Fislab
الرئيسية / الدروس / القوى الكهروستاتيكية - الجزء الثاني (12A)

⚡ القوى الكهروستاتيكية - الجزء الثاني (12A)

Electrostatic Forces, Part 2 (12A)
⏱️ 70 دقيقة 📂 الكهرباء 🎯 مستوى متوسط

🎯 نواتج التعلم

🎯 Learning Outcomes

بعد دراسة هذا الدرس ستكون قادرًا على أن:

After this lesson you will be able to:

  1. تصف تجربتي كولوم وتستنتج أن \(F\propto q_1q_2\) وأن \(F\propto1/r^2\).Describe Coulomb’s two experiments and conclude that \(F\propto q_1q_2\) and \(F\propto1/r^2\).
  2. تطبّق قانون كولوم \(F=k\dfrac{|q_1q_2|}{r^2}\) وتحدد اتجاه القوة (تجاذب أو تنافر).Apply Coulomb’s law \(F=k\dfrac{|q_1q_2|}{r^2}\) and determine the direction of the force (attraction or repulsion).
  3. تحسب محصلة القوى الكهربائية على شحنة بجمع المتجهات (مبدأ التراكب).Calculate the resultant of the electric forces on a charge by adding vectors (the principle of superposition).
  4. تجد موضع اتزان شحنة اختبارية وتحل مسائل الكرات المعلقة.Find the equilibrium position of a test charge and solve problems of hanging balls.
  5. تقارن بين القوة الكهربائية وقوة الجاذبية الكتلية.Compare the electric force with the gravitational force.

🔬 تجربتا كولوم

🔬 Coulomb’s Two Experiments

درس العالم كولوم القوة المتبادلة بين شحنتين نقطيتين بميزان الليّ. غيّر مقدار الشحنتين وهو يثبّت المسافة بينهما (التجربة الأولى)، ثم غيّر المسافة وهو يثبّت الشحنتين (التجربة الثانية)، فوجد علاقتين بسيطتين جمعهما في قانون واحد.

The scientist Coulomb studied the mutual force between two point charges with a torsion balance. He changed the magnitudes of the charges while keeping the distance constant (the first experiment), then changed the distance while keeping the charges constant (the second experiment), and found two simple relations which he combined in one law.

قوتان متبادلتان بين شحنتين

القوتان المتبادلتان بين شحنتين نقطيتين على الخط الواصل بينهما

The mutual forces between two point charges along the line joining them


🧪 تجربة 1: القوة ومقدار الشحنتين

🧪 Experiment 1: Force and the Magnitude of the Charges

نكرّر تجربة كولوم الأولى: نثبّت المسافة \(r=10\ \mathrm{cm}\) ونغيّر الشحنتين لنرى كيف تتغير القوة المتبادلة.

We repeat Coulomb’s first experiment: we keep the distance \(r=10\ \mathrm{cm}\) constant and change the charges to see how the mutual force changes.

🛠️ خطوات العمل

🛠️ Procedure

  1. ابدأ من \(q_1=q_2=5\ \mu\mathrm C\) وسجّل القوة \(F_0\).Start with \(q_1=q_2=5\ \mu\mathrm C\) and record the force \(F_0\).
  2. ضاعف \(q_1\) فقط ثم ضاعف الشحنتين معًا وسجّل النسبة \(F/F_0\) في كل مرة.Double \(q_1\) only then double both charges and record the ratio \(F/F_0\) each time.
  3. جرّب أن تنقص إحدى الشحنتين إلى النصف.Try halving one of the charges.

🧪 تجربة 1: القوة والشحنتان (تجربة كولوم الأولى)

🧪 Experiment 1: Force and the Two Charges (Coulomb’s First Experiment)

تبقى المسافة بين الشحنتين ثابتة \(r=10\ \mathrm{cm}\) وتغيّر مقدار الشحنتين. راقب كيف تتغير القوة وقارنها بالقوة الابتدائية \(F_0\).

The distance between the two charges stays constant \(r=10\ \mathrm{cm}\) while you change the magnitudes of the charges. Watch how the force changes and compare it with the initial force \(F_0\).

5
5
القوة \(F\)The force \(F\)—
النسبة \(F/F_0\)The ratio \(F/F_0\)—

🔎 ماذا نلاحظ؟ وما الاستنتاج؟

🔎 What do we observe? What is the conclusion?

القوة الكهربائية تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب الشحنتين: \(F\propto q_1q_2\).

The electric force is directly proportional to the product of the two charges: \(F\propto q_1q_2\).


🧪 تجربة 2: القوة والمسافة

🧪 Experiment 2: Force and Distance

نكرّر تجربة كولوم الثانية: نثبّت الشحنتين \(5\ \mu\mathrm C\) ونغيّر المسافة بينهما.

We repeat Coulomb’s second experiment: we keep the two charges \(5\ \mu\mathrm C\) constant and change the distance between them.

🛠️ خطوات العمل

🛠️ Procedure

  1. ابدأ من \(r=10\ \mathrm{cm}\) وسجّل القوة.Start with \(r=10\ \mathrm{cm}\) and record the force.
  2. ضاعف المسافة إلى 20 ثم 30 cm وسجّل النسبة \(F/F_0\).Double the distance to 20 then 30 cm and record the ratio \(F/F_0\).
  3. احسب الجداء \(F\cdot r^2\) في كل حالة وقارن.Calculate the product \(F\cdot r^2\) in each case and compare.

🧪 تجربة 2: القوة والمسافة (تجربة كولوم الثانية)

🧪 Experiment 2: Force and Distance (Coulomb’s Second Experiment)

تبقى الشحنتان ثابتتين \(q_1=q_2=5\ \mu\mathrm C\) وتغيّر المسافة بينهما. راقب منحنى \(F\) مع \(r\) وكيف يبقى الجداء \(F\cdot r^2\) ثابتًا.

The charges stay constant \(q_1=q_2=5\ \mu\mathrm C\) while you change the distance between them. Watch the curve of \(F\) against \(r\) and how the product \(F\cdot r^2\) stays constant.

10
القوة \(F\)The force \(F\)—
النسبة \(F/F_0\)The ratio \(F/F_0\)—
الجداء \(F\cdot r^2\)The product \(F\cdot r^2\)—

🔎 ماذا نلاحظ؟ وما الاستنتاج؟

🔎 What do we observe? What is the conclusion?

القوة الكهربائية تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة: \(F\propto 1/r^2\).

The electric force is inversely proportional to the square of the distance: \(F\propto 1/r^2\).

التغييرThe changeأثره في القوةIts effect on the forceالعلاقةThe relation
تضاعف إحدى الشحنتينOne charge doubledتتضاعف القوةThe force doubles\(F\propto q_1q_2\)
تضاعف الشحنتين معًاBoth charges doubledتصير 4 أمثالهاBecomes 4 times\(F\propto q_1q_2\)
تضاعف المسافةThe distance doubledتنقص إلى الربعFalls to a quarter\(F\propto 1/r^2\)
نصف المسافةHalf the distanceتصير 4 أمثالهاBecomes 4 times\(F\propto 1/r^2\)

⚡ قانون كولوم

⚡ Coulomb’s Law

📌 قانون كولوم

📌 Coulomb’s law

\[F=k\,\frac{|q_1q_2|}{r^2}\qquad,\qquad k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}=8.99\times10^{9}\ \mathrm{N\,m^2/C^2}\]

حيث \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{C^2/N\,m^2}\) سماحية الفراغ. وفي وسط مادي تُستبدل \(\varepsilon_0\) بـ \(\varepsilon_0\varepsilon_r\) فتقل القوة بالعامل \(\varepsilon_r\) (السماحية النسبية).

where \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{C^2/N\,m^2}\) is the permittivity of vacuum. In a material medium \(\varepsilon_0\) is replaced by \(\varepsilon_0\varepsilon_r\) so the force decreases by the factor \(\varepsilon_r\) (the relative permittivity).

❓ مثال 1Example 1

شحنتان متماثلتان في المقدار تفصل بينهما \(0.2\ \mathrm m\) والقوة المتبادلة بينهما \(0.4\ \mathrm N\). أوجد مقدار كل شحنة.

Two charges of equal magnitude are \(0.2\ \mathrm m\) apart and the mutual force between them is \(0.4\ \mathrm N\). Find the magnitude of each charge.

الحل
\(F=\frac{kq^2}{r^2}\ \Rightarrow\ q=r\sqrt{\frac{F}{k}}\)
\(q=0.2\sqrt{\frac{0.4}{8.99\times10^{9}}}=1.33\times10^{-6}\ \mathrm C\)
✅ \(q=1.33\ \mu\mathrm C\)
Solution
\(F=\frac{kq^2}{r^2}\ \Rightarrow\ q=r\sqrt{\frac{F}{k}}\)
\(q=0.2\sqrt{\frac{0.4}{8.99\times10^{9}}}=1.33\times10^{-6}\ \mathrm C\)
✅ \(q=1.33\ \mu\mathrm C\)
❓ مثال 2Example 2

بأي عامل تتغير القوة الكهربائية بين شحنتين إذا زاد مقدار إحداهما إلى الضعف وقل البعد بينهما إلى النصف؟

By what factor does the electric force between two charges change if the magnitude of one of them doubles and the distance between them halves?

الحل
\(F\propto\frac{q_1q_2}{r^2}\ \Rightarrow\ \frac{F\,\prime}{F}=\frac{2}{(1/2)^2}=8\)
✅ \(F\,\prime=8F\)
Solution
\(F\propto\frac{q_1q_2}{r^2}\ \Rightarrow\ \frac{F\,\prime}{F}=\frac{2}{(1/2)^2}=8\)
✅ \(F\,\prime=8F\)
⭐ 1

إذا أثّرت الشحنة الأولى في الثانية بقوة \(10\ \mathrm N\) نحو اليمين فإن قوة الثانية في الأولى:

If the first charge exerts a force of \(10\ \mathrm N\) to the right on the second charge, the force of the second on the first is:

A\(10\ \mathrm N\) نحو اليمين\(10\ \mathrm N\) to the right
B\(10\ \mathrm N\) نحو اليسار\(10\ \mathrm N\) to the left
Cلا يمكن تحديدها بدون الشحنتينcannot be determined without the charges
Dصفرzero
الحل
\(\vec F_{21}=-\vec F_{12}\)
✅ ('\\(10\\ \\mathrm N\\) نحو اليسار (قانون نيوتن الثالث)', '\\(10\\ \\mathrm N\\) to the left (Newton’s third law)')
Solution
\(\vec F_{21}=-\vec F_{12}\)
✅ ('\\(10\\ \\mathrm N\\) نحو اليسار (قانون نيوتن الثالث)', '\\(10\\ \\mathrm N\\) to the left (Newton’s third law)')

➡️ القوة كمتجه

➡️ The Force as a Vector

القوة الكهربائية قوة اتجاهية تعمل على امتداد الخط الواصل بين الشحنتين، لذلك نكتبها بصيغة متجهة. تكون تنافرًا إذا كانت الشحنتان من النوع نفسه (\(q_1q_2\gt 0\)) وتجاذبًا إذا اختلف نوعاهما (\(q_1q_2\lt 0\))، وتكون القوتان المتبادلتان متساويتين في المقدار ومتعاكستين في الاتجاه (قانون نيوتن الثالث).

The electric force is a directional force that acts along the line joining the charges, so we write it in vector form. It is a repulsion if the charges are of the same kind (\(q_1q_2\gt 0\)) and an attraction if they are of different kinds (\(q_1q_2\lt 0\)), and the two mutual forces are equal in magnitude and opposite in direction (Newton’s third law).

القوة الكهربائية كمتجه

المتجهان \(\vec r_1\) و\(\vec r_2\) والقوتان \(\vec F_{12}\) و\(\vec F_{21}\)

The vectors \(\vec r_1\) and \(\vec r_2\) and the forces \(\vec F_{12}\) and \(\vec F_{21}\)

📌 الصيغة المتجهة

📌 The vector form

\[\vec F_{12}=k\,\frac{q_1q_2}{r^2}\,\hat r_{21}\qquad,\qquad \vec F_{21}=-\vec F_{12}\]

\(\hat r_{21}\) متجه وحدة من الشحنة 2 إلى الشحنة 1. فإذا كان \(q_1q_2\gt 0\) كانت \(\vec F_{12}\) في اتجاه \(\hat r_{21}\) أي ابتعادًا عن الشحنة 2 (تنافر)، وإذا كان \(q_1q_2\lt 0\) انعكس الاتجاه (تجاذب).

\(\hat r_{21}\) is a unit vector from charge 2 to charge 1. If \(q_1q_2\gt 0\), \(\vec F_{12}\) is in the direction of \(\hat r_{21}\), i.e., away from charge 2 (repulsion), and if \(q_1q_2\lt 0\) the direction is reversed (attraction).


🧮 تراكب القوى الكهربائية

🧮 Superposition of Electric Forces

عند وجود أكثر من شحنتين تكون القوة الكلية على شحنة هي المجموع الاتجاهي لقوى الشحنات الأخرى، كل قوة تُحسب كأن الأخرى غير موجودة: \(\vec F=\vec F_{12}+\vec F_{13}+\cdots\). نحسب كل مقدار بقانون كولوم ثم نحدد اتجاهه ونجمع المتجهات.

When there are more than two charges the total force on a charge is the vector sum of the forces of the other charges, each calculated as if the others were absent: \(\vec F=\vec F_{12}+\vec F_{13}+\cdots\). We calculate each magnitude by Coulomb’s law then find its direction and add the vectors.

ثلاث شحنات على استقامة واحدة

ثلاث شحنات \(q_1\) و\(q_2\) و\(q_3\) على استقامة واحدة والمسافة \(r\) بين كل اثنتين متجاورتين

Three charges \(q_1\), \(q_2\) and \(q_3\) on one line and the distance \(r\) between adjacent ones

مثال تفكيري: أين تتجه القوة على \(q_1\) من \(q_2\) و\(q_3\) إذا كانت الشحنات الثلاث متساوية؟ القوتان في الاتجاه نفسه لأن كلاً منهما تنافر (تدفع \(q_1\) بعيدًا)، وقوة \(q_2\) أكبر لأنها أقرب.

A thinking example: in which direction is the force on \(q_1\) due to \(q_2\) and \(q_3\) if the three charges are equal? The two forces are in the same direction because each is a repulsion (it pushes \(q_1\) away), and the force of \(q_2\) is larger because it is nearer.

القوة من الشحنة الثانية

\(F_{21}=k\dfrac{q_1q_2}{r^2}\)

\(F_{21}=k\dfrac{q_1q_2}{r^2}\)

القوة من الشحنة الثالثة

\(F_{31}=k\dfrac{q_1q_3}{(2r)^2}\)

\(F_{31}=k\dfrac{q_1q_3}{(2r)^2}\)

مقارنة القوتين

\(F_{21}\gt F_{31}\) بسبب البعد

\(F_{21}\gt F_{31}\) because of the distance

❓ مثال 3Example 3

ثلاث شحنات على خط مستقيم: \(q_1=+2\ \mu\mathrm C\) عند \(x=0\) و\(q_2=+4\ \mu\mathrm C\) عند \(x=0.3\ \mathrm m\) و\(q_3=+6\ \mu\mathrm C\) عند \(x=0.5\ \mathrm m\). أوجد القوة المحصلة على \(q_2\).

Three charges on a straight line: \(q_1=+2\ \mu\mathrm C\) at \(x=0\), \(q_2=+4\ \mu\mathrm C\) at \(x=0.3\ \mathrm m\) and \(q_3=+6\ \mu\mathrm C\) at \(x=0.5\ \mathrm m\). Find the resultant force on \(q_2\).

الحل
\(F_{21}=\frac{8.99\times10^{9}\times2\times10^{-6}\times4\times10^{-6}}{0.3^2}=0.80\ \mathrm N\ \ (\rightarrow)\)
\(F_{23}=\frac{8.99\times10^{9}\times4\times10^{-6}\times6\times10^{-6}}{0.2^2}=5.39\ \mathrm N\ \ (\leftarrow)\)
\(F=5.39-0.80=4.6\ \mathrm N\ \ (\leftarrow)\)
✅ \(F=4.6\ \mathrm N\)
Solution
\(F_{21}=\frac{8.99\times10^{9}\times2\times10^{-6}\times4\times10^{-6}}{0.3^2}=0.80\ \mathrm N\ \ (\rightarrow)\)
\(F_{23}=\frac{8.99\times10^{9}\times4\times10^{-6}\times6\times10^{-6}}{0.2^2}=5.39\ \mathrm N\ \ (\leftarrow)\)
\(F=5.39-0.80=4.6\ \mathrm N\ \ (\leftarrow)\)
✅ \(F=4.6\ \mathrm N\ (\leftarrow)\)
❓ مثال 4Example 4

ثلاث شحنات من النوع نفسه: \(q_1=q\) و\(q_2=q\) و\(q_3=2q\) على خط واحد، البعد بين \(q_1\) و\(q_2\) هو \(r\) وبين \(q_2\) و\(q_3\) هو \(2r\). ما اتجاه القوة على \(q_2\)؟

Three charges of the same kind: \(q_1=q\), \(q_2=q\) and \(q_3=2q\) on one line, the distance between \(q_1\) and \(q_2\) is \(r\) and between \(q_2\) and \(q_3\) is \(2r\). In which direction is the force on \(q_2\)?

الحل
\(F_{21}=\frac{kq^2}{r^2}\ (\rightarrow)\)
\(F_{23}=\frac{k\,q\,(2q)}{(2r)^2}=\frac{kq^2}{2r^2}\ (\leftarrow)\)
\(F=\frac{kq^2}{r^2}-\frac{kq^2}{2r^2}=\frac{kq^2}{2r^2}\ (\rightarrow)\)
✅ \(F=\frac{kq^2}{2r^2}\ (\rightarrow)\)
Solution
\(F_{21}=\frac{kq^2}{r^2}\ (\rightarrow)\)
\(F_{23}=\frac{k\,q\,(2q)}{(2r)^2}=\frac{kq^2}{2r^2}\ (\leftarrow)\)
\(F=\frac{kq^2}{r^2}-\frac{kq^2}{2r^2}=\frac{kq^2}{2r^2}\ (\rightarrow)\)
✅ \(F=\frac{kq^2}{2r^2}\ (\rightarrow)\)
ثلاث شحنات q وq و2q

ثلاث شحنات من النوع نفسه \(q\) و\(q\) و\(2q\)

Three charges of the same kind \(q\), \(q\) and \(2q\)


🧪 تجربة 3: تراكب القوى على شحنة

🧪 Experiment 3: Superposition of Forces on a Charge

نضع شحنتين \(q_2\) و\(q_3\) بجوار الشحنة \(q_1\) ونرى كيف تُجمع القوتان جمعًا اتجاهيًا لتعطي المحصلة.

We place two charges \(q_2\) and \(q_3\) near the charge \(q_1\) and see how the two forces are added vectorially to give the resultant.

🛠️ خطوات العمل

🛠️ Procedure

  1. اجعل \(q_2\) و\(q_3\) موجبتين وراقب اتجاه كل قوة (تنافر).Make \(q_2\) and \(q_3\) positive and watch the direction of each force (repulsion).
  2. اجعل إحداهما سالبة وراقب تغيّر اتجاه القوة المقابلة (تجاذب).Make one of them negative and watch the direction of the corresponding force change (attraction).
  3. اضبط القيم بحيث يتساوى مقدار \(F_{12}\) و\(F_{13}\) ولاحظ اتجاه المحصلة.Adjust the values so that the magnitudes of \(F_{12}\) and \(F_{13}\) are equal and notice the direction of the resultant.

🧪 تجربة 3: تراكب القوى الكهربائية على شحنة

🧪 Experiment 3: Superposition of Electric Forces on a Charge

الشحنة \(q_1=+4\ \mu\mathrm C\) في الأصل، و\(q_2\) على بعد \(0.3\ \mathrm m\) على محور \(x\)، و\(q_3\) على بعد \(0.4\ \mathrm m\) على محور \(y\). غيّر \(q_2\) و\(q_3\) (قيمًا وإشارةً) وراقب القوتين ومحصلتهما.

The charge \(q_1=+4\ \mu\mathrm C\) is at the origin, \(q_2\) is \(0.3\ \mathrm m\) away on the \(x\) axis and \(q_3\) is \(0.4\ \mathrm m\) away on the \(y\) axis. Change \(q_2\) and \(q_3\) (values and sign) and watch the two forces and their resultant.

5
3
\(F_{12}\)\(F_{12}\)—
\(F_{13}\)\(F_{13}\)—
المحصلة \(F\)Resultant \(F\)—
الزاويةThe angle—

🔎 ماذا نلاحظ؟ وما الاستنتاج؟

🔎 What do we observe? What is the conclusion?

القوة الكلية على شحنة هي المجموع الاتجاهي لقوى الشحنات الأخرى (مبدأ التراكب).

The total force on a charge is the vector sum of the forces of the other charges (the principle of superposition).

❓ مثال 5Example 5

ثلاث شحنات متماثلة \(+2\ \mu\mathrm C\): \(q_1\) في الأصل و\(q_2\) على بعد \(0.3\ \mathrm m\) على محور \(x\) و\(q_3\) على بعد \(0.4\ \mathrm m\) على محور \(y\). أوجد مقدار القوة على \(q_1\).

Three identical charges \(+2\ \mu\mathrm C\): \(q_1\) at the origin, \(q_2\) \(0.3\ \mathrm m\) away on the \(x\) axis and \(q_3\) \(0.4\ \mathrm m\) away on the \(y\) axis. Find the magnitude of the force on \(q_1\).

الحل
\(F_{12}=\frac{8.99\times10^{9}\times(2\times10^{-6})^2}{0.3^2}=0.400\ \mathrm N\)
\(F_{13}=\frac{8.99\times10^{9}\times(2\times10^{-6})^2}{0.4^2}=0.225\ \mathrm N\)
\(F=\sqrt{F_{12}^2+F_{13}^2}=\sqrt{0.400^2+0.225^2}=0.46\ \mathrm N\)
✅ \(F\approx0.46\ \mathrm N\)
Solution
\(F_{12}=\frac{8.99\times10^{9}\times(2\times10^{-6})^2}{0.3^2}=0.400\ \mathrm N\)
\(F_{13}=\frac{8.99\times10^{9}\times(2\times10^{-6})^2}{0.4^2}=0.225\ \mathrm N\)
\(F=\sqrt{F_{12}^2+F_{13}^2}=\sqrt{0.400^2+0.225^2}=0.46\ \mathrm N\)
✅ \(F\approx0.46\ \mathrm N\)
⭐ 2

ثلاث شحنات من النوع نفسه على خط واحد: \(q\) و\(q\) و\(2q\) على أبعاد \(r\) و\(2r\). اتجاه القوة على الشحنة الوسطى:

Three charges of the same kind on a line: \(q\), \(q\) and \(2q\) at distances \(r\) and \(2r\). The direction of the force on the middle charge is:

Aنحو الشحنة \(q\) الأولى (يسار)toward the first charge \(q\) (left)
Bالمحصلة معدومةthe resultant is zero
Cعمودي على الخطperpendicular to the line
Dنحو الشحنة \(2q\) (يمين)toward the charge \(2q\) (right)
الحل
\(F_{21}=\frac{kq^2}{r^2}\gt F_{23}=\frac{kq^2}{2r^2}\)
✅ ('نحو \\(2q\\) (يمين)', 'toward \\(2q\\) (right)')
Solution
\(F_{21}=\frac{kq^2}{r^2}\gt F_{23}=\frac{kq^2}{2r^2}\)
✅ ('نحو \\(2q\\) (يمين)', 'toward \\(2q\\) (right)')

⚖️ اتزان شحنة

⚖️ Equilibrium of a Charge

نقول إن شحنة متزنة إذا كانت محصلة القوى الكهربائية المؤثرة عليها معدومة. وللعثور على موضع الاتزان نساوي مقداري القوتين: \(k\dfrac{|q_1q|}{x_1^2}=k\dfrac{|q_2q|}{x_2^2}\) ثم نتحقق أن اتجاهيهما متعاكسان.

A charge is said to be in equilibrium if the resultant of the electric forces acting on it is zero. To find the equilibrium position we equate the magnitudes of the two forces: \(k\dfrac{|q_1q|}{x_1^2}=k\dfrac{|q_2q|}{x_2^2}\) then check that their directions are opposite.

الشحنتانThe two chargesموضع الاتزانEquilibrium position
من النوع نفسهOf the same kindبين الشحنتين وأقرب إلى الأصغر مقدارًاBetween the charges, nearer the smaller one
مختلفتان في النوعOf different kindsعلى امتداد الخط خارج الشحنتين وأقرب إلى الأصغر مقدارًاOn the line outside the charges, nearer the smaller one
مختلفتان ومتساويتان في المقدارDifferent kinds and equal in magnitudeلا يوجد موضع على الخطThere is no position on the line
شحنتان مختلفتان −q و+3q

شحنتان مختلفتان في النوع: \(-q\) و\(+3q\)

Two charges of different kinds: \(-q\) and \(+3q\)

موضع الاتزان خارج الشحنتين

موضع الاتزان خارج الشحنتين وأقرب إلى \(-q\) الأصغر

The equilibrium position is outside the charges and nearer the smaller \(-q\)

شحنتان من النوع نفسه

شحنتان من النوع نفسه \(-q\) و\(-3q\)

Two charges of the same kind \(-q\) and \(-3q\)

موضع الاتزان بين الشحنتين

موضع الاتزان بينهما وأقرب إلى \(-q\) الأصغر

The equilibrium position is between them and nearer the smaller \(-q\)

❓ مثال 6Example 6

شحنتان \(+4\ \mu\mathrm C\) و\(+1\ \mu\mathrm C\) تفصل بينهما \(0.3\ \mathrm m\). أين تُوضع شحنة ثالثة لتتزن؟

Two charges \(+4\ \mu\mathrm C\) and \(+1\ \mu\mathrm C\) are \(0.3\ \mathrm m\) apart. Where must a third charge be placed to be in equilibrium?

الحل
\(\frac{4}{x^2}=\frac{1}{(0.3-x)^2}\ \Rightarrow\ 2(0.3-x)=x\)
\(x=0.2\ \mathrm m\)
✅ \(x=0.2\ \mathrm m\)
Solution
\(\frac{4}{x^2}=\frac{1}{(0.3-x)^2}\ \Rightarrow\ 2(0.3-x)=x\)
\(x=0.2\ \mathrm m\)
✅ \(x=0.2\ \mathrm m\)
❓ مثال 7Example 7

شحنتان \(+4\ \mu\mathrm C\) و\(-1\ \mu\mathrm C\) تفصل بينهما \(0.3\ \mathrm m\). أين تتزن شحنة ثالثة؟

Two charges \(+4\ \mu\mathrm C\) and \(-1\ \mu\mathrm C\) are \(0.3\ \mathrm m\) apart. Where is a third charge in equilibrium?

الحل
\(\frac{4}{x^2}=\frac{1}{(x-0.3)^2}\ \Rightarrow\ 2(x-0.3)=x\)
\(x=0.6\ \mathrm m\)
✅ \(x=0.6\ \mathrm m\)
Solution
\(\frac{4}{x^2}=\frac{1}{(x-0.3)^2}\ \Rightarrow\ 2(x-0.3)=x\)
\(x=0.6\ \mathrm m\)
✅ \(x=0.6\ \mathrm m\)

🧪 تجربة 4: موضع اتزان شحنة

🧪 Experiment 4: The Equilibrium Position of a Charge

نحرّك شحنة اختبارية على الخط الواصل بين شحنتين ونبحث عن الموضع الذي تنعدم فيه القوة المحصلة.

We move a test charge along the line joining two charges and look for the position where the resultant force vanishes.

🛠️ خطوات العمل

🛠️ Procedure

  1. اختر «من النوع نفسه» وحرّك الشحنة الاختبارية وراقب إشارة القوة المحصلة.Choose “the same kind” and move the test charge and watch the sign of the resultant force.
  2. حدّد النقطة التي يقطع عندها المنحنى المحور (القوة صفر) أو اضغط «اعرض موضع الاتزان».Locate the point where the curve crosses the axis (zero force) or press “Show the equilibrium position”.
  3. كرّر مع «مختلفتان في النوع» وقارن موضع الاتزان.Repeat with “different kinds” and compare the equilibrium position.

🧪 تجربة 4: اتزان شحنة على خط مستقيم

🧪 Experiment 4: Equilibrium of a Charge on a Straight Line

شحنتان \(q_1\) عند \(x=0\) و\(q_2\) عند \(x=0.3\ \mathrm m\). حرّك شحنة اختبارية \(+1\ \mu\mathrm C\) على الخط وابحث عن الموضع الذي تنعدم فيه المحصلة (منحنى القوة يقطع المحور).

Two charges \(q_1\) at \(x=0\) and \(q_2\) at \(x=0.3\ \mathrm m\). Move a \(+1\ \mu\mathrm C\) test charge along the line and look for the position where the resultant vanishes (the force curve crosses the axis).

4
1
0.15
الموضع \(x\)Position \(x\)—
القوة المحصلةNet force—
موضع الاتزانEquilibrium position—

🔎 ماذا نلاحظ؟ وما الاستنتاج؟

🔎 What do we observe? What is the conclusion?

موضع الاتزان يحقق \(F_1=F_2\) أي \(\dfrac{|q_1|}{x_1^2}=\dfrac{|q_2|}{x_2^2}\) مع تعاكس الاتجاهين.

The equilibrium position satisfies \(F_1=F_2\), i.e., \(\dfrac{|q_1|}{x_1^2}=\dfrac{|q_2|}{x_2^2}\) with the two directions opposite.

شحنتان مختلفتان متماثلتان في المقدار

شحنتان مختلفتان في النوع ومتماثلتان في المقدار (سؤال: أين لا تتأثر شحنة اختبارية بقوة؟)

Two charges of different kinds and equal magnitude (question: where is a test charge not affected by a force?)

⭐ 3

شحنتان مختلفتان في النوع ومتساويتان في المقدار. عند أي موضع على الخط الواصل بينهما لا يتأثر إلكترون بقوة كهربائية؟

Two charges of different kinds and equal magnitude. At which position on the line joining them is an electron not affected by an electric force?

Aلا يوجد موضعthere is no position
Bفي المنتصفat the midpoint
Cقرب الشحنة السالبةnear the negative charge
Dقرب الشحنة الموجبةnear the positive charge
الحل
\(F_1+F_2\neq0\)
✅ ('لا يوجد موضع (القوتان في اتجاه واحد بينهما)', 'There is no position (the two forces are in one direction between them)')
Solution
\(F_1+F_2\neq0\)
✅ ('لا يوجد موضع (القوتان في اتجاه واحد بينهما)', 'There is no position (the two forces are in one direction between them)')

🪢 كرتان مشحونتان معلقتان

🪢 Two Charged Hanging Balls

كرتان متماثلتان مشحونتان بالشحنة نفسها معلقتان بخيطين عديمي الكتلة وغير مرنين، تبتعدان بقوة كهربائية \(F_e\) حتى يميل كل خيط بزاوية \(\theta\) عن الرأسي. بتحليل القوى على كرة: \(T\cos\theta=mg\) و\(T\sin\theta=F_e\) ومنهما \(\tan\theta=\dfrac{F_e}{mg}\).

Two identical balls charged with the same charge are hanging by two massless inextensible threads and move apart by an electric force \(F_e\) until each thread makes an angle \(\theta\) with the vertical. Resolving the forces on one ball: \(T\cos\theta=mg\) and \(T\sin\theta=F_e\) so \(\tan\theta=\dfrac{F_e}{mg}\).

كرتان معلقتان

كرتان مشحونتان معلقتان بخيطين تميل كل منهما بزاوية \(\theta\)

Two charged balls hanging by threads, each inclined by an angle \(\theta\)

❓ مثال 8Example 8

كرتان متماثلتان مشحونتان معلقتان بخيطين فتبتعدان بقوة كهربائية \(F_e=4\ \mathrm N\) ويميل كل خيط بزاوية \(30^\circ\) عن الرأسي. أوجد كتلة كل كرة.

Two identical charged balls hanging by threads move apart by an electric force \(F_e=4\ \mathrm N\) and each thread is inclined \(30^\circ\) from the vertical. Find the mass of each ball.

الحل
\(\tan\theta=\frac{F_e}{mg}\ \Rightarrow\ m=\frac{F_e}{g\tan\theta}\)
\(m=\frac{4}{9.8\times\tan30^\circ}=0.71\ \mathrm{kg}\)
✅ \(m\approx0.7\ \mathrm{kg}\)
Solution
\(\tan\theta=\frac{F_e}{mg}\ \Rightarrow\ m=\frac{F_e}{g\tan\theta}\)
\(m=\frac{4}{9.8\times\tan30^\circ}=0.71\ \mathrm{kg}\)
✅ \(m\approx0.7\ \mathrm{kg}\)

🧪 تجربة 5: الكرتان المعلقتان

🧪 Experiment 5: The Hanging Balls

نغيّر شحنة الكرتين وكتلتهما وطول الخيط ونرى كيف يتغير ميل الخيط \(\theta\) عند الاتزان.

We change the charge of the balls, their mass and the length of the thread and see how the inclination of the thread \(\theta\) changes at equilibrium.

🛠️ خطوات العمل

🛠️ Procedure

  1. زِد الشحنة \(q\) وراقب الزاوية والمسافة بين الكرتين.Increase the charge \(q\) and watch the angle and the distance between the balls.
  2. زِد الكتلة \(m\) وراقب الزاوية.Increase the mass \(m\) and watch the angle.
  3. تأكد أن \(F_e=mg\tan\theta\) في كل حالة.Make sure that \(F_e=mg\tan\theta\) in each case.

🧪 تجربة 5: كرتان مشحونتان معلّقتان بخيطين

🧪 Experiment 5: Two Charged Balls Hanging by Threads

تتنافر كرتان متماثلتان مشحونتان فتبتعدان حتى تتزن القوى. غيّر الشحنة والكتلة وطول الخيط وراقب الزاوية \(\theta\) والمسافة والقوة الكهربائية.

Two identical charged balls repel each other and move apart until the forces balance. Change the charge, the mass and the length of the thread and watch the angle \(\theta\), the distance and the electric force.

0.5
50
0.5
الزاوية \(\theta\)The angle \(\theta\)—
المسافة \(r\)The distance \(r\)—
القوة الكهربائية \(F_e\)Electric force \(F_e\)—
الشد \(T\)Tension \(T\)—

🔎 ماذا نلاحظ؟ وما الاستنتاج؟

🔎 What do we observe? What is the conclusion?

عند الاتزان \(\tan\theta=\dfrac{F_e}{mg}\) و\(F_e=\dfrac{kq^2}{r^2}\) و\(r=2L\sin\theta\).

At equilibrium \(\tan\theta=\dfrac{F_e}{mg}\), \(F_e=\dfrac{kq^2}{r^2}\) and \(r=2L\sin\theta\).


🌍 القوة الكهربائية وقوة التجاذب الكتلي

🌍 The Electric Force and the Gravitational Force

وجه المقارنةAspectالقوة الكهربائيةThe electric forceقوة التجاذب الكتليThe gravitational force
القانونLaw\(F=k\dfrac{q_1q_2}{r^2}\)\(F=G\dfrac{m_1m_2}{r^2}\)
وجه التشابهSimilarityقوة مجالية تتناسب عكسيًا مع \(r^2\)A field force inversely proportional to \(r^2\)قوة مجالية تتناسب عكسيًا مع \(r^2\)A field force inversely proportional to \(r^2\)
النوعKindتجاذب أو تنافرAttraction or repulsionتجاذب فقطAttraction only
المقدارMagnitudeأكبر بكثيرMuch greaterضعيفة جدًاVery weak
❓ مثال 9Example 9

قارن بين القوة الكهربائية وقوة الجاذبية بين بروتون وإلكترون في الذرة (\(G=6.67\times10^{-11}\)، \(m_p=1.67\times10^{-27}\ \mathrm{kg}\)، \(m_e=9.11\times10^{-31}\ \mathrm{kg}\)).

Compare the electric force with the gravitational force between a proton and an electron in an atom (\(G=6.67\times10^{-11}\), \(m_p=1.67\times10^{-27}\ \mathrm{kg}\), \(m_e=9.11\times10^{-31}\ \mathrm{kg}\)).

الحل
\(\frac{F_e}{F_g}=\frac{k\,e^2}{G\,m_pm_e}=\frac{8.99\times10^{9}\times(1.6\times10^{-19})^2}{6.67\times10^{-11}\times1.67\times10^{-27}\times9.11\times10^{-31}}\)
\(\frac{F_e}{F_g}\approx2.3\times10^{39}\)
✅ \(F_e\approx2.3\times10^{39}\,F_g\)
Solution
\(\frac{F_e}{F_g}=\frac{k\,e^2}{G\,m_pm_e}=\frac{8.99\times10^{9}\times(1.6\times10^{-19})^2}{6.67\times10^{-11}\times1.67\times10^{-27}\times9.11\times10^{-31}}\)
\(\frac{F_e}{F_g}\approx2.3\times10^{39}\)
✅ \(F_e\approx2.3\times10^{39}\,F_g\)

لذلك نهمل قوة الجاذبية بين الجسيمات المشحونة في الذرة، بينما تتحكم الجاذبية في حركة الكواكب لأن الأجرام السماوية متعادلة كهربائيًا تقريبًا.

So we neglect the gravitational force between the charged particles in the atom, while gravity controls the motion of the planets because the celestial bodies are almost electrically neutral.


🚀 تطبيقات

🚀 Applications

أين نستفيد من قانون كولوم؟

Where do we benefit from Coulomb’s law?


⚠️ أخطاء شائعة

⚠️ Common Mistakes

تجنّب هذه الأخطاء

Avoid these mistakes


📚 ملخص

📚 Summary

أهم ما تعلمناه

Key points


🧪 اختبر نفسك: امتحان من 20 سؤالاً

🧪 Test Yourself: a 20-Question Exam

أنهِ الدرس بالاختبار التفاعلي التالي؛ أسئلته تجمع بين الفهم والحساب وتغطي جميع أقسام الدرس.

Finish with the interactive exam below; its questions mix understanding with calculation and cover every section of the lesson.

⚡

اختبار القوى الكهروستاتيكية - الجزء الثاني (12A) Electrostatic Forces, Part 2 (12A) Quiz

20 سؤالاً - قانون كولوم وتراكب القوى واتزان الشحنة 20 Questions - Coulomb’s law, superposition of forces and equilibrium of a charge

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!