تلعب الفيزياء دورًا كبيرًا في فهم الحياة من حولنا. ويعد قانون كولوم من أشهر القوانين الفيزيائية التي أوضحت لنا العديد من الظواهر الطبيعية التي تحدث حولنا. حيث يعبر القانون عن مقدار القوة الكهربائية المتكونة بين الشحنات المختلفة، وظهر بسبب ذلك العديد من التطبيقات التي ساعدت في تطور التكنولوجيا. لذلك، سنتعرف في هذا الموضوع على نص القانون بشرح بسيط، وكذلك أهم تطبيقاته المعروفة.
تعريف قانون كولوم
يُنسب اكتشاف قانون كولوم للعالم الفرنسي الفيزيائي شارل دي كولوم، في نهاية القرن الثامن عشر. وقد سمي القانون باسمه، ويعرّف القانون بأنه القانون المستخدم لحساب القوة الكهربائية الناتجة عن تأثير الشحنات الكهربائية لبعضها البعض. لاستنتاج هذا القانون استعان شارل دي كولوم بجهاز يسمى ميزان اللّي أو كما يعرف بالإنجليزية Torsion Balance، حيث لاحظ تكون قوة كهربائية بين الجسيمات المشحونة. مع التجربة لاحظ تنافر الجسميات ذات الشحنات المتشابهة، وتجاذب الجسيمات ذات الشحنات المختلفة.
نص وشرح القانون
ينص القانون أن قوة التنافر أو التجاذب الكهربائية بين شحنتين كهربائيتين تتناسب بالطرد مع مقدار الشحنتين، وتتناسب بالعكس مع مربع المسافة بينهما. بمعني آخر، أي جسمين مشحونين يؤثر كل منهما على الآخر بنفس مقدار القوة الكهربائية، ولكن اتجاه التأثير يكون عكسيًا. وهذا ما ينص عليه أيضًا قانون نيوتن الثالث “لكل فعل رد فعل مساو له في المقدار ومضاد له في الاتجاه”. من هنا، يكون تأثير الشحنة الأولي هو الفعل، وتأثير الشحنة الثانية هو رد الفعل، واتجاه التأثير يكون عكس قوة الفعل، وتتأثر هذه القوة بما يأتي:
- مقدر الشحنتين الكهربائيتين (شـ1، وشـ2) بعلاقة طردية.
- سماحية الوسط الكهربائي، بعلاقة عكسية.
- مربع المسافة بين شحنات (ف²) بعلاقة عكسية.
صيغة قانون كولوم الرياضية
يعبر عن قانون كولوم رياضيًا بالطريقة التالية: ق = أ (شـ1×شـ2) / ف². حيث تعبر رموز القانون عن ما يلي:
- ق أو F: القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنتين، ووحدة قياسها النيوتن.
- أ أو A: ثابت التناسب، وهو ثابت يعتمد على سماحية الوسط الكهربائي (ε)، ويقاس بوحدة نيوتن×م²/ كولوم².
- شـ1×ِشـ2 أو q1×q2: مقدار الشحنة الأولي والثانية بالكولوم.
- ف أو d: هي المسافة بين الشحنتين، وتقاس بالمتر.
تطبيقات حياتية على القانون
بعد اكتشاف العالم الكبير شارل كولوم لهذه الظاهرة، ووضع صيغة رياضية للقانون، أصبح للقانون علاقة بالكثير من مظاهر حياتنا اليومية. فيما يلي، نتعرف على بعض تطبيقات قانون كولوم المختلفة:
خلط المواد في الماء
يعد القانون هو الأهم للمجال الكهربائي، لذا يظهر في الكثير من مظاهر الحياة اليومية. أبرز هذه المظاهر هو خلط المواد كالملح في الماء، حيث يعتمد ذلك على قطبية المادة المذابة. وتتم عملية الإذابة بعد تفاعل إلكتروستاتيكي بين المذيب والمادة المذابة، ومن أشهر هذه الأمثلة كما ذكرنا: ملح الطعام الذي ينجذب للماء بسبب طبيعته القطبية، على عكس ما نلاحظه في الزيت ذات الطبيعة غير القطبية.
القضيب المشحون
يتم شحن قضيب من الزجاج باستخدام نوع من القماش الحريري أو الصوفي. بعد شحن القضيب، يصوب نحو قطع من الورق أو أجسام ذات شحنات موجبة كالريش، فينجذب الريش للقضيب بسبب قوة الجذب المتبادلة بين الجسمين. ويعد هذا من أشهر تطبيقات قانون كولوم.
المشط وقطع الورق
بعد فرك المشط في الشعر تترسب الشحنات على أسنان المشط، وبتقريب المشط المشحون من قطع ورق صغيرة مشحونة بشحنة معاكسة تنجذب للمشط. هذا التفاعل الكهربائي يوضح القانون أيضًا.
تطبيقات تكنولوجية على قَانون كُولوم
يعد القانون من القوانين الأساسية في الفيزياء والكهرباء الساكنة، ويستخدم القانون في كثير من الأحيان لتطوير التكنولوجيا. ونتعرف الآن على بعض التطبيقات العملية على القانون، وهي كالآتي:
الطلاء الإلكتروستاتيكي
تعرف هذه العملية بطلاء المعادن بطريقة رش خاصة، هذا باستخدام مسدس الرش لطلاء السطح المطلوب، وذلك كالتالي:
- بتطبيق نظام الشحنة الكهربائية على المحلول الذي سيتم رشه، والسطح الذي سيستقبل هذا السائل.
- يحوي السطح شحنة سالبة أثناء عملية الرش، بينما يحوي السائل شحنة موجبة عند رشه من فوهة المسدس.
- تنجذب إلكترونات الشحنة السالبة للسطح، مع بروتونات الشحنة الموجبة للسائل المحلول، وبهذا يتم الطلاء.
تعد هذه الطريقة مهمة لتكلفتها القليلة، وسهولة التحكم في كثافة الطلاء، بالإضافة إلى كونها عملية صديقة للبيئة.
التصوير الجاف
يرجع اختراع التصوير الجاف للعالم الفيزيائي الأمريكي تشيستر كارلسن في عام 1938، وعمل على تطوير النظام عدة مرات أخرى بعد ذلك. وتعتمد هذه العملية على ظاهرتين:
- زيادة التوصيل الكهربائي أثناء تعرض المادة للضوء.
- تجاذب المواد المشحونة بشحنات متعاكسة في المجال الكهربائي لمكانية التصوير.
لهذا كانت هذه العملية جافة، لا تتطلب أي سائل، وتعد من أشهر تطبيقات قانون كولوم المستخدمة إلى الآن.
