درس العالم شارل كولوم القوى المتبادلة بين الشحنات الكهربائية بميزان الليّ، فوجد أن:
The scientist Charles Coulomb studied the mutual forces between electric charges with a torsion balance, and found that:
ميزان الليّ: كرتان مشحونتان تتنافران فتلتوي الخيط، ومن زاوية الالتواء تُقاس القوة.
The torsion balance: two charged spheres repel and twist the thread; the twist angle measures the force.
| ما وجدهWhat he found | الصيغةRelation | المعنىMeaning |
|---|---|---|
| مع الشحنتينwith the charges | \(F\propto q_1q_2\)\(F\propto q_1q_2\) | القوة تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب مقداري الشحنتينthe force is directly proportional to the product of the charges |
| مع المسافةwith the distance | \(F\propto \dfrac{1}{r^{2}}\)\(F\propto \dfrac{1}{r^{2}}\) | القوة تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بين الشحنتينthe force is inversely proportional to the square of the distance |
| مع الوسطwith the medium | تتغير \(k\)\(k\) changes | تتغير القوة بتغير الوسط الفاصل بين الشحنتينthe force changes with the medium between the charges |
القوة الكهربائية بين شحنتين نقطيتين تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب مقداريهما وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما:
The electric force between two point charges is directly proportional to the product of their magnitudes and inversely proportional to the square of the distance between them:
\[F=k\,\dfrac{|q_1\,q_2|}{r^{2}}\]
حيث \(k\) ثابت كولوم، وفي الفراغ: \(k=9\times10^{9}\ \mathrm{N\cdot m^{2}/C^{2}}\) ويرتبط بالسماحية الكهربائية للفراغ بالعلاقة \(k=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\) حيث \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{C^{2}/N\cdot m^{2}}\).
where \(k\) is Coulomb’s constant; in vacuum \(k=9\times10^{9}\ \mathrm{N\cdot m^{2}/C^{2}}\), related to the permittivity of free space by \(k=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\) with \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{C^{2}/N\cdot m^{2}}\).
| الكميةQuantity | الرمزSymbol | الوحدةUnit |
|---|---|---|
| القوة الكهربائيةElectric force | \(F\)\(F\) | نيوتن \(\mathrm{N}\)newton \(\mathrm{N}\) |
| الشحنةCharge | \(q_1,\ q_2\)\(q_1,\ q_2\) | كولوم \(\mathrm{C}\)coulomb \(\mathrm{C}\) |
| المسافة بين الشحنتينDistance between the charges | \(r\)\(r\) | متر \(\mathrm{m}\)metre \(\mathrm{m}\) |
| ثابت كولومCoulomb’s constant | \(k\)\(k\) | \(\mathrm{N\cdot m^{2}/C^{2}}\)\(\mathrm{N\cdot m^{2}/C^{2}}\) |
اسحب الشحنتين على المسطرة لتغيير المسافة \(r\)، وغيّر \(q_1\) و\(q_2\) (بإشارتيهما) ونوع الوسط. السهم البنفسجي هو القوة على كل شحنة، والنقطة البرتقالية على المنحنى هي حالتك الحالية. لاحظ كيف تنخفض \(F\) بسرعة عند زيادة \(r\).
Drag the two charges along the ruler to change the distance \(r\), and change \(q_1\) and \(q_2\) (with their signs) and the medium. The purple arrow is the force on each charge and the orange point on the curve is your current case. Notice how fast \(F\) falls as \(r\) grows.
يوجد نوعان للقوة الكهربائية: تجاذب بين شحنتين مختلفتين، وتنافر بين شحنتين متشابهتين. مهما كان النوع فالقوتان على الشحنتين متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتجاه.
There are two kinds of electric force: attraction between unlike charges and repulsion between like charges. Whatever the kind, the forces on the two charges are equal in magnitude and opposite in direction.
تجاذب: شحنتان مختلفتان.
Attraction: unlike charges.
تنافر: شحنتان سالبتان.
Repulsion: two negative charges.
تنافر: شحنتان موجبتان.
Repulsion: two positive charges.
القوة التي تؤثر بها الشحنة الأولى في الثانية تساوي في المقدار وتعاكس في الاتجاه القوة التي تؤثر بها الثانية في الأولى، حتى لو اختلفت الشحنتان في المقدار:
The force the first charge exerts on the second equals in magnitude and is opposite in direction to the force the second exerts on the first, even if the charges differ in size:
\[\vec F_{12}=-\vec F_{21}\]
شحنتان مختلفتان في النوع مقدار الأولى ضعف الثانية: \(q_1=+2q\) و\(q_2=-q\). إذا أثرت الشحنة الأولى في الثانية بقوة \(F_{12}=10\ \mathrm{N}\) نحو اليمين فما القوة التي تؤثر بها الثانية في الأولى؟
Two unlike charges, the first twice the second: \(q_1=+2q\) and \(q_2=-q\). If the first charge exerts a force \(F_{12}=10\ \mathrm{N}\) to the right on the second, what force does the second exert on the first?
طريقة الحل المصوّرة للمثال 1.
The illustrated solution of example 1.
إذا تضاعفت المسافة بين شحنتين نقطيتين ثابتتين فإن القوة بينهما:
If the distance between two fixed point charges is doubled the force between them:
شحنتان \(q_1\) و\(q_2\) بينهما قوة \(F\). إذا تضاعفت \(q_1\) وتضاعفت \(q_2\) مع بقاء المسافة فإن القوة:
Two charges \(q_1\) and \(q_2\) exert a force \(F\). If both are doubled with the distance unchanged the force becomes:
شحنتان متساويتان في المقدار والمسافة بينهما \(0.2\ \mathrm{m}\)، والقوة المتبادلة بينهما \(0.4\ \mathrm{N}\). أوجد مقدار كل منهما.
Two charges of equal magnitude are \(0.2\ \mathrm{m}\) apart and the mutual force is \(0.4\ \mathrm{N}\). Find the magnitude of each charge.
الشكل: شحنتان متساويتان تتنافران.
The figure: two equal charges repelling.
طريقة الحل المصوّرة.
The illustrated solution.
شحنتان \(q_1=+3\ \mu\mathrm{C}\) و\(q_2=-5\ \mu\mathrm{C}\) والمسافة بينهما \(0.3\ \mathrm{m}\) في الهواء. أوجد القوة المتبادلة ونوعها. وماذا تصبح لو غُمرتا في ماء (\(\varepsilon_r\approx80\))؟
Two charges \(q_1=+3\ \mu\mathrm{C}\) and \(q_2=-5\ \mu\mathrm{C}\) are \(0.3\ \mathrm{m}\) apart in air. Find the mutual force and its type. What does it become if they are immersed in water (\(\varepsilon_r\approx80\))?
شحنتان \(+2\ \mu\mathrm{C}\) و\(+2\ \mu\mathrm{C}\) والمسافة \(0.1\ \mathrm{m}\). القوة بينهما:
Two charges \(+2\ \mu\mathrm{C}\) and \(+2\ \mu\mathrm{C}\) are \(0.1\ \mathrm{m}\) apart. The force between them is:
عندما توجد أكثر من شحنتين تؤثر كل شحنة في الشحنة المدروسة بقوتها الخاصة كأن الباقيات غير موجودة، ثم نجمع القوى جمعًا متجهيًا. هذا هو مبدأ التراكب.
When there are more than two charges, each one acts on the studied charge with its own force as if the others were absent, and then we add the forces as vectors. This is the principle of superposition.
ثلاث شحنات على خط واحد، والمسافة بين كل شحنتين متجاورتين \(r\).
Three charges on a line, adjacent charges a distance \(r\) apart.
اكتب في دفترك قبل رؤية الحل: اتجاه القوة على \(q_1\) من \(q_2\)، ثم من \(q_3\)، ثم المحصلة إذا تساوت مقادير الشحنات الثلاث.
Write in your notebook before looking at the answer: the direction of the force on \(q_1\) from \(q_2\), then from \(q_3\), then the net force if the three charges are equal in magnitude.
في الشكل: ما اتجاه القوة التي تؤثر بها \(q_2\) في \(q_1\) وما العلاقة المعبرة عنها؟ وما اتجاه القوة التي تؤثر بها \(q_3\) في \(q_1\)؟ وإذا تساوت مقادير الشحنات الثلاث فما اتجاه المحصلة على \(q_1\)؟
In the figure: what is the direction of the force of \(q_2\) on \(q_1\), and which relation expresses it? What is the direction of the force of \(q_3\) on \(q_1\)? If the three charges are equal in magnitude what is the direction of the net force on \(q_1\)?
القوة من \(q_2\) على \(q_1\).
The force of \(q_2\) on \(q_1\).
القوة من \(q_3\) على \(q_1\).
The force of \(q_3\) on \(q_1\).
الشحنات متساوية: \(F_{21}\gt F_{31}\) بسبب البعد.
Equal charges: \(F_{21}\gt F_{31}\) because of the distance.
ثلاث شحنات على خط واحد. اختر الشحنة المدروسة (الحلقة الخضراء) ثم اسحب الشحنات وغيّر إشاراتها ومقاديرها. تُرسم قوة كل شحنة على الشحنة المدروسة ثم المحصلة (الأخضر). جرّب الحالات الجاهزة لترى متى تنعدم المحصلة.
Three charges on a line. Choose the studied charge (the green ring) then drag the charges and change their signs and values. The force of each other charge on the studied one is drawn, then the net force (green). Try the ready-made cases to see when the net force vanishes.
ثلاث شحنات \(+1\ \mu\mathrm{C}\) على خط مستقيم والمسافة بين كل شحنتين متجاورتين \(0.1\ \mathrm{m}\). أوجد القوة المحصلة على الشحنة الطرفية الأولى.
Three charges of \(+1\ \mu\mathrm{C}\) lie on a line, adjacent charges \(0.1\ \mathrm{m}\) apart. Find the net force on the first end charge.
ثلاث شحنات على خط: \(+q\) ثم \(-q\) ثم \(+q\) متساوية البُعد. القوة المحصلة على الشحنة الوسطى:
Three charges on a line: \(+q\), \(-q\), \(+q\), equally spaced. The net force on the middle charge is:
إذا كانت القوتان متعامدتين (شحنتان على ضلعي زاوية قائمة) فإن محصلتهما تُحسب بنظرية فيثاغورس ويُحدَّد اتجاهها بالمماس:
When the two forces are perpendicular (charges on the sides of a right angle) their resultant comes from Pythagoras and its direction from the tangent:
\[F=\sqrt{F_{21}^{2}+F_{31}^{2}},\qquad \theta=\tan^{-1}\dfrac{F_{21}}{F_{31}}\]
وُضعت ثلاث شحنات نقطية على رؤوس مثلث قائم الزاوية: \(q_1=2\ \mu\mathrm{C}\) عند الزاوية القائمة و\(q_2=-3\ \mu\mathrm{C}\) و\(q_3=4\ \mu\mathrm{C}\)، والمسافتان \(r_{12}=0.3\ \mathrm{m}\) و\(r_{13}=0.4\ \mathrm{m}\). احسب القوة المؤثرة في الشحنة الأولى.
Three point charges sit at the corners of a right triangle: \(q_1=2\ \mu\mathrm{C}\) at the right angle, \(q_2=-3\ \mu\mathrm{C}\) and \(q_3=4\ \mu\mathrm{C}\), with \(r_{12}=0.3\ \mathrm{m}\) and \(r_{13}=0.4\ \mathrm{m}\). Calculate the force on the first charge.
مواضع الشحنات الثلاث.
The positions of the three charges.
القوتان على \(q_1\) ومحصلتهما.
The two forces on \(q_1\) and their resultant.
الشحنة \(q_1\) عند الرأس القائم، و\(q_2\) فوقها و\(q_3\) على يسارها. القوتان \(F_{21}\) و\(F_{31}\) متعامدتان، فالمحصلة قطر المستطيل. اسحب \(q_2\) رأسيًا و\(q_3\) أفقيًا وغيّر الإشارات (القيم الافتراضية هي المثال المحلول في الدرس).
The charge \(q_1\) is at the right-angle vertex, \(q_2\) above it and \(q_3\) to its left. The forces \(F_{21}\) and \(F_{31}\) are perpendicular so the net force is the diagonal of the rectangle. Drag \(q_2\) vertically and \(q_3\) horizontally and change the signs (the defaults are the worked example of the lesson).
قوتان كهربائيتان متعامدتان مقدارهما \(3\ \mathrm{N}\) و\(4\ \mathrm{N}\) تؤثران في شحنة. المحصلة:
Two perpendicular electric forces of \(3\ \mathrm{N}\) and \(4\ \mathrm{N}\) act on a charge. The resultant is:
| وجه المقارنةAspect | القوة الكهروستاتيكيةElectrostatic force | قوة الجاذبيةGravitational force |
|---|---|---|
| تنشأ بينActs between | الشحنات الكهربائيةelectric charges | الكتلmasses |
| العلاقة بالمسافةDependence on distance | \(\propto 1/r^{2}\) (تشابه)\(\propto 1/r^{2}\) (similarity) | \(\propto 1/r^{2}\) (تشابه)\(\propto 1/r^{2}\) (similarity) |
| الوصف بمجالDescribed by a field | مجال كهربائي (تشابه)electric field (similarity) | مجال جذبوي (تشابه)gravitational field (similarity) |
| النوعKind | تجاذب أو تنافرattraction or repulsion | تجاذب فقطattraction only |
| الشدةStrength | أقوى بكثير (بين إلكترون وبروتون \(\approx10^{39}\) مرة)much stronger (between an electron and a proton \(\approx10^{39}\) times) | أضعف بكثيرmuch weaker |
| الثابتConstant | \(k=9\times10^{9}\ \mathrm{N\cdot m^{2}/C^{2}}\)\(k=9\times10^{9}\ \mathrm{N\cdot m^{2}/C^{2}}\) | \(G=6.67\times10^{-11}\ \mathrm{N\cdot m^{2}/kg^{2}}\)\(G=6.67\times10^{-11}\ \mathrm{N\cdot m^{2}/kg^{2}}\) |
| تفسّرExplains | الدوائر والمكثفات والذرةcircuits, capacitors and the atom | حركة الكواكب والمد والجزرplanetary motion and the tides |
لماذا لا نلاحظ القوة الكهربائية بين الأجسام العادية؟ لأنها متعادلة كهربائيًا (عدد الشحنات الموجبة يساوي السالبة) فتتلاشى القوى، بينما الجاذبية تتجمع دائمًا لأنها تجاذب فقط، فتسيطر على المقاييس الكبيرة كالكواكب.
Why don’t we notice the electric force between ordinary objects? Because they are electrically neutral (equal positive and negative charge) so the forces cancel, while gravity always adds up since it is attraction only, so it rules large scales like planets.
تمر غازات العادم في حجرة فيها أقطاب تشحن الجسيمات العالقة بشحنة موجبة، فتنجذب إلى ألواح تجميع سالبة وتلتصق بها، وتُنظَّف الألواح دوريًا. تزيل هذه التقنية حتى 99% من الجسيمات الدقيقة.
Exhaust gases pass through a chamber whose electrodes charge the suspended particles positively; they are attracted to negative collection plates and stick to them, and the plates are cleaned periodically. The technique removes up to 99% of fine particles.
ألواح التجميع تلتقط الجسيمات المشحونة.
Collection plates catch the charged particles.
تُشحن قطرات الطلاء بشحنة موجبة ويُشحن هيكل السيارة بشحنة سالبة، فتنجذب القطرات إلى كل الأسطح حتى الزوايا الخفية، مما يوفر الطلاء ويعطي طبقة منتظمة.
Paint droplets are charged positively and the car body negatively, so the droplets are attracted to every surface even hidden corners, saving paint and giving an even coat.
غرفة طلاء كهروستاتيكي.
An electrostatic painting booth.
أسطوانة مشحونة بانتظام، يزيل الليزر الشحنة من مواضع الصورة، فيلتصق مسحوق الحبر المشحون بشحنة معاكسة بالمواضع المشحونة، ثم يُنقل إلى الورقة ويُثبَّت بالحرارة.
A uniformly charged drum has its charge removed by the laser where the image is; toner of opposite charge sticks to the charged parts, is transferred to the paper and fixed by heat.
أسطوانة الطابعة والليزر.
The printer drum and the laser.
تُشحن أغلفة البلاستيك الشفاف فتلتصق بالمنتج وبعضها ببعض بإحكام، فتحمي الطعام من التلف وتطيل مدة صلاحيته.
Clear plastic wraps are charged so they cling tightly to the product and to each other, protecting food from spoilage and lengthening its shelf life.
جهاز تحكّم بالشحنات الساكنة في خطوط التغليف.
A static-control bar used on packaging lines.
في طلاء السيارات كهروستاتيكيًّا تنجذب قطرات الطلاء إلى الهيكل لأن:
In electrostatic car painting the droplets are drawn to the body because:
| الفكرةIdea | القانون / القاعدةLaw / rule |
|---|---|
| قانون كولومCoulomb’s law | \(F=k\dfrac{|q_1q_2|}{r^{2}}\)\(F=k\dfrac{|q_1q_2|}{r^{2}}\) |
| ثابت كولومCoulomb’s constant | \(k=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\times10^{9}\ \mathrm{N\cdot m^{2}/C^{2}}\)\(k=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\times10^{9}\ \mathrm{N\cdot m^{2}/C^{2}}\) |
| نوع القوةKind of force | متشابهتان: تنافر · مختلفتان: تجاذبlike: repulsion · unlike: attraction |
| نيوتن الثالثNewton’s third law | \(\vec F_{12}=-\vec F_{21}\)\(\vec F_{12}=-\vec F_{21}\) |
| في وسط عازلIn an insulating medium | \(F=\dfrac{F_{0}}{\varepsilon_r}\)\(F=\dfrac{F_{0}}{\varepsilon_r}\) |
| التراكبSuperposition | جمع متجهي للقوى؛ خط مستقيم: جبري بإشارات، مثلث قائم: فيثاغورسvector sum; on a line: algebraic with signs, at a right triangle: Pythagoras |
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.
20 سؤالاً - قانون كولوم وتراكب القوى والتطبيقات 20 Questions - Coulomb’s law, superposition and applications
اضغط «تشغيل» لتعمل المحاكاة هنا داخل الدرس؛ ويمكن للطالب الرجوع إليها لتجربة الفكرة بطريقة أخرى.
Press “Run” to run the simulation right here inside the lesson; the student can use it to try the idea in another way.



