أوراق عمل داعمة هيكل امتحان الفيزياء الصف الثاني عشر متقدم الفصل الأول
1.2 الشحنة الكهربائية
علم الكهرباء الساكنة ؛ وهو دراسة الشحنات الكهربائية التي يمكن تجميعها والابقاء عليها في مكان واحد .
عرض مجهري للذرة
- تتكون الذرة من نواة ضخمة موجبة الشحنة ، محاطة بسحبة من الالكترونك السالبة .
- في الجسم المتعادل كهربائيا تكون الذرات متعادلة كهربائيا ؟ لان كمية الشحنة السالبة (الالكترونات) تساوي كمية الشحنة الموجبة (البروتونات)
بإضافة الطاقة الى الذرة يمكن نزع الالكترونات الخارجية للذرة وانتقالها الى ذرة أخرى . بينما البروتونات فلا يمكن انتزاعها من النواة
المادة التي ذراتها تفقد الكترونات ستظهر عليها شحنة موجبة ، بينما المادة التي ذراتها تكتسب الكترونات ستظهر عليها شحنة سالبة .
الشحنة الكهربائية: هي خاصية فيزيائية للمادة تظهر فقط إذا حدث خلل في التعادل الكهربائي للمادة وهي نوعان موجبة وسالبة
رمزها: q
وحدة قياسها بالنظام الدولي للواحدات هي الكولوم (C) نسبة للعالم الفيزياء كولوم
الكولوم يكافئ أمبير. ثانية حيث (IC= IAS)
الشحنة الكهربائية وهي على نوعان
١. الشحنة السالبة ، ونحصل عليها عندما تكتسب ذرات المادة الكترونات
٢. الشحنة الموجية ، ونحصل عليها عندما تفقد ذرات المادة الكترونات.
٣. نستتتج من ذلك أن الحصول على الشحنة الكهربائية يتم بسبب انتقال الالكترونات من مادة الى أخرى .
قانون الشحنات الكهربائية :
الشحنات المتماثلة تتتافر والشحنات المختلفة تتجاذب
قانون حفظ الشحنة : (الشحنة الكهربائية محفوظة)
والذي ينص على أن الكمية الكلية للشحنة الكهربائية في أي نظام مغلق لا تتغير أي أن الشحنة محفوظة لا تفنى ولا تستحدث من العدم بل تنتقل من جسم إلى جسم آخر
لان عدد الإلكترونات التي تفقدها المادة يساوي عدد الإلكترونات التي تكتسبها المادة الأخرى ، فيبقى العدد الكلي للإلكترونات ثابت
تكون الشحنة الكهريائية مساوية لمضاعفات صحيحة فقط لأقل كمية شحنة (e) ونعبر عن ذلك بقولنا أن الشحنة مكماة
العوازل والموصلات وأشباه الموصلات والموصلات الفائقة التوصيل
المواد حسب توصيلها للتيار الكهربائي
١. مواد موصلة : مواد جيدة التوصيل للتيار الكهرباء (تسمح بانتقال الشحنة خلالها بسهولة)
(السبب : تحتوي على وفرة في عدد الالكترونات الحرة)
* منها موصلات جيدة وردينة . ( وفقا للخصائص كل نوع من المواد )
* تتميز المواد الموصلة بتركيب الكتروني يسمح لبعض الالكترونات بحرية الحركة لخلالها ( تسمى الالكترونات الحرة )
* في المحاليل يتم التوصيل عن طريق الأيونات الموجبة والسالبة .
* مثال : الحديد - النحاس - الألمنيوم - المحاليل الكهربائية - الغازات المتأينة - الأرض - جسم الانسان .
٢. مواد عازلة: مواد عديمة التوصيل للتيار الكهرباء ( لا تسمح بانتقال الشحنة لخلالها بسهولة)
( السبب : لا تحتوي على وفرة في عدد الالكترونات الحرة منها عوازل جيدة ورديئة ، ( وفقا لخصائص كل نوع من المواد)
* لا تكون الألكترونات حرة الحركة بسبب الارتباط القوي بين الكترونات المادة وذراتها الذي يمنع هروب الالكترونات من الذرات لتتحرك بحرية لخلال المادة ، حتى عند إضافة شحنة خارجية إلى الماجة العازلة ،لا تتحرك هذه الشحنة الخارجية
* تبقى الشحنة مكنها ولا تنتقل خلال الجسم
* مثال : الزجاج - المطاط - البلاستيك - الهواء الجاف.....
٣. أشباه الموصلات
* مواد يمكن أن تتغير من عازلة إلى موصلة ثم إلى عزلة مرة أخرى.
* في ظروف معينة تعتبر موصلة وأخرى تعتبر عازلة
* تعتبر أساس كل صناعات الكمبيوتر والالكترونيات الاستهلاكية ( مثل التلفاز والكاميرات ومشغلات العاب الفيديو الهواتف
* تقسم أشباه الموصلات إلى نوعين
نقية
* تعتبر عازلة في درجات الحرارة المنخفضة جدا ( قريبة من o k )
* يزداد توصيلها بزيادة درجة الحرارة بسبب كسر الروابط التساهمية بين للذرات .
* أمثلة على أشباه الموصلات النقية : البلورات النقية كيميائيا لزرنيخ الجاليوم ، الجرمائيوم ، السيليكون .
غير نقية:
تصنع اشباه الموصلات غير النقية عن طريق التطعيم : وهو اضافة شوائب (ذرات من عنصر خماسي أو ثلاثي التكافؤ الى بلورة شبه موصل نقية لعنصر رباعي بهدف زيادة تركيز الالكترونات الحرة أو الفجوات بها.
تقسم أشباه الموصلات الغير نقية إلى نوعين
شبه الموصل من نوع n - type
عند تطعيم بلورة شبه الموصل بعنصر خماسي مثل الزرنيخ أو الفسفور أو الانتيمون Sb حيث تشارك ذرة الشائبة ب 4 الكترونات ويتبقى الالكترون حر فيضاف الى رصيد الالكترونات الحره الناتجه بفعل الحراره وتتحول ذرة الشائبة الى أيون موجب
تسمى ذرات الشوائب التي تفقد الكترونات بالذرات المانحات
شبه الموصل من نوع p - type
عند تطعيم بلورة شبه الموصل بعنصر ثلاثي مثل اليورون أو جاليوم أو الالومنيوم حيث تشارك ب 3 الكترونات ويتبقى مكان فارغ فتجذب ذرة الشائبه الكترون من رابطه مجاوره وتظهر فجوة موجبة في رابطة سليكون ونتيجة لذلك تضيف ذرات الشوائب فجوات أخرى الى الفجوات الموجبة (المتكونه بفعل الحرارة وتتحول ذرة الشائبه الى ايون سالب
تسمى ذرات الشوائب التي تكتسب الكترونات بالذرات المستقبلة
الموصلات الفائقة التوصيل :
- تكون فائقة التوصيل فعليا عند درجات حرارة منخفضة جدا
- مواد مقاومتها للتوصيل الكهربائي صفر.
- لا يحدث فيها فقد الطاقة
- من نماذج الموصلات فائقة التوصيل سبيكة النيوييوم والتيتانيوم التي يجب المحافظة عليها عند درجة حرارة قريبة ( 4.2)
- تم تطوير مواد جديدة تسمى الموصلات الفائقة التوصيل عالية الحرارة تكون هذه المواد فائقة التوصيل عند درجة النتروجين السائل (77.3k) لكن حتى الأن لم تكتشف مواد فائقة التوصيل عند درجة حرارة الغرفة
* أي من العبارات التالية صحيحة عن التوصيل الكهربائي ؟
- العوازل لديها مقاومة كهربائية متدنية
- تعتبر الفلزات موصلات جيدة للكهرياء
- تكون المقاومة الكهربائية للموصلات فائقة التوصيل تساوي الصفر عند درجة حرارة الغرفة
- يعتبر السيليكون والجرمانيوم من المواد فائقة التوصيل للكهرباء
1.4 الشحن الكهروستاتيكي Charging Electrostatic
الكشاف الكهربائي : هو عبارة عن جهاز يظهر استجابة ملحوظة عند شحنه
- يستخدم للكشف عن الحالة الكهربائية للجسم أي مشحون أو غير مشحون
- يستخدم للكشف عن نوع شحنة جسم مشحون مسبقا
تركيبه يتكون من :
قرص معدني متصل بموصلين أحدهما ثابت والأخر متحرك قابل للحركة والدوران يحيط بهما اطار زجاجي لتقليل تأثير الهواء على الرققق المعدنية كما يظهر في الشكل المجاور
ملاحظات
* يعتمد مقدار دوران الموصل المتحرك على كمية شحنة الكشاف أو شحنة الجسم المشحون
* يمكن التخلص من شحنة الكشاف عن طريق التوصيل بالأرض وتسمى هذه العملية تأريض
طرق الشحن الأجسام :
أولا: الشحن بالتوصيل: يستخدم لشحن المواد الموصلة والعازلة
ويتضمن الخطوات
1- كشاف كهربائي غير مشحون
2- عند ملامسة الساق السالبة لكرة الكشاف سوف يصبح الكشاف ذو شحنة سالبة بسبب انتقال الالكترونات من الساق الى الكشاف وأن مقدار شحنة الساق سوف تقل بينما مقدار الشحنة الكلية للنظام المغلق المكون من الساق والكشاف تبقى ثابته
3- ابعاد الساق المشحون ، يجعل الشحنة السلبة تتوزع على أجزاء الكشاف وهما كرة الكشاف والورقتين .
خصائص الشحن بالتوصيل
- شحنة الجسمين بعد التلامس تكون من نفس النوع
- تقل شحنة الموثر
- مجموع شحنتي الجسمين قبل التلامس يساوي مجموع شحنتي الجسمين بعد التلامس