طاقة الوضع الكهربية

تذكر عند مناقشة حركة جسم من مكان إلى آخر في مجال للجاذبية ( ثتاقلي) أننا استعملنا مفهوم طاقة الوضع التثاقلية (GPE). فلكي نرفع جسماً كتلته m بدلاً من استعمال قوة تتجه إلى أعلى مقدارها mg حتى تتوازن مع شد الجاذبية للجسم إلى أسفل. والشغل المبذول لرفع الجسم لمسافة مقدارها h هو عبارة عن حاصل ضرب القوة في المسافة أو mgh. وهنا نقول ان هذا الشغل دق ادى إلى زيادة طاقة الوقع التثاقلية عند ارتفاع مقداره (KE) = h طاقة الحركة المكتسبة خلال المسافة h.

وقد جنينا فائدة ضخمة من طاقة الوضع التثاقلية وتحويلها المتبادل مع طاقة الحركة أثناء دراستنا للميكانيكا.

وهنا موقف مماثل لهذا في الكهربية؛ لأن الاجسام المشحونة عادة ما يكون لديها طاقة وضع كهربية يمكن تحويلها إلى طاقة حركة، ولإيضاح ذلك لنعتبر حالة جسم. مشحون موجود بين لوحين متوازيين ومشحونين (وسوف نهمل قوى الجاذبية في هذه المناقشة لأنها مهملة القيمة مقارنة بالقوى الكهربية التي نحن بصددها). ويوضح الشكل ((1 المجال الكهربي في المنطقة الوسطي بين اللوحين؛ حيث تكون له قيمة ثابتة E ويتجه كما في الشكل. أما الشكل ((2 فيبين القوى المؤثرة على جسم موجب الشحنة بين اللوحين والجسم المشحون بشحنة q سيتأثر بقوة مقدارها Eq بسبب وجود المجال الكهربي ويكون اتجاه هذه القوى نحو اليمين. وإذا أردنا ان نمسك بالجسم المشحون في مكانه فلا يتحرك فلا بد أن نؤثر عليه بقوة مقدارها F = -Eq.

لنفترض أن الجسم المشحون (وهو أصغر بكثير مما هو مبين بالشكل) موجود أصلاً في النقطة A في الشكل ((1. فلو أردنا تحريكه إلى النقطة B للزم أن نجذبه في المسافة كلها بقوة مقدارها F. أي أننا سنبذل شغلاً على السجم عند جذبنا له من A إلى B. وحيث أن E ثابت في هذا الموقف فإن الشغل الذي تبذله القوة F للانتقال من A إلى B هو:

وهذا الشغل مشابه تماماً للشغل المبذول في رفع جسم ضد قوة الجاذبية الثابتة. ولهذا نقول أن الشغل المبذول في جذب الشحنة ضد القوة الكهربية يزيد من طاقة الوضع الكهربية للشحنة. وعلينا تذكر انه في كلتا الحالتين ــ التثاقلية والكهربية ــ فإن الفرق في طاقة الجهد فقط هو المهم فيزيائياً.

وبعد أن نصل بالجسم إلى النقط B يمكننا ان نطلقه ونستعيد طاقة وضعه على هيئة طاقة حركة. فالجسم المشحون وهو عند B سيجذب نحو النقطة A بالقوة Eq (التي أصبحت الآن غير متوازية) والتي تؤثر عليها وهكذا فعندما يطلق الجسم عند B بالسنبة لنقطة أخرى A إن طاقة الوضع الكهربية لشحنة عند النقطة B بالنسبة للنقطة A تساوي الشغل المبذول ضد القوى الكهربية لتحريك الشحنة من A إلى B.

ويكمن الفرق الأساسي عند مقارنة طاقة الوضع الكهربية مع طاقة الوضع التثاقلية في حقيقة أن هناك نوعين من الشحنة. ولننظر الآن ماذا يمكن أن يحدث لو ان الشحنة الموجود بين اللوحين كانت سالبة. إن القوة المؤثرة على الشحنة –q ستتجه الآن في عكس اتجاه المجال E، وعلى هذا فالقوة المؤثرة لابد وأن تبذل شغلاً موجباً على –q حتى تحركها من B إلى A؛ أي ان الشحنة –q كانت ستحوز على طاقة وضع كهربية أكبر عند A عما إذا كانت عند B. وإذا سمح لها أن تتحرك بحرية "لسقطت" من A نحو B في اتجاه عكس اتجاه E.