Fislab
الرئيسية / التجارب / تراكب المجالات الكهربائية عند نقطة

➕ تراكب المجالات الكهربائية عند نقطة

Superposition of Electric Fields at a Point
⏱️ 20 دقيقة 📂 الكهرباء الساكنة 🎯 مستوى متوسط

🎯 نواتج التعلم

🎯 Learning Outcomes

بعد هذه التجربة ستكون قادرًا على أن:

After this experiment you will be able to:

  1. تحسب مجال شحنة نقطية عند نقطة، وتحدد اتجاهه بحسب إشارة الشحنة.Calculate the field of a point charge at a point and find its direction from the sign of the charge.
  2. تجمع مجالات عدة شحنات عند نقطة جمعًا اتجاهيًا بالمركبات.Add the fields of several charges at a point as vectors using components.
  3. تحدد المسافة بين كل شحنة والنقطة، وتستخدمها لحساب مجال كل شحنة.Find the distance between each charge and the point, and use it to calculate each charge's field.
  4. تحسب القوة على شحنة اختبار موضوعة عند النقطة من المجال المحصل.Calculate the force on a test charge placed at the point from the net field.

🎬 شاهد الفيديو

🎬 Watch the Video


🔍 الفكرة في صورة

🔍 The Idea in a Picture

ثلاث شحنات ومجالاتها عند نقطة واحدة ومحصلتها
كل شحنة تُنشئ مجالًا عند \(P\) في اتجاه يعتمد على إشارتها. المجال المحصل هو مجموع هذه المتجهات، وليس مجموع مقاديرها. Each charge creates a field at \(P\) whose direction depends on its sign. The net field is the sum of these vectors, not the sum of their magnitudes.

⚡ المجال الناتج عن شحنة نقطية

⚡ The Field of a Point Charge

الشحنة الموجبة تُنشئ مجالًا يبتعد عنها، والسالبة مجالًا يتجه نحوها. مقدار المجال يتناقص بمربع المسافة، وهو كمية متجهة لها مقدار واتجاه.

A positive charge creates a field pointing away from it, and a negative charge a field pointing toward it. The magnitude falls off with the square of the distance; the field is a vector with a magnitude and a direction.

📘 قوانين التراكب

📘 Superposition laws

\[\vec E_i=k\dfrac{q_i}{r_i^{2}}\,\hat r_i\]

\[\vec E=\sum_i\vec E_i,\qquad E_x=\sum_i E_{i,x},\qquad E_y=\sum_i E_{i,y}\]

\[|\vec E|=\sqrt{E_x^{2}+E_y^{2}},\qquad \vec F=q_0\vec E\]

حيث \(\hat r_i\) متجه وحدة من الشحنة \(q_i\) إلى النقطة، و\(k=9\times10^9\ \mathrm{N\,m^2/C^2}\). في التجربة نكتب \(E=9\,\dfrac{q\,(\mathrm{nC})}{r^2\,(\mathrm{m^2})}\) بالفولت لكل متر.

where \(\hat r_i\) is the unit vector from charge \(q_i\) to the point, and \(k=9\times10^9\ \mathrm{N\,m^2/C^2}\). In the experiment we write \(E=9\,\dfrac{q\,(\mathrm{nC})}{r^2\,(\mathrm{m^2})}\) in volts per metre.

💡 شرح إضافي: لماذا نجمع المجالات بالمركبات ولا نجمع المقادير؟

💡 Extra explanation: why add the fields by components rather than by magnitude?

المجال كمية متجهة، واتجاهه يختلف من شحنة لأخرى. إذا كان مجالان متعامدين مقدار كل منهما \(3\) فمحصلتهما \(\sqrt{3^2+3^2}\approx4.2\) وليست \(6\). لذلك نجمع المركبات الأفقية معًا والرأسية معًا، ثم نحسب المقدار من مركبتي المحصلة.

The field is a vector and its direction changes from one charge to another. If two perpendicular fields each have magnitude \(3\), their resultant is \(\sqrt{3^2+3^2}\approx4.2\), not \(6\). So we add the horizontal components together and the vertical components together, then compute the magnitude from the components of the resultant.

💡 شرح إضافي: لماذا قد يكون المجال صفرًا عند نقطة؟

💡 Extra explanation: why can the field be zero at a point?

إذا تساوى مقدار مجالين واتجاههما متعاكسان تمامًا، فإن محصلتهما صفر. مثال ذلك نقطة المنتصف بين شحنتين موجبتين متساويتين. أما الجهد فلا يكون صفرًا هناك، وهذا فرق مهم بين المجال والجهد.

If two fields have equal magnitudes and point in exactly opposite directions, their resultant is zero. An example is the midpoint between two equal positive charges. The potential there is not zero, which is an important difference between the field and the potential.


🧪 التجربة التفاعلية: خطوة بخطوة

🧪 Interactive Experiment: Step by Step

اسحب الشحنات الثلاث بالفأرة أو باللمس، وغيّر قيمها. ثم اتبع الأزرار بالترتيب: أولًا مجال كل شحنة عند \(P\) مع اتجاهه، ثم مركبات كل مجال، وأخيرًا المحصلة.

Drag the three charges with the mouse or touch, and change their values. Then follow the buttons in order: first the field of each charge at \(P\) with its direction, then the components of each field, and finally the resultant.

➕ تراكب المجالات الكهربائية عند نقطة

➕ Superposition of electric fields at a point

3
-2
2
المجال من \(q_1\) عند \(P\) (V/m) والزاويةField from \(q_1\) at \(P\) (V/m) and angle—
المجال من \(q_2\) (V/m) والزاويةField from \(q_2\) (V/m) and angle—
المجال من \(q_3\) (V/m) والزاويةField from \(q_3\) (V/m) and angle—
المحصلة \(E_x\) ، \(E_y\) (V/m)Net \(E_x\) , \(E_y\) (V/m)—
مقدار المحصلة \(|E|\) (V/m) واتجاههاNet magnitude \(|E|\) (V/m) and direction—
مركبات كل مجال \(E_x\) ، \(E_y\) (V/m)Components of each field \(E_x\) , \(E_y\) (V/m)—


✍️ أمثلة محلولة

✍️ Worked Examples

❓ مثال 1Example 1

شحنتان موجبتان متساويتان \(q=+3\ \mathrm{nC}\) عند \(x=0\) و\(x=4\ \mathrm{m}\). احسب المجال المحصل عند النقطة \(P\) عند \(x=2\ \mathrm{m}\) على المحور نفسه.

Two equal positive charges \(q=+3\ \mathrm{nC}\) are at \(x=0\) and \(x=4\ \mathrm{m}\). Find the net field at the point \(P\) at \(x=2\ \mathrm{m}\) on the same axis.

الحل
\(E_1=9\dfrac{3}{2^2}=6.75\ \mathrm{V/m}\) نحو \(+x\) (بعيدًا عن الشحنة الأولى)
\(E_2=9\dfrac{3}{2^2}=6.75\ \mathrm{V/m}\) نحو \(-x\) (بعيدًا عن الشحنة الثانية)
\(E=E_1+E_2=6.75-6.75=0\)
✅ المجال المحصل عند \(P\) صفر
Solution
\(E_1=9\dfrac{3}{2^2}=6.75\ \mathrm{V/m}\) towards \(+x\) (away from the first charge)
\(E_2=9\dfrac{3}{2^2}=6.75\ \mathrm{V/m}\) towards \(-x\) (away from the second charge)
\(E=E_1+E_2=6.75-6.75=0\)
✅ The net field at \(P\) is zero
❓ مثال 2Example 2

شحنة \(q_1=+4\ \mathrm{nC}\) عند الأصل، وشحنة \(q_2=-2\ \mathrm{nC}\) عند \((3,0)\ \mathrm{m}\). احسب المجال المحصل عند \(P=(0,3)\ \mathrm{m}\): مركبتيه ومقداره واتجاهه.

A charge \(q_1=+4\ \mathrm{nC}\) is at the origin and \(q_2=-2\ \mathrm{nC}\) is at \((3,0)\ \mathrm{m}\). Find the net field at \(P=(0,3)\ \mathrm{m}\): its components, magnitude and direction.

الحل
الشحنة الأولى: \(r_1=3\)، \(E_1=9\dfrac{4}{9}=4\ \mathrm{V/m}\) نحو \(+y\)، أي \(\vec E_1=(0,\ 4)\).
الشحنة الثانية: \(r_2^2=3^2+3^2=18\)، \(|E_2|=9\dfrac{2}{18}=1\ \mathrm{V/m}\) نحو الشحنة السالبة، أي \(\vec E_2=(0.71,\ -0.71)\).
\(E_x=0+0.71=0.71\)، \(E_y=4-0.71=3.29\)
\(|E|=\sqrt{0.71^2+3.29^2}\approx3.37\ \mathrm{V/m}\)، والاتجاه \(\tan\theta=\dfrac{3.29}{0.71}\Rightarrow\theta\approx78^\circ\)
✅ \(|E|\approx3.4\ \mathrm{V/m}\) عند زاوية \(\approx78^\circ\) فوق المحور \(x\)
Solution
Charge 1: \(r_1=3\), \(E_1=9\dfrac{4}{9}=4\ \mathrm{V/m}\) towards \(+y\), so \(\vec E_1=(0,\ 4)\).
Charge 2: \(r_2^2=3^2+3^2=18\), \(|E_2|=9\dfrac{2}{18}=1\ \mathrm{V/m}\) towards the negative charge, so \(\vec E_2=(0.71,\ -0.71)\).
\(E_x=0+0.71=0.71\), \(E_y=4-0.71=3.29\)
\(|E|=\sqrt{0.71^2+3.29^2}\approx3.37\ \mathrm{V/m}\), and \(\tan\theta=\dfrac{3.29}{0.71}\Rightarrow\theta\approx78^\circ\)
✅ \(|E|\approx3.4\ \mathrm{V/m}\) at \(\approx78^\circ\) above the \(x\)-axis
❓ مثال 3Example 3

ضع شحنة اختبار \(q_0=+2\ \mathrm{nC}\) عند \(P\) في المثال السابق. ما القوة المؤثرة فيها واتجاهها؟

Place a test charge \(q_0=+2\ \mathrm{nC}\) at \(P\) in the previous example. What is the force on it and its direction?

الحل
\(\vec F=q_0\vec E\) والشحنة موجبة فالقوة في اتجاه \(\vec E\).
\(|F|=2\times10^{-9}\times3.37\approx6.7\times10^{-9}\ \mathrm{N}\)
✅ \(|F|\approx6.7\ \mathrm{nN}\) في اتجاه \(\vec E\) (نحو الأعلى قليلًا إلى اليمين)
Solution
\(\vec F=q_0\vec E\); the charge is positive, so the force is along \(\vec E\).
\(|F|=2\times10^{-9}\times3.37\approx6.7\times10^{-9}\ \mathrm{N}\)
✅ \(|F|\approx6.7\ \mathrm{nN}\) along \(\vec E\) (up and slightly to the right)

📚 ملخص

📚 Summary

المفهومConceptالقانون أو النتيجةLaw or result
مجال شحنة نقطيةField of a point charge\(E=k\dfrac{q}{r^2}\) في اتجاه الابتعاد (للموجبة) والاقتراب (للسالبة)\(E=k\dfrac{q}{r^2}\), away from a positive charge and toward a negative one
المحصلةNet field\(\vec E=\sum\vec E_i\) بجمع المركبات\(\vec E=\sum\vec E_i\), by adding components
مقدار المحصلةMagnitude of the net field\(|E|=\sqrt{E_x^2+E_y^2}\)\(|E|=\sqrt{E_x^2+E_y^2}\)
القوة على شحنة اختبارForce on a test charge\(\vec F=q_0\vec E\)\(\vec F=q_0\vec E\)

⚠️ أخطاء شائعة

⚠️ Common mistakes


🧠 اختبر نفسك

🧠 Test Yourself

⭐ 1

كيف نجد المجال المحصل عند نقطة تؤثر فيها عدة شحنات؟

How do we find the net field at a point affected by several charges?

Aنجمع مقادير المجالات الفرديةby adding the individual magnitudes
Bنجمع المجالات كمتجهات، أي المركبات معًاby adding the fields as vectors, component by component
Cنأخذ المجال الأكبر فقطby taking only the largest field
Dنجمع الجهود بدلًا من المجالاتby adding the potentials instead of the fields
الحل
المجال كمية متجهة، فنجمعه اتجاهيًا بجمع مركباته.
✅ الإجابة B
Solution
The field is a vector, so we add its components.
✅ Answer B
⭐ 2

شحنتان موجبتان متساويتان. عند منتصف المسافة بينهما، ما المجال؟

Two equal positive charges are placed apart. At the midpoint between them, what is the field?

Aأكبر ما يمكنas large as possible
Bصفر، لأن المجالين متساويان ومتعاكسانzero, because the two fields are equal and opposite
Cمتجه نحو إحدى الشحنتين فقطdirected toward only one of the charges
Dيساوي الجهد هناكequal to the potential there
الحل
عند المنتصف يبعد المجالان المتساويان المقدار عن الشحنتين في اتجاهين متعاكسين.
✅ الإجابة B
Solution
At the midpoint the two equal-magnitude fields point away from the charges in opposite directions.
✅ Answer B

لاحظت خطأ؟ أو عندك سؤال عن التجربة؟ اكتبه بالتعليقات وحدد مكانه بالضبط. Noticed an error? Or have a question about the experiment? Write it in the comments and specify exactly where.