المجالات الكهربائية المستقرة و الغير مستقر

المجال الكهربائي: تعريف عام

المجال الكهربائي هو الحيز أو المنطقة التي تظهر فيها آثار القوة الكهربائية الناتجة عن شحنة كهربائية. إذا وُضعت شحنة اختبار صغيرة في هذا المجال فإنها تتأثر بقوة كهربائية. يتم تمثيل المجال الكهربائي بخطوط تُظهر اتجاه وحجم القوة المؤثرة على شحنة موجبة.

يعرف المجال الكهربائي رياضياً بالعلاقة:

$$\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q}$$

حيث:

• $\vec{E}$: شدة المجال الكهربائي.
• $\vec{F}$: القوة الكهربائية.
• $q$: مقدار الشحنة الاختبارية.

أنواع المجالات الكهربائية

تنقسم المجالات الكهربائية إلى نوعين رئيسيين:

1. المجالات الكهربائية المستقرة (الساكنة)
2. المجالات الكهربائية غير المستقرة (المتغيرة)

أولاً: المجالات الكهربائية المستقرة (الساكنة)

تعريفها:

المجال الكهربائي المستقر هو المجال الناتج عن شحنات كهربائية ساكنة (أي غير متحركة). ولا يتغير هذا المجال مع الزمن. يكون هذا المجال ثابتاً من حيث الشدة والاتجاه في كل نقطة من نقاط الفضاء.

خصائص المجالات الكهربائية المستقرة:

1. ثبات الشحنات: الشحنات المسببة للمجال لا تتحرك، لذا لا يحدث تغير في طبيعة أو اتجاه المجال بمرور الوقت.
2. ثبات شدة المجال واتجاهه: عند نقطة معينة، لا تتغير شدة المجال أو اتجاهه مع الزمن.
3. عدم وجود تيار كهربائي: لأن الشحنات ساكنة، فلا يوجد تدفق مستمر للإلكترونات (أي لا يوجد تيار كهربائي).
4. خطوط المجال تبدأ وتنتهي عند الشحنات: تبدأ من الشحنات الموجبة وتنتهي عند السالبة، أو تمتد إلى اللانهاية في حالة وجود شحنة واحدة.

أمثلة على المجالات المستقرة:

• المجال الناتج عن شحنة نقطية ساكنة.
• المجال بين لوحين مشحونين وثابتين.
• المجال الناتج عن مجموعة من الشحنات الساكنة في موقعها.

استخدامات وتطبيقات:

• فيزيائياً: في دراسات القوى الساكنة بين الشحنات.
• عملياً: في تصميم المكثفات التي تعتمد على مجال ثابت بين لوحين.
• في الإلكترونيات: لتخزين الشحنات الكهربائية في الدوائر.

ثانياً: المجالات الكهربائية غير المستقرة (المتغيرة)

تعريفها:

هي المجالات الكهربائية الناتجة عن شحنات متحركة أو عن تغير الشحنات أو التيارات بمرور الزمن. وهذه المجالات تكون غير ثابتة، أي إن شدة المجال أو اتجاهه أو كليهما يتغير مع الزمن.

خصائص المجالات غير المستقرة:

1. وجود تيار كهربائي متغير: الشحنات المتحركة تولد تياراً كهربائياً، مما يؤدي إلى تغير مستمر في المجال.
2. اعتماد المجال على الزمن: شدة المجال واتجاهه يمكن أن يتغيرا مع الزمن، مثل المجال الناتج عن تيار متناوب (AC).
3. ينتج عنها مجال مغناطيسي متغير: وفقاً لقانون فاراداي، أي تغير في المجال الكهربائي يؤدي إلى نشوء مجال مغناطيسي متغير، والعكس صحيح.
4. تشكل جزءاً من الموجات الكهرومغناطيسية: المجالات الكهربائية غير المستقرة تلعب دوراً أساسياً في تكوين الموجات الكهرومغناطيسية مثل موجات الراديو والضوء.

أمثلة على المجالات الكهربائية غير المستقرة:

• المجال الناتج عن تيار كهربائي متناوب في سلك.
• المجال الناتج عن شحنة تتحرك بتسارع.
• المجال في دوائر التيار المتناوب AC.

العلاقة مع المجال المغناطيسي:

• تغير المجال الكهربائي يولد مجالاً مغناطيسياً، كما أن تغير المجال المغناطيسي يولد مجالاً كهربائياً (وفقاً لقانون فاراداي وقانون ماكسويل).
• هذا التفاعل بين المجالين هو ما يُنتج الموجات الكهرومغناطيسية.

مقارنة بين المجال الكهربائي المستقر وغير المستقر:

أهمية فهم المجالات الكهربائية:

1. أساس لفهم القوى الكهربية: المجالات الكهربائية هي الطريقة لفهم القوى التي تؤثر بها الشحنات بعضها على بعض دون تلامس.
2. ربط الكهرباء بالمغناطيسية: من خلال فهم المجالات غير المستقرة، نتمكن من الربط بين الظواهر الكهربائية والمغناطيسية.
3. أساس لعمل الأجهزة الكهربائية: معظم الأجهزة، من الهواتف إلى أجهزة الراديو، تعتمد على توليد وتغيير المجالات الكهربائية.

قوانين مهمة ذات علاقة:

1. قانون كولوم:

$$F = k \cdot \frac{q_1 q_2}{r^2}$$

• يوضح القوة بين شحنتين ساكنتين.
• يعتمد عليه تحليل المجالات المستقرة.

2. قانون غاوس للمجال الكهربائي:

$$\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \frac{q_{in}}{\varepsilon_0}$$

• يستخدم لحساب المجال الناتج عن توزيع شحنات.

3. قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي:

$$\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}$$

• يدل على أن تغير المجال المغناطيسي يولد جهداً كهربائياً، وبالتالي مجالاً كهربائياً غير مستقر.

خلاصة:

• المجال الكهربائي المستقر: مجال لا يتغير مع الزمن، ناتج عن شحنات ساكنة، لا يولد مجالاً مغناطيسياً.
• المجال الكهربائي غير المستقر: مجال يتغير مع الزمن بسبب شحنات متحركة أو تيارات متغيرة، ويرتبط ارتباطاً وثيقاً بالمجال المغناطيسي.
• دراسة المجالين ضرورية لفهم الأسس النظرية والعملية للكهرباء والإلكترونيات، وكذلك لشرح الظواهر الطبيعية والابتكارات التكنولوجية.