أوراق عمل شاملة فيزياء الصف الثاني عشر متقدم - نموذج 2
توليد المجالات الكهربائية وقياسها
تفسير مایکل فاراداي لتأثير قوة ما خلال الفراغ :
اقترح مایکل فاراداي أن الجسم A المشحون كهربائيا يؤثر بقوة في جسم أخر B مشحون كهربائيا عندما يكون موضوعا في أي مكان في الفراغ أو الوسط - بسبب أن الجسم A يجب أن يغير بطريقة ما من خصائص ذلك الوسط ، وسيستشعر الجسم B بطريقة ما ذلك التغير في الفراغ أو الوسط ، وسيتأثر بقوة ناجمة عن التغير في خصائص الوسط في موقعه
المجال الكهربائي ، " هو تغير خاصية الوسط في المنطقة المحيطة بالشحنة الكهربائية "
" هو المنطقة المحيطة بالشحنة الكهربائية ، والتي يظهر فيها أثر قوتها الكهربائية "
ملاحظات هامة :
١- المجال الكهربائي لا يعني التفاعل بين جسمين عن بعد ، بل يعني التفاعل بين الجسم والمجال الكهربائي عند موقع الجسم.
۲. يمكن للقوى التي تؤثر بها المجالات الكهربائية أن تبذل شغلا ، فتنتقل الطاقة من المجال إلى جسم آخر مشحون .
قياس ( تحديد ) المجال الكهربائي ..
لتحديد وقياس مجال كهربي تستخدم شحنة صغيرة موجبة تسمى " شحنة الاختبار " ، فإذا تأثرت شحنة الاختبار بقوة فسيكون هناك مجال كهربي .
شحنة الاختبار
"هي شحنة صغيرة موجبة تستخدم لقياس شدة مجال كهربائي "
۲- نحسب القوة المؤثرة في شحنة الأختبار(q)، حيث نجد أن هذه القوة ستتناسب طرديا مع مقدار شحنة الاختبار ، وذلك حسب قانون کولوم ، لذلك تبقى النسبة بين القوة والشحنة ثابتة وتسمى "شدة المجال الكهربائي "
شدة المجال الكهربائي .
" هو حاصل قسمة مقدار القوة المؤثرة في شحنة اختبار موجبة على مقدار تلك الشحنة "
وتقاس شدة المجال الكهربائي بوحدة : نيوتن / کولوم ( N/C )
ويكون اتجاه المجال الكهربائي في نفس اتجاه القوة المؤثرة في شحنة اختبار موجبة
العوامل التي تتوقف عليها شدة المجال الكهربائي عند نقطة
۱. مقدار القوة المؤثرة. ۲- موقع هذه النقطة .
ملاحظات هامة :
١- يمكن تمثيل المجال الكهربائي بمتجهات تبين شدة المجال المجال ، أما اتجاه السهم فيدل على اتجاه المجال . عند مواقع مختلفة ، حيث يدل طول السهم على شدة
۲- لإيجاد المجال الكهربائي الناشئ عن شحنتين عند نقطة ما، يتم إيجاد المجال الناشئ عن كل شحنة على انفراد عند تلك النقطة ، ثم يجمع هذان المجالان جمع اتجاهيا.
۳- أي شحنة توضع في مجال كهربائي ستتأثر بقوة ناتجة عن المجال الكهربائي في ذلك الموقع ( F = Eq ) حيث يعتمد مقدار هذه القوة على:
أ- مقدار المجال الكهربائي ب. مقدار الشحنة
ويعتمد اتجاه هذه القوة على اتجاه المجال ، و على نوع الشحنة المتأثرة.
تمثيل المجال الكهربائي
خطوط المجال الكهربائي (خطوط القوة )، " هي خطوط تستخدم لتمثيل المجال الكهربائي الفعلي في الفراغ أو الوسط المحيط بالشحنة "
خصائص خطوط المجال الكهربائي
١- يكون اتجاه المجال الكهربائي عند أي نقطة هو اتجاه المماس المرسوم على خط المجال عند تلك النقطة
۲- تشير المسافات بين خطوط المجال الكهربائي إلى شدة المجال الكهربائي ، فكلما كانت الخطوط متقاربة كان المجال قويا ، وكلما تباعدت الخطوط كان المجال الكهربائي ضعيفا .
٣- تنتشر خطوط المجال في ثلاث أبعاد ( إلا أنه يتم تمثيلها في بعدين فقط).
٤- يكون اتجاه خطوط المجال الكهربائي في اتجاه القوة المؤثرة في شحنة اختيار موجبة ، أي أن خطوط المجال الكهربائي تخرج من الشحنة الموجبة وتدخل إلى الشحنة السالبة.
٥. خطوط المجال الكهربائي لا يمكن أن تتقاطع مطلقا .
٦. خطوط المجال الكهربائي خطوط وهمية لا مجال لها في الواقع .
تعليلات هامة
يجب أن تكون شحنة الاختبار التي تستخدم في قياس المجال الكهربائي صغيرة جدا
حتى لا تؤثر في الشحنات الأخرى
لا تعتمد شدة المجال الكهربائي عند نقطة على مقدار شحنة الأختبار
لأن /E = F ، وكلما زادت شحنة الأختبار زادت القوة بنفس النسبة فتبقى شدة المجال ثابتة
لا يمكن لخطوط المجال الكهربائي أن تتقاطع
لأنه لو تقاطع خطا مجال لتحركت وحدة الشحنات الموجية عند نقطة التقاطع في اتجاهين متعاكسين وهذا مستحيل
توزيع الشحنات الكهربائية وتقاسمها
١. عند تلامس کرتین فلزيتين متساويتين في الحجم إحداهما مشحونة والأخرى متعادلة ، تنتقل الشحنات من الكرة المشحونة إلى المتعادلة دون التأثير بقوة خارجية إلى أن يصبح فرق الجهد بينهما صفر ، وتتوزع الشحنات على الكرتين بالتساوي .
۲- عند تلامس كرتين مختلفتين في الحجم تنتقل الشحنات إلى الكرة ذات الجهد الكهربائي الأقل إلى أن يصبح فرق الجهد بينهما صفر ، وسيكون للكرة الكبرى شحنة أكبر عند الوصول إلى حالة الاتزان جهد متساو
٣- تتوزع الشحنات على الكرات المنفردة أو أي موصل آخر بحيث تكون القوة المحصلة المؤثرة في كل منها صفرا ، وبدون قوة محصلة لا يوجد مجال كهربائي أو مركبة له موازية لسطح الموصل ، لذا لا يوجد فرق في الجهد الكهربائي بين أي نقطتين على سطحه ، ويكون سطح الموصل المشحون سطح تساوي جهد
٤- إذا تم تأريض جسم مشحون مثل صهاريج نقل البترول أو أجهزة الحاسوب بوصله بالأرض ، فتنتقل غالبا أي شحنة عليه إلى الأرض إلى أن يصبح فرق الجهد الكهربائي بين الجسم والأرض صفرا .
المجالات الكهربائية بالقرب من الموصلات
١- تتوزع الشحنات الكهربائية على موصل مشحون مبتعدة عن بعض أبعد ما يمكن ، بحيث تكون طاقة النظام أقل ما يمكن ، مما يؤدي إلى توزيع الشحنات الفائضة على سطح الموصل المصمت.
۲. إذا كان الموصل أجوف فستتوزع الشحنات على سطحه الخارجي ، ولن يكون هناك أي شحنات على سطحه الداخلي .
٣- يعتمد المجال الكهربائي حول موصل مشحون على شكل الموصل وفرق الجهد الكهربائي بين الموصل والأرض
٤- عند الرؤوس المدببة من سطح الموصل تكون الشحنات أكثر قربا بعضها من بعض ، لذا تكون خطوط المجال الكهربائي عند هذه الرؤوس أكثر تقاربا ، وتكون شدة المجال الكهربائي أكبر ، وإذا أصبحت شدة المجال كبيرة بدرجة كافية فإنه يكون قادرا على مسارعة الإلكترونات والأيونات الناتجة عن مرور الأشعة الكونية خلال الذرات ، وبتأين المزيد من الذرات ينتج وهج وردي اللون ، وإذا كان المجال كبيرا بدرجة كافية فتنتج حزمة من الأيونات والإلكترونات التي تشكل البلازما - هي مادة موصلة - عندما تصطدم الجسيمات بجزيئات أخرى ، وتصدر شرارة كهربائية ، وفي الحالات الشديدة ينتج البرق .
٥. في مانعة الصواعق يكون القضيب مدبب جدا ويكون المجال الكهربائي كبيرا بالقرب من طرفه ، فيتشكل مسارا موصلا من طرف القضيب إلى الغيوم أو العكس ، فتفرغ شحنات الغيمة في صورة شرارة كهربائية في قضيب مانعة الصواعق وتتفرغ بصورة آمنة إلى الأرض بدلا من تفريغها في المدخنة أو أي نقطة مرتفعة في المنزل أو البناية .
تخزين الشحنات (المكثفات)
المكثف الكهربائي " هو جهاز يستخدم لتخزين الشحنات الكهربائية "
ملاحظة هامة :
عند إضافة كمية من الشحنة إلى كرة صغيرة بعيدة عن الأرض فإن فرق الجهد بينها وبين الأرض يزداد ، وتكون سعتها الكهربائية قليلة ، أما الكرة الكبيرة فيمكنها أن تخزن كمية شحنات أكبر عند فرق الجهد نفسه ، لذلك تكون سعتها الكهربائية أكبر
تركيب المكثف :
تتكون جميع المكثفات من موصلین مشحونين بشحنتين متساويتان في المقدار ومختلفتان في النوع ( إحداهما موجبة والأخرى سالبة ) ، ويفصل بين الموصلين مادة عازلة .
السعة الكهربائية لمكثف : " هي النسبة بين الشحنة على أحد لوحي المكثف وفرق الجهد بينهما "