اوراق عمل وملخص وحدة القوى الكهروستاتيكية فيزياء الصف الثاني عشر متقدم - نموذج 1
1.3 العوازل والموصلات وأشباه الموصلات والموصلات فائقة التوصيل
الموصلات: مواد جيدة التوصيل للكهرباء (و تتفاوت فيما بينها بين الجيد والرديء)، تركيبها الالكتروني يسمح لبعض الالكترونات بحرية الحركة خلالها.
مثل : ( المعادن كالنحاس، محلول ملح الطعام المائي (NaCl) ( أيونات ) ، الأنسجة العضوية ( غير جيدة للتيارات الصغيرة )
العوازل: مواد عديمة التوصيل للكهرباء ( و تتفاوت فيما بينها بين الجيد والرديء)، الالكترونات ليست حرة الحركة بسبب ارتباطها القوي بذرات المادة
مثل : ( الزجاج، البلاستيك، القماش، ........)
أشباه الموصلات: هي أساس كل الصناعات الإلكترونية الدقيقة، وتتغير هذه المواد من موصلة إلى عازلة والعکس.
نوعا أشباه الموصلات
1- أشباه الموصلات النقية ( البلورات النقية كيميائيا مثل زرنيخ الجاليوم، الجرمانيوم، السيليكون،..)
2- أشباه الموصلات غير النقية ( بتطعيم النقية بمواد أخرى تعمل إما مانحات للإلكترونات أو مستقبلة لها ) ومنها نوعان :
* النوع n ( أشباه الموصلات المطعمة بمانحات الالكترونات حيث تشير الى الشحنة السالبة negative )
* النوع p ( أشباه الموصلات المطعمة بمستقبلات الالكترونات حيث م تشير الى الشحنة الموجبة positive ) و ناقلات التيار في أشباه الموصلات هي الشحنات الموجبة ( الفجوات ) والسالبة ( الالكترونات )
الموصلات الفائقة التوصيل : مواد مقاومتها لتوصيل الكهرباء صفر، لا يحدث فقد للطاقة خلال مرور التيارات الكهربائية خلالها، ويشترط أن تكون هذه المواد عند درجة حرارة منخفضة جدا مثل : ( سبيكة النيوبيوم والتيتانيوم عند درجة الحرارة ( 4.2K )
• درجة الحرارة الحرجة (7): أعلى درجة حرارة تسمح بالموصلية الفائقة. الموصلات الفائقة التوصيل عالية الحرارة تكون عند درجة حرارة النيتروجين السائل ( 77.3K)
لم تكتشف مواد فائقة التوصيل حتى الآن عند درجة حرارة الغرفة ( 300 ).
1.4 الشحن الكهروستاتيكي
هو عملية شحن الجسم بشحنة ساكنة عن طريق التوصيل ، الحث ، الدلك .
ملاحظات : يوفر مصدر الطاقة البطارية) الشحنات الموجبة والسالبة .
يمكن شحن القضبان العازلة بالشحنات الموجبة أو السالبة بواسطة البطارية . ويمكن التخلص من الشحنات الفائضة عن طريق التوصيل بالأرض عملية التأريض.
الكشاف الكهربائي جهاز يظهر استجابة ملحوظة عند شحنة .
الوظيفة 1- الكشف عن الحالة الكهربائية للجسم (مشحون أو غير مشحون)
2- الكشف عن نوع شحنة جسم مشحون مسبقا وذلك باستخدام كشاف مشحون بشحنة معلومة وعندا لمس الكشاف بالجسم اذا زاد انفراج الرقائق المعدنية للكشاف يكون للجسم نفس شحنة الكشاف والعكس صحيح .
تركيب الكشاف الكهربائي * قرص معدني متصل بساق معدنية وفي نهايتها شريطين من رقائق معدنية رفيعة جدا متصلين عند طرف واحد قابل للدوران ويعتمد مقدار الدوران على كمية شحنة الكشاف أو شحنة الجسم المشحون .
* اطار زجاجي يحيط بالمكونات لتقليل تأثير الهواء على الرقائق المعدنية .
طرق شحن الأجسام بالكهرباء الساكنة
1. الشحن بالتوصيل (التلامس)، يتم الشحن عن طريق ملامسة الجسم المشحون والجسم المتعادل .
- شحنة الجسمين بعد التلامس تكون من نفس النوع .
- تقل شحنة الجسم المشحون (المؤثر .
- مجموع شحنتي الجسمين قبل التلامس = مجموع شحنتيهما بعد التلامس .
شحن الجسم الموصل بطريقة التوصيل تتوزع الشحنات بانتظام على أجزاء الموصل
شحن الجسم العازل بطريقة التوصيل تبقي الشحنات علي العازل في مكان التلامس فقط
2. الشحن بالحث (التاثير): عملية شحن الموصل بوضعه بالقرب من جسم اخر مشحون .
الخطوات أ. جعل الكشاف أو الموصل غير مشحون عن طريق التأريض .
ب. تقريب المؤثر من الكشاف الكهربائي أو الموصل دون ملامسته فيتكون على طرف الموصل القريب من المؤثر شحنة مقيدة لحدوث تجاذب بينها وبين شحنة المؤثر وعلى الطرف البعيد شحنة حرة
ج- توصيل الكشاف او الموصل بالأرض للتخلص من الشحنات الحرة مع عدم ازالة المؤثر ، ثم ازالة وصلة التأريض
د. ابعاد المؤثر تاركا الكشاف مشحون بشحنة مخالفة للمؤثر.
* مميزات الشحن بالحث .
- يصلح في حالة المواد الموصلة فقط .
- شحنة المؤثر لا تقل
- الشحنة النهائية الناتجة مخالفة للمؤثر. .
- مقدار الشحنة على الموصل لا تساوي شحنة المؤثر الا اذا كان عبارة عن لوحين متوازيين متقابلين بينهما مسافة صغيرة أو أن الجسم يحيط تماما بالمؤثر
3- الشحن بالدلك : هي عملة فصل الالكترونات من مادة متعادلة عند دلكها بمادة متعادلة اخرى.
* مميزات الشحن بالدلك
- تصلح هذه الطريقة الشحن الموصلات والعوازل مع ضرورة الامساك بالموصل بمادة عازلة حتى لا يحدث تفريغ للشحنات الى الارض.
- ينتج جسمان لهما نفس مقدار الشحنة ولكنهما مختلفان في النوع .
- كلما زادت شدة الاحتكاك زاد انتقال الشحنات
- يعتمد نوع الشحنة التي يكتسبها الجسم أثناء الدلك على نوعية تلك المواد كما هو موضح بالشكل
اختر الإجابة الصحيحة
يتحرك الموصل المتصل نصلة بعيدا عن الموصل الثابت عند شحن الكشاف الكهربائي لأن
a) الشحنات المتماثلة تتنافر.
b) الشحنات المتماثلة متجاذبه
C) الشحنات المختلفة تتجاذب
d) الشحنات المختلفة تتنافر
تدريبات
حدد على الكرات توزيع الشحنات في كل شكل
في أي الطرق يتم انتقال للشحنة من الساق إلى الكرة ؟
في أي الطرق يصبح للكرة شحنة ( اضافية ) بعد أبعاد الساق المشحونة ؟
في أي الطرق يتم شحن الكرة بالتوصيل
في أي الطرق يتم شحن الكرة بالحث ؟
في الشكل المجاور ، المؤثران متماثلان تماما ، والكرات موصلة و متعادلة .إذا أبعدت الكرة (B)، فحدد شحنة كل كرة .
1 مرشح الترسيب الكهروستاتیکي
من تطبيقات الشحن الكهروستاتيکي والقوى الكهروستاتيكية إزالة الانبعاثات الدخانية من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم. يستخدم جهاز مرشح الترسيب الكهروستاتيكي (ESP) لإزالة الرماد والجسيمات الأخرى التي تنتج عن احتراق الفحم لتوليد الطاقة، ويوضح الشكل 118 آلية عمل هذا الجهاز
يتكون مرشح الترسيب الكهروستاتيكي من أسلاك وألواح، ويكون للألواح جهد كهربائي سالب عال مقارنة بالجهد الكهربائي الموجب لمجموعة الألواح امصطلح الجهد الكهربائي المستخدم هنا هو المصطلح الدارج وفي الوحدة 3 سنحدد مفهوم هذا المصطلح من حيث فرق الجهد الكهربائية. في الشكل
1.18 بدخل غاز العادم الناع عن احتراق الفحم من بسار مرشح الترسيب الكهروستاتیکي، وحمل الجسيمات المارة بالقرب من الأسلاك شحنة سالبة، لذا تنجذب هذه الجسيمات إلى الألواح موجبة الشحنة وتلتصق بها. ويستمر مرور الغاز عبر مرشح الترسيب الكهروستاتيكي البخرج من الجانب الآخر خاليا من الرماد والجسيمات الأخرى، ثم تهز الألواح لإسقاط المادة المتراكمة عليها في حاوية موجودة أسفل الألواح وتستخدم هذه المادة في أغراض كثيرة، منها مواد البناء والأسمدة، يوضح الشكل
1.19 مثالا محطة توليد طاقة تعمل بالفحم تستخدم مرشح ترسیب کهروستاتیکا
الشكل 1.18 آلية عمل مرشح الترسيب الكهروستاتيكي الذي يستخدم في تنظيف غاز القادم المنبعث من محطاته توليد الطاقة التي تعمل بالشحم بوضع الشكل منقرة علوية للجهاز
- طابعة الليزر
قد طابعة الليزر مثالا آخر للأجهزة التي تستخدم القوى الكهروستاتيكية. ويوضح الشكل 1.21 آلية عمل هذه الطابعة، توضح الأسهم الزرقاء مسار الورقة، حيث سحب الورقة من علبة الورق أو تلقم بدويا عبر علبة تلغيم الأوراق البديلة. ثم تمر الورقة فوق أسطوانة حيث بوضع مسحوق الحبر على سطح الورقة، ثم تمر بوحدة صور تذيب جزيئات مسحوق الحبر لتثبته بشكل دائم على الورقة ان يكون جسم الأسطوانة فلزيا ومطلبا مادة معينة حساسة للضوء، ويعمل السطح الحساس للضوء کیازال يحتفظ بالشحنة في غياب الضوء، لكن يفرغ الشحنة بسرعة إذا سلط الضوء عليه. كما ندور الأسطوانة بحيث تكون سرعة حركة سطحها متماثلة مع سرعة الورقة المتحركة يوضح الشكل 122 المبدأ الأساسي لآلية عمل الأسطوانة
(a) الأسطوانة المشحونة بالكامل في طاعة الليزر ستنتج هذه الأسطوانة صفحة فارغة (6) أسطوانة يتم تسجيل سطر واحد من البيانات عليها بواسطة ضوء الليزر، حيث تتعادل الشحنة السالبة عند أي نقطة يسقط عليها ضوء الليزر، فتجذب النشاط مفرغة الشحنة مسحوق الحبر الذي ينتج صوره على الورق