ما العوامل التي تتأثر بها كثافة الفيض الكهربائي على سطحٍ ما؟

1 إجابة واحدة

قبل الحديث عن التدفق الكهربائي يجب أولًا أن نتحدّث عن الحقل الكهربائي والذي يُعرّف بكونه القوة التي تنتج عن الشحنات الكهربائية في نقطة معينة ويكون ذلك وفق المعادلة:

E =F / q

حيث E واحدتها نيوتن/ كولون

على سبيل المثال الحقل الكهربائي الناتج عن نقطة شحنتها Q بالنسبة لنقطة أخرى شحنتها q يبعدان عن بعضهما مسافة r تُحسب كالتالي:

الحقل الكهربائي

في هذا المثال تتعرض النقطة ذات الشحنة q إلى قوة ناتجة عن الشحنة Q واتجاه هذه القوة موضحٌ بالأسهم التي تتوجه نحو المركز عند الشحنة السالبة وبعيدًا عنه عند الشحنة الموجبة وهذه الخطوط هي ما يُسمى بخطوط التدفق.

خطوط التدفق

تتميز خطوط الحقل الكهربائي أو خطوط التدفق الكهربائي بما يلي:

  • ترتبط قوة الحقل الكهربائي بعدد خطوط التدفق فيه.
  • تكون كافة خطوط التدفق موازية لبعضها البعض.
  • من الطبيعي أن تدخل خطوط التدفق الكهربائي أو أن تخرج من سطح جسمٍ مشحون.

يمكننا تمثيل المجال الكهربائي الذي يُتخيل وجوده حول شحنة كهربائية معينة بشكلٍ كمي عبر ما يُسمى التدفق الكهربائي. بناءً على ذلك يمكننا استخدام خطوط التدفق الكهربائي بشكل تصويري للتعبير عن توزع التدفق الكهربائي حول الشحنة المطلوبة.

بناءً على التجربة التي أجراها العالم مايكل فاراداي في نهاية العقد الثالث من القرن التاسع عشر يمكننا تخيل المجال الكهربائي الموجود حول الشحنة على شكل خطوطٍ متوزعة حول الشحنة. ووفقا لدراساته فالحقل الكهربائي يتكون من مجموعات صغيرة من خطوط القوى والتي يكون عددها ثابتًا.

تُسمى هذه المنطقة المغلقة أنبوب التدفق ويكون التدفق الكهربائي مساويًا لمجموع أنابيب التدفق الموجودة ضمن الحقل الكهربائي. بكلماتٍ أخرى يُعرّف الحقل الكهربائي على أنّه إجمالي عدد خطوط القوة الكهربائية ضمن أي حقلٍ كهربائي ويُرمز له في الفيزياء بالرمز Φ.

وإنّ مفهوم التدفق يرتبط دومًا بمرورٍ شيءٍ ما عبر مساحةٍ مُعينة، بناءً على ذلك يمكننا أن نقول أنّ التدفق الكهربائي يرتبط بمرور خطوط القوة عبر مساحة سطحٍ ما، وترتبط شدة التدفق الكهربائي بثلاثة عوامل هي:

  • شدة الحقل الكهربائي.
  • مساحة سطح الجسم الذي تمر منه الخطوط.
  • اتجاه أو ميل سطح الجسم بالنسبة لخطوط الحقل (الزاوية بين خطوط الحقل والسطح المطلوب).

إنّ العلاقة بين التدفق الكهربائي وشدة الحقل طردية حيث تؤدي زيادة شدة الحقل إلى زيادة عدد الخطوط المارة كما أنّها طردية أيضًا مع المساحة فزيادة المساحة تعني هي الأخرى مرور عددٍ أكبر من الخطوط.

بالنسبة إلى العامل الثالث وهو الزاوية يمكننا القول أنّ مقدار التدفق يكون أعظميًا في الحالة التي يكون فيها السطح عموديًا على خطوط الحقل الكهربائي في حين أنّ عدد الخطوط يقلّ تدريجيًا حتى ينعدم بشكل كلي عند توازي السطح مع الخطوط.

خطوط التدفق الكهربائي

وإن كمية التدفق الكهربائي التي تمر من خلال واحدة المساحة بشكل عمودي على اتجاه الحقل الكهربائي تدعى كثافة الفيض الكهربائي (Electric Flux Density) ويُعبر عنها رياضيًا بالعلاقة:

كثافة الفيض الكهربائي

حيث يكون:

  • Q هو شحنة الجسم الذي يخلق الحقل الكهربائي.
  • R هي المسافة التي تفصل بين النقطة المطلوبة ومركز الجسم المشحون.

وبما أنّ Q= Ψ كما علمنا سابقًا فيُصبح لدينا:

هذه المعادلة تُعبر عن الفيض الكهربائي على اعتبار أنّ (4πr^2) هي مساحة السطح التخيلي التي قطرها يُساوي R، وتكون هذه المعادلة المعبرة عن قيمة الكثافة للفيض الكهربائي عبر المساحة المعتبرة على بعد R من الجسم المشحون.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما العوامل التي تتأثر بها كثافة الفيض الكهربائي على سطحٍ ما؟"؟