قانون كولوم

(5-1)قانون كولوم Coulomb s law
يعد العالم الفرنسي تشارلس أوغسطين دي كولوم (1736-1806) واحداً من الرواد الأوائل في القرن الثامن عشر في الكهربائية، فهو أول من قام بقياسات عملية للقوى العاملة بين الأجسام المشحونة. ومن حصيلة هذه القياسات استطاع صياغة قانونه الشهير عام 1785 الذي عرف بقانون كولوم وهو يرتكز على ثلاث نصوص :
1- تنافر الشحنات ذات الإشارة الواحدة وتجاذب الشحنات ذات الإشارة المختلفة.
2- تؤثر شحنتان نقطيتان أحداهما على الأخرى بقوة تعمل على امتداد الخط المستقيم الذي يصل بين مركزيهما، ومقدار هذه القوة سواء كانت قوة تجاذب أو تنافر بين الشحنتين تتناسب طردياً مع حاصل ضرب الشحنتين.
3- يتناسب مقدار قوة التجاذب أو التنافر بين شحنتين عكسياً مع مربع المسافة بينهما، ان هذا الاستنتاج يعد إشارة واضحة إلى ان كولوم اثبت ان قوة التجاذب أو التنافر بين جسمين مشحونين تتبع قانون التربيع العكسي.
على ضوء ما تقدم يمكن صياغة نص قانون كولوم بالشكل الأتي : القوة الكهروستاتيكية بين شحنتين نقطيتين في حالة سكون تتناسب طردياً مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين وعكسياً مع مربع المسافة بينهما.
ويمكن كتابة قانون كولوم بصيغة رياضية تشير إلى اتجاه القوة إضافة إلى مقدارها بالشكل الآتي :
……….(3-1)
وطبقاً لقانون نيوتن للفعل ورد الفعل فان القوة المؤثرة على أحدى الشحنتين لا بد ان تكون مطابقة في المقدار ومعاكسة في الاتجاه للقوة التي تؤثر على الشحنة الأخرى وكلاهما تعمل على الحد الفاصل بين الشحنتين. وعليه فان القوة F في المعادلة (1-3) تشير للقوة الكهروستاتيكية المؤثرة على الشحنة q2 من قبل الشحنة q1 وهي نفس القوة المؤثرة على الشحنة q1 من قبل الشحنة q2 ولكن بعكس الاتجاه. تمثل r المسافة بين الشحنتين و يمثل ثابت فيزيائي كوني يعرف بثابت قوة كولوم، إذ تعتمد قيمته على نظام الوحدات المستعملة وكذلك على نوع الوسط الفاصل. أما الرمز فهو وحدة المتجه Unit Vector ومقداره واحد واتجاهه من q1 إلى q2.
يطبّق قانون كولوم على الشحنات النقطية Point Charges وهي الشحنات التي تشغل حيزاً أبعاده صغيرة جداً مقارنة بالمسافات الفاصلة بينها. ويطبق أيضا في العوازل والموصلات إذا كانت F القوة المؤثرة بين q1 وq2 بغض النظر عن القوى الناجمة عن الشحنات الأخرى ضمن الوسط.



إن أول نظام للوحدات كانت توضع على أساسه معادلات الكهروستاتيك هو نظام الوحدات الكهروستاتيكي (e.s.u.)، وحسب هذا النظام اختيرت وحدة الشحنة وفقاً لقانون كولوم الذي تعتبر فيه تساوي واحداً في حالة وجود الشحنات في الفراغ، وأطلق عليها اسم ستات كولوم Statcoulomb. فالستات كولوم تعرف بأنها تلك الشحنة التي إذا وضعت في الفراغ على بعد 1سم من شحنة أخرى مماثلة لها في النوع ومساوية لها في المقدار لتنافرت معها بقوة داين واحد. إن القوة وفقاً لهذا التعريف كان قد عّبر عنها بالداين والمسافة بالسنتيمتر، غير إن المعادلات المتعلقة بظاهرة المغناطيسية كانت توضع على أسس نظام آخر نشأ مع تطور المغناطيسية دعيّ بنظام الوحدات الكهرومغناطيسية (e.m.u.) واستعملت على أساسه وحدة للشحنة وهي وحدة الكهرومغناطيسية.
إن وحدات هذين النظامين سالفى الذكر ليست متساوية لنفس الكمية، أضف إلى ذلك فان مجموعة من الوحدات الكهربائية التي استعملت في القياسات العملية كالفولت والأمبير والاوم والهنري والفاراد تختلف في قيمتها عن تلك في النظامين المذكورين مما دعيّ إلى نشؤ نظام جديد للوحدات سميَّ بالنظام العملي.
وضع أسسه الإيطالي جورجي Giorgio في بداية القرن التاسع عشر نظام سميَّ بنظام متر-كيلوغرام-ثانية-أمبير ورمزه (MKSA) تبنته أقطار عديدة في العالم عام 1935. وأخيرا جاء النظام الدولي للوحدات SI System International وهو النظام الأمثل للوحدات وشمل ست وحدات أساسية وهي المتر (وحدة أساسية للأطوال) والكيلوغرام (وحدة للكتلة) والثانية (وحدة للزمن) والأمبير (وحدة لقياس التيار) ودرجة الحرارة المطلقة - كلفن- (وحدة لدرجة الحرارة) والكاندلا (وحدة قياس الشمعة).
وفقاً للنظام الدولي SI تقاس القوة بالنيوتن والمسافة بالأمتار، أما وحدة كمية الشحنة فلا تعرَّف بدلالة قانون كولوم بل بدلالة وحدة التيار (الأمبير) وتسمى الكولوم C، وتعرف بأنها كمية الشحنة المارة خلال مقطع عرضي لسلك في ثانية واحدة إذا مرَّ تيار ثابت مقداره واحد أمبير في هذا السلك. ولكون الكولوم كمية كبيرة نسبياً من الشحنة ، تستعمل وحدات اصغر منه وأكثر ملائمة هي الملي كولوم mC وميلي كولوم واحد يساوي 10-3 كولوم، أو المايكرو كولوم ويساوي 10-6 من الكولوم. وبمعرفة وحدات القوة F والمسافة r والشحنة q وفق النظام الدولي SI بشكل مستقل عن قانون كولوم يصبح من السهل استخراج القيمة العددية لثابت التناسب عملياً، وقد وجد أن أحسن قيمة له في الفراغ هي وتقرّب إلى . غالباً يستبدل الثابت بالمقدار حيث سماحية الفراغ Permittivity of Vacuum وقيمتها تساوي . وبذلك يصبح قانون كولوم