوزع على سطح كرة يزداد مساحتها مع مربع نصف القطر. فإذا ضاعفت المسافة صارت المساحة أربعة أمثال، فيقل المجال إلى الربع.

مثال محلول: شحنة q = 1 μC. أوجد المجال على بعد 1 m منها.

\[ E = \frac{9\times10^{9}\times 10^{-6}}{1^{2}} = 9000\ \text{N/C} \]

وإذا صار البعد 2 m فإن المجال يصبح 9000 / 4 = 2250 N/C، أي ربع القيمة السابقة.

4) تجربة 1: المجال حول شحنة نقطية

غيّر مقدار الشحنة وإشارتها، ثم اضغط داخل الشكل لوضع نقطة اختبار وقراءة المجال عندها. لاحظ اتجاه الخطوط مع تغيّر الإشارة، وكيف تتباعد الخطوط كلما ابتعدت عن الشحنة.

5) المجال بين شحنتين مختلفتين وشحنتين متشابهتين

عند وجود شحنتين معاً، يكون المجال المحصل عند أي نقطة هو المجموع الاتجاهي للمجالين الناتجين عن كل شحنة. لذلك تتغير الخطوط تماماً.

  • شحنتان مختلفتان (+ و −): تخرج الخطوط من الموجبة وتدخل السالبة، وتكون كثيفة بينهما فيكون المجال قوياً هناك. وهذا نموذج الشحنات المتضادة كما في المكثف.
  • شحنتان متشابهتان (+ و +): تتنافر الخطوط وتبتعد عن المنتصف، وعند المنتصف تماماً يكون المجال صفراً لأن المجالين متساويان ومتعاكسان.
شرح إضافي: كيف نجد نقطة المجال الصفري؟ عند المنتصف بين شحنتين متساويتين يبعد كل منهما المسافة نفسها r، فيكون لكل منهما مجال بالمقدار نفسه، واتجاهاهما متعاكسان. فيكون المحصل صفراً. هذه النقطة مهمة لأنها تحدد أين تتوازن القوى على شحنة اختبار.

6) المجال المنتظم بين لوحين متوازيين

إذا وضعنا لوحين معدنيين متوازيين وشحنّاهما بشحنتين متساويتين ومتعاكستين، فإن المجال بينهما يكون منتظماً: مقداره ثابت واتجاهه واحد، وخطوطه متوازية ومتساوية البعد.

\[ E = \frac{V}{d} \]

حيث V فرق الجهد بين اللوحين، و d المسافة بينهما. والمجال يتجه من اللوح الموجب إلى اللوح السالب.

شرح إضافي: لماذا يكون المجال منتظماً هنا؟ لأن مساهمات الشحنات المتوزعة على اللوحين تلغي بعضها عند النقاط البعيدة عن الأطراف، فيبقى المجال بين اللوحين ثابتاً تقريباً. وهذا يفسر لماذا تُستخدم المكثفات المستوية لتخزين الطاقة.

مثال محلول: فرق جهد 12 V بين لوحين المسافة بينهما 4 cm. أوجد المجال.

\[ E = \frac{12}{0.04} = 300\ \text{V/m} \]

7) القوة والتسارع داخل المجال

الشحنة الموضوعة في مجال تتأثر بقوة F = qE، فإذا كانت حرة الحركة فإنها تتسارع بالعلاقة a = F/m. إشارة الشحنة تحدد الاتجاه: الشحنة الموجبة تتحرك مع المجال، والسالبة عكسه.

مثال محلول: شحنة 2 μC موضوعة في مجال منتظم 500 N/C. أوجد القوة.

\[ F = qE = 2\times10^{-6}\times500 = 10^{-3}\ \text{N} \]

8) تطبيقات عملية

  • المرشحات الكهروستاتيكية: تشحن الجسيمات الدقيقة من الدخان والغبار ثم تجمعها على ألواح مشحونة.
  • الطلاء الكهربائي: توجيه الأيونات المشحونة نحو سطح معدني بالمجال.
  • الطباعة بالليزر والنسخ: تجذب الشحنات مسحوق الحبر إلى المواضع المطلوبة على الورق.
  • المكثفات: تخزن الطاقة بين لوحين يكون بينهما مجال منتظم.
  • أنابيب الأشعة والمسرعات: تتسارع فيها الجسيمات المشحونة بسبب المجال الكهربائي.

9) أخطاء شائعة

  • الخلط بين اتجاه المجال واتجاه القوة على شحنة سالبة: القوة على السالبة معاكسة للمجال.
  • اعتبار خطوط المجال مساراً تسلكه الشحنة دائماً: الخط يحدد اتجاه المجال، والشحنة قد تسلك مساراً آخر إن كانت لها سرعة ابتدائية.
  • جمع المجالات بالمقدار دون الاتجاه: المجالات متجهات، فيجب جمعها بالاتجاه.
  • نسيان أن المجال يتناقص بمربع المسافة: نصف المسافة يعني أربعة أمثال المجال.

10) ملخص الدرس

  • المجال عند نقطة: E = F/q₀، واتجاهه اتجاه القوة على شحنة موجبة.
  • المجال حول شحنة نقطية: E = k|q|/r²، شعاعي ويضعف مع مربع المسافة.
  • خطوط المجال: تبدأ من الموجب وتنتهي بالسالب، ولا تتقاطع، وكثافتها تدل على قوة المجال.
  • بين لوحين متوازيين: E = V/d، والمجال منتظم.
  • القوة والتسارع: F = qE و a = F/m.
لاحظت خطأ؟ أو عندك سؤال عن الدرس؟ اكتبه بالتعليقات وحدد مكانه بالضبط. Noticed an error, or have a question about the lesson? Write it in the comments and specify exactly where.
⚙️🧪

اختبار رسم المجال الكهربائي Drawing the Electric Field Quiz

20 سؤالاً - خطوط المجال، المجال حول الشحنات، والمجال المنتظم بين اللوحين 20 Questions - Field lines, the field around charges, and the uniform field between plates

المعلوماتInfo
الأسئلةQuestions
النتائجResults
📌 تعليمات مهمة:
• عدد الأسئلة: 20 سؤالاً
• مدة الاختبار: 30 دقيقة
• لا يمكنك تغيير إجاباتك أو إعادة الاختبار إلا بعد 24 ساعة من التسليم.
• تأكد من إجاباتك قبل التسليم!
📌 Important Instructions:
• Number of questions: 20 questions
• Quiz duration: 30 minutes
• You cannot change your answers or retake the quiz for 24 hours after submission.
• Make sure of your answers before submitting!