يمكن لشحنة أن تتحرك بين نقطتين داخل مجال كهربائي دون أن يبذل المجال شغلًا عليها. يحدث ذلك عندما تكون النقطتان لهما الجهد نفسه: فإذا كان \(\Delta V=0\) فإن الشغل الذي يبذله المجال على الشحنة:
A charge can move between two points inside an electric field without the field doing any work on it. This happens when the two points are at the same potential: if \(\Delta V=0\) then the work done by the field on the charge is:
\[\Delta V=-\frac{W}{q}=0\quad\Rightarrow\quad W=0\]
سطح تساوي الجهد هو سطح (أو خط في المستوى) تكون جميع نقاطه عند الجهد نفسه. أي حركة لشحنة على هذا السطح لا تتطلب شغلًا. وهذا يقودنا إلى خاصية مهمة جدًا:
An equipotential surface is a surface (or a line in a plane) all of whose points are at the same potential. Moving a charge along it requires no work. This leads to a very important property:
النقاط التي لها البعد نفسه عن شحنة نقطية (موجبة أو سالبة) لها الجهد نفسه، لأن الجهد يعتمد على \(r\) فقط. فسطوح تساوي الجهد كرات متحدة المركز حول الشحنة (دوائر في الرسم المستوي)، وخطوط المجال أنصاف أقطار تخرج من الموجبة وتدخل في السالبة.
Points at the same distance from a point charge (positive or negative) have the same potential, since the potential depends only on \(r\). The equipotential surfaces are therefore concentric spheres around the charge (circles in a plane drawing), and the field lines are radii leaving a positive charge or entering a negative one.
يسار: شحنة موجبة (خطوط المجال إلى الخارج). يمين: شحنة سالبة (خطوط المجال إلى الداخل). الدوائر هي سطوح تساوي الجهد.
Left: a positive charge (field lines outward). Right: a negative charge (field lines inward). The circles are equipotential surfaces.
النقاط الواقعة على مستوٍ عمودي على خطوط المجال المنتظم لها الجهد نفسه، فسطوح تساوي الجهد مستويات متوازية عمودية على خطوط المجال (كما بين لوحين متوازيين مشحونين)، والمسافات بينها متساوية لفروق جهد متساوية.
Points on a plane perpendicular to the lines of a uniform field have the same potential, so the equipotential surfaces are parallel planes perpendicular to the field lines (as between two oppositely charged parallel plates), equally spaced for equal potential steps.
المجال المنتظم: خطوط المجال متوازية وسطوح تساوي الجهد مستويات عمودية عليها.
A uniform field: parallel field lines and equipotential planes perpendicular to them.
حول كل شحنة منفردة وبالقرب منها تشبه سطوح تساوي الجهد الدوائر التي رأيناها للشحنة المنفردة، لكن الشكل (وكذلك المجال) يختلف في المنطقة الواصلة بين الشحنتين وبعيدًا عنهما. وهناك سطح الجهد الصفري الذي يقطع الخط الواصل بينهما ويتخذ شكل مستوٍ في حالة الشحنتين المتساويتين مقدارًا.
Close around each charge the equipotential surfaces look like the circles of a single charge, but the shape (and the field) differs in the region between the charges and far from them. There is a zero-potential surface crossing the line joining them; for two charges of equal magnitude it is a plane.
شحنتان مختلفتان في النوع: خطوط المجال تخرج من الموجبة وتدخل في السالبة، وسطوح تساوي الجهد تتعامد معها دائمًا.
Two opposite charges: field lines leave the positive one and enter the negative one, and the equipotentials always cross them at right angles.
حول كل شحنة منفردة تشبه السطوح دوائر الشحنة المنفردة أيضًا، لكن في المنطقة الواصلة بين الشحنتين يختلف شكلها عن حالة الشحنتين المختلفتين: تلتحم السطوح البعيدة في سطح واحد أكبر يحيط بالشحنتين، وتوجد نقطة بينهما (عند التماثل منتصف المسافة) ينعدم عندها المجال مع أن الجهد لا ينعدم. وبعيدًا عن الشحنتين تبدو السطوح كدوائر لشحنة واحدة مجموعها.
Around each charge the surfaces again resemble the single-charge circles, but between the charges the picture differs from the opposite-sign case: farther surfaces merge into one larger surface enclosing both charges, and there is a point between them (the midpoint, for equal charges) where the field vanishes even though the potential does not. Far away the surfaces look like circles around a single charge equal to the total.
شحنتان من النوع نفسه: خطوط المجال لا تتقاطع بل تتنافر، وتنعدم شدة المجال عند نقطة المنتصف.
Two like charges: the field lines repel one another rather than cross, and the field vanishes at the midpoint.
شحنة اختبار \(q\) تتحرك بين نقطتين تقعان على سطح تساوي الجهد نفسه. فإن الشغل الذي يبذله المجال الكهربائي عليها يعادل:
A test charge \(q\) moves between two points on the same equipotential surface. The work done on it by the electric field is:
في التجربة التالية اضبط شحنتي النقطتين (يمكن أن تكونا موجبتين أو سالبتين أو مختلفتين) والمسافة بينهما، وستظهر خريطة الجهد مع خطوط تساوي الجهد كل \(10\ V\). اضغط على أي نقطة في الخريطة (أو اسحب) لتضع مجسًّا يقرأ الجهد والمجال عنده ويرسم سطح الجهد الذي يمر به. فعّل «متجهات المجال» لترى أنها تتعامد مع خطوط تساوي الجهد.
In the next experiment set the two point charges (positive, negative or one of each) and their separation, and you will see the potential map with equipotential lines every \(10\ V\). Click (or drag) anywhere on the map to place a probe that reads the potential and the field there and draws the equipotential through it. Switch on “field vectors” to see that they cross the equipotential lines at right angles.
الألوان: أحمر = جهد موجب، أزرق = جهد سالب، والخطوط السوداء تساوي الجهد كل \(10\ V\) (الخط الأسمك هو \(0\ V\)). اضغط على الخريطة أو اسحب لتحريك المجس. جرّب: شحنتان متساويتان مختلفتان في النوع، ثم متماثلتان، ثم شحنة صغيرة بجوار كبيرة.
Colors: red = positive potential, blue = negative; the black lines are equipotentials every \(10\ V\) (the thick line is \(0\ V\)). Click or drag on the map to move the probe. Try: two equal charges of opposite sign, then of the same sign, then a small charge next to a large one.
الجهد الكهربائي عند نقطة هو الشغل اللازم (الذي تبذله قوة خارجية) لنقل شحنة اختبار من اللانهاية إلى تلك النقطة مقسومًا على شحنة الاختبار (مع الجهد عند اللانهاية صفر). ويُعبَّر عنه بالشغل الذي يبذله المجال على الشحنة بإشارة سالبة:
The electric potential at a point is the work needed (done by an external force) to bring a test charge from infinity to that point, divided by the test charge (taking the potential at infinity as zero). Equivalently, in terms of the work done by the field on the charge, with a minus sign:
\[\Delta V=V_f-V_i=-\frac{W_{\infty\to r}}{q}=-\int_{\infty}^{r}\frac{\vec F\cdot d\vec s}{q}=-\int_{\infty}^{r}\vec E\cdot d\vec s\]
وحدة الجهد الفولت \(1\ V=1\ J/C\).
The unit of potential is the volt, \(1\ V=1\ J/C\).
لشحنة نقطية \(q\) مجالها على بعد \(r\) هو \(E=\dfrac{kq}{r^2}\) في الاتجاه القطري. نكامل من اللانهاية إلى \(r\) (والتكامل على المسار القطري \(d\vec s=dr\)):
A point charge \(q\) produces a field \(E=\dfrac{kq}{r^2}\) in the radial direction. Integrating from infinity to \(r\) (along a radial path \(d\vec s=dr\)):
\[\Delta V=-\int_{\infty}^{r}\frac{kq}{r^2}\,dr=-kq\left[-\frac{1}{r}\right]_{\infty}^{r}=\frac{kq}{r}\;\;\Rightarrow\;\;V_r-V_\infty=V_r-0=\frac{kq}{r}\]
\[V=\frac{kq}{r}\qquad\qquad V_{net}=\sum_i\frac{kq_i}{r_i}\]
عند منتصف شحنتين متساويتين مقدارًا ومختلفتين في النوع يكون الجهد صفرًا (الجهدان متساويان مقدارًا ومتعاكسان) لكن المجال لا ينعدم (يجمعان في الاتجاه نفسه). وعند منتصف شحنتين متماثلتين ينعدم المجال لكن الجهد لا ينعدم (يجمعان). فالجهد والمجال كميتان مختلفتان؛ العلاقة بينهما هي معدل تغيّر الجهد مع الموضع (سنراها لاحقًا).
At the midpoint of two charges of equal magnitude and opposite sign the potential is zero (the two potentials are equal and opposite) but the field is not zero (the fields add in the same direction). At the midpoint of two like charges the field vanishes but the potential does not (the potentials add). Potential and field are different quantities\; the relation between them is the rate of change of potential with position (seen later).
ضع حتى ثلاث شحنات (مقدار كل شحنة بالنانوكولوم وموضعها بالأمتار) ونقطة الحساب، ثم اضغط «احسب». سيُظهر البرنامج جهد كل شحنة \(\dfrac{kq}{r}\) ثم مجموعها الجبري. غيّر إشارات الشحنات وتأكد أن الجهد كمية قياسية (لا يحتاج إلى اتجاهات). ضع \(q=0\) لتعطيل شحنة.
Place up to three charges (each in nC with its position in meters) and the evaluation point, then press “Calculate”. The program shows each charge’s potential \(\dfrac{kq}{r}\) and then their algebraic sum. Change the signs and confirm that potential is a scalar (no directions needed). Set \(q=0\) to disable a charge.
| q (nC) | x (m) | y (m) | |
|---|---|---|---|
| 1 | |||
| 2 | |||
| 3 | |||
| نقطة الحسابPoint |
شحنتان نقطيتان: \(+3\ nC\) و \(-3\ nC\) تفصل بينهما \(0.4\ m\). فإن الجهد الكهربائي عند منتصف المسافة بينهما يعادل:
Two point charges, \(+3\ nC\) and \(-3\ nC\), are \(0.4\ m\) apart. The electric potential at the midpoint between them is:
في الشكل شحنتان: الأولى سالبة \(q_1=-4\ nC\) عند نقطة الأصل، والثانية موجبة \(q_2=6\ nC\) على بعد \(0.4\ m\) منها. أين تقع نقطة انعدام الجهد على الخط الواصل بين الشحنتين؟
In the figure the first charge is negative, \(q_1=-4\ nC\), at the origin, and the second is positive, \(q_2=6\ nC\), \(0.4\ m\) away. Where is the zero-potential point on the line between the charges?
في الشكل أعلاه (شحنة سالبة \(-4\ nC\) عند نقطة الأصل وموجبة \(6\ nC\) على بعد \(0.4\ m\))، نقطة انعدام الجهد على الخط الواصل بين الشحنتين تقع عند الموقع:
In the figure above (a \(-4\ nC\) charge at the origin and a \(6\ nC\) charge \(0.4\ m\) away), the zero-potential point on the line between the charges is at:
نقطتان A وB في مجال منتظم: المهم هو الإزاحة \(d\) الموازية لخطوط المجال.
Two points A and B in a uniform field: what matters is the displacement \(d\) parallel to the field lines.
في مجال منتظم \(E\) تتأثر الشحنة \(q\) بقوة ثابتة \(F=qE\). فالشغل الذي يبذله المجال عند تحرك الشحنة مسافة \(d\) بموازاة المجال هو \(W=qEd\)، ومنه:
In a uniform field \(E\) a charge \(q\) feels a constant force \(F=qE\). The work done by the field when the charge moves a distance \(d\) parallel to the field is \(W=qEd\), hence:
\[\Delta V_{AB}=V_B-V_A=-\frac{W_{A\to B}}{q}=-\frac{qEd}{q}=-E\,d\]
اضبط شدة المجال واتجاهه، وحرّك النقطتين \(A\) و\(B\). يحسب البرنامج مركبة الإزاحة بموازاة المجال \(d\) ثم \(\Delta V_{AB}=-Ed\). جرّب: \(B\) في اتجاه المجال، ثم عكسه، ثم عموديًا عليه (تحصل على \(\Delta V=0\): النقطتان على سطح تساوي الجهد نفسه).
Set the field strength and direction, and move points \(A\) and \(B\). The program finds the displacement component along the field \(d\) and then \(\Delta V_{AB}=-Ed\). Try: \(B\) along the field, then against it, then perpendicular to it (you get \(\Delta V=0\): the points lie on the same equipotential surface).
في الشكل مجال منتظم شدته \(E=500\ N/C\) متجه إلى الأسفل. النقطتان \(A\) و \(B\) والأبعاد على الرسم. فإن فرق الجهد \(\Delta V_{AB}=V_B-V_A\) يعادل:
The figure shows a uniform field of strength \(E=500\ N/C\) pointing downward. Points \(A\) and \(B\) and the distances are shown. The potential difference \(\Delta V_{AB}=V_B-V_A\) is:
عندما تكون الشحنة موزعة على جسم (سلك أو حلقة...) نقسّمه إلى عناصر صغيرة شحنة كل منها \(dq\) تعتبر نقطية، ونجمع (نكامل) جهودها \(dV=\dfrac{k\,dq}{r}\) (جمع قياسي، لا مركبات!). وإذا كانت الشحنة موزعة على طول بكثافة \(\lambda\) (شحنة لكل وحدة طول) فإن \(dq=\lambda\,dL\).
When charge is spread over a body (a wire, a ring...) we split it into tiny elements, each of charge \(dq\) treated as a point charge, and add (integrate) their potentials \(dV=\dfrac{k\,dq}{r}\) (a scalar sum, no components!). If the charge is spread along a length with density \(\lambda\) (charge per unit length) then \(dq=\lambda\,dL\).
سلك مشحون بانتظام على امتداد طوله بكثافة شحنة \(\lambda=4\times10^{-8}\ C/m\)، ثُني على شكل نصف دائرة نصف قطرها \(R\). احسب جهد نقطة في مركز انحناء السلك.
A wire is uniformly charged along its length with linear charge density \(\lambda=4\times10^{-8}\ C/m\) and bent into a semicircle of radius \(R\). Find the potential at the center of curvature of the wire.
عرفنا أن \(\Delta V=-\int\vec E\cdot d\vec s\). وبالعكس: من الشغل الذي يبذله المجال في إزاحة صغيرة \(d\vec s\):
We saw that \(\Delta V=-\int\vec E\cdot d\vec s\). Conversely, from the work done by the field in a small displacement \(d\vec s\):
\[dW=q\,\vec E\cdot d\vec s,\quad dW=-q\,dV\;\Rightarrow\;E_s=-\frac{dV}{ds}\]
\[E_x=-\frac{\partial V}{\partial x},\qquad E_y=-\frac{\partial V}{\partial y},\qquad E_z=-\frac{\partial V}{\partial z}\]
الجهد الكهربائي في حيز من الفراغ يعطى بالعلاقة \(V(x,y,z)=5x^2+8xy+7z\) (بالفولت والإحداثيات بالمتر). احسب المجال الكهربائي عند النقطة \((5,\,-2,\,-3)\).
The electric potential in a region of space is given by \(V(x,y,z)=5x^2+8xy+7z\) (in volts, coordinates in meters). Find the electric field at the point \((5,\,-2,\,-3)\).
طاقة الوضع الكهربائية للنظام هي الشغل الذي يبذله عامل خارجي لتجميع الشحنات من اللانهاية (حيث طاقة الوضع صفر) في أوضاعها النهائية. من تعريف الجهد \(V=\dfrac{U}{q}\): الطاقة لشحنة اختبار \(q\) موضوعة عند نقطة جهدها \(V\) هي \(U=qV\)، ولشحنة \(q\) عند بعد \(r\) من شحنة \(Q\):
The electric potential energy of a system is the work done by an external agent in assembling the charges from infinity (where the potential energy is zero) into their final positions. From the definition \(V=\dfrac{U}{q}\): the energy of a test charge \(q\) placed at a point of potential \(V\) is \(U=qV\), and for a charge \(q\) at a distance \(r\) from a charge \(Q\):
\[U=qV=q\,\frac{kQ}{r}=k\,\frac{Q\,q}{r}\]
لدينا ثلاث شحنات على رؤوس مثلث قائم الزاوية كما في الشكل (الزاوية القائمة عند \(q_1\)). نحسب طاقة النظام بإحضار الشحنات من اللانهاية واحدة بعد أخرى:
Three charges sit at the vertices of a right triangle as shown (the right angle is at \(q_1\)). We find the energy of the system by bringing the charges in from infinity one at a time:
النظام النهائي: \(r_3=\sqrt{r_1^2+r_2^2}\).
The final system: \(r_3=\sqrt{r_1^2+r_2^2}\).
الخطوات: (1) الشحنات في اللانهاية، (2) نحضر \(q_1\) وحدها، (3) نحضر \(q_2\) بجوار \(q_1\).
Steps: (1) charges at infinity, (2) bring in \(q_1\) alone, (3) bring \(q_2\) next to \(q_1\).
\[U=k\frac{q_1q_2}{r_1}+k\frac{q_1q_3}{r_2}+k\frac{q_2q_3}{\sqrt{r_1^2+r_2^2}}\]
قاعدة عامة: طاقة النظام = مجموع طاقة كل زوج من الشحنات \(U=\sum_{i\lt j}k\dfrac{q_iq_j}{r_{ij}}\)، فنظام من \(n\) شحنة فيه \(\dfrac{n(n-1)}{2}\) زوجًا (ثلاثة أزواج لثلاث شحنات). والترتيب الذي نُحضر به الشحنات لا يغيّر الطاقة النهائية.
General rule: the energy of the system = the sum over every pair of charges \(U=\sum_{i\lt j}k\dfrac{q_iq_j}{r_{ij}}\), so a system of \(n\) charges has \(\dfrac{n(n-1)}{2}\) pairs (three pairs for three charges). The order in which the charges are brought in does not change the final energy.
في الشكل: \(q_1=+2\ nC\) عند الزاوية القائمة، و\(q_2=+3\ nC\) على بعد \(r_1=0.3\ m\) منها، و\(q_3=-4\ nC\) على بعد \(r_2=0.4\ m\) منها. احسب طاقة الوضع الكهربائية للنظام.
In the figure: \(q_1=+2\ nC\) at the right-angle vertex, \(q_2=+3\ nC\) at \(r_1=0.3\ m\) from it, and \(q_3=-4\ nC\) at \(r_2=0.4\ m\) from it. Find the electric potential energy of the system.
شحنتان نقطيتان \(+3\ nC\) و \(-2\ nC\) تفصل بينهما \(0.1\ m\). ما طاقة الوضع الكهربائية للنظام؟
Two point charges, \(+3\ nC\) and \(-2\ nC\), are \(0.1\ m\) apart. What is the electric potential energy of the system?
غيّر الشحنات الثلاث والمسافتين \(r_1\) و\(r_2\) (الزاوية القائمة عند \(q_1\)) ولاحظ طاقة كل زوج ومجموعها. تتبّع خطوات التجميع: الأولى وحدها صفر، ثم الثانية، ثم الثالثة. لاحظ متى تصبح الطاقة سالبة (نظام مقيَّد) ومتى موجبة.
Change the three charges and the distances \(r_1\) and \(r_2\) (right angle at \(q_1\)) and watch the energy of each pair and their total. Follow the assembly steps: the first alone is zero, then the second, then the third. Notice when the energy becomes negative (bound system) and when positive.
| الخطوةStep | الطاقة المضافة (J)Energy added (J) | طاقة النظام حتى الآن (J)System energy so far (J) |
|---|---|---|
| 1) إحضار \(q_1\)1) bring in \(q_1\) | 0 | 0 |
| 2) إحضار \(q_2\): \(U_{12}\)2) bring in \(q_2\): \(U_{12}\) | 0 | 0 |
| 3) إحضار \(q_3\): \(U_{13}+U_{23}\)3) bring in \(q_3\): \(U_{13}+U_{23}\) | 0 | 0 |
أنهِ الدرس بالاختبار التفاعلي التالي؛ أسئلته بمستوى متوسط وعالٍ وتجمع بين الفهم والحساب.
Finish with the interactive exam below; its questions are of medium and high difficulty and mix understanding with calculation.
20 سؤالاً - سطوح تساوي الجهد، جهد الشحنات النقطية، المجال والجهد، وطاقة الوضع 20 Questions - Equipotentials, Potential of Point Charges, Field and Potential, and Potential Energy
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.


