خطوط المجال الكهربائي
خطوط المجال الكهربائي هي خطوط وهمية تمثل اتجاه وشدة المجال الكهربائي في نقطة معينة. وهي متجهة من الشحنة الموجبة نحو الشحنة السالبة. وكلما زادت كثافة الخطوط، زادت شدة المجال الكهربائي.
ما الذي يحدد شكل خطوط المجال الكهربائي؟
يتحدد شكل خطوط المجال الكهربائي بشحنة وترتيب الشحنات في الفضاء. فالشحنات الموجبة تصدر خطوط مجال كهربائي تنطلق منها، بينما تصدر الشحنات السالبة خطوط مجال تنتهي إليها.
عندما تتفاعل شحنتان أو أكثر، فإن خطوط المجال الكهربائي الخاصة بكل شحنة تتداخل مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى تكوين نمط معقد من خطوط المجال.
إتجاه خطوط المجال الكهربائي
يعتمد اتجاه خطوط المجال الكهربائي على نوع الشحنة. فالشحنات الموجبة تٌصدر خطوط مجال كهربائي تنطلق منها، بينما تصدر الشحنات السالبة خطوط مجال تنتهي إليها.
يمكن استخدام خطوط المجال الكهربائي لتحديد اتجاه القوة الكهربائية على شحنة اختبار موجودة في المجال الكهربائي. فالقوة الكهربائية على شحنة اختبار موجبة ستكون في اتجاه خطوط المجال الكهربائي، بينما ستكون القوة الكهربائية على شحنة اختبار سالبة عكس اتجاه خطوط المجال الكهربائي.
شد خطوط المجال الكهربائي
يشير تركيز خطوط المجال الكهربائي إلى شدة المجال الكهربائي. فكلما زاد تركيز الخطوط، زادت شدة المجال الكهربائي والعكس صحيح.
ويمكن استخدام خطوط المجال الكهربائي لتحديد النقاط التي يكون فيها المجال الكهربائي أقوى أو أضعف. ففي المناطق التي تتركز فيها خطوط المجال الكهربائي، يكون المجال الكهربائي أقوى، بينما في المناطق التي تكون فيها خطوط المجال الكهربائي متباعدة، يكون المجال الكهربائي أضعف.
خطوط المجال الكهربائي حول شحنة نقطية
خطوط المجال الكهربائي حول شحنة نقطية تكون شعاعية، أي أنها تنطلق من الشحنة في جميع الاتجاهات.
يكون اتجاه خطوط المجال الكهربائي حول شحنة نقطية موجبة بعيدًا عن الشحنة، بينما يكون اتجاه خطوط المجال الكهربائي حول شحنة نقطية سالبة نحو الشحنة.
تكون شدة المجال الكهربائي حول شحنة نقطية متناسبة عكسًا مع مربع المسافة من الشحنة.
خطوط المجال الكهربائي بين شحنتين نقطيتين
خطوط المجال الكهربائي بين شحنتين نقطيتين تعتمد على علامتي الشحنتين. فإذا كانت الشحنتان متشابهتين (كلا الشحنتين موجبتين أو سالبتين)، فإن خطوط المجال الكهربائي بينهما ستكون متباعدة، وتكون القوة الكهربائية بينهما طاردة.
أما إذا كانت الشحنتان مختلفتين (إحداهما موجبة والأخرى سالبة)، فإن خطوط المجال الكهربائي بينهما ستكون متقاربة، وتكون القوة الكهربائية بينهما جاذبة.
تكون شدة المجال الكهربائي بين شحنتين نقطيتين متناسبة عكسًا مع مربع المسافة بين الشحنتين.
خطوط المجال الكهربائي حول موصل
خطوط المجال الكهربائي حول موصل تكون عمودية على سطح الموصل. وهذا يعني أن المجال الكهربائي داخل الموصل يساوي صفرًا.
سبب ذلك هو أن الإلكترونات الحرة داخل الموصل تتحرك بحرية استجابةً للمجال الكهربائي. فعندما يدخل المجال الكهربائي الموصل، تتحرك الإلكترونات الحرة بحيث تلغي المجال الكهربائي داخل الموصل.
تُستخدم هذه الخاصية في أقفاص فاراداي، وهي أقفاص معدنية تستخدم لحماية الأجهزة الإلكترونية من المجالات الكهربائية الخارجية.
خطوط المجال الكهربائي حول عازل
خطوط المجال الكهربائي حول عازل لا تكون عمودية على سطح العازل. وهذا يعني أن المجال الكهربائي داخل العازل لا يساوي صفرًا.
سبب ذلك هو أن الإلكترونات داخل العازل غير حرة في التحرك استجابةً للمجال الكهربائي. لذلك، لا يمكن للإلكترونات الحرة داخل العازل أن تلغي المجال الكهربائي داخل العازل.
تُستخدم هذه الخاصية في المكثفات، وهي أجهزة تستخدم لتخزين الطاقة الكهربائية.
استخدامات خطوط المجال الكهربائي
تستخدم خطوط المجال الكهربائي في العديد من التطبيقات، بما في ذلك:
- تصميم الأجهزة الإلكترونية
- حماية الأجهزة الإلكترونية من المجالات الكهربائية الخارجية
- تخزين الطاقة الكهربائية
- تحديد اتجاه القوة الكهربائية على شحنة اختبار
- قياس شدة المجال الكهربائي
الخلاصة
خطوط المجال الكهربائي هي خطوط وهمية تمثل اتجاه وشدة المجال الكهربائي في نقطة معينة. وهي متجهة من الشحنة الموجبة نحو الشحنة السالبة. وكلما زادت كثافة الخطوط، زادت شدة المجال الكهربائي.
يمكن استخدام خطوط المجال الكهربائي لتحديد اتجاه القوة الكهربائية على شحنة اختبار، وقياس شدة المجال الكهربائي، وتصميم الأجهزة الإلكترونية، وحماية الأجهزة الإلكترونية من المجالات الكهربائية الخارجية، وتخزين الطاقة الكهربائية.