ما هي طاقة الوضع الكهربائية؟
طاقة الوضع الكهربائية هي الطاقة المختزنة في منظومة مكوّنة من جسيمين مشحونين نتيجة تفاعلهما الكهروستاتيكي. فإذا كان لدينا شحنتان نقطيتان Q1 وQ2 تفصل بينهما مسافة r، فإن طاقة الوضع تُحسب بالعلاقة \( U = \frac{kQ_1Q_2}{r} \)، حيث يمثّل \(k\) ثابت كولوم (نحو \( 8.988 \times 10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2 \)). تنطبق هذه العلاقة بصورة عامة وتعتمد على وحدات النظام الدولي (SI): الشحنات بالكولوم (C)، والمسافة بالمتر (m)، والطاقة بالجول (J).
$$ U = k \cdot \frac{\text{Q}_1\,\text{(C)} \cdot \text{Q}_2\,\text{(C)}}{\text{r (m)}} $$
كيفية استخدام الحاسبة
أدخل الشحنتين Q1 وQ2 بوحدة الكولوم، ثم أدخل مسافة الفصل r بالمتر. تقوم الحاسبة بضرب الشحنتين في ثابت كولوم ثم القسمة على المسافة. ويمكنك استخدام الصيغة العلمية عند الحاجة (فمثلاً الميكروكولوم الواحد يساوي 0.000001 كولوم). النتيجة الموجبة تعني أن الشحنتين تتنافران (شحنتان متماثلتان في الإشارة)، بينما النتيجة السالبة تعني أنهما تتجاذبان (شحنتان مختلفتان في الإشارة).
شرح القانون
إشارة كل شحنة لها أهمية بالغة. فإذا كانت الشحنتان موجبتين معًا أو سالبتين معًا، يكون حاصل الضرب \( Q_1 \cdot Q_2 \) موجبًا، ما يعطي طاقة موجبة يجب بذلها لتقريب الشحنتين من بعضهما. أما إذا اختلفت إشارتا الشحنتين فيكون حاصل الضرب سالبًا، وتمتلك المنظومة طاقة أقل (سالبة) تعبّر عن التجاذب. وتقترب الطاقة من الصفر كلما ابتعدت الشحنتان إلى ما لا نهاية، وهي النقطة المرجعية المعتمدة.
مثال محلول
لنفترض أن \( Q_1 = 1 \) ميكروكولوم \( = 1\times10^{-6} \) كولوم، و\( Q_2 = 2 \) ميكروكولوم \( = 2\times10^{-6} \) كولوم، و\( r = 0.5 \) متر. عندئذٍ تكون
$$ U = \frac{8.988\times10^{9} \times 1\times10^{-6} \times 2\times10^{-6}}{0.5} = \frac{8.988\times10^{9} \times 2\times10^{-12}}{0.5} = \frac{0.017975}{0.5} = 0.03595\ \text{J} $$وبما أن كلتا الشحنتين موجبتان، فإن الطاقة موجبة — أي أن التكوين تنافري.
الأسئلة الشائعة
ماذا تعني النتيجة السالبة؟ تشير طاقة الوضع السالبة إلى أن الشحنتين تتجاذبان، وأن الطاقة ستتحرر عند اقترابهما من بعضهما.
هل هذه هي نفسها الجهد الكهربائي (الفولتية)؟ لا. فالجهد الكهربائي \( V = \frac{kQ}{r} \) هو الطاقة لكل وحدة شحنة (بالفولت)، أما هذه الحاسبة فتعطي الطاقة الكلية (بالجول) لزوج الشحنتين معًا.
ماذا يحدث إذا أدخلت \( r = 0 \)؟ يجب أن تكون المسافة أكبر من الصفر، لأن القانون يتباعد إلى ما لا نهاية عند انعدام المسافة، لذا تُرجع الحاسبة القيمة 0 لتجنّب القسمة على صفر.
