Eالقوة الفكرية، مثل قوة الجاذبية، تتغير عكسيا مع مربع المسافة بين جسمين نقطيين. يمكن لكلتا القوتين العمل من مسافات بعيدة.

كيف يمكن أن تؤثر القوة على ما يبدو أنه مساحة فارغة؟ اقترح مايكل فاراداي أنه نظرًا لأن الجسم المشحون كهربائيًا، A، يخلق قوة على جسم مشحون آخر، B، في أي مكان في الفضاء، فإن الجسم A يجب أن يغير خصائص الفضاء بطريقة أو بأخرى. يستشعر الجسم B بطريقة أو بأخرى التغير في الفضاء ويواجه قوة بسبب خصائص الفضاء في موقعه. نحن نسمي الخاصية المتغيرة للفضاء مجالًا كهربائيًا. ويعني المجال الكهربائي أن التفاعل ليس بين جسمين بعيدين، بل بين الجسم والمجال الموجود في موقعه.

 

يمكن للقوى التي تمارسها المجالات الكهربائية أن تبذل شغلًا، وتنقل الطاقة من المجال إلى جسم مشحون آخر.

 

كيف يمكنك قياس المجال الكهربائي؟ ضع جسمًا صغيرًا مشحونًا في مكان ما. إذا كانت هناك قوة كهربائية تؤثر عليه، فإن هناك مجالًا كهربائيًا عند تلك النقطة. يجب أن تكون الشحنة الموجودة على الجسم المستخدم لاختبار المجال، والتي تسمى شحنة الاختبار، صغيرة بما يكفي بحيث لا تؤثر على الشحنات الأخرى.

المجال الكهربائي $\vec{E}$ الموجودة عند نقطة ما هي القوة الكهروستاتيكية $\vec{F}$ من ذوي الخبرة من خلال تهمة اختبار صغيرة $q_0$ توضع عند هذه النقطة مقسومة على الشحنة نفسها:

$$\vec{E}= \dfrac{\vec{F}}{q_0}$$

المجال الكهربائي هو متجه، واتجاهه هو نفس اتجاه القوة $\vec{F}$ على تهمة اختبار إيجابية.

SI Unit of Electric Field: newton per coulomb (N/C)

رسوم النقطة

يمكن الحصول على فهم أكثر اكتمالًا لمفهوم المجال الكهربائي من خلال النظر في المجال الناتج عن الشحنة النقطية. المجال الكهربائي الناتج عن شحنة نقطية $q$ يمكن الحصول عليها بشكل عام من قانون كولومب:

$$E= \dfrac{k \left | q \right |}{r^2} $$

ومن هذه النتيجة، لا يعتمد المجال الكهربائي على شحنة الاختبار $q_0$.

كما في قانون كولوم الرمز $\left | q \right |$ يدل على حجم $q$، بغض النظر عما إذا كان $q$ إيجابية أو سلبية. لو $q$ هو إيجابي، ثم $\vec{E}$ يتم توجيهه بعيدا عن $q$. ومن ناحية أخرى، إذا $q$ هو سلبي، ثم $\vec{E}$ يتم توجيهه نحو $q$لأن الشحنة السالبة تجذب شحنة اختبار موجبة.

مكثف اللوحة المتوازية

المعادلة التي تعطي المجال الكهربائي لشحنة نقطية هي نتيجة مفيدة للغاية. بمساعدة حساب التفاضل والتكامل، يمكن تطبيق هذه المعادلة في مجموعة متنوعة من المواقف حيث يتم توزيع الشحنات النقطية على سطح واحد أو أكثر. أحد الأمثلة التي لها أهمية عملية كبيرة هو مكثف اللوحة المتوازية. يتكون هذا الجهاز من لوحين معدنيين متوازيين، لكل منهما مساحة $A$. تهمة $+q$ ينتشر بشكل موحد على لوحة واحدة، في حين أن تهمة $-q$ ينتشر بشكل موحد على اللوحة الأخرى. في المنطقة الواقعة بين الصفيحتين وبعيدًا عن الحواف، يشير المجال الكهربائي من اللوحة الموجبة نحو اللوحة السالبة ويكون متعامدًا على كليهما. يمكن إثبات أن هذا المجال الكهربائي له شدة:

$$ E=\dfrac{q}{\varepsilon_0 A } = \dfrac{\sigma}{\varepsilon_0}$$

أين $\varepsilon_0$ هي السماحية للمساحة الحرة. في هذا التعبير الرمز اليوناني سيجما ($\sigma$) تشير إلى الشحنة لكل وحدة مساحة ($\sigma = q/A$) ويطلق عليها أحيانًا كثافة الشحنة. باستثناء المنطقة القريبة من الحواف، يكون للمجال نفس القيمة في جميع الأماكن بين اللوحات. لا يعتمد المجال على المسافة من الشحنات، في تناقض واضح مع المجال الناتج عن شحنة نقطية معزولة.

كما رأينا، تخلق الشحنات الكهربائية مجالًا كهربائيًا في الفضاء المحيط بها. من المفيد أن يكون لديك نوع من "الخريطة" التي تعطي اتجاه وقوة المجال في أماكن مختلفة. اقترح عالم الفيزياء الإنجليزي الكبير مايكل فاراداي (1791-1867) فكرة توفر مثل هذه "الخريطة" لفكرة خطوط المجال الكهربائي. وبما أن المجال الكهربائي هو القوة الكهربائية لكل وحدة شحنة، فإن خطوط المجال تسمى أيضًا خطوط القوة.

في المواد الموصلة مثل النحاس، تتحرك الشحنات الكهربائية بسهولة استجابة للقوى التي تمارسها المجالات الكهربائية. إن خاصية المواد الموصلة هذه لها تأثير كبير على المجال الكهربائي الذي يمكن أن يوجد داخلها وحولها. لنفترض أن قطعة من النحاس تحمل عددًا من الإلكترونات الزائدة في مكان ما بداخلها. سيواجه كل إلكترون قوة تنافر بسبب المجال الكهربائي لجيرانه. وبما أن النحاس موصل، فإن الإلكترونات الزائدة تتحرك بسهولة استجابة لتلك القوة. في الواقع، ونتيجة لذلك $l/r^2$ اعتماداً على المسافة في قانون كولوم، فإنها تندفع إلى سطح النحاس. بمجرد تحقيق التوازن الساكن مع كل الشحنات الزائدة على السطح، لا تحدث أي حركة أخرى للشحنات. وبالمثل، فإن الشحنات الموجبة الزائدة تنتقل أيضًا إلى سطح الموصل. بشكل عام، في حالة التوازن تحت الظروف الكهروستاتيكية، تتواجد أي شحنة زائدة على سطح الموصل.

الآن فكر في الجزء الداخلي من النحاس. الجزء الداخلي محايد كهربائيًا، على الرغم من أنه لا تزال هناك إلكترونات حرة يمكنها التحرك تحت تأثير المجال الكهربائي. يشير غياب الحركة الصافية لهذه الإلكترونات الحرة إلى عدم وجود مجال كهربائي صافي داخل الموصل. وفي الواقع، فإن الشحنات الزائدة ترتب نفسها على سطح الموصل بدقة بالطريقة اللازمة لجعل المجال الكهربائي صفرًا داخل المادة. وهكذا، في حالة التوازن تحت الظروف الكهروستاتيكية، يكون المجال الكهربائي صفرًا عند أي نقطة داخل المادة الموصلة. هذه الحقيقة لها بعض الآثار الرائعة.

لقد ناقشنا كيف تخلق الشحنة النقطية مجالًا كهربائيًا في المساحة المحيطة بالشحنة. هناك أيضًا العديد من المواقف التي يتم فيها إنتاج المجال الكهربائي عن طريق شحنات منتشرة على منطقة ما، وليس عن طريق شحنة نقطية واحدة. تسمى هذه المجموعة الممتدة من الرسوم بتوزيع الرسوم. على سبيل المثال، يتم إنتاج المجال الكهربائي داخل مكثف اللوحة المتوازية من خلال انتشار الشحنات الموجبة بشكل موحد على لوحة واحدة وعدد متساو من الشحنات السالبة المنتشرة على اللوحة الأخرى. وكما سنرى، يصف قانون غاوس العلاقة بين توزيع الشحنة والمجال الكهربائي الناتج عنها. وقد صاغ هذا القانون عالم الرياضيات والفيزياء الألماني كارل فريدريش غاوس (1777-1855).

في عرض قانون غاوس، سيكون من الضروري تقديم فكرة جديدة تسمى التدفق الكهربائي. تتضمن فكرة التدفق المجال الكهربائي والسطح الذي يمر عبره. من خلال الجمع بين المجال الكهربائي والسطح الذي يمر من خلاله، سنكون قادرين على تحديد التدفق الكهربائي ومن ثم تقديم قانون غاوس.